CN104909419A - 一种气井压裂返排液分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气井压裂返排液分离装置，包括气液分离罐，所述气液分离罐上部出气口处设置有上浮球阀，下部出液口处设置有下浮球阀，所述上浮球阀和下浮球阀之间设置有折流分离板；所述气液分离罐一侧入口通过管线与返排液入口连接；所述气液分离罐与返排液入口之间的管线上还连接有消能器，气液分离罐上部出气口通过管线连接有气体收集器，气液分离罐下部出液口通过管线与液固分离器连接。本发明的压裂返排液分离技术及装置，采用立式分离，形成的液面较高，便于控制出液口；出气、液口采用浮球阀控制，实现了在气液比很大或很小时，出液口只能出液，出气口只能出气。

Description

一种气井压裂返排液分离装置

技术领域

本发明涉及油气田开发安全环保领域，特别涉及一种气井压裂返排液分离装置。

背景技术

长庆油田现有气井近700口，压裂是气井增产的主要措施之一。在压裂作业结束后，返排液中混有大量的天然气，为了经济有效地进行天然气、压裂液分离，设计合适的分离装置是非常重要的。

当前气井常规压裂后的排液工艺中，只是在测试求产阶段用到气液分离装置，在放喷排液过程中，因砂液的快速冲蚀作用，没有采用分离装置进行分离，而是将放喷液体返排到排液池中进行分离和燃烧。排液池中的各种液体成份比较复杂，所以没有回收再利用，而是靠燃烧气体的热量或自然蒸发将液体进行处理，部份液体渗漏到地下，给当地环境造成污染；施工需要大量的水资源，基本上都来自于地表水。由于大量的使用地表水，使地面水位下降，使草原退化，造成了当地生态的荒漠化。所以压裂液的回收与利用显得优为重要。

压裂施工后，返排液的分离有两种情况，当气液比较小，且流量较小，出气量达到5000方/天以下时，可采用常压分离，现场有过这样的分离装置进行过分离；存在的缺点是，在常压下进行气液分离，分离装置处理液气量较大时，分离装置普遍比较笨重，使用困难，受砂液冲蚀，使用寿命短；加之受井内返出气液比较大变化的影响，分离效果不充分，分离出的气体携带部分液体，影响到排液过程的点火燃烧，不利于压裂液的正常排放。

当气液比大，且流量较大，液体流量在1方/分，气体流量为5000方/天以上时，采用常压分离所需分离装置的体积太大，不能经济适用，所以气井排液时，不采用气液分离装置分离，而是放喷到排液池中自然分离；排污池底部为了防止渗透到地下，污染地表水，在排污池底部铺有防渗布，当气体出来以后，要进行点火，燃烧的火焰会将防渗布烧毁，压裂液会渗入地下形成污染。采用排液池自然分离方式将井内液体基本上排完以后，井内所出的气体中含液量很小时，才采用气液分离装置进行求产，测试气井的产能。

气液分离装置是一项比较成熟的技术，其作用原理是根据多种流体的物理性质不同，利用重力，遮流，离心等方式进行分离。由于气体和液体具有不同的密度，重力使得气体首先被分离到分离装置顶部，较重的液体沉降到分离装置的底部，较轻的液体上升到分离装置的中部。

求产气液分离装置，是在高压下进行分离的，其分离气体的能力达到30万方/天，出气口是通过一个节流器排出气体，节流器的直径在8mm以内，分离装置的工作压力达到10MPa以内；进行分离时，出液口是关闭的，当液位上升到一定程度后，需要人工去打开阀门进行排液；若不能进行及时的排液，出气口可能要出液体，导致分离出的气体中含有大量的水份，甚至将点火系统的火苗熄灭，导致可燃气体弥漫，引起爆燃事故。

通过以上的技术背景分析，为了将放喷过程中返出的气体及液体进行有效的处理与回收，必须解决返出压裂液中气、液、砂的分离问题，但该分离是在高压高流速，气液中含有一定浓度砂粒的情况下进行分离的，因此，要将放喷液体进行分离不是一件容易的事，必须采用一定的技术原理及方法措施，才能解决好。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种气井压裂返排液分离装置，解决气井压后返排过程中，高压气体与固液混合物快速彻底分离的技术难题。

本发明采用的技术方案为：

一种气井压裂返排液分离装置，包括气液分离罐，所述气液分离罐上部出气口内设置有上浮球阀，下部出液口内设置有下浮球阀，气液分离罐内部设有折流分离板，所述折流分离板位于上浮球阀和下浮球阀之间；所述气液分离罐一侧入口通过管线与返排液入口连接；该管线上还连接有消能器，气液分离罐上部出气口外通过管线连接有气体收集器，气液分离罐下部出液口外通过管线与液固分离器连接。

所述气液分离罐上部通过管线设有安全阀，所述气液分离罐的一侧设置有磁翻板液位计。

所述出气口位于气液分离罐的顶部，出液口位于气液分离罐的底部，且出气口与出液口位于同一垂直线上。

上浮球阀和下浮球阀外部均设置有浮球阀保护壳。

所述返排液入口与消能器之间设置有第一节流器。

所述液固分离器与返排液入口之间设置有第二节流器。

所述气液分离罐上部设有的溢流出口与液固分离器通过管线连接，该管线上设置有溢流阀。

所述气液分离罐为立式气液分离罐。

本发明的有益效果为：

1.本发明的压裂返排液分离技术及装置，采用立式分离，形成的液面较高，便于控制出液口；出气、液口采用浮球阀控制，实现了在气液比很大或很小时，出液口只能出液，出气口只能出气。

2.该装置是砂液直接进入分离器内进行气体分离，将分离出的气体从顶部排出后点燃，或排到集输站。

3.本发明的分离装置，承压能力为4MPa，工作压力为2.0MPa，可降低气体降压膨胀后推动砂液提高流速，进一步降低对分离器罐体的冲蚀。并且利用承压能力，可以充分利用井内压力将分离出的液体直接返到储液罐中，不必再连接排液泵，节约能源。

4.该装置出液口浮球阀采用浮球加杠杆原理，能够达到对砂液进行密封的技术要求。出气口及出液口浮球阀能整体取出，便于维护。

5.该装置结构简单，无需对分离器进行自动化控制。

    以下将结合附图进行进一步的说明。

附图说明

图1一种气井返排气液分离装置结构图。

图中，附图标记如下：

1、返排液入口；2、第一节流器；201、第二节流器3、消能器；4、折流分离板；5、液面上限；6、 浮球阀保护壳；7、 安全阀；8、上浮球阀；801、下浮球阀；9、磁翻板液位计；10、溢流阀；11、气体收集器；12 气液分离罐；13、液固分离器；14、溢流口；15、出气口；16出液口。

具体实施方式

实施例1：

为了解决气井压后返排过程中，高压气体与固液混合物快速彻底分离的难题本发明提供如图1所示的一种气井返排气液分离装置，在气井压裂返排作业中，分离液、气、砂，实现了在气液比很大或很小时，出液口只能出液，出气口只能出气。

一种气井压裂返排液分离装置，包括气液分离罐12，所述气液分离罐12上部出气口15处设置有上浮球阀8，下部出液口16处设置有下浮球阀801，所述上浮球阀8和下浮球阀801之间设置有折流分离板4；所述气液分离罐12一侧入口通过管线与返排液入口1连接；所述气液分离罐12与返排液入口1之间的管线上还连接有消能器3，气液分离罐12上部出气口15通过管线连接有气体收集器11，气液分离罐12下部出液口16通过管线与液固分离器13连接。

在气液分离罐12之前先对井内返出的混和液进行节流降压，使井内返出的气、液、砂混和液，在2MPa压力的气液分离罐12内通过折流分离版4进行重力或遮流分离；气液分离罐12首先从上端出气口15分离出天然气进入气体收集器11处理气体，将后续的砂液，从气液分离罐12底部出液口16排放到液固分离器13中进行分离。

后续对分离后的气、液、砂分别进行精细化处理，达到回收利用的质量要求。

所述出气口15位于气液分离罐12的顶部，出液口16位于气液分离罐12的底部，且出气口15与出液口16位于同一垂直线上

由于井内的压力达35MPa,所研发的气井压裂返排液的分离装置承压能力在2MPa以内，混和液进入分离装置之前液体的压力必须降下来，以达到分离装置安全工作的压力内。

通过连接在放喷管线上的节流器，进行节流控制放喷后，是在≤35MPa的压力下，通过第一节流器2，将高压转换为低压力2MPa，放喷流量控制在1方/分，油管内流速达到5.52米/秒的高速流体，喷嘴射流流速达到262米/分，且含砂，对所有的金属部件会造成严重的冲蚀，使该段放喷管线的使用寿命很短。因此，在进入除砂分离前，应对液流的能量进行消减。

气液分离罐12内有设有折流分离板4，对气液进行遮流分离和重力分离。

上浮球阀8和下浮球阀801通过液面的变化，起到开关的作用，上浮球阀8可以封堵出气口15，或者打开出气口15，排出气体。下浮球阀801根据液面的变化，打开出液口16，排出分离液体。

实施例2：

基于实施例1的基础上，气体收集器11将将分离出的气体点燃或排到集输站。

所述气液分离罐12上部还设有安全阀7。

安全阀7是当压力超过所设定的额定压力时，安全阀7打开，泄压。本实施例中额定压力为4MPa。

所述气液分离罐12上部溢流出口与液固分离器13通过管线连接，该管线上设置有溢流阀10。

所述返排液入口1与消能器3之间设置有第一节流器2。

所述液固分离器13与返排液入口1之间设置有第二节流器201。

其中，第一节流器2，对进入气液分离罐的流量进行自动调节，防止分离罐体超压，使流体平稳进入分离装置内，减小对罐体的冲蚀，第二节流器201还有分流的作用。

消能器3对节流后的流体进行消能，防止砂液刺穿气液分离罐壳体。

所述气液分离罐12上部溢流出口与液固分离器13通过管线连接，管线上设置有溢流阀10。

溢流阀10是当液面上升到最高位时，到液面上限5，溢流阀10打开，液体排出。

所述气液分离罐12内部设置有两个液面上限5。

气井压裂返排液分离装置的承压能力为4MPa，工作压力为2.0MPa。

气液分离罐12的罐容的体积及承压：最大承压2MPa ，安全系数为2.0，工作压力2 MPa ，容积2方以内，其高度与直径的比为4：3；在2MPa的容器内进行分离是常压20倍的气液分离能力；根据气体体积与压力的关系，相当于常压下40方罐的分离能力。

所述气液分离罐12为立式气液分离罐。

为了确保罐内液柱的压力较高，减少压力场形成的旋窝对出液口16形成出气的问题，因此，本实施例采用立式气液分离罐，立式分离方式较卧式分离因其形成的液面较高，便于控制出液口16，达到出液口16只出气不出液。

也就是将井内气体高压势能，通过第一节流器2作用，转化成了高速流动的混和液动能，须对返出的混和液进行削能处理后，使其流速降下来，达到平稳流态后，再进入气液分离罐12，使造价昂贵的气液分离罐12得以保护，延长其使用寿命。

消能器3对节流后的流体进行消能，防止砂液刺穿气液分离罐12壳体，使流体平稳进入气液分离罐12内，减小对罐体的冲蚀，将其连接在气液分离罐12的入口端进行能量消减，当其损坏后可以及时更换，达到保护除砂分离装置的作用。

实施例3：

基于实施例1和实施例2的基础上，气液分离罐12上部出气口15及下部出液口16直径的设计计算

（1）设计目的：保证气液分离罐12具有一定的节流能力，且使其工作压力达到2 MPa下进行分离。

（2）设计依据：气井放喷排液时最大纯液体的流量为1方/分；在放喷中后期，气液比达到50%以上时，混和液中气体的流量最大为≤10万方/天；气液分离罐12的最高承压能力为4MPa,工作压力为2 MPa，安全系数为2.0，依据这些参数，对气液分离罐12的出气口15及出液口16参数进行设计计算。

（3）气液分离罐的出气口直径计算

当罐内有2MPa压力，且节流口直径为18mm时，依据一点法求产计算公式，天然气的排出流量：186×18²×2×9.8÷SQR(0.58×300)=96442方/天；满足分离装置分离能力≤10万方/天的技术要求。所以确定该气液分离罐12的出气口15直径为18mm。

（4）分离装置出液口直径计算

当放喷最大出液量控制在1方/分时，要使罐内有2 MPa压力，依据文丘里节流计算公式，出液口16直径经计算为18mm时，节流压力达到2.13MPa，与气液分离罐12的工作压力相近,确定出液口16直径为18mm。

综上所述本实施例在保证分离装置具有一定的节流能力，且使其工作压力达到2 MPa下进行分离时，所采用的节流口直径为18mm时本实施例中的气液分离罐12的出气口15直径为18mm，出液口16直径为18mm。

实施例4：

基于上述三个实施例，为了解决排气口会出液，出液口16会出气的问题，本实施例提供如图1所示采用两个浮球阀来解决；要达到设备运行的安全可靠要求以下对浮球阀进行计算。

（1）排液浮球阀设计

罐内压力2MPa，出液口16阀门直径18mm，计算出浮球阀所要克服的罐内阻力为F=(18÷10)²×3.14÷4×2×9.8=50Kg，当采用比重略小于1的材料制做时，浮球阀的体积：50升。

（2）排气浮球阀设计

罐内压力2MPa，出气口15阀门直径20mm，计算出浮球阀所要克服的罐内阻力为F=(20÷10)²×3.14÷4×2×9.8=62Kg，当采用比重小于1的材料制做时，其体积为：65升。

综上所述下排液浮球阀的体积为50升，上排气浮球阀的体积为65升。

浮球阀的工作原理：

（1）出气口只出气的原理：如图1中所示，当开始放喷时，井内只出液不出气，此时，浮球阀上升，将出气口15堵住，出气口15不出气；当放喷一段时间后，井内液体中会分离出一定的气体，气体占据一定的空间，罐内液位下降；当液位下降到浮球阀以下时，浮球阀依靠自身的重量，克服罐内最大2MPa的压力，打开出气口15排气；由于气体的排放速度快，罐内气体的压力很快就降下来；当液面再上升时，浮动阀沿其轨道上升，再将出气口15堵住；如此往复，可确保出气口15不出液。

（2）出液口只出液不出气的原理：当罐内没有液体或液位较低时，浮球阀靠重力作用，将出液口16堵住，不出液；当液位上升时，浮球阀的浮力要求能在罐内2MPa的压力差下，打开阀门，液体在罐内气体压力的作用下，直接排到储液罐中；当罐内压力减小，液位下降到阀门处时，浮球阀靠重力的作用关闭出液口16；从而达到只出液不出气的要求，且能将罐内液体依靠井内压力输送到储液罐中。

实施例5：

基于上述四个实施例的基础上，所述气液分离罐12的一侧设置有磁翻板液位计9。

本实施例采用磁翻板液位计9观测分离装置内的液面，其液位管的两头分别与罐内的压力连通，其管内的磁性浮球，浮动在与罐内液面等高的液位上，通过感应其浮球的位置，就可以探测罐内液面的高度。

其液位管的两头分别与罐内的压力连通，其管内的磁性浮球，浮动在与罐内液面等高的液位上，通过感应其浮球的位置，就可以探测罐内液面的高度，在密闭抽汲罐上得以应用，也可将其原理用在分离装置上，对液面进行探测，对气液分离罐12的分离能力及分离的稳定性进行评价。

实施例6：

基于上述五个实施例的基础上，上浮球阀8和下浮球阀801外部均设置有浮球阀保护壳6，所述浮球阀保护壳6位于气液分离罐12。

所述的上浮球阀8和下浮球阀801结构相同，由L形连杆和与连杆L形连接的浮球阀组成。

内部浮球阀保护壳6保护由浮球阀和连杆组成的浮球阀连杆装置8，减少液体的冲蚀。

气液分离罐12内流体的出口速度及压力流场问题，严重影响到出液口16不出气的控制要求。当液位较低，罐内压力高时，最直接和明显的是罐内出液口16形成的旋窝，液面上的气体压力越大，形成的旋窝越深，出气的可能性越大；所以，出液口16在罐内液面较高时，采用液面高度来控制出液口16不出气是很难做到的。

当旋窝形成时，浮球阀会在重力作用下，填补旋窝形成的空间，占据气体形成的低压空间，浮球阀会逐渐下移，当下移至出口位置时，自动封堵出液口16，不会使气体从出液口16排出；当浮球堵住出液口16后，液体在重力作用下，即刻补平旋窝形成的空间，将浮球阀全部掩盖起来，此时，在浮球的作用下，浮球上移打开出液口16；出液口16再次出液，浮球阀再次下行；形成往复循环式的开启与关闭，在分离装置出液口16的表现为排出流量时断时续，或间歇性排出液体。

 本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (8)

1.一种气井压裂返排液分离装置，其特征在于：包括气液分离罐（12），所述气液分离罐（12）上部出气口（15）内设置有上浮球阀（8），下部出液口（16）内设置有下浮球阀（801），气液分离罐（12）内部设有折流分离板（4），所述折流分离板（4）位于上浮球阀（8）和下浮球阀（801）之间；所述气液分离罐（12）一侧入口通过管线与返排液入口（1）连接；该管线上还连接有消能器（3），气液分离罐（12）上部出气口（15）外通过管线连接有气体收集器（11），气液分离罐（12）下部出液口（16）外通过管线与液固分离器（13）连接。

2.根据权利要求1所述的一种气井压裂返排液分离装置，其特征在于：所述气液分离罐（12）上部通过管线设有安全阀（7），所述气液分离罐（12）的一侧设置有磁翻板液位计（9）。

3.根据权利要求1所述的一种气井压裂返排液分离装置，其特征在于：所述出气口（15）位于气液分离罐（12）的顶部，出液口（16）位于气液分离罐（12）的底部，且出气口（15）与出液口（16）位于同一垂直线上。

4.根据权利要求1所述的一种气井压裂返排液分离装置，其特征在于：上浮球阀（8）和下浮球阀（801）外部均设置有浮球阀保护壳（6）。

5.根据权利要求1所述的一种气井压裂返排液分离装置，其特征在于：所述返排液入口（1）与消能器（3）之间设置有第一节流器（2）。

6.根据权利要求1所述的一种气井压裂返排液分离装置，其特征在于：所述液固分离器（13）与返排液入口（1）之间设置有第二节流器（201）。

7.根据权利要求1所述的一种气井压裂返排液分离装置，其特征在于：所述气液分离罐（12）上部设有的溢流出口（14）与液固分离器（13）通过管线连接，该管线上设置有溢流阀（10）。

8.根据权利要求1所述的一种气井压裂返排液分离装置，其特征在于：所述气液分离罐（12）为立式气液分离罐。