CN105781517B - 一种海底沉箱式气液分离器及方法 - Google Patents

Abstract

一种海底沉箱式气液分离器，包括上部的气液旋流分离模块、下部的沉箱模块及其内部的电潜泵管串。所述气液旋流分离模块为扩径缓冲加螺旋下倾的入口整流管设计，可实现段塞流的有效缓冲，缩小分离器安装空间，促进液塞的耗散，提高分离器分离效率；所述沉箱模块安装于海床泥线以下，与气液旋流分离模块通过螺纹连接，其内部电潜泵管串包括电潜泵、除砂导叶、消泡装置、压力传感器及单流阀、泄油阀等，可实现液相增压、液位控制、液塞捕集、控砂消泡等功能。利用本发明在海底进行气液分离，气体自然举升，液相增压输送，可减小井口背压，提高采收率，加速油田生产；同时可消除海底立管段产生的段塞流，有效避免水合物的生成。

Description

一种海底沉箱式气液分离器及方法

技术领域

本发明涉及一种海底沉箱式气液分离器及方法，属于海洋石油工程领域。

背景技术

目前，世界范围内的油气资源开发正在向深水、极深水延伸。深海油田的开采过程一般包括水下生产井完井、采油树与井口回接采集油气资源、各油井管线通过跨接管与管汇系统连接、海底立管输送油气至海上平台、海上平台处理油气及贮存输送等环节。

随着油气资源的开采不断加剧，海底油田面临一系列问题：产出水不断增加，浮式生产设施的水处理负荷加重；井口背压增大，造成油井产量下降；储层压力不断降低，采收率下降；海底立管油气水混输，易在管道中形成水合物造成管道冰堵；井口采出液中含砂对生产系统存在潜在破坏。

在水下生产系统中增设各种水下处理设施来解决上述问题，而水下分离器在其中扮演着至关重要的角色。井口采出的多相流体经管汇汇集后，没有经海底立管直接输往水上处理设施，而进入水下分离器在海底完成气液分离。现有的传统卧式分离器利用液体和气、固密度的不同而受到重力的不同来实现分离，但是其应用于海底气液分离，体积较大，安装困难，投资高，且大口径的筒体不利于克服深海水压；而利用离心力原理实现气液分离的旋流分离器处理空间较狭小，对气液比的变化过于敏感，可靠性不足。

为了适应海底气液分离环境，有必要发明一种海底分离装置，该装置应克服现有分离器在深海环境中的缺点，结构更加紧凑、承压能力更好及对气液比的适应能力较强，为深水油气田的经济、安全开采提供保障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有分离器在深海环境中分离性能不足，提供一种海底沉箱式气液分离器及方法，实现气液分离、液相增压输送、气相自然举升、液位控制、液塞捕集、控砂消泡等功能。

本发明提供的一种海底沉箱式气液分离器，它包括上部的气液旋流分离模块、下部的沉箱模块，所述的气液旋流分离模块与沉箱模块中的沉箱通过螺纹连接，所述的沉箱内部还设有电潜泵管串。

所述气液旋流模块入口段为扩径缓冲加螺旋下倾的入口整流管设计，包括依次连接的入口来流管、扩径缓冲管、大角度弯管、螺旋下倾管及渐缩喷管。所述扩径缓冲管角度不大于15°，且立管段容积可容纳一个液塞液量；所述大角度弯管作为扩径缓冲管与螺旋下倾管的连接构件；所述螺旋下倾管下倾角度为27°；所述减缩喷管的长度取2-5倍的螺旋管管径。所述气液旋流模块主分离筒体段依据柱状气液旋流分离器设计公式进行设计，所述主分离筒体顶部设有电潜泵管串悬挂装置。所述气液旋流模块出口段包括气相出口和液相出口，分布在主分离筒体上部侧面。

所述气液旋流分离模块与所述沉箱模块应用螺纹连接，螺纹规格参考API 6A/17D，连接处设有一支撑框架，所述支撑框架位于海底泥线处，从而使所述的气液旋流分离模块与沉箱模块分别位于海底泥线以上和海底泥线以下；所述支撑框架中部设有一朝下渐扩的喇叭口，所述沉箱顶部自支撑框架下方连接于喇叭口的下端口处，所述主分离筒体自支撑框架上方连接于喇叭口的上端口处。

所述沉箱模块包括一个沉箱，该沉箱外部有套管进行保护，所述沉箱内的电潜泵管串包括位于沉箱下部的电机，电机上部有保护器，保护器上部依次为离心泵的吸入口及离心泵，整个由电机、保护器、吸入口、离心泵组成的电潜泵被护罩包围；

所述护罩上部设有一圈轴向导叶、底部设有一圈止旋叶片，沉箱底部位于止旋叶片下方的部分为储砂室，沉箱底部设有向上的凸起，护罩底部为过滤装置；所述离心泵顶部的出口连接有液相管，液相管上安装有单流阀及泄油阀；所述液相管向上延伸至所述气液旋流分离模块的主分离筒体内部，并与主分离筒体侧面的液相出口管相连；

所述电潜泵管串上还设有上、中、下三个压力传感器，其中上压力传感器始终位于沉箱的气相空间内，中、下压力传感器位于沉箱的液相空间内，所述压力传感器通过传输电缆连接。所述沉箱设定液位处的液相管上，安装有泡沫消除装置，泡沫消除装置下部为平行板加热器、中部为不锈钢筛网、上部为保护挡板。

本发明的工作过程如下：

1、多相流体经过入口管段的扩径缓冲段及沿切线方向与主分离筒体相连的螺旋下倾段时产生初步分离，螺旋下倾管与主分离筒体之间的倾斜角度为27°；

2、气液相预分离后进入主分离筒体，由于密度不同导致所受离心力不同，密度大的液相沿主分离筒体的筒壁流到沉箱液相空间，通过电潜泵增压沿液相管线输送至水面设施；其中，电潜泵出口相连液相管上安装有单流阀及泄油阀，单流阀防止泵反转，泄油阀防止起泵时液相管中的井液在卸油管时流到地面上；

3、密度小的气相则上升至分离器气相空间，在其自身压力作用下通过气液分离模块的气相出口相连气相管线自然举升至水面设施。

4、从气液分离模块落下的液相经过电潜泵护罩外的轴向导叶后，其中的砂子在离心力作用下沿沉箱壁面进入沉箱底部的储砂空间，分离的液相经护罩下部的止旋叶片止旋后进入护罩内，并通过吸入口进入电潜泵；沉箱底部采用了凸起设计，确保分离出的砂不会在护罩正下方沉积；在电潜泵护罩内下部还设有过滤装置，对电潜泵进行二次保护。

5、安装时，将沉箱模块嵌入海床泥线以下，并在沉箱顶部安装支撑框架，用于支撑上部管线及气液旋流模块；沉箱底部腔室内安装电潜泵，在电潜泵周围设置护罩，引导液相流过电机，对电机进行冷却；

6、从气液分离模块落下的液相内会含有部分气体，液中含气会导致气液界面处发泡，在设定液位上部安装泡沫消除装置，泡沫经消除装置下部的平行板电加热器，在机械及温度双重作用下，降低泡沫表面张力导致液膜破裂；较小的泡沫经中间的不锈钢筛网通过切割、针刺及薄膜化来被消除；上部的保护挡板是防止落下的液相中的杂质堵塞泡沫消除装置；

7、沿沉箱垂直分布的三个压力传感器，测量压力值并将压力值转换成电信号。下部2个压力传感器用来测量液相密度，上部2个压力传感器得到的压差结合液相密度得到沉箱中液体的液位；该液位与设定液位进行比较，利用PID控制回路改变变频器的输出频率，从而使电潜泵抽吸相应的液相流量来控制液位稳定在设定液位处。

本发明的有益效果：

通过安装海底沉箱式气液分离器，在海底进行气液分离，气体自然举升，液体通过电潜泵增压输送，可减小井口背压，提高采收率，加速油田生产；同时可消除立管段产生的段塞流，并有效避免水合物的生成。

其中入口整流管内部不采用任何内部构件，可以保证其永久无故障运行；扩径缓冲管实现段塞流有效缓冲；螺旋下倾管大大缩小了分离器的安装空间，使水下分离器更加紧凑，同时促进了液塞向分层流动的耗散，提高了分离效率；渐缩喷嘴实现了气液两相的平稳加速，避免了对主分离筒体的冲击。

除砂结构采用了除砂与携砂相结合的方式，轴向导叶利用离心力原理将固体颗粒与液相分离，过滤装置设置合理大小的孔径，即阻止了大颗粒砂对电潜泵的侵害，又防止了细砂在沉箱底部的沉积，解决了沉箱分离器堵塞的问题；同时，大大地减小了所需的储砂空间。

泡沫消除装置利用加热、切割、针刺及薄膜化等方法，可解决气液界面处的发泡问题，消除由于发泡带来的液位测量不准确等问题，提高系统的稳定性。

利用沿沉箱垂直分布的三个压力传感器可以得到沉箱内的准确液位，通过PID控制回路及变频器对电潜泵进行变频可使沉箱内液位在稳定在设定液位处，实现沉箱内液位的精确控制，从而防止液位过高或过低带来的分离器分离效率下降。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的气液旋流分离模块示意图。

图3为本发明的渐缩喷管示意图。

图4为本发明的止旋叶片安装于护罩的示意图。

图5为本发明的轴向导叶安装于护罩的示意图。

图6为本发明的轴向导叶结构图。

图7为本发明的泡沫消除装置示意图。

其中，1—入口来流管 2—扩径缓冲管 3—大角度弯管 4—螺旋下倾管 5—渐缩喷管 6—液相出口管 7—气相出口管 8—主分离筒体 9—管串悬挂装置 10—支撑框架11—支撑框架喇叭口 12—螺纹 13—泥线 14—沉箱 15—套管 16—泄油阀 17—单流阀18—泡沫消除装置 19—保护挡板 20—不锈钢筛网 21—平行板加热器 22—设定液位23—电机 24—保护器 25—吸入口 26—离心泵 27—护罩 28—轴向导叶 29—止旋叶片30—储砂室 31—沉箱底部凸起 32—过滤装置 33、34、35—下、中、上压力传感器 36—上传电缆、37—下传电缆， 38—液相管。

具体实施方式

如图1-7所示，本发明的海底沉箱式气液旋流分离器，包括上部的气液旋流分离模块，其特征在于还包括下部的沉箱模块，所述的气液旋流分离模块与沉箱模块中的沉箱14通过螺纹连接，所述的沉箱14内部还设有电潜泵管串；

气液旋流分离模块包括入口来流管1，入口来流管1之后连接有扩径缓冲管2，实现段塞流的有效缓冲，扩径缓冲管2后连接有大角度弯管3，大角度弯管3将扩径缓冲管2与螺旋下倾管4 连接起来，螺旋下倾管4与主分离筒体8间呈27°的倾斜角，以促进液塞的耗散，提高分离效率，螺旋下倾管4内安装有渐缩喷管5，实现气液两相的平稳加速，避免对主分离筒体8的冲击；在主分离筒体8上部侧面设有液相出口管6及气相出口管7，液相出口管6与电潜泵管串中的液相管38相连；

气液旋流分离模块与沉箱模块的连接处设有一支撑框架10，该支撑框架10位于海底泥线 13处，而使所述的气液旋流分离模块与沉箱模块分别位于海底泥线13以上和海底泥线13以下，

所述的沉箱模块包括一个沉箱14，该沉箱14外部有套管15进行保护，所述沉箱14内的电潜泵管串包括位于沉箱14下部的电机23，电机23上部有保护器24,该保护器24用来密封电机的动力端，防止井液进入电机内部造成绕组短路，保护器24上部依次为离心泵的吸入口25及离心泵26，整个由电机23、保护器24、吸入口25、离心泵26组成的电潜泵被护罩27包围，护罩27主要功能是引导液相流过电机，对其进行冷却；

护罩27上部设有一圈轴向导叶28、底部设有一圈止旋叶片29，沉箱14底部位于止旋叶片 29下方的部分为储砂室30，沉箱14底部设有向上的凸起31，护罩27底部为过滤装置32；

离心泵26顶部的出口连接有液相管38，液相管38上安装有单流阀17及泄油阀16，单流阀 17防止离心泵26反转，泄油阀16防止起泵时液相管38中的井液在卸油管时流到地面上；液相管38向上延伸至气液旋流分离模块的主分离筒体8内部，并与主分离筒体8侧面的液相出口管6 相连；

电潜泵管串上还设有上、中、下三个压力传感器35、34、33，其中上压力传感器35始终位于沉箱14的气相空间内，中、下压力传感器34、33位于沉箱14的液相空间内；并利用上述沿沉箱14垂直分布的三个压力传感器33、34、35得到沉箱14中的液位；

三个压力传感器33、34、35的压力转换成电信号进行采集，电信号通过沉箱中的上传电缆36，并计算得到沉箱中液位高度后，将即时液位与设定液位22进行对比，如果液位偏高或偏低，则通过陆上上位机中的PID控制回路改变用于控制电机23的变频器的输出频率，输出频率转化成电信号通过下传电缆37传输到海底分离器中的电机23，通过改变电机23转速控制离心泵26的输出流量来使液位稳定在设定液位22上；

在沉箱14的设定液位22处的液相管38上，安装有泡沫消除装置18，泡沫消除装置18 下部为平行板加热器21、中部为不锈钢筛网20、上部为保护挡板19；平行板加热器21利用机械及加热双重作用使较大泡沫的表面张力降低，从而导致液膜破裂；较小的泡沫经中间的不锈钢筛网20，在切割、针刺及薄膜化作用下消除泡沫；上部的保护挡板19是防止落下的液相中的杂质堵塞不锈钢筛网20；

分离后的液相在下落过程中，经过护罩27上部的轴向导叶28产生径向运动，在离心力作用下实现固体颗粒与液相的分离，液相经护罩27下部的止旋叶片29后趋于稳定，固体颗粒则在经过止旋叶片29后落入下部的储砂室30，沉箱底部采用了凸起31，确保分离出的砂不会在护罩27正下方沉积，电潜泵护罩27内下部的过滤装置32设置有合理大小的孔径，即可阻止大颗粒砂对电潜泵的侵害，又可防止细砂在沉箱底部的沉积。

利用沿沉箱垂直分布的三个压力传感器33、34、35可得到沉箱中的液位，其原理如下所示：

1)得到液相密度

下部的压力传感器33与中部的压力传感器34的压力值分别为P₁、P₂，计算沉箱中液相密度ρ如式(a)所示：

式(a)中，H'为下部两个压力传感器的竖直距离。

2)得到液位高度

中部的压力传感器34与上部的压力传感器35的压力值分别为P₂、P₃，计算沉箱中液位高度H如式(b)所示：

式(b)中，ρ为式(a)中所求液相密度。

所述的支撑框架10中部设有一朝下渐扩的喇叭口11，所述沉箱14顶部自支撑框架10 下方连接于喇叭口11处，所述主分离筒体8自支撑框架10上方连接于喇叭口11处；且沉箱 14顶部设有内螺纹12，主分离筒体8底部设有外螺纹。

所述的主分离筒体8顶部还设有电潜泵管串悬挂装置9。

所述不锈钢筛网20采用厚度为1.5mm的不锈钢板制作，在板上加工有多个直径为3mm的小孔，所述平行板加热器21每相邻两个平行板间的间距为10mm。

所述轴向导叶28的流动转向角度为75°。

Claims (6)

1.一种海底沉箱式气液分离器，包括上部的气液旋流分离模块，其特征在于还包括下部的沉箱模块，所述的气液旋流分离模块与沉箱模块中的沉箱(14)通过螺纹连接，所述的沉箱(14)内部还设有电潜泵管串；

气液旋流分离模块包括入口来流管(1)，入口来流管(1)之后连接有扩径缓冲管(2)，实现段塞流的有效缓冲，扩径缓冲管(2)后连接有大角度弯管(3)，大角度弯管(3)将扩径缓冲管(2)与螺旋下倾管(4)连接起来，螺旋下倾管(4)与主分离筒体(8)间呈27°的倾斜角，螺旋下倾管(4)内安装有渐缩喷管(5)；在主分离筒体(8)上部侧面设有液相出口管(6)及气相出口管(7)，液相出口管(6)与电潜泵管串中的液相管(38)相连；

气液旋流分离模块与沉箱模块的连接处设有一支撑框架(10)，该支撑框架(10)位于海底泥线(13)处，从而使所述的气液旋流分离模块与沉箱模块分别位于海底泥线(13)以上和海底泥线(13)以下；

所述的沉箱模块包括一个沉箱(14)，该沉箱(14)外部有套管(15)进行保护，所述沉箱(14)内的电潜泵管串包括位于沉箱(14)下部的电机(23)，电机(23)上部有保护器(24)，该保护器(24)用来密封电机的动力端，保护器(24)上部依次为离心泵的吸入口(25)及离心泵(26)，整个由电机(23)、保护器(24)、吸入口(25)、离心泵(26)组成的电潜泵被护罩(27)包围；

护罩(27)上部设有一圈轴向导叶(28)、底部设有一圈止旋叶片(29)，沉箱(14)底部位于止旋叶片(29)下方的部分为储砂室(30)，沉箱(14)底部设有向上的凸起(31)，护罩(27)底部为过滤装置(32)；

离心泵(26)顶部的出口连接有液相管(38)，液相管(38)上安装有单流阀(17)及泄油阀(16)，单流阀(17)防止离心泵(26)反转，泄油阀(16)防止起泵时液相管(38)中的井液在卸油管时流到地面上；液相管(38)向上延伸至气液旋流分离模块的主分离筒体(8)内部，并与主分离筒体(8)侧面的液相出口管(6)相连；

电潜泵管串上还设有上、中、下三个压力传感器(35、34、33)，其中上压力传感器(35)始终位于沉箱(14)的气相空间内，中、下压力传感器(34、33)位于沉箱(14)的液相空间内；

在沉箱(14)的设定液位(22)处的液相管(38)上，安装有泡沫消除装置(18)，泡沫消除装置(18)下部为平行板加热器(21)、中部为不锈钢筛网(20)、上部为保护挡板(19)；平行板加热器(21)利用机械及加热双重作用使较大泡沫的表面张力降低，从而导致液膜破裂；较小的泡沫经中间的不锈钢筛网(20)，在切割、针刺及薄膜化作用下消除泡沫；上部的保护挡板(19)是防止落下的液相中的杂质堵塞不锈钢筛网(20)。

2.如权利要求1所述的一种海底沉箱式气液分离器，其特征在于所述支撑框架(10)中部设有一朝下渐扩的喇叭口(11)，所述沉箱(14)顶部自支撑框架(10)下方连接于喇叭口(11)的下端口处，所述主分离筒体(8)自支撑框架(10)上方连接于喇叭口(11)的上端口处；且沉箱(14)顶部设有内螺纹(12)，主分离筒体(8)底部设有外螺纹。

3.如权利要求1所述的一种海底沉箱式气液分离器，其特征在于所述的主分离筒体(8)顶部还设有电潜泵管串悬挂装置(9)。

4.如权利要求1所述的一种海底沉箱式气液分离器，其特征在于所述不锈钢筛网(20)采用厚度为1.5mm的不锈钢板制作，在板上加工有多个直径为3mm的小孔，所述平行板加热器(21)每相邻两个平行板间的间距为10mm。

5.如权利要求1所述的一种海底沉箱式气液分离器，其特征在于所述轴向导叶(28)的流动转向角度为75°。

6.利用权利要求1所述的海底沉箱式气液分离器中的沿沉箱(14)垂直分布的三个压力传感器(33、34、35)得到沉箱(14)中的液位的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)得到液相密度

下部的压力传感器(33)与中部的压力传感器(34)的压力值分别为P₁、P₂，计算沉箱(14)中液相密度ρ如式(a)所示：

<mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <mi>gH</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式(a)中，H'为下部的压力传感器(33)与中部的压力传感器(34)的竖直距离；

2)得到液位高度

中部的压力传感器(34)与上部的压力传感器(35)的压力值分别为P₂、P₃，计算沉箱(14)中液位高度H如式(b)所示：

<mrow> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式(b)中，ρ为式(a)中所求液相密度。