CN106334635A - 海底管道在线三级旋流脱水装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海底管道在线三级旋流脱水装置，应用于水下生产系统含水井流的高效脱水。该脱水装置与水下管汇和海底管道有机结合，实现海底管道在线安装和运行，并依据水下三级旋流脱水系统和设备，实现原油和生产污水一体化处理以及油气水高效分离；第一级脱水器采用柱状单筒构造，依据涡锥场中的离心分离作用实施第一级轴向高速涡流原油脱水处理，第二级脱水器采用管状短三筒构造，依据旋流场实施第二级轴向分层旋流污水快速处理，第三级脱水器采用鼠笼式长筒构造，依据多旋流场实施第三级鼠笼式并联旋流污水深度处理，原油增压器将各级脱水处理后的油液加压至相同高压值后汇集于同一外输海管内一起外输。

Description

海底管道在线三级旋流脱水装置

技术领域

本发明涉及一种海洋工程领域含水井流水下直接脱水外输的装置，特别是涉及一种水下海底管道在线的三级旋流高效脱水装置。

背景技术

目前，国内外海上油田的典型油气集输设施配置为“高压井流→立管→平台管汇→三相分离器→二级加热器→二级分离器→电脱增压泵→电脱加热器→电脱水器→外输泵→海底管道”，其中，整个油气处理技术主要采用常规脱水设备且处理效率较低；此外，高压井流经过海底管道、立管和平台管网长距离输送和各级处理系统脱水脱气后，整个流程运行的电能和热能额外损耗严重，不仅增加了平台电站设施的电负荷，而且还需要配备专门的热介质锅炉、余热回收装置等热站设施为油气处理的各级加热器提供大量的热量。另一方面，海上平台油气处理系统脱水后的生产污水由于其较高的含油量，而需要配置专门的污水处理设施，即“斜板除油器→溶气浮选机→核桃壳滤器→污水罐”或“污水增压泵→水力旋流器→紧凑型气浮→污水罐”处理成合格净化水后回注地层或直接外排，且生产污水回注地层时还需要配置缓冲罐、注水泵、注水管汇和注水清管球发球筒等注水增压设施增压后才能满足回注地层的压力需求。目前应用于海上平台的紧凑型油水分离器通常采用水力旋流和单体旋流管并联技术，以便缩小分离设备所占平台甲板的空间，如美国FMCTechnologies公司研发的脱水设备，然而目前国内对海上平台的紧凑型脱水技术研究尚处于试验研究阶段。另外，针对水下生产系统专用的油气水分离设备研究国内外均还处于起步和试验阶段。

由此，通过积极研制新型的海底管道在线高效脱水装置，将现有的海上平台油气集输和污水处理系统简化为水下海底管道在线油水分离系统，以便有效解决常规处理系统及其相关设施占地面积和重量大等弊端；而且无需配置立管和平台管网等输送管道、加热器、增压泵、外输泵、污水处理等设备，同时无需额外配套热站、加热器等热用户设施以及增压泵和外输泵等电用户设备，使得油气集输和污水处理的运行耗能显著下降，最终实现水下油水高效分离，达到提升深水油气田开发效益的目的。

发明内容

为了克服现有海上平台原油和生产污水处理设施存在的缺陷和不足，并改善水下油气水分离设备尚处于起步和试验阶段的研究现状，本发明的目的是提供一种适合水下生产系统油井产液直接脱水外输用的海底管道在线三级旋流脱水装置。该脱水装置与水下管汇和海底管道有机结合，实现海底管道在线安装和运行，同时依据水下三级旋流脱水系统和设备，具备原油和生产污水一体化处理，油气水高效分离，生产污水快速深度处理等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种海底管道在线三级旋流脱水装置，主要由第一级脱水器、第二级脱水器、第三级脱水器和原油增压器组成。水下油井产液由各井水下采油树汇集至水下管汇并经跨接管进入第一级脱水器，实施第一级轴向高速涡流原油脱水处理，脱除油井产液中大部分的水相，第一级脱水处理后水中含油量较高的生产污水经一级排水管进入第二级脱水器，并实施第二级轴向分层旋流污水快速处理，脱除生产污水中大部分的油相，第二级脱水处理后水中含油量较低的生产污水经二级排水管进入第三级脱水器，实施第三级鼠笼式并联旋流污水深度处理，脱除生产污水中剩余的油相，三级脱水处理后的油气两相流、二级油液和三级液流经原油增压器分别加压后汇集于同一外输海管内形成高压含气原油并一起外输，而合格的净化水则经三级排水管进入输水管汇中。

第一级脱水器采用柱状单筒构造，通体外覆海水防腐层，依据涡锥场中的离心分离作用实施第一级轴向高速涡流原油脱水处理，脱除水下油井产液中大部分的水相，它包括造涡流体、一级脱水筒、一级集油管、一级整流片、排油衬套和一级排油管，其中，造涡流体、一级集油管和一级整流片的材质均选用超级双向不锈钢，而一级脱水筒的材质采用不锈钢且内衬金属陶瓷。造涡流体位于一级脱水筒的入口处，用来产生分股高速旋流束并使各股旋流束沿一级脱水筒的筒壁切向倾斜射出，它由涡流锥和涡流轮组成，涡流锥和涡流轮由同一材料一体切割成形；涡流锥采用圆锥体和圆柱体相结合的结构，其上锥体的锥度大于下锥体的锥度，同时涡流锥的上锥体和下锥体大端圆面的直径均等于其中间柱体外环面的直径，涡流锥的上锥体用来将油井产液顺利引入涡流轮的各涡流齿上，而其下锥体则用来防止各股旋流束射出后的中央部位过早汇流而导致脱水后的油气两相流反向上升。涡流轮由16～24个涡流齿构成，且各涡流齿沿涡流锥中间柱体的外环面均匀排列。每个涡流齿的轴向长度均等于涡流锥中间柱体的高度，涡流齿的齿线采用组合曲线，其齿线顶端的切线与涡流锥的轴线保持平行，且其齿线的斜率由上而下依次减小，齿线底端的斜率为15°～20°；涡流齿的高度等于一级脱水筒入口处的内表面直径与涡流锥中间柱体外环面直径的差值，且涡流齿上部倒角而切割成半圆锥面，所有涡流齿的半圆锥面均处于同一锥面上并与涡流锥上锥体的锥面重合；涡流齿的宽度由上而下逐渐加宽，由此涡流齿之间所在齿隙的截面面积不断缩小，流经涡流齿齿隙的油井产液流速得以不断提升并最终形成高速旋流束后射出。

一级脱水筒内分股高速旋流束形成涡锥场并实施油井产液的第一级脱水处理，它采用厚壁筒体且其内表面采用圆柱面和圆锥面相结合的形式，一级脱水筒依次由造涡管、涡锥管、整流管、三通型排油管和一级排水管组成，造涡管、涡锥管和整流管的轴向长度依次增大，且涡锥管内锥面大端圆面的直径等于造涡管的内径而涡锥管内锥面小端圆面的直径则等于整流管和一级排水管的内径，整流管和一级排水管间设置三通型排油管，并通过排油衬套与一级排油管进行联接。造涡管的管壁与涡流齿的齿顶面之间采用过盈配合而实现造涡流体的定位，同时整流管的管壁与各整流片的片顶面间采用过盈配合而实现一级整流片的定位。

一级集油管位于一级脱水筒中整流管的中央部位，用来及时收集第一级脱水处理后含少量水的油气两相流并将其导入一级排油管后再排出第一级脱水器，它采用90°等径弯管，一级集油管的起始端所在端面被切割成圆锥状，且该起始端面的锥度等于一级脱水筒中涡锥管的锥度；一级集油管的末端通过螺纹与排油衬套进行联接，其轴线与一级脱水筒中三通型排油管的轴线重合。排油衬套的法兰盘与三通型排油管和一级排油管的法兰盘直径均相等，排油衬套内表面采用锥面和柱面相结合的形状，且排油衬套内表面中的柱面直径等于一级集油管的内径，而排油衬套内表面中的锥面大端圆面直径则等于一级脱水筒中的一级排油管内部锥面大端圆面的直径。

一级整流片用来将第一级脱水处理后的生产污水由旋涡流整流成均匀的轴向流，它由8～16片结构相同的整流片组成并沿一级集油管的管壁均匀排列，一级整流片通过圆周焊的方式而内接于一级集油管，同时各整流片的旋向相同并且分别与涡流轮中各涡流齿的旋向保持一致。一级整流片各整流片的轮廓线均为弧线段与直线段相组合的旋线，其弧线段中的上弧线下凹而下弧线上凸，且弧线段中上弧线起始端的切线和下弧线末端的切线均与一级脱水筒的轴线间保持平行。各整流片的厚度沿其轮廓线的弧线段逐渐增大，并在弧线段中上弧线的起始端收缩为一条斜线同时在下弧线的末端达到最大，然后各整流片的厚度沿其轮廓线的直线段保持不变，由此旋涡流可以顺利切入各整流片上并逐渐整流成轴向流。

第一级脱水处理流程为，油井产液经造涡流体形成分股高速旋流束，并沿一级脱水筒造涡管的管壁切向倾斜射出后产生涡流，向前推进流入一级脱水筒的涡锥管内并沿筒壁继续轴向高速旋转，油气两相流逐渐运移至一级脱水筒的中央部位并轴向推进至其整流管管段后进入一级集油管内，再依次流经排油衬套和一级排油管后进入原油增压器进行加压，而含油量较高的生产污水则沿一级脱水筒涡锥管和整流管的管壁导入一级整流片，并通过一级整流片由旋涡流调整为均匀轴向流后，经一级排水管进入第二级脱水器。

第二级脱水器采用管状短三筒构造，通体外覆海水防腐层，依据旋流场实施第二级轴向分层旋流污水快速处理，脱除生产污水中大部分的油相，它包括二级脱水筒、二级轴流筒、二级排油管、左垫板和右隔板，二级轴流筒通体采用超级双向不锈钢，二级脱水筒则采用不锈钢且内衬金属陶瓷。二级脱水筒采用变径三通筒式结构，实现高速流动生产污水的缓冲，其筒体的轴线与一级脱水筒和三级脱水筒的轴线处于同一平面且三条轴线相互间垂直布置，整体呈现出类U形的特殊结构；二级脱水筒的入口管段位于第二级脱水器的中间部位，且其入口管段内径小于二级脱水筒的内径，而等于一级脱水筒中一级排水管的内径。二级脱水筒筒体的左端通过左垫板与二级排油管进行联接并实现密封，且其右端通过右隔板与第三级脱水筒的二级排水管进行联接并实现密封；左垫板采用盘状法兰，其中央内环面采用螺纹通孔并与二级轴流筒相联接，同时右隔板中央的通孔与二级轴流筒外环面间过盈配合，共同实现二级轴流筒在二级脱水筒内的定位。

二级轴流筒内分层旋转的生产污水形成旋流场实施油井产液的第二级污水快速处理，它采用分体式双筒结构，其轴线与二级脱水筒的轴线重合，由此形成由内而外三筒同心布置的特殊构造。二级轴流筒包括造旋流筒、螺旋齿、内收油筒和外轴流筒，造旋流筒设计为内外双筒，其造旋外筒的壁厚等于外轴流筒的壁厚，同时造旋外筒的外环面与外轴流筒直筒段的外环面处于同一柱面上，而造旋内筒的壁厚则等于内收油筒的壁厚，且造旋内筒的内部锥面小端圆面直径等于内收油筒中出油筒段的内径。造旋流筒的造旋外筒和造旋内筒相互组合并构成环形凹槽，该环形凹槽内容纳有螺旋齿，造旋外筒的筒壁上钻有沿圆周方向均匀排列且分层的射水孔。每个射水孔均采用圆柱形孔眼，其轴线均与造旋流筒的轴线相垂直，同时射水孔的孔壁外侧与造旋外筒的内表面相切且射水孔的孔壁内侧与造旋内筒的外环面相切，以保证生产污水由射水孔射出后可以沿造旋外筒和造旋内筒的筒壁同时形成旋转流。造旋内筒的外环面采用柱面而内表面则采用锥面，以便于将第二级脱水处理后的二级油液及时排出。造旋外筒和造旋内筒右侧的筒壁上均加工有密封性管螺纹，并分别与外轴流筒和内收油筒连接在一起。

螺旋齿采用螺旋形齿条构造，整体呈现圆环外形，螺旋齿的内柱面与造旋内筒的外环面之间采用过盈配合，而螺旋齿的外柱面则与造旋外筒的内表面之间采用间隙配合，同时螺旋齿的左端面被切割成与二级轴流筒轴线相垂直的平面并与造旋流筒环形凹槽的槽底面紧密贴合以实现螺旋齿的定位。螺旋齿的齿线为一条螺距相等的螺旋线，其齿隙间布置分层的射水孔，与此同时垂直于螺旋齿齿线的法面端面采用外窄内宽的类梯形状，该法面端面的右侧边采用上凸曲线，而法面端面的左侧边则采用下凹曲线，该下凹曲线的外侧末端与射水孔的孔壁相切同时下凹曲线的内侧末端与造旋内筒的筒壁相切，以保证螺旋齿的强度，同时使生产污水由各射水孔射出后可以顺利切入螺旋齿的齿面上，并最终形成分层旋流。

内收油筒和外轴流筒均采用V形厚壁筒体，内收油筒由进油筒段、变径筒段和出油筒段组成，进油筒段的内锥面不断收缩，保证二级油液顺利收油，而变径筒段的内锥面截面面积则逐渐增大，且变径筒段内锥面大端圆面的直径等于出油筒段的内径，二级油液减速稳流后由出油筒段顺利排出。外轴流筒的内外环面采用圆柱面和圆锥面相结合的形式，外轴流筒依次由直筒段、宽锥筒段、窄锥筒段和出水筒段组成，宽锥筒段的内锥面大端圆面直径等于直筒段的内径而宽锥筒段内锥面小端圆面的直径则等于窄锥筒段内锥面大端圆面的直径，同时窄锥筒段内锥面小端圆面的直径等于出水筒段的内径；宽锥筒段的锥度大于窄锥筒段的锥度，而其锥高则远小于窄锥筒段的锥高。与此同时，外轴流筒中直筒段的轴向长度大于内收油筒的出油筒段长度，而外轴流筒中宽锥筒段内锥面的锥度则小于内收油筒中变径筒段外锥面的锥度，同时外轴流筒中窄锥筒段的锥度小于内收油筒中进油筒段外锥面的锥度，由此分层旋流的流道面积不断增大，并最终沿轴向汇流为整股高速旋转流。

第二级快速脱水处理流程为，第一级脱水处理后含油量较高的生产污水经由一级排水管进入二级脱水筒内并充分缓冲后，依次经二级轴流筒中造旋流筒上的射水孔和螺旋齿形成分层旋流，并在二级轴流筒中外轴流筒的直筒段内分层旋流短暂加速后沿外轴流筒的宽锥筒段轴向推进，且在外轴流筒的窄锥筒段内汇流为整股高速旋转流，旋流场中液流截面不断收缩，水中含油量较低的生产污水甩向筒壁并先后流经外轴流筒的出水筒段和第三级脱水筒的二级排水管进入第三级脱水器，而二级油液则逐步运移至窄锥筒段的中央部位并反向上升，依次流经二级轴流筒的内收油筒和二级排油管并进入原油增压器进行加压。

第三级脱水器采用鼠笼式长筒构造，通体外覆海水防腐层，依据多旋流场实施第三级鼠笼式并联旋流污水深度处理，脱除生产污水中剩余的油相，从而将生产污水彻底处理成水中含油量达标的净化水，它包括三级脱水筒、三级轴流筒、三级整流器、三级集油管、三级排油管、上隔板、下垫板和三级排水管，其中，三级轴流筒和三级整流器通体采用超级双向不锈钢，三级脱水筒的材质则选用不锈钢且内衬金属陶瓷。三级脱水筒采用等径厚壁筒，实现水中含油量较低生产污水流的缓冲，且三级脱水筒的下部布置有二级排水管，二级排水管的内表面由其锥管段的锥面逐渐减小并收缩至直管段的柱面，且二级排水管的直管段内径小于二级脱水筒入口管段的内径。三级脱水筒筒体的上端通过上隔板与三级集油管进行联接并实现密封，且其筒体下端通过下垫板与三级排水管进行联接并实现密封。上隔板采用盘状法兰，其中部布置有沿圆周方向等间距排列的螺纹通孔，各螺纹通孔分别与三级轴流筒进行联接，同时下垫板相同位置处设置有带锥形凸台的通孔，各通孔的孔壁分别与三级轴流筒外环面间采用过盈配合，由此通过上隔板和下垫板共同实现三级轴流筒在三级脱水筒内的定位。

三级轴流筒采用多筒并联的方式而形成鼠笼式多旋流场构造，实施油井产液的第三级污水深度处理，各三级轴流筒的轴线均与三级脱水筒的轴线保持平行。每个三级轴流筒均采用标准化和模块化设计，其各组成部件的构造与二级轴流筒相似，但三级轴流筒采用管状长筒，其造旋流筒射水孔的层数和每层数量均多于二级轴流筒中造旋流筒的射水孔数，而其造旋流筒射水孔的孔径则小于二级轴流筒的射水孔孔径；三级轴流筒中螺旋齿的圈数多于二级轴流筒的螺旋齿圈数，而其螺旋齿的螺距则小于二级轴流筒螺旋齿的螺距；三级轴流筒中内收油筒和外轴流筒各锥面的锥高均大于二级轴流筒中内收油筒和外轴流筒对应锥面的锥高，而其内收油筒和外轴流筒各锥面的锥度则小于二级轴流筒相应锥面的锥度。

三级整流器内嵌于三级轴流筒中外轴流筒下部的出水筒段并与三级轴流筒一一对应，用来将处理合格的净化水流由旋转流调整为轴向稳定流，三级整流器由整流锥和三级整流片组成，三级整流器的整流锥由锥体和柱体结合而成，整流锥上锥体的锥高小于下锥体的锥高，且整流锥的下锥体用于避免净化水由三级整流片流出后产生局部紊流，其下锥体的锥顶与下垫板的下端面相平齐。三级整流片内焊于整流锥的柱体上且通过过盈配合而外接于三级轴流筒中外轴流筒的出水筒段，由此实现三级整流器在三级轴流筒内的定位，各三级整流片的旋向与三级整流筒螺旋齿的旋向保持一致，三级整流片的片数多于一级整流片的数量且其轴向长度大于一级整流片的轴向长度。

第三级深度脱水处理流程为，第二级脱水处理后含油量较低的生产污水由二级排水管进入三级脱水筒内并缓冲后，同时进入并联的多筒式三级轴流筒内，依次经各三级轴流筒中造旋流筒的射水孔和螺旋齿而形成分层旋流，并在三级轴流筒的外轴流筒内加速轴向推进后汇流为整股高速旋转流，从而形成鼠笼式多旋流场，多旋流场中合格的净化水甩向三级轴流筒的外轴流筒筒壁并经三级整流器调整为轴向稳定流后由三级排水管汇集至输水管汇中，而三级液流则逐步运移至三级轴流筒的中央部位并反向上升，而后依次流经三级轴流筒的内收油筒、三级集油管和三级排油管而进入原油增压器进行加压。

原油增压器用来将各级脱水处理后的油液加压至相同高压值后汇集于同一外输海管内一起外输，它包括各级增压泵、各级进油管、各级出油管和外输海管，各级增压泵均采用变频式螺杆泵，依据各级进油管内油液的压力和流量自动调整变频器的频率，改变螺杆的转速，从而达到各级出油管内油液压力统一和满足外输压力需求的目的。

一级增压泵采用变频式四螺杆多相混输泵，其入口连接一级进油管且出口连接一级出油管，一级增压泵内的四螺杆分为两组，每组螺杆与轴体均一体成型，且每组螺杆上的螺纹沿轴体中心反向对称布置，两组螺杆采用同一材质，且两组螺杆相同位置处的螺纹旋向相反。二级增压泵和三级增压泵均采用变频式双螺杆原油输送泵，其入口分别连接二级进油管和三级进油管且出口分别连接二级出油管和三级出油管，且二级增压泵和三级增压泵的两螺杆与轴体也一体成型并采用同一材质，同时两螺杆上的螺纹旋向相反。各级增压泵的主动螺杆一端伸出泵外且通过联轴器与变频电机联接并提供动力，主动螺杆均通过人字形同步齿轮将动力传递至从动螺杆，主动螺杆和从动螺杆间高精度配合并与泵体间紧密贴合，且其最大允许偏移量低于螺杆与泵体内衬之间径向间隙的50％。另外，各级增压泵均采用单独润滑的外置轴承构造以及整合式密封冲洗系统，以适应水下工况。

各级出油管均采用弯管并通过圆周焊的方式而接于外输海管，外输海管采用长管并与海底管道的型号相匹配，外输海管的一端通过法兰与海底管道进行联接，而其另一端则采用盲端法兰，便于维护与清洗，外输海管的轴线与一级脱水筒和三级脱水筒的轴线相互间保持平行。三级脱水处理后的油液，包括油气两相流、二级油液和三级液流分别经各级进油管进入各级增压泵，加压至相同高压值后由各级出油管输出并汇集于外输海管内，形成高压含气原油后一起外输。

本发明所能达到的技术效果是，该脱水装置可以与水下管汇和海底管道有机结合，实现海底管道在线安装和运行，将原油和生产污水处理设施由海上平台组块移至水下系统，可减小平台占地面积并降低设备和平台结构重量，同时依据水下三级旋流脱水系统和设备，实现原油和生产污水一体化处理以及油气水高效分离；第一级脱水器依据柱状单筒涡锥场中的离心分离作用实施第一级轴向高速涡流原油脱水处理，脱除油井产液中大部分的水相；第二级脱水器依据管状短三筒旋流场实施第二级轴向分层旋流污水快速处理，脱除生产污水中大部分的油相；第三级脱水器依据鼠笼式长筒多旋流场实施第三级并联旋流污水深度处理，脱除生产污水中剩余的油相；原油增压器将各级脱水处理后的油液加压并汇集于同一外输海管内一起外输。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1是根据本发明所提出的海底管道在线三级旋流脱水装置的典型结构简图。

图2是海底管道在线三级旋流脱水装置中第一级脱水器的结构简图。

图3是海底管道在线三级旋流脱水装置中第二级脱水器的结构简图。

图4是海底管道在线三级旋流脱水装置中二级轴流筒的结构简图。

图5是海底管道在线三级旋流脱水装置中第三级脱水器的结构简图。

图6是海底管道在线三级旋流脱水装置中三级轴流筒和三级整流器的结构简图。

图7是海底管道在线三级旋流脱水装置中原油增压器的结构简图。

图8是海底管道在线三级旋流脱水装置的水下三级旋流油水分离流程简图。

图中1－第一级脱水器，2－原油增压器，3－第二级脱水器，4－第三级脱水器，5－造涡流体，6－一级脱水筒，7－一级集油管，8－一级整流片，9－排油衬套，10－一级排油管，11－二级排油管，12－左垫板，13－二级轴流筒，14－二级脱水筒，15－右隔板，16－造旋流筒，17－螺旋齿，18－内收油筒，19－外轴流筒，20－三级排油管，21－三级集油管，22－上隔板，23－三级轴流筒，24－三级脱水筒，25－下垫板，26－三级整流器，27－三级排水管，28－三级出油管，29－三级增压泵，30－三级进油管，31－一级出油管，32－一级增压泵，33－一级进油管，34－二级出油管，35－二级增压泵，36－二级进油管，37－外输海管。

具体实施方式

在图1中，海底管道在线三级旋流脱水装置由第一级脱水器1、第二级脱水器3、第三级脱水器4和原油增压器2组成。第一级脱水器1的一级脱水筒与井口水下管汇之间通过跨接管和法兰进行联接，第三级脱水器4的三级排水管与输水管汇之间通过法兰进行联接，同时原油增压器2的外输海管与海底管道通过法兰进行联接，由此该脱水装置与水下管汇和海底管道有机结合，并可实现海底管道在线安装。第二级脱水器3分别与第一级脱水器1和第三级脱水器4连接在一起后，三者的轴线相互垂直并呈现类U形的特殊结构；原油增压器2的各级进油管通过法兰分别与第一级脱水器1、第二级脱水器3和第三级脱水器4的排油管相连接，原油增压器2的外输海管、第一级脱水器1的一级脱水筒和第三级脱水器4的三级脱水筒24的轴线相互间保持平行。

在图1中，海底管道在线三级旋流脱水装置将原油和生产污水处理设施的功能合为一体，同时将海底油井产液的处理由海上平台组块移至水下系统，并通过第一级脱水器1、第二级脱水器3和第三级脱水器4完成三级旋流油水高效分离。三级脱水处理后合格的净化水由第三级脱水器4进入输水管汇直接外排入海或者回注地层，而含气原油则由原油增压器2的各级增压泵加压至相同高压值后经原油增压器2的外输海管进入海底管道并直接外输。

在图1中，海底管道在线三级旋流脱水装置调试时，首先对整个装置进行耐压试验和气密性试验，试验压力需达到设计压力的1.25倍；然后再依次检查各管线系统接头是否有泄露以及阀门的开关是否正确。整个脱水装置维护时，需要依次严格检查第一级脱水器1的一级脱水筒、原油增压器2的外输海管、第二级脱水器3的二级脱水筒和第三级脱水器4的三级脱水筒内是否有异物堆积，第一级脱水器1的一级脱水筒、第二级脱水器3的二级轴流筒和第三级脱水器4的三级轴流筒内壁是否有锈蚀，第一级脱水器1的造涡流体和一级整流片、第二级脱水器3的螺旋齿以及第三级脱水器4的螺旋齿和三级整流器表面是否有锈蚀，最小壁厚接近1mm时，需要及时进行更换；同时检查第一级脱水器1的一级集油管、第二级脱水器3的内收油筒以及第三级脱水器4的内收油筒上的污垢，厚度达到3mm时，需要进行必要的冲洗。

在图2中，油井产液的井流处理量通过调整第一级脱水器1的筒径或并联的数量来实现，第一级脱水处理后生产污水中的含油量通过一级脱水筒6涡锥段的锥度和轴向长度进行调整，而第一级脱水处理后油气两相流中的含水量则通过一级集油管7的管径和长度进行调整，同时排油衬套9和一级排油管10的型号与一级集油管7的管径保持一致。造涡流体5的涡流齿与一级脱水筒6的造涡管管壁之间采用过盈配合而进行固定，从而将油井产液分流成分股高速旋流束，一级集油管7和一级整流片8通过各整流片与一级脱水筒6的整流管管壁之间采用过盈配合而进行固定，一级整流片8将第一级脱水处理后的生产污水由旋涡流直接整流成均匀轴向流。

在图3和图4中，第一级脱水处理后生产污水处理量的调整通过改变第二级脱水器3中二级脱水筒14和二级轴流筒13的筒径来实现，第二级脱水处理后生产污水中的含油量通过同时改变二级轴流筒13的造旋流筒16上射水孔层数和每层数量、螺旋齿17圈数以及外轴流筒19宽锥筒段和窄锥筒段的锥度和轴向长度来进行调整，而第二级脱水处理后二级油液中的含水量则通过内收油筒18各筒段的内径和轴向长度进行调整。二级轴流筒13分别通过左垫板12和右隔板15而与二级脱水筒14保持同轴心，同时二级排油管11的型号与造旋流筒16外环面上螺纹的公称直径相一致。

在图5和图6中，第二级脱水处理后生产污水处理量的调整通过改变第三级脱水器4中三级脱水筒24的筒径以及三级轴流筒23的筒径和筒数来实现，第三级脱水处理后合格净化水中的含油量通过同时改变三级轴流筒23的造旋流筒上射水孔层数和每层孔数、螺旋齿圈数以及外轴流筒各锥面的锥度和轴向长度来进行调整，而第三级脱水处理后三级液流中的含水量则通过三级轴流筒23内收油筒各筒段的内径和轴向长度进行调整。三级轴流筒23分别通过上隔板22和下垫板25而均匀布置于三级脱水筒24内，同时三级排油管20和三级集油管21的型号与三级排水管27的型号保持一致，三级整流器26通过三级整流片与三级轴流筒23中外轴流筒的出水筒段筒壁之间采用过盈配合而进行固定，同时三级整流器26将净化水由旋转流调整为轴向稳定流。

在图7中，三级旋流脱水处理后的油气两相流、二级油液和三级液流的压力和流量分别通过调整一级增压泵32、二级增压泵35和三级增压泵29的转速而加压至相同高压值，其中油气两相流经一级进油管33输入至一级增压泵32且经加压后由一级出油管31输出，二级油液经二级进油管36输入至二级增压泵35且加压后由二级出油管34输出，而三级液流则经三级进油管30输入至三级增压泵29且加压后由三级出油管28输出，最终三股油液汇集于外输海管37内而形成整股的含气原油。

在图8中，海底管道在线三级旋流脱水装置的水下三级旋流油水分离流程为，油井产液由井口水下管汇和跨接管进入一级脱水筒6内，经造涡流体5形成分股高速旋流束，并沿一级脱水筒6的筒壁切向倾斜射出后产生涡流，然后继续向前推进并保持高速旋转，涡锥场中油气两相流逐渐运移至一级脱水筒6的中央部位并轴向推进至一级脱水筒6的整流管管段后进入一级集油管7内，再依次流经排油衬套9、一级排油管10和一级进油管33进入一级增压泵32，加压后由一级出油管31输出并汇集于外输海管37内，而含油量较高的生产污水则沿一级脱水筒6的筒壁导入一级整流片8，整流成均匀轴向流后经一级脱水筒6的一级排水管进入二级脱水筒14，由此油井产液经第一级脱水器1完成第一级轴向高速涡流原油脱水处理。第一级脱水处理后含油量较高的生产污水在二级脱水筒14内充分缓冲后，经二级轴流筒13中造旋流筒16上的射水孔和螺旋齿17形成分层旋流，二级轴流筒13的外轴流筒19内分层旋流轴向推进并汇流为整股高速旋转流，旋流场中水中含油量较低的生产污水甩向筒壁并经三级脱水筒24的二级排水管进入三级脱水筒24，而二级油液则逐步运移至二级轴流筒13的中央部位并反向上升，依次流经内收油筒18、二级排油管11和二级进油管36进入二级增压泵35，加压后由二级出油管34输出并汇集于外输海管37内，由此油井产液经第二级脱水器3完成第二级轴向分层旋流污水快速处理。第二级脱水处理后含油量较低的生产污水经在三级脱水筒24内缓冲后，同时进入并联的多筒式三级轴流筒23内，先形成分层旋流并在加速轴向推进后汇流为整股高速旋转流，最终形成鼠笼式多旋流场，旋流场中合格的净化水甩向三级轴流筒23筒壁并经三级整流器26调整为轴向稳定流后由三级排水管27汇至输水管汇中，而三级液流则逐步运移至三级轴流筒23的中央部位并反向上升，依次流经三级轴流筒23的内收油筒、三级集油管21、三级排油管20和三级进油管30进入三级增压泵29，加压后由三级出油管28输出并与相同高压值的油气两相流和二级油液一起汇集于外输海管37内进行外输，由此油井产液经第三级脱水器4完成第三级鼠笼式并联旋流污水深度处理。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明保护范围之外。

Claims (9)

1.一种海底管道在线三级旋流脱水装置，与水下管汇和海底管道有机结合，实现海底管道在线安装和运行，同时依据水下三级旋流脱水系统和设备，完成原油和生产污水一体化处理、油气水高效分离和生产污水快速深度处理，其特征在于：

一第一级脱水器；所述第一级脱水器采用柱状单筒构造，依据涡锥场实施第一级轴向高速涡流原油脱水处理，造涡流体的涡流锥和涡流轮由同一材料一体切割成形，涡流轮中涡流齿的齿线采用组合曲线，涡流齿的宽度由上而下逐渐加宽；一级脱水筒中造涡管、涡锥管和整流管的轴向长度依次增大，整流管和一级排水管间设置三通型排油管，并通过排油衬套与一级排油管进行联接；一级集油管位于一级脱水筒中整流管的中央部位，它采用90°等径弯管；一级整流片中各整流片的旋向相同并且分别与涡流轮中各涡流齿的旋向保持一致，各整流片的轮廓线均为弧线段与直线段相组合的旋线，各整流片的厚度沿其轮廓线的弧线段逐渐增大而后沿其轮廓线的直线段保持不变；

一第二级脱水器；所述第二级脱水器采用管状短三筒构造，依据旋流场实施第二级轴向分层旋流污水快速处理，二级脱水筒采用变径三通筒式结构，其筒体的轴线与一级脱水筒和三级脱水筒的轴线处于同一平面且三条轴线相互间垂直布置，整体呈现出类U形的特殊结构；左垫板采用盘状法兰，其中央内环面采用螺纹通孔并与二级轴流筒相联接，同时右隔板中央的通孔与二级轴流筒外环面间过盈配合，共同实现二级轴流筒在二级脱水筒内的定位；二级轴流筒采用分体式双筒结构，其轴线与二级脱水筒的轴线重合，由此形成由内而外三筒同心布置的特殊构造；造旋流筒设计为内外双筒，造旋外筒和造旋内筒相互组合并构成环形凹槽，该环形凹槽内容纳有螺旋齿，造旋外筒的筒壁上钻有沿圆周方向均匀排列且分层的射水孔，造旋内筒的外环面采用柱面而内表面则采用锥面；螺旋齿采用螺旋形齿条构造，整体呈现圆环外形，螺旋齿的齿线为一条螺距相等的螺旋线，其齿隙间布置分层的射水孔，同时垂直于螺旋齿齿线的法面端面采用外窄内宽的类梯形状；内收油筒和外轴流筒均采用V形厚壁筒体，外轴流筒中宽锥筒段的锥度大于窄锥筒段的锥度，而其锥高则远小于窄锥筒段的锥高；

一第三级脱水器；所述第三级脱水器采用鼠笼式长筒构造，依据多旋流场实施第三级鼠笼式并联旋流污水深度处理，三级脱水筒采用等径厚壁筒，其下部布置有二级排水管，三级脱水筒筒体的上端通过上隔板与三级集油管进行联接并实现密封，且其筒体下端通过下垫板与三级排水管进行联接并实现密封；三级轴流筒采用多筒并联的方式而形成鼠笼式多旋流场构造，各三级轴流筒的轴线均与三级脱水筒的轴线保持平行，每个三级轴流筒均采用标准化和模块化设计，其各组成部件的构造与二级轴流筒相似，但三级轴流筒采用管状长筒；三级整流器内嵌于三级轴流筒中外轴流筒下部的出水筒段并与三级轴流筒一一对应，其整流锥由锥体和柱体结合而成，且其各三级整流片的旋向与三级整流筒螺旋齿的旋向保持一致；

一原油增压器；所述原油增压器的一级增压泵采用变频式四螺杆多相混输泵，其入口连接一级进油管且出口连接一级出油管，一级增压泵内的四螺杆分为两组，每组螺杆与轴体均一体成型，且每组螺杆上的螺纹沿轴体中心反向对称布置；二级增压泵和三级增压泵均采用变频式双螺杆原油输送泵，其入口分别连接二级进油管和三级进油管且出口分别连接二级出油管和三级出油管，且二级增压泵和三级增压泵的两螺杆与轴体也一体成型并采用同一材质；三级脱水处理后的油气两相流、二级油液和三级液流分别经各级进油管进入各级增压泵，加压至相同高压值后由各级出油管输出并汇集于外输海管内，外输海管的轴线与一级脱水筒和三级脱水筒的轴线相互间保持平行。

2.根据权利要求1所述的海底管道在线三级旋流脱水装置，其特征在于：所述第一级脱水器的造涡流体位于一级脱水筒的入口处，它由涡流锥和涡流轮组成，涡流锥的上锥体锥度大于下锥体的锥度；涡流轮由16～24个涡流齿构成，每个涡流齿的轴向长度均等于涡流锥中间柱体的高度，涡流齿齿线顶端的切线与涡流锥的轴线保持平行，且其齿线的斜率由上而下依次减小，齿线底端的斜率为15°～20°；涡流齿的高度等于一级脱水筒入口处的内表面直径与涡流锥中间柱体外环面直径的差值，且涡流齿上部倒角而切割成半圆锥面，所有涡流齿的半圆锥面均处于同一锥面上并与涡流锥上锥体的锥面重合；涡流齿之间所在齿隙的截面面积不断缩小，流经涡流齿齿隙的油井产液流速得以不断提升并最终形成高速旋流束后射出；

所述第一级脱水器的一级脱水筒采用厚壁筒体且其内表面采用圆柱面和圆锥面相结合的形式，一级脱水筒依次由造涡管、涡锥管、整流管、三通型排油管和一级排水管组成，涡锥管内锥面大端圆面的直径等于造涡管的内径而涡锥管内锥面小端圆面的直径则等于整流管和一级排水管的内径；造涡管的管壁与涡流齿的齿顶面之间采用过盈配合而实现造涡流体的定位，同时整流管的管壁与各整流片的片顶面间采用过盈配合而实现一级整流片的定位。

3.根据权利要求1或2所述的海底管道在线三级旋流脱水装置，其特征在于：所述第一级脱水器的一级集油管及时收集第一级脱水处理后含少量水的油气两相流并将其导入一级排油管，一级集油管的起始端所在端面被切割成圆锥状，且该起始端面的锥度等于一级脱水筒中涡锥管的锥度，一级集油管末端的轴线与一级脱水筒中三通型排油管的轴线重合；排油衬套内表面中的柱面直径等于一级集油管的内径，而排油衬套内表面中的锥面大端圆面直径则等于一级脱水筒中的一级排油管内部锥面大端圆面的直径；

所述第一级脱水器的一级整流片由8～16片结构相同的整流片组成，一级整流片通过圆周焊的方式而内接于一级集油管；各整流片的轮廓线弧线段中的上弧线下凹而下弧线上凸，且弧线段中上弧线起始端的切线和下弧线末端的切线均与一级脱水筒的轴线间保持平行，各整流片的厚度在弧线段中上弧线的起始端收缩为一条斜线并在下弧线的末端达到最大。

4.根据权利要求1所述的海底管道在线三级旋流脱水装置，其特征在于：所述第二级脱水器中二级脱水筒的入口管段位于第二级脱水器的中间部位，且其入口管段内径小于二级脱水筒的内径，而等于一级脱水筒中一级排水管的内径；

所述第二级脱水器的二级轴流筒包括造旋流筒、螺旋齿、内收油筒和外轴流筒，造旋流筒的造旋外筒壁厚等于外轴流筒的壁厚，而造旋内筒的壁厚则等于内收油筒的壁厚，且造旋内筒的内部锥面小端圆面直径等于内收油筒中出油筒段的内径；造旋外筒筒壁上的每个射水孔均采用圆柱形孔眼，其轴线均与造旋流筒的轴线相垂直，同时射水孔的孔壁外侧与造旋外筒的内表面相切且射水孔的孔壁内侧与造旋内筒的外环面相切。

5.根据权利要求1或4所述的海底管道在线三级旋流脱水装置，其特征在于：所述二级轴流筒的螺旋齿的内柱面与造旋内筒的外环面之间采用过盈配合，而螺旋齿的外柱面则与造旋外筒的内表面之间采用间隙配合，同时螺旋齿的左端面被切割成与二级轴流筒轴线相垂直的平面并与造旋流筒环形凹槽的槽底面紧密贴合；垂直于螺旋齿齿线的法面端面右侧边采用上凸曲线，而其法面端面的左侧边则采用下凹曲线，该下凹曲线的外侧末端与射水孔的孔壁相切同时下凹曲线的内侧末端与造旋内筒的筒壁相切。

6.根据权利要求1或4所述的海底管道在线三级旋流脱水装置，其特征在于：所述二级轴流筒的内收油筒由进油筒段、变径筒段和出油筒段组成，进油筒段的内锥面不断收缩，而变径筒段的内锥面截面面积则逐渐增大，且变径筒段内锥面大端圆面的直径等于出油筒段的内径；

所述二级轴流筒的外轴流筒依次由直筒段、宽锥筒段、窄锥筒段和出水筒段组成，宽锥筒段的内锥面大端圆面直径等于直筒段的内径而宽锥筒段内锥面小端圆面的直径则等于窄锥筒段内锥面大端圆面的直径，同时窄锥筒段内锥面小端圆面的直径等于出水筒段的内径；

所述二级轴流筒的外轴流筒中直筒段的轴向长度大于内收油筒的出油筒段长度，而外轴流筒中宽锥筒段内锥面的锥度则小于内收油筒中变径筒段外锥面的锥度，同时外轴流筒中窄锥筒段的锥度小于内收油筒中进油筒段外锥面的锥度，由此分层旋流的流道面积不断增大。

7.根据权利要求1所述的海底管道在线三级旋流脱水装置，其特征在于：所述第三级脱水器的三级脱水筒实现水中含油量较低生产污水流的缓冲，三级脱水筒中二级排水管的内表面由其锥管段的锥面逐渐减小并收缩至直管段的柱面，且二级排水管的直管段内径小于二级脱水筒入口管段的内径；

所述第三级脱水器的上隔板采用盘状法兰，上隔板的中部布置有沿圆周方向等间距排列的螺纹通孔，各螺纹通孔分别与三级轴流筒进行联接，同时下垫板相同位置处设置有带锥形凸台的通孔，各通孔的孔壁分别与三级轴流筒外环面间采用过盈配合，由此通过上隔板和下垫板共同实现三级轴流筒在三级脱水筒内的定位。

8.根据权利要求1或4或5或6所述的海底管道在线三级旋流脱水装置，其特征在于：所述第三级脱水器的三级轴流筒用来实施油井产液的第三级污水深度处理，三级轴流筒中造旋流筒射水孔的层数和每层数量均多于二级轴流筒中造旋流筒的射水孔数，而其造旋流筒射水孔的孔径则小于二级轴流筒的射水孔孔径；三级轴流筒中螺旋齿的圈数多于二级轴流筒的螺旋齿圈数，而其螺旋齿的螺距则小于二级轴流筒螺旋齿的螺距；三级轴流筒中内收油筒和外轴流筒各锥面的锥高均大于二级轴流筒中内收油筒和外轴流筒对应锥面的锥高，而其内收油筒和外轴流筒各锥面的锥度则小于二级轴流筒相应锥面的锥度；

所述第三级脱水器的三级整流器由整流锥和三级整流片组成，三级整流器的整流锥上锥体的锥高小于其下锥体的锥高，且整流锥下锥体的锥顶与下垫板的下端面相平齐；三级整流片内焊于整流锥的柱体上且通过过盈配合而外接于三级轴流筒中外轴流筒的出水筒段，三级整流片的片数多于一级整流片的数量且其轴向长度大于一级整流片的轴向长度。

9.根据权利要求1所述的海底管道在线三级旋流脱水装置，其特征在于：所述原油增压器中的一级增压泵的两组螺杆采用同一材质，且两组螺杆相同位置处的螺纹旋向相反，二级增压泵和三级增压泵中两螺杆上的螺纹旋向相反；各级增压泵的主动螺杆均通过人字形同步齿轮将动力传递至从动螺杆，主动螺杆和从动螺杆间高精度配合并与泵体间紧密贴合，各级增压泵均采用单独润滑的外置轴承构造以及整合式密封冲洗系统；

所述原油增压器的各级出油管均采用弯管并通过圆周焊的方式而接于外输海管，外输海管采用长管且其一端通过法兰与海底管道进行联接，而其另一端则采用盲端法兰。