CN106583068B - 一种井下脱气除油旋流分离装置 - Google Patents

Abstract

一种井下脱气除油旋流分离装置。主要为了解决由于存在伴生气而使井下油水分离的效果受到制约的问题。其特征在于：本种旋流分离装置采用双切向入口，以保证待处理液在经过一级脱气分离时所需的切向及径向压力，同时一级脱气分离结构与除油分离结构由筒体隔开，并通过在适当位置开孔的形式使两级分离相互连通；脱气后的处理液经增压部件增压加速以保证分离高效进行；油水分离结构采用二级增压、二级分离的方式，从而提高油水分离精度。本装置可提高井下油水分离的效率，增强井下油水分离系统的可行性及适用性。

Description

一种井下脱气除油旋流分离装置

技术领域：

本发明涉及一种应用于石油、化工等领域中的分离装置，具体的说，是一种应用于对油田采出液进行分离及污水进行处理的分离装置。

背景技术：

随着油田的不断开发，很多陆上油田开发进入中后期，油井含水率越来越高，很多油井含水率大于95％，因此产出水如何处理是很多油田不得不面临的棘手问题，随着研究的深入，目前已基本形成了一整套以旋流设备为主要分离部分的井下油水分离及同井回注技术方案，用于油水分离的旋流分离器在井下环境中表现出很好的分离效果。但是，由于伴生气的影响使分离效果受到制约。伴生气进入旋流器后会造成几方面影响：一方面是气相的存在造成分离不稳定，它增加了相间混合和湍流程度，两相流动过程中液滴和气泡的碰撞、团聚和扩散机理更加复杂，这就造成了气-液旋流分离的研究远滞后于其他分离。气液比增大后，多数气体分离后由溢流管排出，部分未来得及分离的气体随液体由底流排出，所以气液比增大后也增加了分离的难度。气相的存在也会占据溢流出油口的空间，最终影响到旋流器的分离效果；另一方面含气会对与旋流分离器配接的工艺管柱上的其他元件造成影响，最终相互影响，进一步恶化分离效果。

发明内容：

为了解决现行井下油水分离过程中所适用的油水分离设备，在含气条件下分离效果差分离效率低，且无法实现含气条件下油水两相间的高效分离等问题，本发明通过国家863课题：井下油水分离及同井回注技术与装备资金的支持，提供出一种井下脱气除油旋流分离装置，该种井下脱气除油旋流分离装置，可于井下实现高效脱气除油，能够增强分离设备对含气条件的适用性，对增强井下油水分离及同井回注系统的适用性并使其长期高效运行具有重大意义。

本发明的技术方案是：该种井下脱气除油旋流分离装置，由密封外筒、导流筒体、气液隔离管、上定位封板、变截面入口盘、入口腔体、变径分离管、锥形分离管、增压导管、螺旋增压装置以及下定位封板构成，其中：

气液隔离管的尾端开有隔离管定位螺纹；变径分离管由直管段和锥管段两段连接后构成；其中，所述直管段的内径大于所述锥管段小径端的内径，在锥管段小径端开有密封螺纹；在变径分离管直管段的上半部分开有若干排气孔；在变径分离管锥管段的尾端开有分离管紧固螺纹，用来与锥形分离管的首端进行螺纹连接；

锥形分离管的首尾两端分别开有用于与变径分离管连接的内螺纹和用于与导流筒体连接的导流筒体安装螺纹；

导流筒体的下部开有若干导流孔；增压导管的内部中空，于顶端设有轻质相溢流口，在外壁上固定有螺旋加速流道，在底部直管段的上部开有轻质相引流口，在所述轻质相引流口的下方，依次开有增压装置定位螺纹和下定位封板安装螺纹；

螺旋增压装置由一级螺旋增压流道和导流锥体连接后构成；导流锥体的尾端开有增压装置安装螺纹；

下定位封板的中央开有供增压导管的底部直管段插入的孔；

上定位封板与变截面入口盘及入口腔体组合后共同构成井下脱气除油旋流分离装置的双切向入口单元；其中变截面入口盘7上开有一对变截面入口，以实现由所述变截面入口进入的液体经此形成切向速度；上定位封板上开有带内螺纹的中心定位孔，用来安装固定变径分离管；变径分离管上开有分离管定位螺纹，通过分离管定位螺纹与中心定位孔连接；气液隔离管穿过中心定位孔插入所述变径分离管的直管段，通过隔离管定位螺纹与密封螺纹相连接后实现与所述变径分离管的套接；气液隔离管与中心定位孔之间留有环形间隙，此环形间隙为气相出口；气液隔离管的开口为重质液相出口；

锥形分离管连接在所述变径分离管和导流筒体之间，变径分离管与锥形分离管及导流筒体共同安装在密封外筒的内部；

螺旋增压装置通过螺纹连接固定在增压导管上，两者连接后插入下定位封板的中央通孔内；三者组装后位于导流筒体的内部；

密封外筒与导流筒体间通过法兰共用螺栓连接在下定位封板上实现彼此间的紧固及密封。

本发明具有如下有益效果：首先，本种分离装置可在油水分离前先将气相分离开，进而对油水进行二次高效分离，实现井下含气条件下的油水两相高效分离，能够增强分离设备对含气条件的适用性，对增强井下油水分离及同井回注系统的适用性并使其长期高效运行具有重大意义。其次，本发明不仅具有良好的脱气除油功能而且无需外部动力源，能够节能降耗。另外，本装置内设增压元件，可通过装置自身内设的增压增速装置对采出液分离过程中的压力损失进行补偿，可避免过多的压力损失，从而更为高效的实现分离。综上所述，本装置可应用于井下油水分离，尤其对含气采出液具有良好的分离效果，具有分离效率高、处理工艺简单和安装方便、可实现连续分离、可以处理不同含气量的混合液的特点。

附图说明：

图1为本发明所述旋流分离装置的外观图。

图2为本发明所述旋流分离装置的轴向截面剖视图。

图3为本发明所述旋流分离装置的局部剖视图。

图4为本发明所述旋流分离装置的爆炸视图。

图5为本发明所述旋流分离装置的入口腔体与相关部件的连接关系示意图。

图6为本发明所述旋流分离装置的气液隔离管与变径分离管的组装示意图。

图7为本发明所述旋流分离装置的变径分离管与上定位封板的组装示意图。

图8为本发明所述旋流分离装置的气液隔离管与变径分离管的连接示意图。

图9为本发明所述旋流分离装置的前端装配图。

图10为本发明所述旋流分离装置的锥形分离管安装示意图。

图11为本发明所述旋流分离装置的导流筒体安装示意图。

图12为本发明所述旋流分离装置的内芯整体外形结构图。

图13为本发明所述旋流分离装置的一级油水分离腔室结构图。

图14为本发明所述旋流分离装置的增压导管结构示意图。

图15为本发明所述旋流分离装置的螺旋增压装置及下定位封板安装及定位方式示意图。

图16为本发明所述旋流分离装置的螺旋增压装置结构示意图。

图17本发明所述旋流分离装置的一级油水分离腔室内芯结构示意图。

图18为本发明所述旋流分离装置的一级油水分离腔室轴向截面视图。

图19为本发明所述旋流分离装置的导流筒体与密封外筒安装和定位方式示意图。

图20为本发明所述旋流分离装置的一级油水分离段局部剖视图。

图21为一种新型井下脱气除油旋流分离装置主要结构尺寸标注。

图中1-来液总入口；2-气相出口；3-重质液相出口；4-油相出口；5-气液隔离管；6-上定位封板；7-变截面入口盘；8-入口腔室；9-排气孔；10-变径分离管；11-锥形分离管；12-增压导管；13-导流筒体；14-导流孔；15-螺旋增压装置；16-下定位封板；17-密封外筒；18-变截面入口；19-中心定位孔，20-分离管定位螺纹；21-隔离管定位螺栓；22-密封螺纹；23-分离管紧固螺纹；24-锥形分离管安装螺纹；25-导流筒体安装螺纹；26-轻质相溢流口；27-一级螺旋加速流道；28-轻质相引流孔；29-增压装置定位螺纹；30-下定位封板安装螺纹；31-一级螺旋增速流道；32-导流锥体；33-增压装置安装螺纹。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本种新型井下脱气除油旋流分离方法及装置整外观视图如图1所示。图2为装置轴向截面剖视图，图3为装置内部结构展示。本发明主要由外部的气-液分离腔及内部的二级油水分离腔室两部分组成，同时还包括气液隔离管、入口装置及变径分离管等部分装置。外部的气-液分离腔主要用来实现对来液进行气液分离处理，经分离腔底部的导流孔，将除去气相的处理液引入油水分离腔室，经增压元件增压后实现二级的油水分离，而后油、水、气三相分别由不同的出口排出，以此来实现对含气采出液的脱气除油处理。

本发明所涉及的脱气除油旋流分离方法为：待处理液由图1所示的来液总入口1进入脱气除油一体化分离装置内部，在气-液分离腔内进行气-液分离，轻质气相在离心力的作用下运移到装置轴心位置，进入变径分离管10顶部设的排气孔9沿气-液隔离管5外壁经气相出口2排出装置。同时脱气后的油水混合液沿密封套筒17内壁继续沿轴向底部运移，当流至装置底端时，在压力的作用下将油水混合液沿导流孔14引入油水分离腔室内，该液-液分离部分整体分为两级，首先在增压装置15的作用下对油水混合液进行切向加速，从而产生足够大的离心力，在离心力的作用下轻质油相运移至轴心位置，沿增压导管12上的导流孔14进入增压导管12内部后由油相出口4排出装置，从而实现油水混合液的一级分离。一级分离后的油相经增压导管12上端开的轻质相引流孔进入增压导管内部，从而经油相出口4排出装置内部。此时未完全分离的油水混合液，沿增压导管12继续向顶部方向移动，经螺旋加速流道27进行二次加速，经加速流道对其进行压损补偿后，进入二级油水分离腔室内部，进行油水的二次分离。此时二次分离后的轻质油相沿轻质相溢流口26与一级油水分离的轻质油相汇合共同由油相出口4排出装置。水相在二级油水分离腔内继续向顶部移动，经水相出口3排出装置，以两级油水分离的形式来保证除油的高效性。

本种新型井下脱气除油旋流分离装置主要特点是借助旋流分离原理，在一密封套筒内部，通用增压元件、变径分离管导流装置等通过将其巧妙配合，形成轴向和径向的多级分离模块，从而在同一装置内部实现多级多元化的分离系统，实现将旋流分离原理径向及轴向的连续配套应用，从而实现气-液-液三相介质间的高效分离，最终满足含气条件下油水混合液的脱气除油处理。

本发明所涉及装置的爆炸视图具体如图4所示。图中上定位封板6与变截面入口盘7及入口腔8共同构成装置的双切向入口模块，具体安装形式如图5所示，图中18为变截面入口，来液经此形成切向速度进入气液分离腔内实现气液分离。

中心定位孔19用来安装固定变径分离管10，具体连接形式如图6所示。图6中变径分离管10通过分离管定位螺纹20与中心定位孔19进行连接，具体连接形式如图7所示。同时气液隔离管5穿过中心定位孔19与变径分离管套接，通过隔离管定位螺纹21与密封螺纹22相连接，既对气液隔离管5起到了固定的作用，又实现了气液两相间的密封作用，该部分具体连接形式如图8所示。气液隔离管5与中心定位孔19之间留有环形间隙，此环形间隙为气相出口2；气液隔离管5的开口为重质液相出口3。

入口装置与变径分离管10及气液隔离管5的整体连接情况如图9所示。气液隔离管的存在，使气相与油水两相再分离后各行其道，不会造成分离后介质间的混淆，同时使气相及水相沿相同方向排出。图中23为分离管紧固螺纹，用来与锥形分离管11进行紧固连接，具体连接形式如图10所示。图10中锥形分离管安装螺纹用来与导流筒体13通过导流筒体安装螺纹23进行固紧。变径分离管10与锥形分离管11及导流筒体13共同安装在密封外筒内部形成了气液分离腔室，气液分离腔室内芯整体结构形式如图12所示。变径分离管的结构设计，包括内置密封螺纹，在对气液分离管进行定位的同时也防止液相沿气相出口排出。同时其外形设计与装置密封外筒共同构成旋流分离腔室，以此来实现气液分离。该气液分离段内芯结构自顶端至底部直径油小变大，在与外套筒17共同作用下形成截面由大到小的环状空间，携气的油水混合液在此环空内进行离心旋转时，气相在离心力的作用下被运移至轴心，且受压力影响气相沿轴向向顶部移动至排气孔9后由气相出口2排出装置。同时油水混合液运移至装置底部由导流孔14进入导流筒体内部。通过设计内部筒体的结构，与外套筒形成一个环形分离空间，在离心力的作用下实现不同介质间的分离。通过两个套筒间直径的不同而形成环空区域以此来对处理液进行分离及引流，进而实现介质分离。导流筒体内部结构形式如图13所示，图中12为增压导管。增压导管12的具体结构形式如图14所示，本发明所涉及的增压导管顶端设有轻质相溢流口26，二级分离后的轻质油相经此口进入增压导管12内部后排出装置。图14中螺旋加速流道27为来液进入二级分离腔室提供充足的切向速度，使其以较高的速度进入二级油水分离腔室内，从而形成较大的离心力使油水两相更好的分离开来。同时增压导管12中部位置还设有轻质相引流孔28，油相在进行一级油水分离时，沿此孔进入到增压导管内部从而由油相出口排出装置。图14中增压装置定位螺纹29与下定位封板安装螺纹30分别为安装固定螺旋增压装置15与下定位封板16所设，其具体安装方式如图15所示。图15所涉及的螺旋增压装置15其具体结构形式如图16所示，主要由一级螺旋增压流道31、导流锥体32及增压装置安装螺纹33等部分构成。用来弥补含气采出液在脱气过程中减少的压力损失，为一级油水分离提供充足的分离压力。增压导管12、螺旋增压装置15与下定位封板16具体位置及安装形式如图17所示，其与导流筒体13共同构成了一级油水分离模块，如图18所示。脱气后的油水混合液经导流孔14进入导流筒体底部，在压力的作用下向顶部运移，经螺旋增压装置15上的导流锥体32进入到一级螺旋增压流道31内进行增压，后进入到一级油水两相分离腔室内部，轻质油相在离心力的作用下运移至轴心位置后经轻质相引流孔28进入增压导管12内部后由油相出口排出装置，同时未完全分离的油水混合液，继续沿增压导管12外壁向顶部移动，至螺旋加速流道27加速后进入二级油水分离腔室。图19为密封外筒17与导流筒体13间的连接及密封方式示意图，双方通过法兰共用螺栓连接在下定位封板16实现彼此间的紧固及密封。密封外筒17、导流筒体13、增压导管12与螺旋增压装置15具体位置及装配情况如图20所示，由此可以看出前述部件间的位置及连接关系。增压导管的外形及结构设计，具体包括顶端的二级螺旋加速流道、内部空心及外部变径的结构形式，即保障了内部可进行液相流通，也与导流筒体共同形成分离空间，使油水混合液于此实现一级分离。同时增压导管设有轻质相引流孔及轻质相溢流口，二者相同均由同一出口排出装置，使经二级分离的油相由同一出口排出装置。螺旋增压装置的结构设计，包括增速流道及导流锥体一级内置的安装螺纹，以此来实现装置的安装定位及对处理液进行引流及增压。

本装置在装置高压区通过开孔方式对处理液进行流向控制，同时通过增压部件对分离过程中的压力损失进行补偿从而进行高效的二次分离。通过两级螺旋式增压装置，来对运动中的待处理液进行二次切向加速从而使其在离心力的作用下满足双级的不同介质间的分离，从而提高分离精度。

图21为一种新型井下脱气除油旋流分离装置的主要尺寸标注，图中密封外筒内径D、变径分离管外径D₁及导流筒体内径D₃满足如下关系式。

同时式中变径分离管外径D₁与导流筒1体内径D₃满足关系：

此外，导流筒体内径D₃与增压导管顶端大圆柱段直径d及增压导管底端小圆柱段直径d₁满足如下关系式：

D₃≤2d-d₁。

Claims (1)

1.一种井下脱气除油旋流分离装置，由密封外筒(17)、导流筒体(13)、气液隔离管(5)、上定位封板(6)、变截面入口盘(7)、入口腔体(8)、变径分离管(10)、锥形分离管(11)、增压导管(12)、螺旋增压装置(15)以及下定位封板(16)构成，其中：

气液隔离管(5)的尾端开有隔离管定位螺纹(21)；

变径分离管(10)由直管段和锥管段两段连接后构成；其中，所述直管段的内径大于所述锥管段小径端的内径，在锥管段小径端开有密封螺纹(22)；在变径分离管(10)直管段的上半部分开有若干排气孔(9)；在变径分离管(10)锥管段的尾端开有分离管紧固螺纹(23)，用来与锥形分离管(11)的首端进行螺纹连接；

锥形分离管(11)的首尾两端分别开有用于与变径分离管(10)连接的内螺纹和用于与导流筒体(13)连接的导流筒体安装螺纹(24)；

导流筒体(13)的下部开有若干导流孔(14)；

增压导管(12)的内部中空，于顶端设有轻质相溢流口(26)，在外壁上固定有螺旋加速流道(27)，在底部直管段的上部开有轻质相引流口(28)，在所述轻质相引流口的下方，依次开有增压装置定位螺纹(29)和下定位封板安装螺纹(30)；

螺旋增压装置(15)由一级螺旋增压流道(31)和导流锥体(32)连接后构成；导流锥体(32)的尾端开有增压装置安装螺纹(33)；

下定位封板(16)的中央开有供增压导管(12)的底部直管段插入的孔；

上定位封板(6)与变截面入口盘(7)及入口腔体(8)组合后共同构成所述井下脱气除油旋流分离装置的双切向入口单元；其中变截面入口盘(7)上开有一对变截面入口(18)，以实现由所述变截面入口进入的液体经此形成切向速度；上定位封板(6)上开有带内螺纹的中心定位孔(19)，用来安装固定变径分离管(10)；变径分离管(10)上开有分离管定位螺纹(20)，通过分离管定位螺纹(20)与中心定位孔(19)连接；气液隔离管(5)穿过中心定位孔(19)插入所述变径分离管的直管段，通过隔离管定位螺纹(21)与密封螺纹(22)相连接后实现与所述变径分离管的套接；气液隔离管(5)与中心定位孔(19)之间留有环形间隙，此环形间隙为气相出口(2)；气液隔离管(5)的开口为重质液相出口(3)；

锥形分离管连接在所述变径分离管和导流筒体(13)之间，变径分离管(10)与锥形分离管(11)及导流筒体(13)共同安装在密封外筒(17)的内部；

螺旋增压装置(15)通过螺纹连接固定在增压导管(12)上，两者连接后插入下定位封板(16)的中央通孔内；三者组装后位于导流筒体(13)的内部；

密封外筒(17)与导流筒体(13)间通过法兰共用螺栓连接在下定位封板(16)上实现彼此间的紧固及密封。