CN1068970A

CN1068970A - 旋液分离器

Info

Publication number: CN1068970A
Application number: CN92104381A
Authority: CN
Inventors: M·F·舒伯特; D·A·哈德菲尔德
Original assignee: Conoco Specialty Products Inc
Current assignee: Lubrizol Specialty Products Inc
Priority date: 1991-05-02
Filing date: 1992-05-02
Publication date: 1993-02-17
Also published as: DE69215187D1; MX9202075A; EP0537330A1; MY107739A; CA2086609A1; BR9205260A; ZA923221B; AU650348B2; EP0537330A4; AU1891292A; NO925052D0; EP0537330B1; NO925052L; US5302294A; DK0537330T3; WO1992019352A1; NO304925B1

Abstract

一个旋液分离器将含油和水的物流分离成一个主要含水的底流和一个比底流含有相对高浓度油的溢流。在此涉及底流和溢流的质量控制，并且一除油分离器通常装在底流的下游侧，而一除水分离器通常装在所述旋液分离器溢流的下游侧。在旋液分离器入口上游侧通常也使用一除气分离器。设置各种检测和控制系统，用于控制旋液分离器的低流和溢流之间的分配比。

Description

本发明通常涉及油、水和气的分离方法和系统，并且更特别涉及（但并非仅限于此）油井生产的分离系统。

从典型的油井中开采出的流体物流是一种含油、水和气的三相流。该物流也可能包括少量固体或其它流体杂质，但它们是与本发明无关的。惯用的生产流体分离系统是将此三相生产流输送至一个三相重力分离罐中。从重力分离罐上部排出气流。油和一些水流过一溢流堰并排到一个常常称之为分离器的油相的导管内。含有少量残余杂质油的水从一个常常称之为分离器水相的导管排出。可以设置一个或多个附加的三相重力分离器与第一重力分离器串联，第一分离器的油相通向第二分离器，依次类推。可另外处理每一重力分离器的水相，以便从含油的水中除去油。常常使用除油旋液分离器进一步处理来自于重力分离器水相的含油水。可在除油旋液分离器的下游侧使用浮罐以便最后除气，并在其排入海中之前进一步除去水中的油。图1示出了上述典型的已有分离系统，目前它通常用于北海海上生产平台。

类似图1所示系统所使用的除油旋液分离器，用于从水中除去相对低浓度的油，它可按照colman等人的US4，576，724以及Colman等人的US4，764，287进行设计。

已有技术也包括特别适于从油流中除去相对低浓度水的旋液分离器。这样的旋液分离器通常称之为除水旋液分离器，例如，Smyth等人的US4，749，490所指导的结构。

在除油和除水旋液分离器两者中，所强调的是旋液分离器的一个排出流的质量。

在除油旋液分离器的情况下，所强调的是水或底流的质量，并且溢流含有油和水通常也是允许的。除油旋液分离器通常的目的是使底流的水具有足够的纯度，以便使其能排入海中或是注入地层中。

而对于除水旋液分离器，所强调的是溢流的油流的质量。

本发明是针对旋液分离器在生产流的油、水分离方面的另一种使用而进行的。在此所公开的原理是在分离工艺较早的级中使用旋液分离器，而在旋液分离器的下游侧再进一步处理其底流和溢流。

本发明典型地使用了一个与初级重力分离器相联的旋液分离器，或者在某些情况下，使用旋液分离器作为生产分离系统的第一分离器，以便在使用可以是或不是旋液分离器的其它分离器进一步除油和水之前对油和水流进行相当程度的初级分离。

特别重要的是，其分离器系统被设计为在类似图1所示的现有系统上进行改型的。这种现有的系统在运转过程中常常由于地层的水产量的增加而使其性能下降。增加本发明的旋液分离器，即降低了必须由现有系统处理的流体量，能使这些系统重新以令人满意的性能进行工作，这样将显著延长系统的寿命和与其相关联的油田的寿命。

本发明的一个方面是针对一种含在油井生产流中的油、水和气的分离方法而进行的。这生产流在第一分离器中被脱气。至少部分来自第一分离器的脱气后的生产流随后被供入一旋液分离器的入口，在旋液分离器中它被分离成主要含水的底流和比底流含有相对较高浓度油的溢流。随后使溢流在第三分离器中除水，以降低溢流物的水含量，同时使底流在第四分离器中除油，以降低底流的油含量。

在这种作为类似图1所示现有系统的一种改型的系统的一种应用中，第一分离器是一种两相重力分离器，它是通过改进现有的三相分离器而得到的。完成除水的第三分离器是一种现有的三相重力分离器完成除油的第四分离器是一种除油旋液分离器。

在这种作为类似图1所示现有系统的一种改型的系统的另一种应用中，第一分离器仍是一种三相重力分离器，而旋液分离器接受第一个三相重力分离器的油相。

在本发明旋液分离器原理的应用中，对于一种全新结构的系统，最好四个分离器均是旋液分离器，其每一个特别适于相应的脱气、分离、除油或除水的功能。

可将各种控制系统联于旋液分离器，以检测一个或多个流入或流出分离器的流体，并且根据检测值调节底流和溢流之间的分配比。

此外，如果生产流中气体含量相对较低，则在系统中旋液分离器可用作第一分离步骤。

在某些系统中，例如旋液分离器的底流将被注入地层中的系统，也可以不使用用于处理底流的除油分离器。

对于本专业的普通技术人员来讲，通过阅读下述参考附图所做的描述，将很容易理解本发明的许多目的、特点和优点。

图1是一个用于北海海上生产平台的一典型的现有技术系统的示意图。这种系统包括三个三相重力分离器，它们在油流的方向上串联联接，每一重力分离器的水相联于除油旋液分离器，并且除油旋液分离器的底流在其将水返回海中之前流过一个浮罐。

图2是以一个类似图1所示现有系统改型的本发明的旋液分离器的示意图。

图3是一个使用旋液分离器进行脱气、分离、除油和除水的全新结构的生产流分离系统的示意图。

图4、5、6、7和8是各种可供适用的系统示意图。所述系统用于检测一个或多个流入和流出旋液分离器的流体流，并且根据检测值控制旋液分离器的溢流和底流之间的分配比。

图9是说明旋液分离器在一个系统中使用的示意图，在该系统中，生产流含有较低的浓度的气体，因此生产流不经过在先脱气即可直接引入旋液分离器。

图10是说明旋液分离器在一个系统中另一种使用情况的示意图，在该系统中，旋液分离器的底流不需要进一步脱油，例如，分离器的底流将被注回地层的情况。

图11是一个系统的示意图，该系统用于处理主要含油而仅需除去少量水的流体。

图12是图11所示系统的一种改型。

图13是2所示改型系统的一种改型，其中第一分离器仍为三相分离器。

图14是另一种供适用的检测和控制系统的示意图。

图1所示已有技术的描述

图1示意性地说明了一种油井生产分离系统，它目前通常使用于北海海上生产平台。图1所示分离系统通常用序号10表示。图1所示系统具有第一、第二和第三这三个三相重力分离器12、14和16，它们位于海上油井18的生产平台（未示出）上。

井18的生产流流过井口20和生产管线22进入第一个三相重力分离器容器12。生产流含有水、油和烃类气体，在第一容器12中，在重力作用下它们以已知的方式基本分离。应该理解，生产流可能含有其它的液体或气体杂质。并且它也可能含有固体杂质，所有这些都与本发明无关，并且这样，该生产流可通常称之为“三相流”。水和油可更一般地分别称为较高密度的第一液体组分和较低密度的第二液体组分。从容器12上部排出气体24。含有一些水的油流过溢流堰26进入室27，并从油相28流出。从罐12排出的水相30是仍含有一些油的水。第一液位控制器32检测室27中油和水的液位，所述室与油相28相联，并且所述控制器控制油相28中的控制阀34的位置，以便控制流过其间的液体流量，并且以此控制第一容器12的室27中的油和水的液位。

流过水相30的含油水流到除油旋液分离器36。除油旋流分离器36的除油溢流37被再循环至生产管线22，使其再次通过第一分离器12，以便进一步分离出其中的油。

除油旋液分离器36的度流流到排水管线38，第二控制阀40位于该管线中。控制阀40与第二液位控制器42相联，该控制器装在溢流堰26的有水的一侧，以便控制分离器12中的含油水的液位。

第一分离器容器12的油相28通向第二分离器14，在其中，它被再次分为气流44，油相46和水相48。

水相48通向一第二除油旋液分离器49，除油旋液分离器49的溢流51被再循环至第二重力分离器14的入口。除油旋液分离器49的底流53联于排出管线38。装在第二重力分离器14中的液位控制器57控制装在底流管线53上的控制阀55。液位控制器59和控制阀61控制从第二重力分离器14的油相46流出的液体的流量。

第二容器14的油相46再通向第三个三相重力分离器容器16。其构造与第一和第二容器12和14相类似。

第三容器16再次将引入流分为气流50，油相52和水相54。在此情况下，油相52中的油已被足以处理为含有足够少量的水的程度，它可被通向精炼设备，并且它通常称之为油输出管线52。从其输出的油通常要求含低于1%的水。

第三分离器16的水相54流过除油旋液分离器56而通向排水管线38。

所有的除油旋液分离器36、49和56的排水管线38通向浮罐58。浮罐58是一个相对小型的三相重力分离装置，它用于在水排回海60中之前对其进行最后处理。浮罐58只有1至2分钟滞留时间。浮罐58将来自排水管线38的任何残余游离气均分离进入气流62中。溢流堰64用于从水中撇去剩余的油，通过油管线66将其排出，使其可返回至处理工艺的某一更早的一级中。通过清洁水排出管线68排出浮罐58中的水，并将其排入海60中。例如在北海，排放限制通常是以日平均水中含油小于40毫克/升为标准的。

类似图1所示系统典型的压力：在分离器12入口处应是500磅/英寸²，在分离器14入口处应是200磅/英寸²，并且在分离器16入口处应是50磅/英寸²。

类似于图1所示系统10的系统，当其设计作为初始设备时，特别将其设计为能适应与油井18相关联的油田预期寿命的大部分期间的生产流量和水浓度。

但是，随着油田的老化，可能发生许多事情，它将增加生产流中水的含量，并且常常将惊人地增加总的生产流量。

例如，在一给定油田寿命的后期，可将水注入与储层相联的周围的井中，以将剩余的油从储层驱赶到生产井，例如井18。在此情况下，生产流体总量将显著增加，并且生产流体的含水百分比将显著增加。例如，在典型的北海生产情况下，井在生产初期可能是85%的油和15%的水。在生产后期，当水注入油田中时，生产流可是不多于约15%的油和85%的水。典型地，当水的生产达到总的生产流体的70-80%时，类似图1所示的惯用分离系统，由于它不再能以生产流量有效地分离油和水。因此在生产系统中将出现涌塞现象。在这种情况下，为使输出管线52和排出管线68中的流体能达到合适质量的唯一方法是，降低井18的产量，这当然降低了油井的经济寿命。在此工艺中的某些方面，由于要把烃类与其同时生产的大量水分离，需要花费高费用，因此，井18的进一步的烃类生产将变得无经济价值了。

图1中所示井18仅是一个示意性的说明，当然可能具有许多这样的井，其生产流体在达到分离系统10之前被混合。

图2示出一旋液分离器的改型

图2是按照本发明的旋液分离器的改型，由类似图1系统转化而成的示意图。在此实施方案中，改型的旋液分离器通常趋于从连续的水相中分离相对少量的油。

在图2中，示出了第一和第二重力分离器12和14，在其中间设置了一个旋液分离器70。未示出第三重力分离器16，但应该可以理解，事实上仍可将其保留在其应处的位置上。也应该理解，许多已有的系统仅具有两个重力分离器，例如图1所示的分离器12和14。在任何情况下，本发明适用于改型类似图1的系统，只要它们具有两个或多个现有的如12和14那样的重力分离器即可。

旋液分离器70所处工艺位置是位于第一和第二重力分离器12和14之间。第一重力分离器12最好从三相分离器变为二相分离器。这是通过堵塞油相28，使油相28中无流体流过而实现的。随后用导管71把旋液分离器70的入口72联于水相30。控制阀34装在导管71中。一个或是机械类的或是化学处理的凝聚装置73，可装在旋液分离器70的上游侧。凝聚装置73帮助分散相聚集在一起，例如，如果液流大部分是水则油是分散相。最好也从第一分离器12上取下溢流堰26，使得进入第一分离器12的所有液体，即油和水从上述的水相30流出。仍使用液位控制器32，但它可被重新调整，以便或是为增加脱气滞留时间而在容器12中提供一个较高的液位，或是为防止油和水分离和形成阻滞而提供一个较低的液位。改型的重力分离器12仅用于从油和水中分离气体。基本上所有流入第一分离器12的油和水从水相30流出，并流入旋液分离器70的入口72。

可以想象，在某些情况下，第一重力分离器12可不被改为两相分离器，如下述将参照图13描述的那样。但是，由于希望使进入旋液分离器70的液流的水含量保持在60%或更大的水浓度，通常对其进行改型。如以下将进一步描述的那样，对于旋液分离器70的优选的结构，从水相30进入旋液分离器70的脱气生产流最好具有连续的水相，并且至少具有60%的水溶度。也可以堵塞水相30并将油相28联于旋液分离器70的入口72。

旋液分离器70具有从其中流出的溢流74和底流76。溢流74可通常称之为第一较低密度流74，而底流76可通常称之为第一较高密度流76，这是因为溢流74的密度低于底流76的密度。溢流74联于第二重力分离器14的入口78。

如以下将进一步描述的那样，旋液分离器70的优选的结构设计是使其不能处理含有大于约20（体积）%气体的流体，并且所进入流体的气体含量最好保持在低于10（体积）%。具有高的游离气体含量所带来的问题是：气体将占据使述的体积，使得溢流（具有一个由油环绕的气体芯）可能变得直径太大，以致于油不能通过溢流口。

水相30和导管71的脱气物流流入旋液分离器70，可以理解，在容器12中仅除去了游离气体。其它气体仍然以溶解形式保留下来，并且随着液流的压力降低它将进一步释放出来。旋液分离器70可是一排并联设置的旋液分离器，它将已脱气的油和水液流分离成主要含水的底流76（即水多于油）和溢流74，该溢流比底流具有相对较高的油浓度。所需旋液分离器的数目及尺寸的选择当然涉及到现有的特定工艺参数，倒如，可获得的驱动分离系统的压差。

正如以下将参照附图4、5、6、7、8和14描述的各种控制系统可用于控制底流76和溢流74之间的分配比，以便保证流出分离器70的底流和溢流的质量。在某些使用场合，可能也希望一个固定的分配比。

上述现有的第二重力分离器14接收旋液分离器70的溢流74，它现在起到一个除水分离器的作用，进一步降低旋液分离器70的溢流74的含水量。在第二重力分离器14中分离出的额外的水通过水相48连续流至除油旋液分离器49。除油旋液分离器49溢流（现用序号80表示）已被改线到旋液分离器70的入口72。

附加的旋液分离器70除去了大部分上述正在流向第二重力分离器14的水，因此大大地降低了通过第二重力分离器14的流量，并且增加了在其中的滞留时间，从而提高了该分离器以及其下游侧的任何其它分离器的分离效率。

旋液分离器70的底流76通向除油旋液分离器82。在一种改型情况下，在图1所示初始装置中所用的除油旋液分离器36可作为除油旋液分离器82，不过不是必需使用它。除油旋液分离器82降低旋液分离器70底流76的含油量。除油旋液分离器82的除油溢流84被再循环至旋液分离器70的入口72。除油溢流84通常可称之为第二较低密度流，而除油底流85通常可称之为第二较高密度流85，因为溢流84的密度低于底流85的密度。

应该注意，用于在此说明书中所描述系统的各种再循环管线，例如管线84，可能需要在其上安装增压泵以实现再循环。为使附图简化，在大多数情况下未示出所述的增压泵。

可按照Colman等人的US 4，576，724和Colman等人的US4，764，287的教导设计除油旋液分离器49和82，其细节被结合于此以作参考。

除油旋液分离器82和49的底流85和53通过排出管线38分别通到浮罐58，在将水排入海中之前在此进行最后的脱气和分离处理。

在图1所示的已有系统中，随着井18的生产率的提高，并且特别是随着生产流体中水浓度的增加，并达到含水量为70-80%的范围时，将发生涌塞现象。在已知系统中第一个三相重力分离器12具有一个主要任务，即从生产流体中分离出大量的水。由于增加了流量，降低了在罐12中的滞留时间，水不再能被充分分离，因此不能提供一个仍足以被剩余分离器14和16处理的油相流28。这样，则不能在仍然提供足够质量的排水流68的同时提供足够质量的油输出52。当发生这种情况时，必须降低井18的生产率。

但是，对于图2所示的改型，第一分离器12变为两相分离器，并且增加了旋液分离器70，以完成水和油的大量分离，与图1所示的初级三相重力分离器12相比，两相分离器12和旋液分离器70相配合形成了一种相对快速分离进入的三相流22的装置。图1所示初级三相重力分离器12其典型的滞留时间是处于5至10分钟这一数量级。由于在图2所示重力分离器12中仅需发生气体分离，而气体分离比两液相分离快得多，因此，图2所示改进型两相重力分离器12其滞留时间可降至约2分钟。在旋液分离器70中进行所有所必需的液相分离。这样，即使井18的生产率大大增加，也能达到良好的分离效果。

图13所示的可供适用的实施方案

图13示出了一个类似于图2的改型系统，只是第一分离器12仍为三相分离器，并且旋液分离器70A接受第一分离器12的油相28。水相30进一步通向水处理装置，例如它可以是上述图1提及的除油旋液分离器36和浮罐58。

在此实施方案中，通向旋液分离器70A的油相28中，通常应具有连续的油相。这样旋液分离器70A通常具有“除水”型结构，可以按照Smyth等人的US4，749，490的教导进行设计，其细节结于此以作参考。

图3所示可供选择的实施方案

图3示出了一个可供选择的，并且在某些情况是优选的实施方案。它适于作为初始结构，而并非是对现有系统的改型。图3所示系统的设计能最充分地利用在空间和重量是很宝贵的海上生产平台上使用旋液分离器所带来的优点。在图3中，示出了生产分离系统，并通常用序号100表示。

来自于井18的生产流22首先通入脱气旋液分离器102。脱气旋液分离器102可以是若干已知设计的任一种，包括可以从德克萨斯的休斯顿的波特实验公司（Porta-Test Co.of Houston，Texas）得到的，以及可以从CE纳特克（CE Natco）得到的商标名为“Gasunie”的产品。

从脱气旋液分离器102的溢流排出气体104，而从其中排出的生产流的含油和水部分的底流106通向旋液分离器108。旋液分离器108的溢流110通向除水旋液分离器112。可按照Smyth等人的US4，749，490的教导设计除水旋液分离器112，其细节结合于此以作参考。除水旋液分离器112尽可能多地除去剩余的水，它作为底流114被再循环至旋液分离器108的入口。除水旋液分离器112的溢流116可以随时作为油输出的除水油。

旋液分离器108的底流118通向除油旋液分离器120。除油溢流122被再循环到分离器108的入口。除油底流124通向浮罐58，浮罐的操作如上所述。

图4-8和14所示的控制系统

现转向图4-8和14，它们示意性地说明了检测和控制旋液分离器70或108的底流和溢流之间的分配比的几个不同的方法。

因为在一典型的生产流中预期的油-水比经常改变，因此，通常希望有这样的检测和控制系统。如果遇到出现相对恒定的油-水比的情况，那么即不需要这样的检测和控制系统，并且例如通过在溢流中设置一个固定的节流孔则可使分离器70或108具有固定的分配比。

一般来说，至少需要测量引入的生产流，第一底流76、第一溢流74、或第二底流85中的至少一个物流的性质。物流的“性质”涉及物流的组分的相对比例，特别是油和水的相对比例，但在某些情况下物流的气体含量也是十分重要的。在此示出了使用于图2或13的分离器70或图3的分离器108的各种控制系统，并且在各图中，分离器70和108的序号，并且在某些情况下它们相应的入口、溢流和底流管线的序号均有共同的规定。为便于言辞描述，下述讨论将仅涉及分离器70以及其入口流28、底流76和溢流74。

图4说明了进入的脱气生产流28的性质的检测。检测装置126安装在脱气生产流28中。因为物流28中仍含有一些气体的事实，这样最好使用能够允许一些气体含量的检测装置126。

检测装置126可以是一种EXAC型8300EX质量流量测量仪，可从加里佛尼亚的圣柔思的EXAC公司（EXAC corp.of San Jose，California）获得，正如US 4，660，421和4，711，132对其进行了进一步的描述，其细节均结合于此以作参考。

其它的使用微波、天线电波、光吸收/衍射和声音原理的检测装置也适于作为装置126。

控制系统132由电子，气动或液动联接装置130联于控制阀128，根据质量流量测量仪126测量的进入流的水-油比，检测系统132通过联接装置130改变控制阀128的位置，以控制分配比，即底流76与溢流74的液体流量比。另一种方法可将控制阀129装在溢流74中以替代阀128，或另外将阀129装在溢流74中。随后可使用压差或流量控制以调节另一个阀的位置。

与检测装置126和控制阀128相联的控制系统132具有如此的结构，即它可根据检测的进入流的水-油比任意控制所述分配比。例如在许多情况下，希望使底流和溢流之间的分配比约等于其水-油比。即，如果检测装置126确定了进入流量由70%的水和30%的油构成，则控制系统132可以调节控制阀128，使底流76和溢流74之间的分配比接近于所述的70-30%这一比值。

尽管在理论上希望使分配比等于进入的流体比，但实际上不能实现绝对的分离，因此，实际上通常希望使底流在略小于进入液流含水百分比下运转，这样可使溢流含有过量的水，从而以较湿的油为代价而确保可获得清洁的底流。根据分离的困难程度，典型的底流比将等于入口含水百分比的50至90%的范围内。对于相对较容易分离的情况，典型的底流比应接近进入流含水百分比的90%。对于相对较难分离的情况，底流比可降至进入流含水百分比的50%。这样，可以说分配比是与进入流含水百分比成比例的。

控制装置132也可以与各种检测底流76和溢流74流量的装置相联，以确定是否达到了所希望的分配比。例如，可将第一、第二和第三压力检测装置131、134和136分别联于入口管线28，溢流管线74和底流管线76。与在其各位置所测压力相对应的信号分别通过电联接装置138、140和142返回到控制系统132。本领域技术人员应该理解到，对于具体的旋转分离器70来讲，131和136之间的压力降提供了底流76的流量测量，而131和134之间的压力降提供了溢流74的流量测量。也可以使用流量测量计直接测量流量。

控制系统132可以微处理机为基础，但也并非一定如此。

图5说明了另一控制系统，其中，由检测装置144检测底流76的性质。由于与入口流28相比底流76具有很低的油和气浓度，因此测量装置144可以是一种浊度测量计。一种合适的所述检测装置是欧佩特克型510E/TF10-ASA-EX，它可以从联合王国的瑞哥特·萨里的KC控制有限公司得到（Optek Model No 510E/TF10-ASA-EXavailable from Kc Controls，Ltd.of Reigate Surrey，United Kingdom）。欧佩特克浊度测量计是一种简单的光吸收测量计，可用它测量底流水流量的质量和使用其可变因素控制所述分配比。在位置144也可使用质量流量测量计126和各种可供适用的检测计，因为底流的水中具有相对低含量的油和非常低含量的气体，因此检测底流比检测入口流28或溢流24简单。

浊度测量计144提供了含油水即底流76的油浓度的显示。因为随着含油量的增加液体的浊度将增加。检测装置144再次联于操纵控制阀128的控制系统132。尽管图5中未示出，但控制系统132也可与各种流量指示测量装置相联，例如图4中示出的压力检测装置131、134和136。

对于图5所示的系统，其中浊度测量计144检测底流76的含油量，控制控制阀128的控制系统132具有调节底流76含油量的上限和下限。当底流76的含油量超过控制系统132的上限时，控制系统132将减小控制阀128的开度，这样将降低入口流28供到底流76的百分比，从而通过降低了其油含量而保证了底流76的质量。另一方面，如果底流76所测油含量降低到控制系统的调节下限之下，控制系统132将使控制阀128的开度增加，这样将增加入12流28供到底流76的百分比，从而通过降低了其含水量而保证了溢流74的质量。

旋液分离器的底流通常应该含有接近2000ppm的油，并且溢流应该含有接近20（体积）%的水。在此情况下，上述质量的液流能足以被进一步除水或除油，以提供良好的输出油的质量和良好的排水质量。这些所希望的结果例如相应于控制系统132调节的上限和下限，对于底流76它分别是10000ppm和300ppm。

图6说明了又一可供适用的控制装置，其中，在溢流管线74中装有检测装置146。检测装置146最好是与图4所述测量计126相同类型的质量流量测量计。检测装置146再次联于用于控制控制阀128的控制系统132。控制系统132也可再次与各种压力检测装置131、134和136联接，正如图4所示的那样联接。

当然，用于图2或3任一分离系统的控制系统能够使用多个检测装置，以检测旋液分离器70或108的一个以上的入口，底流和溢流的液流。也可以使用一个以上的控制阀，即可在溢流74中装有附加的控制阀129，以便使用一个或两个控制阀控制底流76和溢流74之间的分配比。

图7说明了另一控制装置。与容器12的液位控制器32相联的控制阀34被装在旋液分离器70的底流中，以控制旋液分离器70的流量，并且这样控制容器12的液位。随后由溢流74中的控制阀129控制分配比。控制系统132根据来自于液位控制器32和检测器144的信号控制阀34和129。

图8说明了在底流中一个固定式节流器208的使用，溢流上的控制阀129控制分配比。

图14说明了另一种控制装置，其中，除油旋液分离器82的底流85被检测。控制系统132接收来自于底流85中的检测器210的信号，并控制底流85中的控制阀212和/或第一溢流74中的控制阀129。控制系统132可再次与各种压力检测装置131、134和136相联，如图4所示的那样联接。

图9所示的可供选用的实施方案

在图2和图3所示的实施方案中，在此公开的旋液分离器70和108与一除气分离器相联，所述除气分离器位于旋液分离器的入口的上游侧。其原因通常是由于旋液分离器的结构造成的，优选的旋液分离器70或108不能允许大于约20（体积）%的游离气体浓度，并且最好限制在进入流的含气量小于约10（体积）%的情况下使用。

如果井18的生产流含有极少的游离气体，使得游离气体含量低于20%，则在旋液分离器上游侧也不一定必须有一脱气分离器。图9示意性地说明了此种情况，其中，示出了一个通常用序号150表示的分离系统。分离系统150包括一旋液分离器152，生产流22通入该分离器。

旋液分离器152的底流154通向除油旋液分离器156。旋液分离器152的溢流158通向三相重力分离器160的入口。在重力分离器160中，如油相164和水相166那样抽出气体流162。流出分离器160的油相164的料流已经在分离器160中除水，其除水程度是足以作为油输出而供给下一精炼设备。由泵168使水相166被再循环到除油旋液分离器156的入口，或者如果因为压差的原因需要这样的话，也可再循环到一个单独的旋液分离器（未示出）。

除油旋液分离器156的除油溢流管线170被返回到三相重力分离器160的入口。

除油溢流管线170上的阀172，其目的是用于调节溢流170的节流，这样可调节流过除油旋液分离器156而达到其溢流中的流体的百分比。阀172可是人工操作式的，或者也可以是自动控制阀。它被联于控制系统132，并随阀174一道被自动调节。一个固定节流孔板173同样被装在分离器152的溢流158中。应该理解，在此所公开的任一旋液分离器的溢流管线可以使用一种固定式或可变的节流器，以控制流过其间的流体，将根据具体情况进行选择。

除油底流管线176将除油旋液分离器156的水供到与上述相类似的浮罐58中。电操作控制阀174装在除油底流管线176中，并且与控制系统132相联，其联接方法类似于图4-8所述。一个或多个上述的检测装置126、144、146和210，如上所述可分别装在入口22、底流154、溢流158或底流176，并且它们将被可操作地联于控制系统132。

图10所示的可供适用的实施方案

在前面参照图2、3和9所述的分离系统中，旋液分离器70、108或152底流的下游侧总是具有一个除油分离器。最好是一个除油旋液分离器。但是在某些工艺情况下，旋液分离器的底流可能是足够净化的水，因此，不需要对底流进行进一步除油。例如，可以将水注入地层，并且旋液分离器的底流的水已足够清洁，可用于所述注入时。在上述情况下，可以省去所述旋液分离器底流上的除油分离器。

图10正好描述了上述的工艺，其中，省去了旋液分离器186底流下游侧的除油旋液分离器。在图10中，示出了通常用序号178表示的生产分离系统。

在图10中，井18的生产流通过生产管线22流入第一个两相重力分离器180。

在两相重力分离器180中，排出气流182，生产流的油和水通过管线184流到旋液分离器186。

旋液分离器186的溢流188通向第二个三相重力分离器190。分离器190也可是一两相重力分离器。在分离器190中，排出第二气流192，并且油相194的油可作为油输出。水相195通过泵197和再循环导管199被再循环。

旋液分离器186的底流196通向通常与上述相类似的浮罐58。浮罐58的水相198通向注射泵200，该泵通过注入管线202将水注入与井18相通的地下层204，作为注入水计划的一部分。

控制阀206被装在旋液分离器底流196中，并且它与上述类似的控制系统132相联。控制系统132与一个或多个上述检测装置146、144或126相联。

图11和12所示的可供适用的实施方案

图11示出了一个可供适用的实施方案，它适于从主要含油的三相流中除去相对低的含水量。

例如，对于图1所示的已有系统，在第三重力分离器16之后可能需要附加除水装置。图11示出了用序号300表示的上述系统。

例如容器16的油相302仍含有高达10%的水，为适于作为油输出，它必须被降至1%。

油相302通入旋液分离器304，该分离器最好具有“除水”结构，例如smyth等人在US4，749，490所公开的。溢流306通过一个最后的两相重力分离器308，以除去任何随油通过旋液分离器304而释放出的另外的游离气体。除水油其水含量低于1%，它从油流310输出。

底流312通入三相重力分离器314。在316中除去另外的游离气体。分离器314的油相318由泵320通过再循环导管322被再循环到容器16上游侧的一位置处。可以理解，再循环导管322可通向第一重力分离器12上游侧的一位置处。

容器314的水相324和容器16的水相54将被通向通常用序号326表示的某一进一步的水处理区域。区域326可以是一除油旋液分离器，接着是一浮罐，正如上述那样。

旋液分离器304应具有这样一个分配比，即使得所述底流312与溢流306的体积流量比大于进入旋液分离器304的油相302的水-油比。例如，如果油相302含有10%的水，底流312的流量应是油相302流量的10-20%。在某些情况下，可适于通过在底流312中放置固定的节流孔板而得到固定的分配比。或者也可以使用上述参照图4-8所述的测量和控制系统来实现。

图12示出了图11系统的一个改型。它用序号300A表示。在系统300A中，旋液分离器304的底流312被再循环至分离器16上游侧的一位置处，而底流312没有任何进一步的水分离装置。一个两相分离器314A可用于从再循环底流312中除去气体。

旋液分离器的优选结构

应该强调的是，在此说明书中所述旋液分离器的概念应由旋液分离器所完成的工艺来限定，而并非由旋液分离器的具体结构所限定。尽管如此，在此公开了对于某种特定的情况所使用的旋液分离器的优选结构，例如70、108、152和186。

如上所述，已有旋液分离器典型地适合于下述两目的：除油，即从水流中除去相对低百分比的油;或除水，即进入的油/水流中含有很大浓度的油。

在Colman等人的US4，576，724和4，764，287所举例的已知除油旋液分离器中，旋液分离器的设计适用于其中具有油分散相的水连续相。对于Smyth等人的US4，749，490所举例的除水旋液分离器，进入的油/水混合物典型地含有60-80%的油和相应40-20%的水，这样提供了一个油连续相，而水滴分散于其中。

本发明相应的图2、3、9和10的优选旋液分离器70、108、152和186打算用于如下所述场合，即典型的水连续相的场合，其中油和水混合物将至少含有60（体积）%的水，以确保水相是连续的。

在水浓度为30-60%范围时，预测水或油是否形成混合物的连续相是困难的，并且能遇到所不希望的相转化情况。

如果生产流恰巧具有30-60%范围的水浓度，可以将足够量的旋液分离器70的底流76的水再循环到旋液分离器70的进入流28中，使得进入旋液分离器70的液流将至少具有60%的水含量以解决上述问题。

已经确定，本发明旋液分离器70、108、152和186的优选结构，当在水连续相的条件下工作时，它通常类似于US4，576，724和US4，764，287所示的除油旋液分离器，其细节结合于此以作参考，只是与所引用除油旋液分离器的专利所公开的溢流口优选直径相比，其直径应该增加。例如，Colman等人的US4，576，724优选的除油旋液分离器的结构，其do/d2比小于0.1，而本发明优选的旋液分离器结构的do/d2比应大于0.1并小于0.35。最好在溢流口上不使用涡流探测器。

对于US4，576，724和在此所使用的，do涉及溢流口的直径，而dz是旋流室中间部分的扩张端的直径。

尽管在此所公开的旋液分离器的概念已经在分离生产流的内容里基本讨论过了，所述生产流含有水连续相且水浓度大于60%，但应该理解，相同的概念能用于含油连续相物流的处理。例如上述图11、12和13所述内容，尽管旋液分离器的优选结构是不同的。例如，如果希望使用该分离器概念处理含80%油和20%水的液流，应该选择与除水旋液分离器相类似的旋液分离器结构，例如US4，749，490所公开的除水旋液分离器。其设计是用于油、水分离的，而液流是具有油连续相和水分散相。

这样可以看出，本发明的设备和方法易于实现上述以及其固有的目的和优点。在此以公开为目的已经示出和描述了几个优选实施方案，但本专业普通技术人员仍可对其做出各种改进，但这种改进也均包括在由其所附权利要求限定的范围和精神中。

Claims

1、一种用于分离包括较高密度第一液体组分，较低密度第二液体组份以及气体组分的流体物流的各组分的方法，包括：

(a)在第一分离器中至少使所述物流部分脱气，以形成一脱气后的物流；

(b)至少将部分所述脱气后的物流引入一第二分离器的入口，所述第二分离器是一个旋液分离器或第二分离器；

(c)在所述旋液分离器式第二分离器中，将所述脱气后的物流分离成一较高密度的液流和一较低密度的液流，其中每一液流包括较高和较低密度组分，并且其中，与所述脱气后的物流相比，所述较高密度的液流包括相对较低浓度的所述较低密度的第二液体组分，并且与所述脱气后的物流相比，所述较低密度液流包括相对较高浓度的所述较低密度的第二液体组分；

(d)将所述较低密度液流引入一第三分离器；

(e)在第三分离器中，降低所述较低密度液流的较高密度第一液体组分的含量；

(f)将所述较高密度液流引入一第四分离器；和

(g)在第四分离器中，降低所述较高密度液流的所述较低密度第二液体组分含量；

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤（a）进一步的特征是：所述第一分离器是一两相重力分离器;和

所述步骤（d）和（e）的进一步的特征是：所述第三分离器是一个三相重力分离器。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（a）的进一步的特征是，所述第一分离器是一个三相重力分离器。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（b）的进一步的特征是，所述第一分离器是一个两相旋液分离器。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（f）和（g）的进一步的特征是，所述第四分离器是一旋液分离器。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（f）和（g）的进一步特征是，所述第四分离器是一浮动装置。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，它进一步包括：

至少对下述之一进行检测：（a）所述脱气后的物流的性质;（b）所述脱气后的物流的流量，以及（c）所述第二旋液分离器的入口和该第二旋液分离器所述较高密度流和较低密度流至少之一液流之间的压力降;

对下述之一进行检测：（a）所述第四分离器的入口和该分离器一出口之间的压力降，和（b）通过所述第四旋液分离器的流量;并且

根据所述检测值控制所述较高密度和较低密度流之间的分配比。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，它进一步包括：

使所述旋液分离器式第二分离器上游侧的所述第一和第二液体组分之一的分散相凝聚的步骤。

9、一种用于分离包括较高密度第一液体组份、较低密度第二液体组分以及气体组分的流体物流的各组分的方法，包括：

（a）在第一分离器中至少使所述物流部分脱气，以形成脱气后的物流;

（b）至少将部分所述脱气后的物流引入一第二分离器的入口，所述第二分离器是一旋液分离器式第二分离器;

（c）在所述旋液分离器式第二分离器中，将所述脱气后的物流分离为一较高密度的液流和一较低密度的液流，所述较高密度的液流含有相对较低浓度的所述较低密度的第二液体组分，而所述较低密度的液流含有相对较高浓度的所述第二液体组分;

（d）在一第三分离器中降低所述较低密度液流的第一液体组分的含量;

（e）在一第四分离器中降低所述较高密度液流的第二液体组分的含量;

（f）检测至少一个下述物流的性质：所述脱气后的物流，所述较高密度的液流、所述较低密度的液流和来自于第四分离器的第二较高密度的液流;并且

根据所述检测值控制所述较高密度液流和较低密度液流之间的分配比。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述检测步骤的进一步特征是：测量所述较高密度液流的第二液体组分含量;并且

所述控制步骤的进一步特征包括：

当所述较高密度液流的第二液体组分量超过一上限时，降低所述脱气液流供到所述较高密度液流的百分比，从而保证所述较高密度液流的质量;并且

当所述较高密度液流的第二液体组分含量降到一个下限之下时，增加所述脱气液流供到所述较高密度液流的百分比，从而保证所述较低密度液流的质量。

11、一种用于分离包括较高密度第一液体组分、较低密度第二液体组分以及气体组分的流体物流的各组分的系统，包括：

第一分离器装置，用于至少部分脱去流体物流的气体，以形成一个液流;

旋液分离器式第二分离器装置，用于接受来自于所述第一分离器装置的至少部分所述液流，并用于将所述液流分离成一个较高密度的液流和一个较低密度的液流;

第三分离器装置，用于降低所述较低密度液流的第一液体组分的含量;和

第四分离器装置，用于降低所述较高密度液流的第二液体组分的含量。

12、如权利要求11所述的系统，其特征在于，

所述第一分离器装置是一个两相重力分离器;并且

所述第三分离器装置是一个三相重力分离器。

13、如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一分离器装置是一个三相重力分离器。

14、如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第四分离器装置是一个除油旋液分离器式第四分离器。

15、如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一分离器装置是一脱气旋液分离器。

16、如权利要求11所述的系统，其特征在于，它进一步包括：

检测装置，用于检测所述液流，所述较高密度液流，所述较低密度液流和来自于所述第四分离器装置的第二较高密度液流中的至少一个物流的性质;和

控制装置，用于根据所述检测装置控制所述较高密度液流和较低密度液流之间的分配比。

17、一种用于改进现有油生产分离系统的方法，所述系统最初至少具有第一和第二三相重力分离器，所述第一重力分离器最初具有一个油相和一个水相出口，所述第二重力分离器最初接受该第一重力分离器的油相，所述方法包括：

在所述第一和第二重力分离器之间设置一个第一旋液分离器，至少所述第一重力分离器的油相和水相中的一个被联于所述第一旋液分离器的入口，并且所述第一旋液分离器的较低密度流被联于所述第二重力分离器的入口。

18、如权利要求17所述的方法，其特征在于，它进一步包括：

在所述分离系统增加一个第二旋液分离器，所述分离器的入口接收所述第一旋液分离器的较高密度流。

19、如权利要求17所述的方法，其特征在于，它进一步包括：

在所述分离系统增加一个用于完成如下步骤的检测系统：

检测从所述第一重力分离器进入所述第一旋液分离器的物流、所述第一旋液分离器的较低密度流和所述第一旋液分离器的较高密度流中至少一个物流性质;和

根据所述检测值控制所述较高密度流和较低密度流之间的分配比。

20、一种用于分离含油，水和气的三相流的系统，包括：

一个两相重力分离器装置，用于将所述三相流分离成气流和油及水液流;

一个旋液分离器装置，用于将所述油和水液流分离成一个主要含水的较高密度的液流和一个与所述较高密度液流相比含有较高油浓度的较低密度的液流;并且

所述两相重力分离器装置和所述旋液分离器装置相互配合提供了一个具有如下作用的装置，即该装置同体积与两相重力分离器装置相同的三相重力分离器相比，其对所述三相流能进行相对快速的分离。

21、如权利要求20所述的系统，其特征在于，它进一步包括：

检测装置，用于控制进入所述旋液分离器的所述油和水液流、所述较高密度液流和所述较低密度液流中的至少一个物流;和

控制装置，用于根据所述检测装置控制所述较高密度流和所述较低密度流之间的分配比。

22、一种用于分离油井生产流所含油、水、和气的方法，包括：

将来自油井的生产流引入一个第一旋液分离器的入口，而在其引入之前不对生产流进行任何分离，所述生产流其游离气体的体积含量不大于能由第一旋液分离器处理，而仍然能将生产流的大部分含油分离成第一旋液分离器的第一较低密度流;

在所述第一旋液分离器中将所述生产流分离成一个主要含水的第一较高密度流和一个所含大部分是油并至少含有部分所述气体的第一较低密度流;

将所述第一较低密度流引入一个三相重力分离器，在该分离器中进一步将所述第一较低密度流分离成气流、生产油流和含油水流;并且

将所述第一较高密度流引入一第四分离器。

23、如权利要求22所述的方法，其特征在于，它进一步包括：

检测进入所述第一旋液分离器的生产流，来自于所述第一旋液分离器的所述第一较高密度流、来自于所述第一旋液分离器的第一较低密度流和来自于所述第四分离器的第二较高密度流中的至少一个物流的性质;并且

根据所述检测值控制所述第一旋液分离器的第一较高密度物流和所述第一较低密度物流之间的分配比。

24、一种用于分离含水、油和烃类气体的流体物流组分的方法，包括：

（a）在第一分离器中，使所述物流至少部分脱气;

（b）至少将部分所述脱气后的物流引入一第二分离器的入口，所述第二分离器是一个旋液分离器式第二分离器;

（c）在所述旋液分离器式第二分离器中，将所述脱气后的物流分离成一个较高密度的液流和一个较低密度的液流，其中，每一液流包括较高和较低密度的组分，并且其中，所述较高密度的液流与所述脱气后的物流相比，包括相对较低浓度的所述较低密度的第二液体组分，并且所述较低密度液流与所述脱气后物流相比，包括相对较高浓度的所述较低密度的第二液体组分;

（d）将所述较低密度的液流引入一第三分离器;

（e）在第三分离器中进一步降低所述较低密度液流的气含量;

（f）将所述较高密度液流引入第四分离器;和

（g）在第四分离器中降低所述较高密度液流的所述较低密度第二液体组分的含量。

25、一种用于分离含水、油和烃类气体的流体物流各组分的方法，包括：

在一第一三相重力分离器中，将所述流体物流分离成气流，水相和油相;

将来自于所述三相重力分离器的油相在一旋液分离器中分离一较高密度流和一较低密度流，较高密度流体积流量与较低密度流体积流量的分配比等于或大于进入所述旋液分离器的所述油相的水-油比。

26、如权利要求25所述的方法，其特征在于，它进一步包括：在一两相重力分离器中进一步使述较低密度流脱气。

27、如权利要求25所述的方法，其特征在于，它进一步包括：在一第二个三相重力分离器中将所述较高密度流分离成气流、第二水相和第二油相。

28、如权利要求5所述的方法，其特征在于，它进一步包括：至少将一部分所述较高密度流再循环到所述第一个三相重力分离器。

29、如权利要求28所述的方法，其特征在于，它进一步包括：在所述再循环之前，进一步使所述较高密度流脱气。