CN107473329B - 井下三级旋流分离装置 - Google Patents

井下三级旋流分离装置 Download PDF

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Abstract

一种井下三级旋流分离装置。主要目的在于提供一种结构紧凑、设备运转连续和分离效果好的井下分离装置。其特征在于：该装置包括采出液进口、三个轴向相连的旋流分离器、连接在第一级及第三级旋流分离器间的举升泵、与第三级旋流分离器相连接的集油腔、固定在第二级旋流分离器下方的集水腔、外管、内管、以及由外管及内管构成的环空区域，各级旋流分离器之间用分隔板进行分隔，从而产生溢流通道及底流通道；在溢流通道处布置有溢流通道分隔板，在底流通道处布置第一底流通道分隔板和第二底流通道分隔板；举升泵通过法兰与第一级旋流分离器的溢流管相连，并通过法兰与第三级旋流分离器的轴向入口连接。

Description

井下三级旋流分离装置
技术领域：
本发明涉及一种应用于石油化工及环保等领域中的井下油水两相多级旋流分离装置。
背景技术：
随着我国油田的不断开发，油田采出液的含砂、含水量逐年上升，这些杂质的存在会使油田地面处理工艺更为繁琐，提高油田生产成本。就目前来看，较为常见的含油污水净化处理方法为沉降与过滤，这些方法较为传统，工艺复杂、系统庞大且对应机械设备占地偏大。旋流分离具有设备体积小、分离效率高等优点，在很多行业得到广泛应用，但只用于地面分离。水力旋流器的分离原理是利用介质间的密度差而进行离心分离的，密度差越大，分散相的粒径越大，分离效果相对就越好，作为一种油水分离设备也已在我国获得一定的应用。油田井下分离技术由于分离效果、同注水质质量等的限制，未得到很好的推广作用。随着油田行业的发展，开采的深入，采出液的含水量逐步增高，采出液不仅加大了举升和作业成本，且为油田地面带来了很大的经济压力及环境保护等方面的压力。
发明内容：
为了解决背景技术中所提到的技术问题，在国家“863计划”课题(井下油水分离及同井回注技术与装备，2012AA061303)的资助，我们研制成功了本种井下三级旋流分离装置。本种装置具有结构紧凑、设备运转连续以及分离效果好等优点。
本发明的技术方案是：该种井下三级旋流分离装置，包括外管、内管以及由所述外管和内管构成的环空区域，其独特之处在于：
在所述外管和内管构成的环空区域中置有两块沿轴向分布的油水两相分隔板，分隔后，形成两个彼此之间不连通的溢流通道和底流通道；
在所述内管中，由上至下依次置有集油腔、第三级旋流分离器、举升泵、第一级旋流分离器、第二级旋流分离器以及集水腔；集油腔与所述内管之间形成的环空为采出液进口；其中，所述第三级旋流分离器的溢流管与集油腔的集油腔进口相连接，第三级旋流分离器的底流管的出口经过开于所述内管壁上的富水流通道进口而引入底流通道中；第三级旋流分离器的轴向入口与举升泵的液流出口端相连接，举升泵的液流入口端与第一级旋流分离器溢流管相连接；
第一级旋流分离器开有第一级旋流分离器左侧切向入口和第一级旋流分离器右侧切向入口，第一级旋流分离器左侧切向入口采用拉伐尔喷管结构；在第三级旋流分离器和第一级旋流分离器之间放置带孔入口段挡板，所述带孔入口段挡板的中央通孔环绕举升泵的外壁形成密封固定以实现无液体渗漏，所述带孔入口段挡板上开有一对导流孔，沿所述导流孔连接采出液进液通道；两条采出液进液通道分别与第一级旋流分离器左侧切向入口和第一级旋流分离器右侧切向入口相连通；
在溢流通道中，对应所述带孔入口段挡板所在的高度，置有一块呈半圆环形的溢流通道分隔板，所述溢流通道分隔板将溢流通道19分隔成上下两个彼此不连通的空间；在所述内管壁上位于溢流通道分隔板之下的位置处开有富油流通道出口，富油流通道出口通过管路与第一级旋流分离器左侧切向入口相连通；在底流通道中，置有呈半圆环形的底流通道第一分隔板和底流通道第二分隔板，所述底流通道第一分隔板和底流通道第二分隔板将底流通道分隔成上、中、下三个彼此不连通的空间；在所述内管壁上位于底流通道第一分隔板之上的位置处开有富水流通道出口，富水流通道出口通过管路与第一级旋流分离器右侧切向入口相连通；
第一级旋流分离器底流管与第二级旋流分离器轴向入口相连接；第二级旋流分离器溢流管与集水腔进口相连接；第二级旋流分离器底流管的出口经过开于所述内管壁上的水相通道进口而引入底流通道中；水相通道进口的开口位置位于底流通道第二分隔板之下；在所述内管壁上还开有集水腔水相进口，集水腔水相进口位于水相通道进口之下，集水腔水相进口通过管路与集水腔相连通。
本发明具有如下有益效果：
本种井下三级旋流分离装置，包括采出液进口、三个轴向相连的旋流分离器、连接在第一级及第三级旋流分离器间的举升泵、与第三级旋流分离器相连接的集油腔、固定在第二级旋流分离器下方的集水腔、外管、内管、以及由外管及内管构成的环空区域，其间用分隔板进行分隔，从而产生溢流通道及底流通道。举升泵用来弥补压力损失，使得从第一级旋流分离器中分离出的富油流能够顺利沿着第一级旋流分离器的溢流管经第三级旋流分离器的轴向入口进入第三级旋流分离器中。集油腔，用来实现对油相的收集，集水腔用来实现对水相的收集，溢流通道及底流通道分别用来实现对轻质相-油，重质相-水的输送。另外，固定在溢流通道的溢流通道分隔板，用来形成富油流通道，固定在底流通道的底流通道第一、第二分隔板则分别用来形成富水流通道和水相通道。
本种分离装置采用的三级串联结构在两端保证了整体的高效分离效果。这三种旋流分离器的组合使分离效率提高，并可以模块组合，可以根据中、高含水井的具体井况进行优化变形，拓宽其应用前景。
本种分离装置同其他水处理工艺及设备相比，井下三级旋流分离器的结构更加紧凑，本发明涉及的旋流分离器结构实现了小直径下的高效分离，设备本身无任何驱动部件，完全利用自然力，利于井下使用。
另外，本种分离装置采用环空流道形式，整个环空流道中间添加隔板，形成溢流通道及底流通道，从而实现对轻质相-油和重质相-水的输送。同时，溢流通道通过溢流通道分隔板进行分隔，形成富油流通道，从而实现富油流沿着富油流通道经第一级旋流分离器的左侧切向入口进入第一级旋流分离器中，进行再次分离。底流通道通过底流通道分隔板形成富水流通道，实现富水流沿着富水流通道经第一级旋流分离器的右侧切向入口进入第一级旋流分离器中，进行再次分离。通过分隔板形成水相通道。使从第二级旋流分离器中，分离出的水沿着水相通道进口，进入水相通道，并通过集水腔水相进口，进入集水腔中。
目前已经通过实验验证了本种分离装置具有结构紧凑、设备运转连续、在井下进行分离效果好等许多突出的优点。
附图说明：
图1是井下三级旋流分离装置结构示意图；
图2是该井下三级旋流分离器装置装配图；
图3是图1A-A面上的截面图；
图4是图1B-B面上的截面图；
图5是图1C-C面上的截面图；
图6是图1D-D面上的截面图；
图7是第一级旋流分离器的结构示意图；
图8是第二级旋流分离器的结构示意图；
图9是第三级旋流分离器的结构示意图；
图10是集油腔的结构示意图；
图11是集水腔的结构示意图；
图12是举升泵的结构示意图；
图13是带孔入口段挡板、采出液进液通道及第一级旋流分离器连接结构示意图；
图14是富油流通道出口与第一级旋流分离器左侧切向入口连接局部放大图。
图中 1-集油腔进口；2-第三级旋流分离器溢流管；3-第三级旋流分离器；4-第三级旋流分离器轴向入口；5-第一级旋流分离器溢流管；6-富油流通道出口；7-溢流通道分隔板；8-第一级旋流分离器左侧切向入口；9-第一级旋流分离器；10-第一级旋流分离器底流管；11-富油流通道；12-第二级旋流分离器轴向入口；13-第二级旋流分离器；14-第二级旋流分离器溢流管；15-内管；16-富油流通道进口；17-集水腔进口；18-集水腔；19-溢流通道；20-底流通道；21-采出液进口；22-集油腔；23-富水流通道进口；24-第三级旋流分离器的底流管；25-举升泵；26-富水流通道；27-采出液进液通道；28-底流通道第一分隔板；29-富水流通道出口；30-第一级旋流分离器右侧切向入口；31-带孔入口段挡板；32-第二级旋流分离器底流管；33-水相通道进口；34-底流通道第二分隔板；35-集水腔水相进口；36水相通道；37-外管；38-法兰一；39-法兰二；40法兰三；41-法兰四；42-法兰五；43-油水两相分隔板。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：由图1至图14所示，本种井下三级旋流分离装置，包括外管37、内管15以及由所述外管和内管构成的环空区域，其独特之处在于：
在所述外管和内管构成的环空区域中置有两块沿轴向分布的油水两相分隔板43，分隔后，形成两个彼此之间不连通的溢流通道19和底流通道20；
在所述内管中，由上至下依次置有集油腔22、第三级旋流分离器3、举升泵25、第一级旋流分离器9、第二级旋流分离器13以及集水腔18；集油腔22与所述内管之间形成的环空为采出液进口21；其中，所述第三级旋流分离器的溢流管2与集油腔22的集油腔进口1相连接，第三级旋流分离器的底流管24的出口经过开于所述内管壁上的富水流通道进口23而引入底流通道20中；第三级旋流分离器3的轴向入口4与举升泵25的液流出口端相连接，举升泵25的液流入口端与第一级旋流分离器溢流管5相连接；
第一级旋流分离器9开有第一级旋流分离器左侧切向入口8和第一级旋流分离器右侧切向入口30；在第三级旋流分离器3和第一级旋流分离器9之间放置带孔入口段挡板31，所述带孔入口段挡板的中央通孔环绕举升泵25的外壁形成密封固定以实现无液体渗漏，所述带孔入口段挡板上开有一对导流孔，沿所述导流孔连接采出液进液通道27；两条采出液进液通道27分别与第一级旋流分离器左侧切向入口8和第一级旋流分离器右侧切向入口30相连通；
在溢流通道19中，对应所述带孔入口段挡板所在的高度，置有一块呈半圆环形的溢流通道分隔板7，所述溢流通道分隔板将溢流通道19分隔成上下两个彼此不连通的空间；在所述内管壁上位于溢流通道分隔板7之下的位置处开有富油流通道出口6，富油流通道出口6通过管路与第一级旋流分离器左侧切向入口8相连通；在底流通道20中，置有呈半圆环形的底流通道第一分隔板28和底流通道第二分隔板34，所述底流通道第一分隔板28和底流通道第二分隔板34将底流通道20分隔成上、中、下三个彼此不连通的空间；在所述内管壁上位于底流通道第一分隔板28之上的位置处开有富水流通道出口29，富水流通道出口29通过管路与第一级旋流分离器右侧切向入口30相连通；
第一级旋流分离器底流管10与第二级旋流分离器轴向入口12相连接；第二级旋流分离器溢流管14与集水腔进口17相连接；第二级旋流分离器底流管32的出口经过开于所述内管壁上的水相通道进口33而引入底流通道20中；水相通道进口33的开口位置位于底流通道第二分隔板34之下；在所述内管壁上还开有集水腔水相进口35，集水腔水相进口35位于水相通道进口33之下，集水腔水相进口35通过管路与集水腔18相连通。
下面结合附图，详细介绍本装置的工作过程。
如图1所示，本装置包括：采出液进口21、三个轴向相连的第一级旋流分离器9，第二级旋流分离器13，第三级旋流分离器3、连接在第一级及第三级旋流分离器间的举升泵25、与第三级旋流分离器相连接的集油腔22、固定在第二级旋流分离器下方的集水腔18、外管37、内管15、以及由外管及内管构成的环空区域，其间用油水两相分隔板43，如图3所示进行分隔，从而产生溢流通道19及底流通道20。
旋流分离原理是利用两种不互溶液体介质的密度差而进行离心分离。在离心力的作用下，重质相-水相被甩至器壁。同时，轻质相-油相被挤至中心处。这样，油从中部的溢流管排出，水则向底流口运动，由底流口排出，从而实现旋流分离。
油田采出液由内管15上的采出液进口21进入该井下三级旋流分离装置中，如图13所示，经带孔入口段挡板31的导流孔进入第一级旋流分离器的采出液进液通道27，并沿此通道进入第一级旋流分离器的左侧切向入口8，通过此切向入口进入第一级旋流分离器9中，进行油水分离。由于离心力的作用，密度大的水相被甩至旋流腔壁筒及邻近区域，沿着壁筒，从底流管10排出，由第二级旋流器的轴向入口12进入到第二级旋流分离器13中，混合液在其内部进行旋流分离，受离心力的作用，轻质相-油相聚集在中心区域，重质相-水相集中在边壁区域，最终油相沿着第二级旋流分离器的溢流管14，并通过与其连接的富油流通道进口16进入到富油流通道11中，富油流通过富油流通道出口6进入到第一级旋流分离器的左侧切向入口8中。为防止压力损失，保证富油流能够沿着富油流通道出口，进入第一级旋流分离器中，第一级旋流分离器的左切向入口，可以采用拉伐尔喷管结构形式，如图14所示，进行多次分离。从第二级旋流分离器13分离出的水相则通过与其底流管32连接的水相通道进口33流入水相通道36中，并由集水腔水相进口35进入集水腔18中。而在第一级旋流分离器9中发生分离的油相，会集中在旋流腔中心区域，为弥补压力损失，安装举升泵。举升泵25通过法兰三40(如图2中所示)与第一级旋流分离器的溢流管5相连。通过法兰二39(如图2中所示)与第三级旋流分离器的轴向入口4连接。从而使此时从第一级旋流分离器9分离出的含有少部分水相的大部分油相能够在举升泵25的作用下，顺利沿着第一级旋流器的溢流管5中流出，通过第三级旋流器的轴向入口4进入到第三级旋流分离器3中，在其内部进行旋流分离，由于离心力的作用，轻质相-油聚集在中心，重质相-水聚集在边壁处，在第三级旋流器3中经过分离的油相沿着溢流管2通过集油腔进口1流入集油腔22中，水相从底流管24沿着富水流通道进口23，进入到富水流通道26中，并且会沿着富水流通道出口29经第一级旋流分离器的右侧切向入口30进入第一级旋流分离器9中，发生分离。继续重复上诉过程。最终油相收集在集油腔22中，水相收集在集水腔18中。
第一级旋流分离器的底流管10通过法兰四41(如图2中所示)与第二级旋流分离器的轴向入口12相连。集油腔的进口1通过法兰一38(如图2中所示)与第三级旋流分离器3连接。第三级旋流分离器底流管24与富水流通道进口23连接。富水流通道进口23连接富水流通道26。所述富水流通道26是由底流通道分隔板一28分隔形成的，如图5所示。
第一级旋流分离器的左侧切向入口8与富油流通道出口6连接(如图14所示)。富油流通道出口6连接富油流通道11,。所述富油流通道11通过溢流通道分隔板7分隔形成，如图4所示。
第二级旋流分离器的底流管32与水相通道进口33连接。水相通道进口33连接水相通道36。所述水相通道36是由底流通道分隔板二34分隔形成。如图6所示。
集水腔的进口17通过法兰五42(如图2中所示)与第二级旋流分离器13连接，该集水腔右侧是集水腔水相进口35，其与水相通道36连通。
本发明中，井下三级旋流分离器以模块组合形式形成三级串联布置，布置于井下。同其他水处理工艺及设备相比，该井下三级旋流分离装置结构更加紧凑，实现了小直径下的高效分离效果。设备本身无任何驱动部件，完全利用自然力，利于在井下使用。

Claims (1)

1.一种井下三级旋流分离装置，包括外管(37)、内管(15)以及由所述外管和内管构成的环空区域，其特征在于：
在所述外管和内管构成的环空区域中置有两块沿轴向分布的油水两相分隔板(43)，分隔后，形成两个彼此之间不连通的溢流通道(19)和底流通道(20)；
在所述内管中，由上至下依次置有集油腔(22)、第三级旋流分离器(3)、举升泵(25)、第一级旋流分离器(9)、第二级旋流分离器(13)以及集水腔(18)；集油腔(22)与所述内管之间形成的环空为采出液进口(21)；其中，所述第三级旋流分离器的溢流管(2)与集油腔(22)的集油腔进口(1)相连接，第三级旋流分离器的底流管(24)的出口经过开于所述内管壁上的富水流通道进口(23)而引入底流通道(20)中；第三级旋流分离器(3)的轴向入口(4)与举升泵(25)的液流出口端相连接，举升泵(25)的液流入口端与第一级旋流分离器溢流管(5)相连接；
第一级旋流分离器(9)开有第一级旋流分离器左侧切向入口(8)和第一级旋流分离器右侧切向入口(30)，第一级旋流分离器左侧切向入口(8)采用拉伐尔喷管结构；在第三级旋流分离器(3)和第一级旋流分离器(9)之间放置带孔入口段挡板(31)，所述带孔入口段挡板的中央通孔环绕举升泵(25)的外壁形成密封固定以实现无液体渗漏，所述带孔入口段挡板上开有一对导流孔，沿所述导流孔连接采出液进液通道(27)；两条采出液进液通道(27)分别与第一级旋流分离器左侧切向入口(8)和第一级旋流分离器右侧切向入口(30)相连通；
在溢流通道(19)中，对应所述带孔入口段挡板所在的高度，置有一块呈半圆环形的溢流通道分隔板(7)，所述溢流通道分隔板将溢流通道(19)分隔成上下两个彼此不连通的空间；在所述内管壁上位于溢流通道分隔板(7)之下的位置处开有富油流通道出口(6)，富油流通道出口(6)通过管路与第一级旋流分离器左侧切向入口(8)相连通；在底流通道(20)中，置有呈半圆环形的底流通道第一分隔板(28)和底流通道第二分隔板(34)，所述底流通道第一分隔板(28)和底流通道第二分隔板(34)将底流通道(20)分隔成上、中、下三个彼此不连通的空间；在所述内管壁上位于底流通道第一分隔板(28)之上的位置处开有富水流通道出口(29)，富水流通道出口(29)通过管路与第一级旋流分离器右侧切向入口(30)相连通；
第一级旋流分离器底流管(10)与第二级旋流分离器轴向入口(12)相连接；第二级旋流分离器溢流管(14)与集水腔进口(17)相连接；第二级旋流分离器底流管(32)的出口经过开于所述内管壁上的水相通道进口(33)而引入底流通道(20)中；水相通道进口(33)的开口位置位于底流通道第二分隔板(34)之下；在所述内管壁上还开有集水腔水相进口(35)，集水腔水相进口(35)位于水相通道进口(33)之下，集水腔水相进口(35)通过管路与集水腔(18)相连通。
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