CN109025955A - 一种井下油水膜分离器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下油水膜分离器，属于油田开采技术领域的井下油水分离同井采注设备。分离器主要包括上接头、膜分离单元、流道管、外管、顶紧帽、下接头等，所述的上接头连接注水泵及采油泵管柱，下接头连接注水管柱。所述的膜分离单元主要由圆柱筒、膜锥筒、钢丝网内锥筒、钢丝网外锥筒等组成，其中膜锥筒采用具有过水隔油功能的特异浸润性超亲水/疏油油水分离网膜材料，该分离单元结合了离心分离原理及膜分离方法，既有离心分离处理速率快的优点，又通过超亲水/疏油油水分离网膜保证了分离水能达到井底回注标准，且分离网膜有一定的自清洗功能。所述的流道管内可安装多个膜分离单元，可依据实际工况选择分离膜单元个数自由调节分离器处理量。
Description
一、技术领域
本发明属于油田开采技术领域的井下油水分离同井采注设备，具体涉及一种井下油水膜分离器。
二、技术背景
随着油田开发进入中后期，采出液含水率越来越高，截至2016年底，中国石油天然气股份有限公司(简称中国石油)国内各油田含水率超过95％的油井约44119口，含水率超过97％的油井达到26874口，大量高含水井的出现一方面使举升、集输和污水处理能量消耗及基建费用急剧增加，导致油田生产成本提高，生产效益变差，大量油井面临关井的风险；另一方面，污水处理化学试剂的大量使用，使油田开发面临的环保压力越来越大。
为了减少高含水油田地面产水，降低开发成本，20世纪90年代初，加拿大前沿工程研究中心针对加拿大西部高含水油田面临的突出问题率先提出了井下油水分离的设想，并在随后开展了井下油水分离技术研究与试验。该技术的核心思路是通过油水分离器把井筒中的油水混合物在井下直接分离，分离出的水直接回注到地下废弃层或注水层，分离出的原油和少量的水通过设备举升到地面，从而在一口井内同时实现注水和采油。井下油水分离技术有效降低了地面产水量和生产成本。
油水分离器是最重要的基础分离设备之一，广泛用于石油工业、化工、环保等领域。常规地面油水分离器按分离原理主要有离心分离、重力分离及膜分离三种；水力旋流器是离心分离装置的典型代表，是利用油、水密度差及其在旋转流场中所受到的不同大小的离心力，实现井筒中原油和水分离的装置，其特点是体积小，结构简单，分离时间短，效果好，整个分离过程只需要2～4秒，因此目前国内外现场应用的井下油水分离技术，大部分采用了水力旋流器作为分离系统。但是水力旋流器对结构参数、工作参数和介质参数敏感，设计不当将会影响分离效果。重力沉降式油水分离器是利用油、水密度差及其在重力场中的受力差异，实现油水分离的一种装置。由于重力分离过程相对较为缓慢(一般几分钟到几十分钟不等)，因此需要严格控制单个沉降杯的分离量及油水混合物的流入速度，以保证油水混合物在沉降杯中有足够的分离时间。另外，对于产量较高的井，需要通过增加沉降杯数量来保证分离效果，因此分离系统尺寸较大，下井难度较大。膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离网膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等，膜分离都采用错流过滤方式。
针对井下油水分离技术日益增长的需求，大量学者投入到旋流式井下油水分离相关技术研究工作中，尽管取得一些可喜的成果(如：CN207568582U、CN107989594A、CN107473329A、CN104110245A等)，但由于井下旋流分离器结构参数、工作参数和介质参数敏感度高，在现场应用时需对每个操作环境进行详细的考察与评估，应用成本极高，因此现场对旋流式井下油水分离技术的接受度还是比较低。
近年来，新型油水分离网膜材料的研制也取得了相当进展。相应的超亲水/疏油材料及超疏水/亲油材料等逐渐成熟(如：CN107349639A、CN105214344B、CN103961905A、CN104958931A、CN102961893A等所介绍的超疏水/亲油分离网、分离膜、分离海绵材料，CN105935502B、CN105964014B、CN105148564A、CN103893999B、CN 103316507B等所介绍的超亲水/疏油油水分离材料)，为井下油水膜分离技术的实现与应用带来了可能，相关研究也取得了初步的成果，如CN207033427U所涉及的基于超亲水材料的井下油水分离器和潜油电泵注采系统，该分离器虽把膜分离技术应用到了井下油水分离器中，但其只是把分离网膜的选择性过滤功能照搬在了井下，网膜表面流场运动方向仍然是与膜布置方向垂直，没有有效规避膜分离自清洁性能弱，容易堵塞的缺点。又如CN106837294A所涉及的超疏水井下油水分离器及其同井注采工艺，该分离器利用了油水两相分别在超疏水材料中的聚结难易差异性来实现油水分离，但无法保证分离水中的含油量在井下工况波动比较大的情况下能一直达到回注标准，且未充分考虑材料的自清洗功能。
三、发明内容
因此，为了克服现有井下油水分离技术的缺陷，本实施例结合离心沉降原理及膜分离方法，提出了一种井下油水膜分离器。
本发明的技术方案是：一种井下油水膜分离器，包括上接头、导流圆块、O形密封圈、膜分离单元、流道管、外管、顶紧帽和下接头，所述的膜分离单元由圆柱筒、上压紧帽、钢丝网内锥筒、膜锥筒、外筒、钢丝网外锥筒、下压紧帽、并紧螺母(、外盖和堵头组成。
所述的上接头上方与注水及抽油泵管柱通过螺纹连接，所述的下接头下方与注水管柱通过螺纹连接，且上接头下方、下接头上方分别与外管上方及下方通过螺纹连接，形成上下连通的生产及分离管柱。
所述的导流圆块、流道管依次插入外管中，通过下接头与外管的螺纹连接顶紧，在管柱内部形成独立的井下流体入口、分离水流道、分离油流道及回注水流道，各流道通过O形密封圈密封。
所述的流道管内部可装入多个分离膜单元，且各分离膜单元流道设置为并联，可通过选择分离膜单元并联个数调节分离器处理量。
所述的膜分离单元内部分别有一圆柱内腔、圆锥内腔及集水内腔，且分别设置有一个井下流体入口、溢流出口、膜分离流道及分离水出口。所述的膜锥筒装套在钢丝网内锥筒及钢丝网外锥筒中间层压紧固定，钢丝网内锥筒及钢丝网外锥筒上端通过上压紧帽固定，下端通过下压紧帽及并紧螺母固定。
所述的膜锥筒采用的是具有过水隔油功能的特异浸润性超亲水/疏油油水分离网膜材料，能保证分离出的水中含油量达到回注标准，所述的钢丝网内锥筒及钢丝网外锥筒材料采用的是不锈钢冲孔板，呈多孔结构，其上规律分布有密布孔道。
所述的膜锥筒网膜布置方向与圆锥内腔中流场方向平行，有助于亲水膜的自清洗。
本发明的优点是：本实施例井下油水膜分离器径向体积小，能耗低，可并联安装多个膜分离单元，处理量可调。膜分离单元结合了离心沉降及膜分离原理，先使油水混合相在圆柱内腔高速旋流快速分层，再让水相集结层直接接触并快速渗过亲水膜锥筒，不仅利用了离心沉降速率快的优点，又能通过亲水膜保证分离水中含油量达到回注标准，同时亲水膜锥筒有一定的自清洁性能。外管、流道管和导流圆块等巧妙构造形成了具有各自独立的分离水流道、回注水流道、分离油流道及井下流体入口的同井采注管柱系统。
四、附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是本发明井下油水膜分离器结构剖视图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是图1的B-B剖视图。
图4是图1的C-C剖视图。
图5是图1的D-D剖视图。
图6是图1的E-E剖视图。
图7是图1的F-F剖视图。
图8是膜分离单元结构剖视图。
图9是图8的局部放大图M。
图10是膜分离单元流场示意图。
图中标记说明：1-上接头；2-导流圆块；3-O形密封圈；4-膜分离单元；41-圆柱筒；42-上压紧帽；43-钢丝网内锥筒；44-膜锥筒；45-外筒；46-钢丝网外锥筒；47-下压紧帽；48-并紧螺母；49-外盖；410-堵头；①-膜分离单元1；②-膜分离单元2；③-膜分离单元3；I-分离水流道；II-分离油流道；III-井下流体入口；IV-回注水流道；V-溢流出口；VI-圆柱内腔；VII-圆锥内腔；VIII-膜分离流道；IX-分离水出口；X-集水内腔；XI-密布孔道。
五、具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作具体描述：
参照图1～图7，本发明井下油水膜分离器结构是，包括出油管上接头(1)、导流圆块(2)、O形密封圈(3)、膜分离单元(4)、流道管(5)、外管(6)、顶紧帽(7)和下接头(8)。上接头(1)上方与注水及抽油泵管柱通过螺纹连接，下接头(8)下方与注水管柱通过螺纹连接，且上接头(1)下方、下接头(8)上方分别与外管(6)上方及下方通过螺纹连接，形成上下连通的生产及分离管柱。导流圆块(2)、流道管(5)依次插入外管(6)中，通过下接头(8)与外管(6)的螺纹连接顶紧，在管柱内部形成独立的井下流体入口(I)、分离水流道(II)、分离油流道(III)及回注水流道(IV)，各流道通过O形密封圈(3)密封。流道管(5)内部可装入多个分离膜单元(4)，且各分离膜单元(4)流道设置为并联，可通过选择分离膜单元(4)并联个数调节分离器处理量。
参照图8、图9，膜分离单元(4)内部分别有一圆柱内腔(VI)、圆锥内腔(VII)及集水内腔(X)，且分别设置有一个井下流体入口(III)、溢流出口(V)、膜分离流道(VIII)及分离水出口(IX)。膜锥筒(44)装套在钢丝网内锥筒(43)及钢丝网外锥筒(46)中间层压紧固定，钢丝网内锥筒(43)及钢丝网外锥筒(46)上端通过上压紧帽(42)固定，下端通过下压紧帽(47)及并紧螺母(48)固定。
参照图1～图10，本发明井下油水膜分离器的工作原理是：如图10，生产液从井下流体入口(III)流入各膜分离单元(①、②、③……)，由于井下流体入口(III)与膜分离单元(4)的圆柱内腔(VI)相切(如图6)，油水混合相在圆柱内腔(VI)中形成高速旋流场，因油水两相存在密度差，在离心沉降作用下油水两相产生分层，水相富集层在外层，油相富集层在内层；进一步，在后续进入的流体的推动下，经初步分层的混合相进入圆锥内腔(VII)，腔体内径减小，离心力增大，外层水相富集层直接接触膜锥筒(44)内壁亲水膜材料(如图8)，绝大部分水相沿膜分离流道(VIII)流入集水内腔(X)，最终从分离水出口(IX)流出。同时，内层油相集结形成油核，向上从溢流出口(V)流出。
进一步，如图1～图7所示，分离水从分离水出口(IX)流入分离水流道(II)，向上经导流圆块(2)、上接头(1)流入注水泵，经注水泵增压后流入回注水流道(IV)，流经下接头(8)流入注水管柱回注到注水层。分离油从溢流出口(V)流入分离油流道(II)，经导流圆块(2)、上接头(1)流入抽油泵，抽油泵增压后经油管举升至地面。
如图9所示，膜锥筒(44)采用的是具有过水隔油功能的特异浸润性超亲水/疏油油水分离网膜材料，能保证分离出的水中含油量达到回注标准，钢丝网内锥筒(43)及钢丝网外锥筒(46)材料采用的是不锈钢冲孔板，呈多孔结构，其上规律分布有密布孔道(XI)。
如图10所示，膜锥筒(44)网膜布置方向与圆锥内腔(VII)中流场方向平行，有助于亲水膜的自清洗。
以上所述仅指的是本发明的实施方式，而对该技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的原理下，所做的若干改进，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种井下油水膜分离器，其特征在于：包括上接头(1)、导流圆块(2)、O形密封圈(3)、膜分离单元(4)、流道管(5)、外管(6)、顶紧帽(7)和下接头(8)，所述的膜分离单元(4)由圆柱筒(41)、上压紧帽(42)、钢丝网内锥筒(43)、膜锥筒(44)、外筒(45)、钢丝网外锥筒(46)、下压紧帽(47)、并紧螺母(48)、外盖(49)和堵头(410)组成。
2.如权利要求书1所述的井下油水膜分离器，其特征在于：所述的上接头(1)上方与注水及抽油泵管柱通过螺纹连接，所述的下接头(8)下方与注水管柱通过螺纹连接，且上接头(1)下方、下接头(8)上方分别与外管(6)上方及下方通过螺纹连接，形成上下连通的生产及分离管柱。
3.如权利要求书1或2所述的井下油水膜分离器，其特征在于：所述的导流圆块(2)、流道管(5)依次插入外管(6)中，通过下接头(8)与外管(6)的螺纹连接顶紧，在管柱内部形成独立的井下流体入口(I)、分离水流道(II)、分离油流道(III)及回注水流道(IV)，各流道通过O形密封圈(3)密封。
4.如权利要求书1或3所述的井下油水膜分离器，其特征在于：所述的流道管(5)内部可装入多个分离膜单元(4)，且各分离膜单元(4)流道设置为并联，可通过选择分离膜单元(4)并联个数调节分离器处理量。
5.如权利要求书1、3或4所述的井下油水膜分离器，其特征在于：所述的膜分离单元(4)内部分别有一圆柱内腔(VI)、圆锥内腔(VII)及集水内腔(X)，且分别设置有一个井下流体入口(III)、溢流出口(V)、膜分离流道(VIII)及分离水出口(IX)。所述的膜锥筒(44)装套在钢丝网内锥筒(43)及钢丝网外锥筒(46)中间层压紧固定，钢丝网内锥筒(43)及钢丝网外锥筒(46)上端通过上压紧帽(42)固定，下端通过下压紧帽(47)及并紧螺母(48)固定。
6.如权利要求书1、3、4或5所述的井下油水膜分离器，其特征在于：所述的膜锥筒(44)采用的是具有过水隔油功能的特异浸润性超亲水/疏油油水分离网膜材料，能保证分离出的水中含油量达到回注标准，所述的钢丝网内锥筒(43)及钢丝网外锥筒(46)材料采用的是不锈钢冲孔板，呈多孔结构，其上规律分布有密布孔道(XI)。
7.如权利要求书1、3、4、5或6所述的井下油水膜分离器，其特征在于：所述的膜锥筒(44)网膜布置方向与圆锥内腔(VII)中流场方向平行，有助于亲水膜的自清洗。
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