CN110295056A - 一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，包括至少一分离单元；所述分离单元包括：外管，在外管的上部设置排气口和油出口；在所述外管的中部设置油水混合液入口；在所述外管的下部设置出水口；内筒，同轴设置在所述外管的内部，所述内筒和外管之间形成环形空间，所述油水混合液入口和所述环形空间连通；中心杆，同轴设置在所述内筒内；强化旋流区，设置在所述环形空间内；挡流锥，设置在位于所述出水口前端的所述外管内；所述挡流锥上设置与所述出水口连通的导流孔；所述内筒通过耐油且防爆的电线与外部电源连接；所述外管以及所述中心杆均接地。

Description

一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器

技术领域

本发明涉及一种油井采出液油水分离设备，特别涉及一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器。

背景技术

油井产出物多为油、气、水的多相复杂混合物，需要对其进行气液分离、原油脱水、污水除油等一系列处理。就原油脱水环节而言，目前常采用“高压级三相分离器+低压级三相分离器+电脱水(盐)器”处理工艺流程，并辅助以破乳剂(化学)破乳的手段，将外输原油的含水率控制在0.5％以下。随着近年来油井产出物含水率的不断增高和强化采油技术的推广应用，原油品质逐渐变差，开发初期所设计的原油处理工艺及相应分离设备逐渐难以满足现阶段的处理需求，面对深水油田、边际油田开发的需要更是无能为力。为此，国内外相关石油公司和油气集输处理设备供应商自20世纪90年代以来，围绕高效紧凑分离这一核心理念，开展了一系列应用研究工作。

上世纪90年代初，以紧凑型静电聚结器(compact electrostatic coalescence,CEC)、内联式静电聚结器(inline electrostatic coalescence,IEC)为代表的电场破乳预聚结设备相继出现，工作过程中，油水混合液首先经过电场破乳预聚集设备使其中的分散相水颗粒聚结长大，而后再对破乳后的油水混合物进行有效分离，即“先聚结、后分离”两个过程。虽然此类工艺中提高了的装置的紧凑性，但静电聚结后的流体在通入分离设备之前，流动管线上的阀门、管件等将会导致聚结长大的分散相水颗粒再次破碎，从而影响下游的分离性能。因此进入21世纪后，相关技术人员提出了“边聚结、边分离”理念，即在管式分离器中同时进行分散相水颗粒电场破乳聚结长大及油水分离这两个过程。如Cameron公司(现被Schlumberger公司收购)提出的以重力沉降为分离手段的紧凑型电场破乳分离器(Compact Electrostatic Separator，CES)，并申请了相关专利(如专利US8591714等)。虽然在过去10多年的时间内CES经过了H型、L型、小y型、大Y、斜体H、躺平H型演变发展，但迄今仍未有工业化应用的相关报道，究其原因可能是基于重力场作用的油水分离过程所需时间较长，而在高流速下，电场破乳所需时间远相对较短，难以控制电场破乳与油水分离的有机平衡，分离器的总体尺寸仍然较大。

为了解决这一问题，以离心分离为手段的“电场破乳+离心分离”一体化设备也逐渐引起业内技术人员的关注。如专利US20160097003中提出了一种以水力旋流器为原型的方案，其本体结构采用常规切向入口水力旋流器，通过在旋流器顶部插入轴向电极，而旋流壳体接地，从而使得混合液在水力旋流器中发生旋转运动的同时，分散相液滴聚结长大。专利CN101638587B提出了一种电场与旋流场有机结合的原油脱水方法，通过将水力旋流器的涡旋段、同心缩径段、平行尾段同比例放大，并在涡旋段溢流管位置加电，外管管径接地，通过这种方式实现电场和旋流场的耦合。客观而言，以水力旋流器为原型的结构虽然能够很好地将电场与旋流场进行有效耦合，但由于本体结构并未脱离传统的水力旋流器分离模式，存在单体结构难以放大化设计的问题。法国石油研究院(IFP)的Jean Trapy、Christine等在专利US7166218中提出了一种电场破乳旋流分离器，管式结构上半段采用类似CEC内部结构的环形非均匀电场，利用高压电场的电场破乳聚结作用，使得原油乳化液中分散相水颗粒聚结长大，进入下半段后通过一段变径来维持流体压力，并采用螺旋结构使液体以旋流方式经过该管段区域。最后对“电场破乳+离心分离”作用后的油水两相进行分别收集，其中油相较轻，从中心环空内反方向流动至入口方向，而水相则在底部的水相收集空间收集后排出。由于该结构方案中旋流元件和中心轴占据了分离段绝大多数空间，减小了分离阶段的水力停留时间，且仅靠圆柱状细金属条围绕中心轴缠绕充当导流叶片所能起到的旋流分离作用非常有限。此外，这种结构设计对于入口压力要求较高，压力损失较为明显。

综上所述，基于单一重力场的管式静电分离器分离效率有限，难以进一步得到提升；而现有的电场破乳离心分离一体化设备为了得到强旋流场直径也受到了极大限制，因此单体处理量无法达到工程实际要求。可见，为实现油水混合物的紧凑高效分离，亟待研发一种新型的管式电场破乳分离器。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，不仅实现采出液油水分离过程的管道化，同时通过电场、离心场和重力场三场协同作用而提升设备的油水分离性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于，包括至少一分离单元；所述分离单元包括：

外管，在所述外管的上部设置排气口和油出口；在所述外管的中部设置油水混合液入口；在所述外管的下部设置出水口；

内筒，同轴设置在所述外管的内部，所述内筒和外管之间形成环形空间，所述油水混合液入口和所述环形空间连通；

中心杆，同轴设置在所述内筒内；

强化旋流区，设置在所述环形空间内；

挡流锥，设置在位于所述出水口前端的所述外管内；所述挡流锥上设置与所述出水口连通的导流孔；

所述内筒通过耐油且防爆的电线与外部电源连接；所述外管以及所述中心杆均接地。

优选地，还包括自反馈调控系统，所述自反馈调控系统包括压力变送器、流量变送器、自控节流阀、水中油在线测量仪以及控制中心；在所述油水混合液入口、油出口以及出水口处均设置所述压力变送器和流量变送器；在所述出水口处还设置自控节流阀；所述水中油在线测量仪用于监测所述出水口处水的含油量，并将监测信息输送至所述控制中心；所述控制中心根据接收到的监测信息调控所述油水混合液入口、油出口以及出水口处的压力变送器和流量变送器，并调节所述出水口处的所述自控节流阀的分流比。

优选地，在所述外管上设置电极连接件，所述内筒的顶端设置有电极接入口，所述电极接入口通过耐油且防爆的电线与所述电极连接件上的接入电极连接，所述电极连接件与外部电源连接。

优选地，所述强化旋流区包括位于所述油水混合液入口的下方并设置在所述环形空间内的一次强化旋流区，位于所述一次强化旋流区的下方的二次强化旋流区，且所述二次强化旋流区靠近所述内筒的底端设置在所述环形空间内。

优选地，所述一次强化旋流区和二次强化旋流区均为设置在所述环形空间的旋流叶片；所述旋流叶片采用但不限于等轴旋流叶片、翼型旋流叶片、单螺旋导流叶片、多螺旋导流叶片、轴向导流叶片或斜板。

优选地，所述内筒为中空圆筒，所述内筒通过绝缘定位结构同轴设置在所述外管内；所述绝缘定位结构包括同轴固定设置在所述外管的内壁上的定位环板，所述内筒的顶端与所述定位环板下端面固定连接，在所述定位环板的上端面上设置连接垫片，在所述内筒的底端设置下定位垫片；所述中心杆的上端穿过所述定位环板、连接垫片伸出所述内筒的外部，所述中心杆的下端穿过所述下定位垫片伸出所述内筒的外部。

优选地，所述挡流锥包括与所述外管的内周壁固定连接的底座，以及同轴固定设置在所述底座上的轴心部；多个所述导流孔设置在所述底座上且绕所述轴心部的圆周方向上间隔分布；所述轴心部采用圆锥形结构、圆柱形结构或圆台形结构。

优选地，所述定位环板通过设置在所述外管的外部的法兰进行定位；所述挡流锥亦通过设置在所述外管的外部的法兰进行定位。

优选地，所述油水混合液入口与所述外管的侧壁垂直贯通；所述排气口设置在所述外管的顶部，所述油出口靠近所述排气口并与所述外管的侧壁垂直贯通；所述出水口设置在所述外管的底部。

优选地，所述分离器为立式放置的管式结构，其包括多个依次串联的分离单元，位于上一级的所述分离单元的油出口与其下一级的所述分离单元的油水混合液入口通过法兰连接。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：

1、本发明通过管式电场破乳旋流分离器实现在管式流道结构中对油水混合液施加三次旋流离心作用和两次电场破乳作用；采用电场、旋流场、重力场三场协同作用，使混合液在管道内同时实现电场聚结破乳及油水分离过程，进而使内部空间得到了有效利用。

2、本发明的管式电场破乳旋流分离器为立式放置的管式结构，其结构紧凑高效、占地空间小，能够适应的含水量高、油水乳化度高的特殊工况，而且可以根据出油口含水率的要求实施多级串联运行。

附图说明

图1是本发明分离单元剖面结构示意图；

图2是图1的B-B面的剖面图；

图3是图1的A-A面的剖面图；

图4是双螺旋导流叶片示意图；

图5是轴线环隙导流叶片示意图；

图6是本发明的自反馈调控系统的结构示意图；

图7是本发明的分离单元两级串联形成的分离器。

图中，1、分离单元；10、外管；101、排气口；102、油出口；103、油水混合液入口；104、出水口；11、内筒；111、环形空间；12、中心杆；13、强化旋流区；131、一次强化旋流区；132、二次强化旋流区；15、挡流锥；151、底座；152、轴心部；16、绝缘定位结构；161、定位环板；162、连接垫片；163、定位垫片；2、自反馈调控系统；21、压力变送器；22、流量变流器；23、自控节流阀；24、水中油在线测量仪；3、电极连接件；31、接入电极；4、电极接入端；5、法兰。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，包括至少一分离单元1；所述分离单元1包括：外管10，在外管10的上部设置排气口101和油出口102；在外管10的中部设置油水混合液入口103；在外管10的下部设置出水口104；内筒11，同轴设置在外管10的内部，内筒11和外管10之间形成环形空间111，油水混合液入口103和环形空间111连通；中心杆12，同轴设置在内筒11内；强化旋流区13，设置在环形空间111内；挡流锥15，设置在位于出水口104前端的外管10内；挡流锥15上设置与水出口104连通的导流孔；内筒11通过耐油且防爆的电线与外部电源连接；外管10以及中心杆12均接地，以使外部电源开启时在外管10和内筒11之间、内筒11和中心杆12之间形成用于油水乳化液破乳的非均匀电场。

在上述实施例中，优选的，如图1、图2所示，在外管10上设置电极连接件3，内筒11的顶端设置有电极接入口4，电极接入口4通过耐油且防爆的电线与电极连接件3上的接入电极31连接，电极连接件3与外部电源连接，从而向分离单元1内通入高压电场。开启电源后能够在内筒11和外管10之间、内筒11和中心杆12之间形成非均匀电场，用于油水乳化液的电场破乳。

在上述实施例中，优选的，强化旋流区13包括设置在环形空间111内的一次强化旋流区131，以及位于一次强化旋流区131的下方并设置在环形空间111内的二次强化旋流区132。

在上述实施例中，优选的，第一强化起旋片131位于油水混合液入口103的下方并设置在环形空间111内，二次强化旋流区132靠近内筒11的底端设置在环形空间111内。

在上述实施例中，优选的，一次强化旋流区131和二次强化旋流区132均为设置在环形空间111的旋流叶片；旋流叶片可采用但不限于等轴旋流叶片、翼型旋流叶片、单螺旋导流叶片、多螺旋导流叶片、轴向导流叶片、斜板等结构形式；其叶片结构及特征尺寸可根据实际工况进行调整。如图4所示，一次强化旋流区131采用双螺旋导流叶片，如图5所示，二次强化旋流区132采用轴向环隙导流叶片。

在上述实施例中，优选的，内筒11为中空圆筒，内筒11通过绝缘定位结构16同轴设置在外管10内；绝缘定位结构16包括同轴固定设置在外管10的内壁上的定位环板161，内筒11的顶端与定位环板161下端面固定连接，在定位环板161的上端面上设置连接垫片162，在内筒11的底端设置下定位垫片163；中心杆12的上端穿过定位环板161、连接垫片162伸出内筒11的外部，中心杆12的下端穿过下定位垫片163伸出内筒11的外部。

在上述实施例中，优选的，挡流锥15包括与外管10的内周壁固定连接的底座151，以及同轴固定设置在底座151上的轴心部152；多个导流孔设置在底座151上且绕轴心部152的圆周方向上间隔分布；挡流锥不仅可有效抵挡中心区域聚结的流体，还可有效改善油相在外管10的底部附近的分布形式，轴心部152优选为圆锥形结构；也可以选为圆柱形结构、圆台形结构等。

在上述实施例中，优选的，如图2所示，定位环板161通过设置在外管10的外部的法兰5进行定位。

在上述实施例中，优选的，如图3所示，挡流锥15通过设置在外管10的外部的法兰5进行定位。

在上述实施例中，优选的，油水混合液入口103与外管10的侧壁垂直贯通；排气口101设置在外管10的顶部，油出口102靠近排气口101并与外管10的侧壁垂直贯通；出水口104设置在外管10的底部。

在上述实施例中，优选的，如图6所示，本发明还包括自反馈调控系统2，包括压力变送器21、流量变送器22、自控节流阀23、水中油在线测量仪24以及控制中心，在油水混合液入口103、油出口102以及出水口104处均设置压力变送器21和流量变送器22；在出水口104处设置自控节流阀23；水中油在线测量仪24用于监测出水口104处水的含油量，并将监测信息输送至控制中心；控制中心根据接收到的监测信息调控油水混合液入口103、油出口102以及出水口104处的压力变送器21和流量变送器22，并调节出水口104处的自控节流阀23的分流比。使用时，通过使用水中油在线测量仪24监测出水口104处的含油浓度，当出水口104处的含油浓度高于某一值时，控制中心将输出反馈信号给自控节流阀23，使其减小排液量，此时由于油出口102和出水口103的分流比改变使出水口104含油浓度缓慢下降，直至出水口104处的含油浓度降至一定程度后，再通过反馈调节出水口104处的自控节流阀23将其分流比调大，从而实现本发明的自反馈调控。

在上述实施例中，优选地，如图7所示，本发明的分离器为立式放置的管式结构，其包括多个依次串联的分离单元1，位于上一级的分离单元1的油出口102与其下一级的分离单元1的油水混合液入口103通过法兰连接。可以根据实际工况对油出口含水率的要求，将多个分离单元1串联使用；串联工作时每个分离单元1内施加的电场形式(如工频高压交流电场、高频高压交流电场、脉冲直流电场等)由含水率的含量而定。

本发明的使用过程如下：

工作过程中，内筒11与外部电源连接，油水混合液首先从油水混合液入口103进入外管10与内筒11之间的环形空间111，产生旋流运动；然后迅即向下流动至一次强化旋流区131；从一次强化旋流区131流出的油水混合液快速向下旋转进入二次强化旋流区132，油水混合液的旋流强度进一步得到加强。

油水混合液从经油水混合液入口103进入分离器到自二次强化旋流区132流出的过程中，受到内筒11与外管10之间所形成非均匀电场的破乳作用，混合液中的分散相液体颗粒发生静电聚结，同时混合液的非层流流态也有助于混合液中的分散相液体颗粒发生水力碰撞聚结，从而使油水分离效率得到提升。

从二次强化旋流区132流出的混合液在外管10内仍然会在一定轴向长度范围内保持旋流运动，致使密度较大的水相在外管10的内壁面形成较低含油浓度的水环层，水环层径向内部油水混合液的含水率将会显著降低。随着旋流运动的逐渐衰减，同时在外管10的下部由于重力沉降分离作用以及挡流锥15的协同作用，水环层将继续下行至出水口104的前端，经挡流锥15的外环上的导流孔流出，然后再经出水口104排至分离单元1的外部。

含水率得以显著降低的大部分油水混合液将改变流动方向，向上流动至内筒11中，内筒11和中心杆12之间形成的非均匀电场将再次对油水混合液起到电场破乳作用，聚结长大的水颗粒发生重力沉降，较低含水率的油相继续向上流动，从分离单元1上部的油出口102排出。由此可见，本发明实现在管式流道结构中对油水混合液施加三次旋流离心作用和两次电场破乳作用，其中外管10与内筒11之间的区域属于电场和离心力场同步耦合，内筒11与中心杆12之间的区域属于电场与重力场同步耦合。通过上述重力场、电场、离心力场的协同作用，进一步提高了油水分离设备的分离效率和紧凑性。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于，包括至少一分离单元(1)；所述分离单元(1)包括：

外管(10)，在所述外管(10)的上部设置排气口(101)和油出口(102)；在所述外管(10)的中部设置油水混合液入口(103)；在所述外管(10)的下部设置出水口(104)；

内筒(11)，同轴设置在所述外管(10)的内部，所述内筒(11)和外管(10)之间形成环形空间(111)，所述油水混合液入口(103)和所述环形空间(111)连通；

中心杆(12)，同轴设置在所述内筒(11)内；

强化旋流区(13)，设置在所述环形空间(111)内；

挡流锥(15)，设置在位于所述出水口(104)前端的所述外管(10)内；所述挡流锥(15)上设置与所述出水口(104)连通的导流孔；

所述内筒(11)通过耐油且防爆的电线与外部电源连接；所述外管(10)以及所述中心杆(12)均接地。

2.如权利要求1所述的一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于：还包括自反馈调控系统(2)，所述自反馈调控系统(2)包括压力变送器(21)、流量变送器(22)、自控节流阀(23)、水中油在线测量仪(24)以及控制中心；在所述油水混合液入口(103)、油出口(102)以及出水口(104)处均设置所述压力变送器(21)和流量变送器(22)；在所述出水口(104)处还设置自控节流阀(23)；所述水中油在线测量仪(24)用于监测所述出水口(104)处水的含油量，并将监测信息输送至所述控制中心；所述控制中心根据接收到的监测信息调控所述油水混合液入口(103)、油出口(102)以及出水口(104)处的压力变送器(21)和流量变送器(22)，并调节所述出水口(104)处的所述自控节流阀(23)的分流比。

3.如权利要求1所述的一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于：在所述外管(10)上设置电极连接件(3)，所述内筒(11)的顶端设置有电极接入口(4)，所述电极接入口(4)通过耐油且防爆的电线与所述电极连接件(3)上的接入电极(31)连接，所述电极连接件(3)与外部电源连接。

4.如权利要求1所述的一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于：所述强化旋流区(13)包括位于所述油水混合液入口(103)的下方并设置在所述环形空间(111)内的一次强化旋流区(131)，位于所述一次强化旋流区(131)的下方的二次强化旋流区(132)，且所述二次强化旋流区(132)靠近所述内筒(11)的底端设置在所述环形空间(111)内。

5.如权利要求4所述的一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于：所述一次强化旋流区(131)和二次强化旋流区(132)均为设置在所述环形空间(111)的旋流叶片；所述旋流叶片采用但不限于等轴旋流叶片、翼型旋流叶片、单螺旋导流叶片、多螺旋导流叶片、轴向导流叶片或斜板。

6.如权利要求1所述的一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于：所述内筒(11)为中空圆筒，所述内筒(11)通过绝缘定位结构(16)同轴设置在所述外管(10)内；所述绝缘定位结构(16)包括同轴固定设置在所述外管(10)的内壁上的定位环板(161)，所述内筒(11)的顶端与所述定位环板(161)下端面固定连接，在所述定位环板(161)的上端面上设置连接垫片(162)，在所述内筒(11)的底端设置下定位垫片(163)；所述中心杆(12)的上端穿过所述定位环板(161)、连接垫片(162)伸出所述内筒(11)的外部，所述中心杆(12)的下端穿过所述下定位垫片(163)伸出所述内筒(11)的外部。

7.如权利要求1所述的一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于：所述挡流锥(15)包括与所述外管(10)的内周壁固定连接的底座(151)，以及同轴固定设置在所述底座(151)上的轴心部(152)；多个所述导流孔设置在所述底座(151)上且绕所述轴心部(152)的圆周方向上间隔分布；所述轴心部(152)采用圆锥形结构、圆柱形结构或圆台形结构。

8.如权利要求6所述的一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于：所述定位环板(161)通过设置在所述外管(10)的外部的法兰(5)进行定位；所述挡流锥(15)亦通过设置在所述外管(10)的外部的法兰(5)进行定位。

9.如权利要求1所述的一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于：所述油水混合液入口(103)与所述外管(10)的侧壁垂直贯通；所述排气口(101)设置在所述外管(10)的顶部，所述油出口(102)靠近所述排气口(101)并与所述外管(10)的侧壁垂直贯通；所述出水口(104)设置在所述外管(10)的底部。

10.如权利要求1所述的一种油水分离用管式电场破乳旋流分离器，其特征在于：所述分离器为立式放置的管式结构，其包括多个依次串联的分离单元(1)，位于上一级的所述分离单元(1)的油出口(102)与其下一级的所述分离单元(1)的油水混合液入口(103)通过法兰连接。