CN111322057A - 采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置 - Google Patents

Abstract

一种采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置。用来解决现有油田井下采出液含气率高从而实现有效脱气的问题。其特征在于：包括套筒、套筒上封隔器、旋流筒、导气管、螺旋流道、剪切填料套组、旋流筒下封隔器、混合液区域、混合液切向入口、气相出口和顶针；套筒上封隔器用于实现和套管之间的连接固定；混合液切向入口用于引导混合液进入到旋流筒内；螺旋流道包括溢流管入口、溢流管出口、螺旋加速区和溢流管道；导气管与螺旋流道通过焊接形成一体，整体嵌入旋流筒中，导气管的出口与旋流分离溢流口对齐后焊接在一起；重力沉降区中置有剪切填料套组。本装置可实现对井下不同工况的脱气处理，解决油田井下采出液含气率居高不下的问题。

Description

采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置

技术领域

本发明涉及一种应用于石油、化工等领域中的对井下采出液进行脱气的多相流分离装置。

背景技术

随着油田开发进入到后期阶段，油层胶结疏松、产生压差，造成地层压力下降从而导致地下溶解气的析出，油藏中的流体就会由油水两相换成油水气三相渗流，采出液在井筒返回的过程中就会携带许多气体，一旦井下采出液中含有大量气体，就破坏油气输送系统的稳定性，造成不可估量的后果。特别是一些挥发性油藏，它较普通的黑油油藏溶解油气比更高，原油收缩率更高，更需要对井下采出液采用脱气处理，提高原油采出率。不仅如此，在海上油田开采中，更容易开采到天然气水合物层，其中的天然气水合物在随采出液从井筒返排至井口的过程中，不断地在井筒内分解成气体，大大增加了采出液的含气率。

目前，国内在井下脱气研究方面有专利CN 102094617 B的变螺距螺旋气锚，但是该专利仅仅是运用一种常规的旋流分离装置对井下混合液进行的一种脱气分离。除此之外，尚无有效的脱气装置对含气率高的油田井下采出液进行高效脱气处理。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置，该种旋流脱气装置在旋流分离的基础之上加入多级剪切填料套组等脱气单元，可以适应井下的多种工况和复杂环境，具有脱气效率高、工艺简单和安置快捷等特点，真正实现了针对高含气比的井下来液的高效连续脱气分离。

本发明的技术方案是：该采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置，整体呈圆柱状，包括套筒、套筒上封隔器以及旋流筒，其独特之处在于：所述脱气装置还包括导气管、螺旋流道、剪切填料套组、旋流筒下封隔器、混合液区域、混合液切向入口、气相出口和顶针。

其中，导气管包括导气管入口、导气盖板、导气管道和导气出口；套筒上封隔器是用于实现和套管相连接固定的通用井下封隔器；混合液切向入口用于引导混合液进入到旋流筒内；螺旋流道包括溢流管入口、溢流管出口、螺旋加速区和溢流管道；导气管与螺旋流道通过焊接形成一体，整体嵌入旋流筒中，导气管的出口与旋流分离溢流口对齐后焊接在一起。

旋流筒具有旋流分离区和重力沉降区；进入到旋流筒内的混合液经过螺旋流道加速后，进入旋流分离区作第一次旋流分离；导气管用于导引经过第一次旋流分离后形成的轻质相中的气体和重质相中的一部分油水经由旋流分离溢流口跑出并进入到重力沉降区；旋流分离底流口用于排出经过第一次旋流分离后形成的重质相的另一部分油和水；气相出口与重力沉降区的上端连通，以使得重力沉降区内的油水气混合相中的气相通过重力的影响通过气相出口排出。

重力沉降区中置有剪切填料套组，用于在油水两相沉降的过程通过截切混合液加速混合液中气体的上浮；重力沉降区的底部开有重质相出口，用于将沉降到重力沉降区底部的剩余重质相的油水混合物经由重质相出口与经旋流分离底流口排出的油水混合相一起排出。

旋流筒包括最外侧套筒、内侧套筒以及一个具有切向入口的旋流器外壳；所述最外侧套筒是一个圆柱形的套筒，内侧套筒置于所述最外侧套筒之中，所述旋流器外壳位于所述内侧套筒之中，三者之间通过焊接两个入口管相连接；在所述最外侧套筒的上端轴向分布有若干个气相出口，下面排布有两个对称的混合液切向入口；内侧套筒的下端轴向分布有若干个重质相入口，上端则有一个与导气管相连接的旋流分离溢流口；所述旋流器外壳为一双锥段旋流器，具有大锥段和小锥段；所述最外侧套筒的上下两端分别开有上、下螺纹用于和油管相连接，所述上、下螺纹分别为一对内外扣螺纹。

顶针的上端为圆锥形顶针，顶针的下端为一圆盘形的顶针下盖，在顶针下盖的圆盘上开有两对称的半月形旋流分离底流口，顶针位于旋流筒的底部，其连接方式为焊接，用于在所述旋流器外壳底部形成减缩的环空截面，以便对通过旋流器外壳锥段部分的液流进行加速和分流，同时为螺旋分离后的重质相提供出口。

剪切填料套组由若干个剪切环累叠而成，每两个剪切环之间设有连接螺栓孔，通过螺栓连接固定；每两个剪切环之间形成剪切分离区，且每两个剪切环之间通过旋转错开，来增加剪切时间以提高剪切分离效率；每个剪切环均由两个同心的扁平圆环通过四个剪切环支撑筋相连接后构成，且在两个同心的扁平圆环之间开有若干供液流流过的剪切分离通过孔；两个同心的扁平圆环之间设置有隔板，将剪切分离区分隔成剪切环上分离区和剪切环下分离区。

本发明具有如下有益效果：本装置运行时，依靠井下来液的螺旋加速产生离心力实现不同密度的轻重质相的分离，而后再通过重力沉降和多重剪切环完成气相分离的多级脱气装置，从而降低采出液的含气率，提高原油的开采效率并降低其开采成本本。装置通过将旋流分离技术、重力沉降与剪切作用多重工艺套用，实现连续高效脱气分离。本装置组合时大多采用一体化焊接成型和螺纹连接的方式，设备结构简单，体积小，更适合于井下使用。其中旋流分离部分中所用旋流器采用双锥段分离设置，上锥段采用大锥角，可以提高旋流器内的切向速度，下锥段采用小锥角，能够有效提高分离时间；且旋流分离段采用双切向入口进液方式和螺旋流道加速方式相结合的工艺，最大化提高来液的切向速度，大大提高了脱气分离效率。最后在重力沉降区运用加装多重截切填料的方式，既延长了混合液在重力沉降区内的分离时间，又通过剪切作用提高了脱气效率。

附图说明：

图1是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置半剖视图。

图2是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置爆炸视图。

图3是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置井下工作视图。

图4是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置井下工作半剖视图。

图5采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的套筒上封隔器外观图。

图6是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的旋流筒外观图。

图7是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的旋流筒半剖视图。

图8是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的套管外观图。

图9是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的导气管外观图。

图10是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的导气管半剖视图。

图11是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的螺旋流道外观图。

图12是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的螺旋流道半剖视图。

图13是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的顶针外观图。

图14是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的剪切填料套组外观图。

图15是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的剪切填料套组四分之一剖视图。

图16是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的填料装配视图。

图17是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的剪切环俯视外观图。

图18是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的剪切环仰视外观图。

图19是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的剪切环半剖视图。

图20是采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的旋流筒下封隔器外观图。

图中1-混合液区域，2-混合液切向入口，3-气相出口，4-套管，5-套管上封隔器，6-旋流筒，7-导气管，8-螺旋流道，9-剪切填料套组，10-旋流筒下封隔器，11-顶针，12-旋流分离区，13-旋流分离底流口，14-旋流分离溢流口，15-重力沉降分离区，16-重质相入口，17-旋流筒上螺纹，18-旋流筒下螺纹，19-大锥段，20-小锥段，21-导气管入口，22-导气管上盖，23-导气管道，24-溢流管入口，25-溢流管出口，26-螺旋加速区，27-溢流管道，28-顶针下盖，29-剪切环，30-剪切分离区，31-连接螺栓孔，32-剪切环支撑筋，33-剪切分离来液通过孔，34-剪切环上分离区，35-剪切环下分离区。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置整体外观如图1所示，由图可知，本装置整体呈圆柱状，方便于井下使用。本装置内部剖视图如图2所示，从图中可以看到，混合液区域1的来液经由混合液切向入口2进入该脱气装置，经过螺旋分离和多级重力剪切分离等脱气方式，分离后的气体经由气相出口3排出。本装置的主要组成部分有套筒4、套筒上封隔器5、旋流筒6、导气管7、螺旋流道8、剪切填料套组9、旋流筒下封隔器10和顶针11等，具体的装置爆炸视图如图3所示。其中主要作用于井下的工作装置视图如图4所示，表明本装置在井下通过套筒上封隔器5与套管相连接固定，并且该封隔器还起到了将井下来液和脱出后气体分开来的作用。图5表示井下工作装置的剖视图，由图可知，当混合液通过切向入口2进入到旋流筒6内，并经过螺旋流道8加速后，进入旋流分离区12作旋流分离,；由于油气水三相的密度不同，因此在受到离心分离后，轻质相的绝大部分气和一小部分重质相的油水通过导气管7经由旋流分离溢流口14跑出并进入到重力沉降区15，重质相的绝大部分油和水则经过旋流分离底流口13排出；在重力沉降区15内的油水气混合相在重力的影响下，根据密度不同而使更轻的气相上浮并最终通过气相出口3排出，而在重力沉降区15中放置的剪切填料套组9会在油水两相沉降的过程通过截切混合液加速混合液中气体的上浮，提高脱气率，剩余重质相的油水混合物则沉降到重力沉降区15的底部，经重质相出口16与经旋流分离底流口13排出的油水混合相一起排出，实现完整的一套脱气流程。其中，上述导气管7与螺旋流道8通过焊接形成一体，并通过螺旋流道8嵌入旋流筒6中，使导气管7的出口与旋流分离溢流口14对齐,，然后再焊接在一起。图6表示套筒上封隔器5的外观图，是一种通用的井下封隔器。图7为主要分离部件旋流筒6的外观图，图8为其半剖视图，结合两图来看，该旋流筒最外侧是一圆柱形套筒，并且在内部还有一层圆柱形套筒，在最内侧则是一个切向入口的旋流器外壳，三者之间通过焊接两个入口管相连接；在最外侧套筒的上端轴向分布有由若干个气相出口3，下面排布有两对称的切向入口2，内侧圆柱套筒的下端也轴向分布有若干个重质相入口16，上端则有一与导气管7相连接的旋流分离溢流口14，而最内侧的旋流器则为一双锥段旋流器，分别为大锥段19和小锥段20；整个旋流筒6则是通过一对上下螺纹17和18与油管相连接，其中为便于与油管相连接，上下螺纹又分别为一对内外扣螺纹，实现在井下的稳定工作。图9为采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置的套管外观图。图10和图11分别为导气管7的外观结构图和半剖视图，由图可知该导气管主要由导气管入口21、导气盖板22、导气管道23和导气出口24构成，其主要的作用是引导旋流分离后的轻质相（即绝大部分气和一小部分油水混合物）进入重力沉降分离区和密封旋流器上盖。图12和图13分别为螺旋流道的外观结构图和半剖视图，此螺旋流道的主要作用是为螺旋分离前的混合液进行螺旋加速，提高螺旋分离的效率，并且提供溢流流道，因此该螺旋流道从结构上分为溢流管入口24、溢流管出口25、螺旋加速区26和溢流管道27。图14为顶针10的外观结构图，由图可知，该结构上端为圆锥形顶针，下端为一圆盘形的顶针下盖18，且圆盘上开有两对称的半月形旋流分离底流口13，由图2可知该顶针位于旋流器底部，其连接方式为焊接，其主要作用是在旋流器内形成减缩的环空截面，以便对通过锥段部分渐缩圆截面的液流实现加速和分流，同时为螺旋分离后的重质相提供出口。图15为剪切填料套组9的外观结构图，可以看出该结构是由若干个剪切环29累叠而成，并且通过螺栓连接固定。结合剪切填料套组9的剖视图16可以看到每两个剪切环之间形成有剪切分离区30，且每两个剪切环之间通过旋转错开一定的角度，来增加剪切时间以提高剪切分离效率。图17表示剪切填料套组中两两剪切环的装配视图，两两剪切环分别设有连接螺栓孔31，通过螺栓固定将其连接在一起。图18和图19表示单个剪切环的不同视图，分别为俯视外观图、仰视外观图，通过这两个视图，可以看出该剪切环大体是由两同心的扁平圆环通过四个剪切环支撑筋32相连接，且在两同心环之间开有若干供液流流过的剪切分离通过孔33，由于两同心环之间隔板的存在，将剪切环的剪切分离区30分为了剪切环上分离区34和剪切环下分离区35，如图19的剪切环半剖视图所示。图20则表示旋流筒下封隔器11的外观结构，其形状功能与套管上封隔器5大体相同，只是尺寸不同。

结合图1至图20，本种采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置，整体呈 圆柱状，包括套筒4、套筒上封隔器5以及旋流筒6，其独特之处在于：所述脱 气装置还包括导气管7、螺旋流道8、剪切填料套组9、旋流筒下封隔器10、混 合液区域1、混合液切向入口2、气相出口3和顶针11。

其中，导气管7包括导气管入口21、导气盖板22、导气管道23和导气出口24；套筒上封隔器5是用于实现和套管相连接固定的通用井下封隔器；混合液切向入口2用于引导混合液进入到旋流筒6内；螺旋流道8包括溢流管入口24、溢流管出口25、螺旋加速区26和溢流管道27；导气管7与螺旋流道8通过焊接形成一体，整体嵌入旋流筒6中，导气管7的出口与旋流分离溢流口14对齐后焊接在一起。

旋流筒6具有旋流分离区12和重力沉降区15；进入到旋流筒6内的混合液经过螺旋流道8加速后，进入旋流分离区12作第一次旋流分离；导气管7用于导引经过第一次旋流分离后形成的轻质相中的气体和重质相中的一部分油水经由旋流分离溢流口14跑出并进入到重力沉降区15；旋流分离底流口13用于排出经过第一次旋流分离后形成的重质相的另一部分油和水；气相出口3与重力沉降区15的上端连通，以使得重力沉降区15内的油水气混合相中的气相通过重力的影响通过气相出口3排出。

重力沉降区15中置有剪切填料套组9，用于在油水两相沉降的过程通过截切混合液加速混合液中气体的上浮；重力沉降区15的底部开有重质相出口16，用于将沉降到重力沉降区15底部的剩余重质相的油水混合物经由重质相出口16与经旋流分离底流口13排出的油水混合相一起排出。

旋流筒6包括最外侧套筒、内侧套筒以及一个具有切向入口的旋流器外壳；所述最外侧套筒是一个圆柱形的套筒，内侧套筒置于所述最外侧套筒之中，所述旋流器外壳位于所述内侧套筒之中，三者之间通过焊接两个入口管相连接；在所述最外侧套筒的上端轴向分布有若干个气相出口3，下面排布有两个对称的混合液切向入口2；内侧套筒的下端轴向分布有若干个重质相入口16，上端则有一个与导气管7相连接的旋流分离溢流口14；所述旋流器外壳为一双锥段旋流器，具有大锥段19和小锥段20；所述最外侧套筒的上下两端分别开有上螺纹17和下螺纹18用于和油管相连接，所述上、下螺纹分别为一对内外扣螺纹。

顶针11的上端为圆锥形顶针，顶针11的下端为一圆盘形的顶针下盖18，在顶针下盖18的圆盘上开有两对称的半月形旋流分离底流口13，顶针11位于旋流筒6的底部，其连接方式为焊接，用于在所述旋流器外壳底部形成减缩的环空截面，以便对通过旋流器外壳锥段部分的液流进行加速和分流，同时为螺旋分离后的重质相提供出口。

剪切填料套组9由若干个剪切环29累叠而成，每两个剪切环之间设有连接螺栓孔31，通过螺栓连接固定；每两个剪切环之间形成剪切分离区30，且每两个剪切环之间通过旋转错开，来增加剪切时间以提高剪切分离效率；每个剪切环29均由两个同心的扁平圆环通过四个剪切环支撑筋32相连接后构成，且在两个同心的扁平圆环之间开有若干供液流流过的剪切分离通过孔33；两个同心的扁平圆环之间设置有隔板，将剪切分离区30分隔成剪切环上分离区34和剪切环下分离区35。

本装置的工作原理：

本发明所述装置为一种通过旋流、重力沉降和剪切等多重分离，来除去井下混合液中气体的脱气装置。本装置由切向入口2进液，混合液在旋流筒6内经螺旋流道8加速后做旋转运动，并在离心力的作用下，实现油气水的一级分离，在此过程中轻质相的绝大部分气和一小部分油水向旋流筒6的轴心处运动并沿轴心向上运动，通过溢流管道27进入二级重力沉降区，剩余的绝大部分油水混合液则通过底流口13排出，而进入到重力沉降区15的混合液又会在重力的作用下实现二级分离，最轻的气相则向上运动，较重的油和水向下运动，而油水在向下运动的过程中，需要通过放置在重力沉降区15中的若干层错开了角度的剪切填料套组9，通过多个剪切环29对混合液的剪切作用，加速气相从混合液中排出，并向上运动，直至气体从排气口排出，而向下运动的那部分油和水则会通过底部开有的若干轴向排列的走液口进入底流腔，并与螺旋分离后的那部分油水混合物一起由排出口排出，完成脱气分离。

本发明所提出的采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置，其旋流筒的上端和下端各开有供气体排出的排气孔和供油水混合物进入油水腔的重质相入口，且两端开孔都呈多层轴向排列，保证气体的顺利排出和油水的充分排入；且在旋流分离部分的下端增加顶针来实现对液流加速和分流，同时将顶针和螺旋分离底流出口合成一体，减少了装置的体积。创造性地通过加装剪切填料的方式将重力沉降分离和剪切分离结合在一起，不仅提高了脱气分离的效率，也减小了装置的占地空间，完全适用于多种不同的井下工况。且本装置剪切环的设计为两个同心的扁平圆环通过四个剪切环支撑筋相连接，通过在两同心环之间开有若干供液流流过的剪切分离通过孔，两两剪切环通过错开一定角度垒叠在一起，再由螺栓固定，大大增加了混合液中气体的分离。

Claims (1)

1.一种采油井筒内多级重力剪切式旋流脱气装置，其整体呈圆柱状，包括套筒（4）、套筒上封隔器（5）以及旋流筒（6），其特征在于：所述脱气装置还包括导气管（7）、螺旋流道（8）、剪切填料套组（9）、旋流筒下封隔器（10）、混合液区域（1）、混合液切向入口（2）、气相出口（3）和顶针（11）；

其中，导气管（7）包括导气管入口（21）、导气管上盖（22）和导气管道（23）；套筒上封隔器（5）是用于实现和套管相连接固定的通用井下封隔器；混合液切向入口（2）用于引导混合液进入到旋流筒（6）内；螺旋流道（8）包括溢流管入口（24）、溢流管出口（25）、螺旋加速区（26）和溢流管道（27）；导气管（7）与螺旋流道（8）通过焊接形成一体，整体嵌入旋流筒（6）中，导气管（7）的出口与旋流分离溢流口（14）对齐后焊接在一起；

旋流筒（6）具有旋流分离区（12）和重力沉降区（15）；进入到旋流筒（6）内的混合液经过螺旋流道（8）加速后，进入旋流分离区（12）作第一次旋流分离；导气管（7）用于引导经过第一次旋流分离后形成的轻质相中的气体和重质相中的一部分油水，再经由旋流分离溢流口（14）跑出并进入到重力沉降区（15）；旋流分离底流口（13）用于排出经过第一次旋流分离后形成的重质相的另一部分油和水；气相出口（3）与重力沉降分离区（15）的上端连通，以使得重力沉降分离区（15）内的油水气混合相中的气相通过重力的影响由气相出口（3）排出；

重力沉降分离区（15）中置有剪切填料套组（9），用于在油水两相沉降的过程通过截切混合液从而加速混合液中气体的上浮；重力沉降分离区（15）的底部开有重质相入口（16），用于将沉降到重力沉降分离区（15）底部的剩余油水混合物经由重质相入口（16）与经旋流分离底流口（13）排出的油水混合相一起排出；

旋流筒（6）包括最外侧套筒、内侧套筒以及一个具有切向入口的旋流器外壳；所述最外侧套筒是一个圆柱形的套筒，内侧套筒置于所述最外侧套筒之中，所述旋流器外壳位于所述内侧套筒之中，三者之间通过焊接两个入口管相连接；在所述最外侧套筒的上端轴向分布有若干个气相出口（3），下面排布有两个对称的混合液切向入口（2）；内侧套筒的下端轴向分布有若干个重质相入口（16），上端则有一个与导气管（7）相连接的旋流分离溢流口（14）；所述旋流器外壳为一双锥段旋流器，具有大锥段（19）和小锥段（20）；所述最外侧套筒的上下两端分别开有上、下螺纹（17，18）用于和油管相连接，所述上、下螺纹分别为一对内外扣螺纹；

顶针（11）的上端为圆锥形顶针，顶针（11）的下端为一圆盘形的顶针下盖（28），在顶针下盖（28）的圆盘上开有两对称的半月形旋流分离底流口（13），顶针（11）位于旋流筒（6）的底部，其连接方式为焊接，用于在所述旋流器外壳底部形成减缩的环空截面，以便对通过旋流器外壳锥段部分的液流进行加速和分流，同时为螺旋分离后的重质相提供出口；

剪切填料套组（9）由若干个剪切环（29）累叠而成，每两个剪切环之间设有连接螺栓孔（31），通过螺栓连接固定，且二者之间通过旋转错开形成剪切分离区（30）来增加剪切时间以提高剪切分离效率；每个剪切环（29）均由两个同心的扁平圆环通过四个剪切环支撑筋（32）相连接后构成，且在两个同心的扁平圆环之间开有若干供液流流过的剪切分离液通过孔（33）；两个同心的扁平圆环之间设置有隔板，将剪切分离区（30）分隔成剪切环上分离区（34）和剪切环下分离区（35）。

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