CN111974027B - 一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器，包括分离器筒体，分离器筒体自前至后依次为分离器入口段、一级渐缩段、一级分离段、二级渐缩段、二级分离段，在分离器入口段设置一级叶轮，在一级分离段设置二级叶轮，分离器入口段设置一级引油口，一级分离段设置二级引油口和三级引油口。本发明利用角动量守恒原理，采用渐缩的管道结构，增强了分离器的旋流强度，提高了分离效率，分离器独特的多级引油口结构，降低了分离器内的湍流强度，避免了油滴过度破碎，能够满足宽泛含油率条件下的高效分离。

Description

一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器

技术领域

本发明涉及的是一种油水分离装置，具体地说是井下油水分离装置。

背景技术

随着对石油需求的不断增加，油井老龄化严重，产出液中含水率高达90％以上，给地面水处理设备提出了更高的要求，同时也增加了油井的成本。为了解决产出液高含水率的问题，井下油水分离系统(DOWS)随之出现，在井下进行预分离，富含油的液体举升到地面，水则直接回注到地下，从而减轻了地面的后处理负担，达到提高油井经济性，延长油井寿命的目的(B.E.Bowers,and R.F.Brownlee,Development of a Downhole Oil/WaterSeparation and Reinjection System for Offshore Application,OffshoreTechnology Conference,Houston,1998.)。

目前，取得实际应用的油水分离方法包括重力分离和离心分离，都是利用液液两相间的密度差和不相溶性。采用重力沉降的油水分离器结构简单、分离效率高，在实际工业生产中得到了广泛的应用，但是两相分离需要较长的滞留时间，意味着重力式分离器往往结构尺寸较大，限制了此类分离器在井下的进一步应用(“箱型油水分离器”，CN2675219Y；A.Ghaffarkhah,M.Ameri Shahrabi,M.Keshavarz Moraveji,and H.Eslami,"Applicationof CFD for designing conventional three phase oilfield separator,"EgyptianJournal of Petroleum,vol.26,pp.413-420,2017.)。离心分离器借助离心力实现两相分离，与重力式分离器相比，具有体积小、处理量大的优点，符合井下分离的条件。按照不同的入口方式，离心式分离器又可分为切向入口分离器和轴向入口分离器。切向入口分离器典型的是水力旋流器，流体通过切向入口进入分离器筒体，在圆柱形壁面的作用下，形成旋流场。水力旋流器也是目前应用最为广泛的油水分离器，从发明至今得到了广泛的应用和充分发展(“带新型入口、溢流结构的油水分离旋流器”，CN2528510Y；L.G.M.Vieira,B.C.Silvério,J.J.R.Damasceno,and M.A.S.Barrozo,Performance of hydrocyclones withdifferent geometries.The Canadian Journal of Chemical Engineering 89(2011)655-662.)，但是由于其独特的切向入口，使得分离器内部流场不对称，局部湍流度高，限制了分离效率的进一步提高(R.Maddahian,M.Asadi,and B.Farhanieh,Numericalinvestigation of the velocity field and separation efficiency of deoilinghydrocyclones.Petrol.Sci.9(2012)511-520.；J.Wang,Z.Bai,Q.Yang,Y.Fan,andH.Wang,Investigation of the simultaneous volumetric 3-component flow fieldinside a hydrocyclone.Sep.Purif.Technol.163(2016)120-127.)。为了改善切向入口分离器的不足，提出了轴向入口的离心分离器。轴向入口分离器利用固定在管道内的导流部件，使得流体得到加速，并具有了切向速度，产生了离心力。目前来说，公开的轴向入口离心分离器的资料不多，分离器的效率也有待提高。

目前存在的液液分离装置均存在一定的局限性，传统的重力分离装置存在体积大成本高处理量小的特点限制了其在井下或者偏远地区等对空间要求高的场所的使用，水力旋流器依靠切向入口产生旋流场导致内部流场湍流度高压降大离散颗粒破碎严重限制了分离效率。本发明设计的一种利用角动量守恒的高效管道式多级油水分离器利用固定的旋流元件产生离心力，使得密度较小的液体聚集到中心，在内外压差的作用下将管道中心区域的液体引出，实现两相分离。并且，利用角动量守恒原理，采用渐缩的管道结构，增强了分离器的旋流强度，提高了分离效率，分离器独特的多级引油口结构，降低了分离器内的湍流强度，避免了油滴过度破碎，能够满足宽泛含油率条件下的高效分离。该发明分离效率高，结构简单紧凑，管道结构易于布置，无运动部件，降低了运行成本。

发明内容

本发明的目的在于提供实现两相分离、降低湍流强度、避免油滴过度破碎、能够满足宽泛含油率条件下高效分离的一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器，其特征是：包括分离器筒体，分离器筒体自前至后依次为分离器入口段、一级渐缩段、一级分离段、二级渐缩段、二级分离段，在分离器入口段设置一级叶轮，在一级分离段设置二级叶轮，分离器入口段设置一级引油口，一级分离段设置二级引油口和三级引油口。

本发明还可以包括：

1、一级叶轮的下游端与分离器入口段下游端对齐，二级叶轮的下游端与一级分离段下游端对齐。

2、一级叶轮包括一级轮轴，一级轮轴外部设置一级叶片，一级轮轴开设中孔，中孔自一级轮轴下游端面始，至一级叶片下方，一级引油口从分离器入口段壁面沿径向插入中孔。

3、一级叶轮外径与分离器入口段内径相同，一级叶片展开线为椭圆方程，一级叶片入口端与流线平行，一级叶片出口与分离器筒体中轴的夹角为60～70°；分离器入口段内径为D，一级轮轴外径为0.4D，一级轮轴上游端为圆锥形，一级轮轴下游端为半球形。

4、二级叶轮包括二级轮轴，二级轮轴外部设置二级叶片，二级轮轴开设上游端孔和下游端孔，上游端孔自二级轮轴上游端面向下游端方向设置，下游端孔自二级轮轴下游端面向上游端方向设置，上游端孔与下游端孔不相通，二级引油口从一级分离段壁面沿径向插入上游端孔，三级引油口从一级分离段壁面沿径向插入下游端孔。

5、二级叶片数目比一级叶片数目少1～2片，二级叶片展开线为椭圆方程，二级叶片入口与分离器筒体中轴夹角为20～30°，二级叶片出口与分离器筒体中轴的夹角为60～70°。

6、中孔的直径大于上游端孔直径，上游端孔直径大于下游端孔直径。

7、一级渐缩段半角为1°，二级渐缩段半角为1°。

8、一级渐缩段和一级分离段总长度为10D～20D，二级渐缩段和二级分离段总长度不小于15D。

本发明的优势在于：

(1)本发明利用固定在管道内的叶轮，使得流体得到加速，具有了切向速度，在离心力的作用下，油相向管道中心移动，水聚集到管道壁面，实现了相与相界面的分离。

(2)在叶轮轮轴设置多级引油口，在内外压差的作用下，将油芯引出，实现油水分离。

(3)渐缩的管道结构，补偿了因摩擦损失和流量减少带来的切向速度衰减，可以有效增强分离器内旋流强度，提高分离效率。

(4)多级串联结构，可以在宽泛的入口含油率条件下实现稳定的高效分离。

(5)紧凑的管道结构，可以用于井下等空间要求严苛的油水分离场所。

附图说明

图1为本发明的整体剖视结构示意图；

图2a为一级叶轮结构示意图，图2b为A-A视图；

图3a为二级叶轮结构示意图，图3b为B-B视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3b，本发明提供的一种组合式多流型精细化气液分离器，包括：入口段1，一级叶轮2，一级渐缩段3，一级分离段4，二级叶轮5，二级渐缩段6，二级分离段7，一级引油口8，二级引油口9，三级引油口10，一级叶片11，一级轮轴12，二级叶片13，二级轮轴14。

一级叶轮2外径固定在入口段1内，一级叶轮2下游端与入口段1下游端对齐；一级引油口8与一级叶轮2连接，从入口段1壁面引出；一级渐缩段3内径较大端与入口段1连接，内径较小端与一级分离段4连接；二级叶轮5固定在一级分离段4内，二级叶轮5下游端与一级分离段4下游端对齐；二级引油口9和三级引油口10与二级叶轮5连接，从一级分离段7引出；二级渐缩段6内径较大端与一级分离段4连接，内径较小端与二级分离段7连接。

一级叶轮2由4～6片一级叶片11和一级轮轴12构成，一级叶轮2外径与入口段1内径相同。为使流体逐渐加速，叶片展开线为椭圆方程，叶片入口端与流线平行，叶片出口与筒体中轴的夹角为60～70°，角度过小无法产生足够的离心力，角度过大使得速度变化剧烈导致离散相颗粒破碎。

一级轮轴12外径为0.4D，D为入口段1内径，上游端为圆锥形，下游端为半球形。一级轮轴12从下游端面中心轴向开孔布置一级引油口8，开孔长度长于叶片长度，小于轮轴长度，一级引油口8从入口段1壁面沿径向插入与中孔连接。

一级渐缩段3半角为1°，利用角动量守恒定律用于补偿因摩擦损失和流量减少带来的切向速度衰减，提高了分离器的旋流强度，有利于细小油滴向管道中心移动形成油芯。

一级渐缩段3和一级分离段4总长度为10D～20D，长度过短会导致油滴未运动分离的有效区域，长度过长会导致离心力衰减使得移动到中心的油滴再次散开。

二级叶轮5由4～6片二级叶片13和二级轮轴14构成，二级叶轮5外径与一级分离段4内径相同，二级叶片13数目可比一级叶片11数目少1～2片，叶片展开线为椭圆方程，叶片入口与筒体中轴夹角为20～30°，叶片出口与筒体中轴的夹角为60～70°。

二级轮轴14下游端为半球形，从两端面中心向内打孔，两个空不连通，上游端打孔与二级引油口9连接，下游端打孔与三级引油口10连接，上游端中孔入口为倒锥形。

根据分离器含油率沿轴向的变化规律，与一级引油口8连接中孔直径＞与二级引油口9连接中孔直径＞与三级引油口10连接中孔直径

二级渐缩段6半角为1°，利用角动量守恒定律用于补偿因摩擦损失和流量减少带来的切向速度衰减，提高了分离器的旋流强度。

二级渐缩段6和二级分离段7总长度不小于15D。

在进行油水分离时，其技术方案是：油水混合物从入口段1进入，经过一级叶轮2后，依靠流体的动能使其改变运动方向，混合流体从直线运动变为旋转运动，在一级渐缩段3内形成旋流场，在离心力的作用下，密度较小的油相向管道中心移动，密度较大的水靠近壁面。根据研究结果，在旋流场中普遍存在零速包络面，零速包络面以上的中心区域流体轴向流速与主流轴向速度相反。在两相运动过程中，部分油滴进入零速包络面以上中心区域，从一级引油口8排出。在流体向下游发展的过程中，流体切向速度不断衰减，根据角动量守恒定律，切向速度与半径成反比，如式(1)所示，其中u_θ为切向速度，r为半径，角标1、2代表不同位置。

因此，在一级渐缩段3内，管径逐渐减小，补偿了由于摩擦力和流体损失带来的切向速度衰减。当流体到达一级分离段4时，流体切向速度基本达到初始强度，部分尺寸较小的油滴颗粒在一级分离段4持续收到离心力的作用，向管道中心移动。未从一级引油口8排出的油滴颗粒从二级引油口9排出。当入口含油率较大时，一级引油口8和二级引油口9不能全部将其排出，少量油滴进入二级叶轮5，经过二级叶轮5后，流体得到再一次加速，并且速度大于经一级叶轮2加速后的流体速度，在二级渐缩段6和二级分离段7内形成强旋流场，细小油滴再次向管道中心聚集，在内外压差的作用下从三级引油口10排出。水从二级分离段7末端流出，从而实现了两相分离。

Claims (6)

1.一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器，其特征是：包括分离器筒体，分离器筒体自前至后依次为分离器入口段、一级渐缩段、一级分离段、二级渐缩段、二级分离段，在分离器入口段设置一级叶轮，在一级分离段设置二级叶轮，分离器入口段设置一级引油口，一级分离段设置二级引油口和三级引油口；

一级叶轮的下游端与分离器入口段下游端对齐，二级叶轮的下游端与一级分离段下游端对齐；

一级叶轮包括一级轮轴，一级轮轴外部设置一级叶片，一级轮轴开设中孔，中孔自一级轮轴下游端面始，至一级叶片下方，一级引油口从分离器入口段壁面沿径向插入中孔；

一级叶轮外径与分离器入口段内径相同，一级叶片展开线为椭圆方程，一级叶片入口端与流线平行，一级叶片出口与分离器筒体中轴的夹角为60～70°；分离器入口段内径为D，一级轮轴外径为0.4D，一级轮轴上游端为圆锥形，一级轮轴下游端为半球形。

2.根据权利要求1所述的一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器，其特征是：二级叶轮包括二级轮轴，二级轮轴外部设置二级叶片，二级轮轴开设上游端孔和下游端孔，上游端孔自二级轮轴上游端面向下游端方向设置，下游端孔自二级轮轴下游端面向上游端方向设置，上游端孔与下游端孔不相通，二级引油口从一级分离段壁面沿径向插入上游端孔，三级引油口从一级分离段壁面沿径向插入下游端孔。

3.根据权利要求2所述的一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器，其特征是：二级叶片数目比一级叶片数目少1～2片，二级叶片展开线为椭圆方程，二级叶片入口与分离器筒体中轴夹角为20～30°，二级叶片出口与分离器筒体中轴的夹角为60～70°。

4.根据权利要求2所述的一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器，其特征是：中孔的直径大于上游端孔直径，上游端孔直径大于下游端孔直径。

5.根据权利要求1所述的一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器，其特征是：一级渐缩段半角为1°，二级渐缩段半角为1°。

6.根据权利要求1所述的一种利用角动量守恒的管道式多级油水分离器，其特征是：一级渐缩段和一级分离段总长度为10D～20D，二级渐缩段和二级分离段总长度不小于15D。

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