CN112554862B - 页岩气开采用旋流式分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩气开采用旋流式分离器,涉及石油天然气开采地面建设工程领域，包括分离器壳体、前置腔、分布式切向孔、旋流室、旋流分离段、旋流筒、储液腔、气相聚集室、反射帽、破漩栅、中心管、除雾器等，所述分离器壳体上还有与前置腔连通的气液进口，分离器壳体底部有与储液腔连通的排液口，分离器壳体顶部开有气体出口。本发明能有效提高旋流分离器抗工况波动能力，提高分离效率和分离精度，以适应页岩气开采工况条件。

Description

页岩气开采用旋流式分离器

技术领域

本发明涉及石油天然气开采底面建设工程领域，具体而言，涉及一种页岩气开采用旋流式分离器。

背景技术

在页岩气田集输工程中，普遍需采用一种气液分离设备将来自井中的液体或砂粒从天然气中分离除去，现在通常采用的是重力分离器和旋流分离器两种，但由于重力分离器仅靠重力沉降分离，不仅沉降速度低，且设备体积尺寸大，不利于集成与撬装化；而旋流离心分离器虽效率高，但对线速度敏感性强，同时，由于页岩气生产井的特殊性，生产中的返排液(压裂液返出)形成的段塞效应会导致管路气液流量的波动性，使线速度不平稳，而线速度的不平稳性将直接影响影旋流沉降分离效果，使旋流分离器常常出现分离不干净，使分离后的天然气存在带液问题。

因此，现急需一种能够全面取代页岩气集输所采用的旋流分离和重力分离器，且分离器效果好、分离精度高的页岩气开采用旋流式分离器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种页岩气开采用旋流式分离器，能有效提高旋流分离器抗工况波动能力，提高分离效率和分离精度，以适应页岩气开采工况条件。

为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种页岩气开采用旋流式分离器，包括分离器壳体，分离器壳体内安装有旋流分离结构，旋流分离结构内部具有旋流室，旋流室呈圆环状；所述旋流分离结构外还设有前置腔，旋流分离结构上还开设有连通前置腔和旋流室的分布式切向孔，且分布式切向孔与旋流室内壁相切；所述分离器壳体上还开设有与前置腔连通的气液进口。

进一步的，所述前置腔环绕在旋流分离结构外围；所述分布式切向孔为多个，多个分布式切向孔沿旋流室的圆周方向均匀间隔布置。

进一步的，所述分布式切向孔为扁窄孔。

进一步的，所述旋流分离结构包括旋流筒和中心管，旋流室为旋流筒内壁与中心管外壁之间形成的环形空间，且旋流室上端呈封闭状。

进一步的，所述旋流筒内还具有旋流分离室，且旋流分离室位于旋流室下方。

进一步的，所述旋流分离室底部还安装有反射帽，且反射帽与旋流筒同轴布置。

进一步的，所述反射帽下部呈圆锥状，反射帽中部呈圆柱状，反射帽顶部呈弧面状，且反射帽顶部中心还开设有回流气孔。

进一步的，所述反射帽中部与旋流筒内壁之间的环形空间内还设有破旋栅。

进一步的，所述分离器壳体内还具有气相聚集室，且气相聚集室位于中心管出口上方。

进一步的，所述分离器壳体内还安装有除雾器，且除雾器位于气相聚集室上方；所述分离器壳体顶部还开设有气体出口。

进一步的，所述分离器壳体底部还具有储液腔，且分离器壳体底部还开设有排液口。

本发明的有益效果是,

1、通过在分离器壳体上设置前置腔，使流体在通过分布式切向孔进入旋流室之前先进入到前置腔内进行预分离，流体在前置腔内，在重力作用下使大尺寸液粒沉降聚集于前置腔底部，达到预分离目的，同时具有一定的缓冲功效，为后续的旋流提供较为平缓稳定的流速，确保分离器精度及效率，以适应页岩气开采工况条件。

2、通过使多个分布式切向孔沿旋流室圆周方向均匀间隔排布，不仅能起到分配流量的作用，且能使流体能对称、分散进入旋流室，使流体能够在周向上形成更加连续匀称的流线及离心强度。

3、通过将分布式切向孔设为扁窄孔，一是使流体通过分布式切向孔时更加贴近筒壁，使流体在进入旋流室一开始就缩短了离心沉降距离，能大大提高分离效率；二是利用分布式切向孔的高度，使流体在前置腔内预分离后的气液为上下分层(上部气，下部液)从孔口进入旋流室，即分布式切向孔上部为气相，分布式切向孔下部为流体；根据文献资料及经验表明，其中，旋流分离器对于气体介质的推荐线速度为15m/s—25m/s，而液体介质旋流分离线速度不能过高，速度越高扰动越严重，分离效率会随之下降，推荐线速度为3m/s—7m/s，当在同一孔口的液相流体和气相流体，在同一压差作用下，由于密度差异导致液相流体流速远低于气相流速，而按页岩气井开采工况进行计算分析，液相流体流速约为气相流速的五分之一，如果将气相速度设计在15m/s—25m/s，则流体流速正好就在3m/s—7m/s范围以内，根据流体仿真分析，其结论应征了本发明以上所述内容。

4、通过将反射帽中的下部设置成圆锥状，中部设置成圆柱状，顶部设置成弧面状，相对于现有的锥形反射帽，使反射帽中部与分离器壳体内壁形成环形液体流道，有利于贴附在分离器壳体内壁的液体顺畅下落(尤其页岩气中含有大量砂粒，收缩的底部不利于砂粒的下落)，而通过在该环形液体流道内设置破旋件，从而能有效消除旋流对储液器壳体内的搅动影响，解决了现有锥形反射帽因反射旋流贯穿于分离器底部而对储液器壳体内的液体微粒搅动夹带作用的弊端；同时，通过在顶部中心开设回流气孔，能有效使进入到储液器壳体内的气体形成回流通道，使储液器壳体内形成一个相对静止空间，有利于液粒下沉。

附图说明

图1是本发明提供的页岩气开采用旋流式分离器的结构示意图；

图2是图1中A-A的剖视图；

图3是图2中B向旋转的分布式切向孔孔口形状示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：

气液进口1，前置腔2，分布式切向孔3，分离器壳体4，旋流室5，旋流分离室6，反射帽7，破旋栅8，回流气孔9，储液腔10，排液口11，中心管12，气相聚集室13，除雾器14，气体出口15，旋流筒16。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1、图2所示，本发明提供的一种页岩气开采用旋流式分离器，包括分离器壳体4、前置腔2、分布式切向孔3、旋流室5、旋流分离段6、旋流筒16、储液腔11、气相聚集室13、反射帽7、破漩栅8、中心管12、除雾器14等，所述分离器壳体4上还有与前置腔2连通的气液进口1，分离器壳体4底部有与储液腔10连通的排液口11，分离器壳体4顶部开有气体出口15。

所述前置腔2为分离器壳体4内壁与旋流筒7外壁之间形成的环形空间，前置腔2在旋流室5外围，它的作用是将从气液进口1进入的气液混合流体进行重力预分离，使大尺寸液粒沉降聚集于前置腔2底部，达到预分离目的，同时且具有一定的缓冲功效，为后续的旋流提供较为平缓稳定的流速，确保分离器精度及效率，以适应页岩气开采工况条件。

所述的分布式切向孔3用于连通前置腔2与旋流室5，分布式切向孔3为多个(根据流量参数确定个数)均匀间隔的分布在旋流室5一周，每个分布式切向孔3中心线均与旋流室5的内壁圆相切，不仅能起到分配流量的作用，且能使流体能对称、分散进入旋流室5，使液相流体能够在旋流筒10周向上形成更加连续匀称的流线及离心强度；所述分布式切向孔3的形状如附图3所示的扁窄形状。

所述旋流室5为中心管7的外壁与旋流筒16内壁之间形成的环形腔室，旋流室5上端呈封闭状，旋流室5将从切向孔3进入的混合介质流形成较均匀规整的旋流流线。

所述旋流分离室6位于旋流分离室6底部，是通过旋流筒7自身形成的一圆柱形空域，主要用于继续旋流室5的旋流流态，并完成分散在气相流体中的液珠和分散在液相流体中的气泡的离心分离作用。

所述反射帽7的下部呈圆锥状，反射帽7中部呈圆柱状，反射帽7顶部呈弧面状，且反射帽7的顶部中心还开设有回流气孔9；所述反射帽7的作用是将旋流分离室6中下旋的气体反射上旋，隔离以减轻对下部储液腔10形成的动能影响。

所述破漩栅8安装在反射帽9的外缘与旋流筒16内壁之间形成的环形空间内，破漩栅8为栅条状的附件，也可以是其它形式的破漩部件。破漩栅8的作用是当从旋流筒7内壁高速向下螺旋的液体和连同的一部分气体经过该破漩栅8时，能够改变螺旋流动为向下流动，以消除旋流对储液腔10内沉降影响。

所述中心管12为圆形管状，中心管12与旋流筒16同轴布置；所述中心管12的作用一是规整旋流室5的流线，使飞溅液体回到旋流，中心管12的作用二是集合旋流分离室6的气体向上进入气相聚集室13。

所述除雾器14可以是丝网状，也可以是格珊板式或其它形式的除雾构成件；除雾器14的作用就是将上升气向流体中的雾水通过粘附集聚成水滴滴落，达到从气相流体中除去的目的。

本发明的旋流分离器的方法路线是：从页岩气井输送来的气液混合流体，从气液进口1进入到前置腔2，经重力预分离后，呈气液分层状进入到分布式切向孔3，气相流体、液相流体以不同的速度切向紧贴旋流室5的外壁进入旋流室5，形成较为规整的向下螺旋流线，气液的旋流沉降分离符合斯托克斯模型公式。从旋流室5向下进入旋流分离室6，液相流体继续贴壁(旋流筒内壁)向下螺旋流动；气相流体以较高的线速度同样做向下螺旋流动，同时气相流体中夹杂的分散水珠颗粒在离心力作用下不断向筒壁沉降于液相流体中；下旋的气相流体一部分下旋至反射帽7，经反射后做向上旋流；另一部分气相流体向旋流分离室6中心扩散，与从反射帽7反射上旋的气相流体一道汇集于中心管12，向上通过中心管12，进入到气相聚集室13，继续向上穿过除雾器14，在除雾器14中滤除雾水后的气体继续向上，经气体出口15离开分离器进入后续气体管路。

在旋流分离室6紧贴内壁并向下螺旋流动的液相流体连同一部分气相流体进入到破漩栅8，经破漩后液相流体连同气相流体进入到储液腔10，液相流体跌落沉积于储液腔10底部，经排液口15排出分离器；气相流体经反射帽7的内腔从回流气孔9回到旋流分离室6，汇集到反射上旋气流之中。

本发明提供的页岩气开采用旋流式分离器与现有技术中的旋流分离技术比较，更能适用于页岩气生产使用，且能够全面取代页岩气集输所采用的旋流分离器和重力分离器，分离效率和分离精度均优于同工况的现有技术中的分离器设备。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.页岩气开采用旋流式分离器，其特征在于，包括分离器壳体(4)，分离器壳体(4)内安装有旋流分离结构，旋流分离结构内部具有旋流室(5)，旋流室(5)呈圆环状；所述旋流分离结构外还设有前置腔(2)，旋流分离结构上还开设有连通前置腔(2)和旋流室(5)的分布式切向孔(3)，且分布式切向孔(3)与旋流室(5)内壁相切；所述分离器壳体(4)上还开设有与前置腔(2)连通的气液进口(1)；所述旋流分离结构包括旋流筒(16)和中心管(12)，旋流室(5)为旋流筒(16)内壁与中心管(12)外壁之间形成的环形空间，且旋流室(5)上端呈封闭状；所述旋流筒(16)内还具有旋流分离室(6)，且旋流分离室(6)位于旋流室(5)下方；所述旋流分离室(6)底部还安装有反射帽(7)，且反射帽(7)与旋流筒(16)同轴布置；所述反射帽(7)下部呈圆锥状，反射帽(7)中部呈圆柱状，反射帽(7)顶部呈弧面状，且反射帽(7)顶部中心还开设有回流气孔(9)；所述反射帽(7)中部与旋流筒(16)内壁之间的环形空间内还设有破旋栅(8)；所述分离器壳体(4)内还具有气相聚集室(13)，且气相聚集室(13)位于中心管(12)出口上方。

2.根据权利要求1所述的页岩气开采用旋流式分离器，其特征在于，所述前置腔(2)环绕在旋流分离结构外围；所述分布式切向孔(3)为多个，多个分布式切向孔(3)沿旋流室(5)的圆周方向均匀间隔排布。

3.根据权利要求1或2所述的页岩气开采用旋流式分离器，其特征在于，所述分布式切向孔(3)为扁窄孔。

4.根据权利要求1所述的页岩气开采用旋流式分离器，其特征在于，所述分离器壳体(4)内还安装有除雾器(14)，且除雾器(14)位于气相聚集室(13)上方；所述分离器壳体(4)顶部还开设有气体出口(15)。

5.根据权利要求1所述的页岩气开采用旋流式分离器，其特征在于，所述分离器壳体(4)底部还具有储液腔(10)，且分离器壳体(4)底部还开设有排液口(11)。

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