CN208599327U - 一种气井井口管式串联外循环旋流脱水装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及天然气开采领域，尤其涉及一种气井井口管式串联外循环旋流脱水装置。本实用新型装置结构包括二次分离导流室和两级串联的循环旋流脱水装置，一级循环旋流脱水装置和二级循环旋流脱水装置；一级循环旋流脱水装置的输入侧为入口，一级循环旋流脱水装置的输出侧与二级外循环旋流脱水装置输入侧连通，二级内循环旋流脱水装置输出侧为出口；该新型采用串联分离室和二次分离导流室两次分离结构，能够实现多次次循环分离，提高了气液两相分离效率。

Description

一种气井井口管式串联外循环旋流脱水装置

技术领域

本实用新型涉及天然气开采领域，尤其涉及一种气井井口管式串联外循环旋流脱水装置。

背景技术

常规陆上天然气开采领域，基于生产计量、安全输送及高效管理等方面的考虑，需要在天然气生产的上游进行气液混合物的相间分离。所采用的分离装置多是以重力分离技术为主的卧式和立式沉降罐，该类型装置占地面积大、工程造价高、处理时间长、生产效率低。因地制宜，以旋流分离技术为关键技术的气液分离装置应用广泛，依据不同的流体流动方向，可以将分离装置分为切向逆流式、轴向逆流式和轴向直流式等；依据不同的结构形式，可以将分离装置分成柱状旋流式、柱—锥状旋流式、螺旋通道式和导流叶片式等。这其中以气液柱状旋流分离器（GLCC）的研究与应用最为成熟，经过国内外各大院校与石油公司三十多年来的不懈努力，其在分离机理、结构设计、仪控等方面的研究取得了重要成就。从工程应用来看，GLCC主要面向低气液比、低流速的流动工况，在非设计工况试验测试及应用过程中，比如油气处于环雾状流以及气液流速较高的工况，分离性能会遭到恶化，导致分离液膜沿器壁的轴向爬升，降低分离效率。高流速下气相出流通道聚集液膜的爬升损失以及高含液量下液相冲击撕裂导致的短路流损失，也是其他气液旋流分离装置应用过程中存在的问题。

国外石油公司计划应用的气液分离装置，可以总结其在设计过程中遵循的原则：设备高效紧凑化，将离心分离技术作为气液分离装置的关键技术，满足分离设备的高效性要求；避免分离器内部存在细小的孔洞与间隙，减少设备的磨损和堵塞，延长使用寿命，满足分离设备的安全性要求；分离器附加储液空间，提供液位检测装置足够的响应时间，便于远程监控，满足分离设备的稳定性要求。

目前，气田天然气井口无相关气液分离设备，导致集气管线含液较多，管线积液严重，国内相关气液分离器研究大多集中于面向试验室中理想的气液两相混合物，实际应用情况不理想，专利技术主要是对传统工艺或设备进行改进。中国石油大学（北京）孙国刚教授“一种前级分离器排气分级净化的多级旋风分离器系统（CN103056048B）专利提供了一种可应用于炼油、化工、环保等行业的气固、气液多用途旋流分离器，其特点为多级分离，但该发明未见工业应用；为增强旋流分离器应用的目标性、高效性申请了专利“一种气液分离装置”（CN2832267Y）和“一种气液分离器” （CN100358638C），这两项专利均保护同一种气液旋流分离设备，其特点为专门针对气液分离，且耐高压能够实现二次旋流分离，分离效率高，但入口流速要求苛刻，较多应用在工况稳定的炼厂；天津曌宇环保科技发展有限公司杜红斌的发明专利“一种气液旋风分离器”（CN103240191 B）完全借鉴了原始气固分离器的结构形式，实际应用过程中难免适应性不强；河北科技大学董金华的发明专利“一种气液分离器”（CN204380328 U）借鉴了重力分离设备的原理，设备本身体积较大，很难适应天然气井场高压、集约、高效的要求；中石化上海工程有限公司陈愈安的发明专利“高效气液旋风分离器”（CN103816724 A）为了解决现有技术中气液分离器设备直径较大、使用效率较低的问题，提出了该专利，其特点分为内外筒，且内筒包含填料，导致该设备应用过程中压降较大，且需定期清理填料，操作复杂，不利于无人值守的现场应用。中国石油大学（北京）刘躠人的发明专利“输气管道高效旋风分离器”（CN1133504C）开发了一种用于输气管道的高效旋风分离器，但该分离器仍然借鉴了气固分离器的结构形式，分离效率有待进一步提高。

上述专利或现有设备均重点考虑可设备的气液分离能力，较少考虑分离后液相的处理方式，或处理周期，导致上述分离设备适应性仍有待提高。

发明内容

该新型克服现有技术的不足，采用串联分离室和二次分离导流室两次分离结构，能够实现多次次循环分离，提高了气液两相分离效率，是一种特别适应于后期含水较多、分离精度要求较高的天然气井口气液两相的装置。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样来实现的：一种气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，该装置结构包括二次分离导流室和两级串联的循环旋流脱水装置，一级循环旋流脱水装置和二级循环旋流脱水装置；一级循环旋流脱水装置的输入侧为入口，一级循环旋流脱水装置的输出侧与二级外循环旋流脱水装置输入侧连通，二级内循环旋流脱水装置输出侧为出口。

一级外循环脱装置构包括一级分离室和位于一级分离室内的一级轴向导流机构；二级外循环脱装置构包括二级分离室和位于二级分离室内的二级轴向导流机构。

二次分离导流室套设在一级循环旋流脱水装置和二级旋流脱水装置外侧，二次分离导流室一端与一级分离室外壁密封连接，二次分离导流室另一端与气相出口管线外壁密封连接。

一级分离室和二次分离导流室通过一级分离室出口与二级分离室入口之间的一级环形缝隙连通；出口一侧有有向里延伸的气相出口管线，二级分离室和二次分离导流室通过二级分离室与气相出口管线之间的二级环形缝隙连通。

二次分离导流室的下端连通有液相捕集装置，液相捕集装置侧边连通有液位计，二次分离导流室下端靠近入口一端连通外循环管的入口；一级轴向导流机构包括一级轴向导流轴和附着在一级轴向导流轴外壁的一级导流叶片，外循环管的出口端位于一级轴向导流轴进口一端，一级轴向导流轴内部为贯通的中空结构；外循环管主管线位于二次分离导流室的外面，将二次分离导流室内的逃逸气相以及部分液相再次输送至一级循环旋流脱水装置分离室，进行2次分离。

二级轴向导流机构包括二级轴向导流轴和附着在二级轴向导流轴外壁的二级导流叶片。

本新型的进一步改进，一级导流叶片附着在一级轴向导流轴，且与一级轴向导流轴的附着处保持密封，一级导流叶片的另一边附着在一级分离室的内壁，与一级分离室内壁的附着处保持密封。

本新型的进一步改进，二级导流叶片附着在二级轴向导流轴，且与二级轴向导流轴的附着处保持密封，二级导流叶片的另一边附着在二级分离室的内壁，与二级分离室内壁的附着处保持密封。

本新型的进一步改进，依据对所获取旋流强度的不同要求，可设置不同数量的轴向导流叶片，导流叶片的数量为2，4片、6片、8片或者12片，每片导流叶片2均匀分布在轴向导流轴3的外表面。

本新型的进一步改进，一级导流叶片垂直于一级轴向导流轴纵切面，二级导流叶片的入口端线垂直于二级轴向导流轴纵切面；依据对所获取旋流强度的不同要求，一级导流叶片的出口端线与一级轴向导流轴纵切面呈10-30度夹角，依据对所获取旋流强度的不同要求，二级导流叶片的出口端线与二级轴向导流轴纵切面呈10-30度夹角。

本新型的进一步改进，一级导流叶片和二级导流叶片的入口端线与出口端线呈90度旋转夹角。

本新型的进一步改进，外循环旋流脱水机构为整体为筒状结构，一级导流叶片和二级导流叶片的长度为1-2.5倍筒体直径，宽度为0.125-0.375倍筒体直径。

本新型的进一步改进，二次分离导流室位于一级分离室和二级分离外，且三者同轴心。二次分离导流室位于一级分离室、二级分离外，三者同轴心，用于收集一级、二级循环旋流脱水装置分离室分离的液相，以及从分离室逃逸的气相，是连通一级分离室、二级分离室、液相捕集装置以及外循环管的缓冲装置。

本新型的进一步改进，二级分离室通过连接件与二次分离室导流室内壁连接。连接件用于支撑二次分离室，并不阻碍分离的气液流动。

有益效果

（1）该新型采用导流叶片获得旋流效果，不仅可以依据需要改变旋流强度，而且可直接安装在采气管线上，分离器结构紧凑，缩小了设备体积，安装方便。

（2）该新型采用分离室和二次分离导流室结构，能够实现2次循环分离，提高了气液两相分离效率。

（3）该新型采用外循环管，未占用分离室和二次分离导流室的分离空间，提高了气液两相有效分离效率。

（4）该新型平衡了液相捕集装置与分离室之间的压力差，利于分离室提高气液分离效率。

（5）该新型可采用一级、二级循环旋流脱水装置串联方式，均采用分离室和二次分离导流室结构，均能够实现2次循环分离，提高了气液分离效率。

附图说明

图1是本新型提供的气井井口管式串联外循环旋流脱水装置结构示意图。

图2是本新型提供的气井井口管式串联外循环旋流脱水装置图1的A-A截面示意图。

图3是本实用新型提供的气井井口管式外循环旋流脱水装置轴向导流机构三维侧示意图。

图4是本实用新型提供的气井井口管式外循环旋流脱水装置的轴向导流机构三维侧向示意图。

图5是本实用新型提供的气井井口管式外循环旋流脱水装置的导流叶片示意图。

图6实用新型提供的气井井口管式外循环旋流脱水装置的轴向导流机构俯视示意图。

图7实用新型提供的一气井井口管式外循环旋流脱水装置横向截面压力云图。

图8实用新型提供的气井井口管式外循环旋流脱水装置横向截面切向速度云图。

图中：1、入口，2、一级导流叶片，3、一级轴向导流轴，4、一级轴向导流轴出口，5、一级分离室，6、二次分离导流室，7、一级环形缝隙， 9、二级导流叶片，10、二级轴向导流轴，12、二级分离室，13、二级环形缝隙，14、出口，15、外循环管，16、液相捕集装置， 17、液位计，18、液相捕集出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步描述。

实施例1：

如图1所示，一种气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，该装置结构包括二次分离导流室6和两级串联的循环旋流脱水装置，一级循环旋流脱水装置和二级循环旋流脱水装置；一级循环旋流脱水装置的输入侧为入口，一级循环旋流脱水装置的输出侧与二级外循环旋流脱水装置输入侧连通，二级内循环旋流脱水装置输出侧为出口14。

一级外循环脱装置构包括一级分离室5和位于一级分离室5内的一级轴向导流机构；二级外循环脱装置构包括二级分离室12和位于二级分离室12内的二级轴向导流机构。

二次分离导流室6套设在一级循环旋流脱水装置和二级旋流脱水装置外侧，出口14一侧有有向里延伸的气相出口管线，二次分离导流室6一端与一级分离室5外壁密封连接，二次分离导流室6另一端与气相出口管线外壁密封连接。

一级分离室5和二次分离导流室6通过一级分离室5出口与二级分离室12入口之间的一级环形缝隙7连通；二级分离室12和二次分离导流室6通过二级分离室12与气相出口管线之间的二级环形缝隙23连通。

二次分离导流室6的下端连通有液相捕集装置16，液相捕集装置16侧边连通有液位计17，二次分离导流室6下端靠近入口1一端连通外循环管15的入口；一级轴向导流机构包括一级轴向导流轴3和附着在一级轴向导流轴3外壁的一级导流叶片2，外循环管15的出口端位于一级轴向导流轴3进口一端，一级轴向导流轴3内部为贯通的中空结构。

二级轴向导流机构包括二级轴向导流轴10和附着在二级轴向导流轴10外壁的二级导流叶片9。

实施例2：

如附图1-6所示，实施例1的基础上，一级导流叶片2附着在一级轴向导流轴3，且与一级轴向导流轴3的附着处保持密封，一级导流叶片2的另一边附着在一级分离室5的内壁，与一级分离室5内壁的附着处保持密封。

二级导流叶片9附着在二级轴向导流轴10，且与二级轴向导流轴10的附着处保持密封，二级导流叶片9的另一边附着在二级分离室12的内壁，与二级分离室12内壁的附着处保持密封。

一级导流叶片2和二级导流叶片9的数量为2，4片、6片、8片或者12片，每片导流叶片2均匀分布在轴向导流轴3的外表面。

一级导流叶片2垂直于一级轴向导流轴3纵切面，二级导流叶片9的入口端线垂直于二级轴向导流轴10纵切面；一级导流叶片2的出口端线与一级轴向导流轴3纵切面呈10-30度夹角，二级导流叶片9的出口端线与二级轴向导流轴10纵切面呈10-30度夹角。

一级导流叶片2和二级导流叶片9的入口端线与出口端线呈90度旋转夹角。

外循环旋流脱水机构为整体为筒状结构，一级导流叶片2和二级导流叶片9的长度为1-2.5倍筒体直径，宽度为0.125-0.375倍筒体直径。

二次分离导流室6位于一级分离室5和二级分离室12外，且三者同轴心。

二级分离室12通过连接件与二次分离导流室6内壁连接。

下面参照图1-6详细说明本实用新型提供的一种新型气井井口管式串联外循环旋流脱水装置的运行过程。

本实用新型提供的一种气井井口管式串联外循环旋流脱水装置运行时，气液混合物由入口1轴向进入一级循环旋流脱水装置，经一级导流叶片2，由轴向流转变为旋转流，产生切向速度，进入一级分离室5，进入一级分离室5的气液混合物中的重相液态水和部分重组分，因为切向速度导致的离心力存在，被加速甩向一级分离室5内壁，使气液两相分离，被甩向内壁的重相液态水和部分重组分沿一级分离室5内壁旋流前进，经由一级分离室5与二级分离室12之间一级环形缝隙7进入二次分离导流室6，一级循环旋流脱水装置一级导流叶片2产生的旋转流因经分离室5的旋流分离后，旋流强度减弱，因此经一级循环旋流脱水装置分离后的气相进入二级循环旋流脱水装置后，仍通过二级导流叶片9，减弱后的旋转流再次增强，进入二级分离室12的含少量液相的气体因切向速度导致的离心力存在，被再次加速甩向二级分离室12内壁，使气液两相分离，被甩向内壁的重相液态水和部分重组分沿二级分离室12内壁旋流前进，经由二级分离室12与出口14之间二级环形缝隙23进入二次分离导流室6，经一级分离室5、二级分离室12进入二次分离导流室6的不仅包括重相液态水和部分重组分，还包括部分气相天然气，这些气液混合物进入二次分离导流室6之后，重相液态水和部分重组分由于重力作用进入液相捕集装置16，当液相捕集装置16内液相达到设计位置，经由液相捕集出口18排除，而进入二次分离导流室6的部分气相天然气则经由外循环管15经过一级轴向导流轴出口4再次进入一级分离室5，进行二次分离。

由图7可以知道，由于旋转流的原因，分离室中心位置为明显的低压区，因此进入二次分离导流室的部分气相天然气能够由外循环管再次进入分离室，进行二次分离。

由图8可以知道，气液混合物由入口轴向进入脱水装置，经导流叶片后，气液混合物由典型的轴向流转变为具有明显切向速度的旋转流。

Claims (9)

1.一种气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，其特征在于：该装置结构包括二次分离导流室（6）和两级串联的循环旋流脱水装置，一级循环旋流脱水装置和二级循环旋流脱水装置；一级循环旋流脱水装置的输入侧为入口（1），一级循环旋流脱水装置的输出侧与二级外循环旋流脱水装置输入侧连通，二级内循环旋流脱水装置输出侧为出口（14）；

所述一级循环旋流脱水装置包括一级分离室（5）和位于一级分离室（5）内的一级轴向导流机构；所述二级循环旋流脱水装置包括二级分离室（12）和位于二级分离室（12）内的二级轴向导流机构；

二次分离导流室（6）套设在一级循环旋流脱水装置和二级旋流脱水装置外侧，出口（14）一侧有有向里延伸的气相出口管线，二次分离导流室（6）一端与一级分离室（5）外壁密封连接，二次分离导流室（6）另一端与气相出口管线外壁密封连接；

一级分离室（5）和二次分离导流室（6）通过一级分离室（5）出口与二级分离室（12）入口之间的一级环形缝隙（7）连通；二级分离室（12）和二次分离导流室（6）通过二级分离室（12）与气相出口管线之间的二级环形缝隙（23）连通；

二次分离导流室（6）的下端连通有液相捕集装置（16），液相捕集装置（16）侧边连通有液位计（17），二次分离导流室（6）下端靠近入口（1）一端连通外循环管（15）的入口；一级轴向导流机构包括一级轴向导流轴（3）和附着在一级轴向导流轴（3）外壁的一级导流叶片（2），外循环管（15）的出口端位于一级轴向导流轴（3）进口一端，一级轴向导流轴（3）内部为贯通的中空结构；

二级轴向导流机构包括二级轴向导流轴（10）和附着在二级轴向导流轴（10）外壁的二级导流叶片（9）。

2.根据权利要求1所述气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，其特征在于：一级导流叶片（2）附着在一级轴向导流轴（3），且与一级轴向导流轴（3）的附着处保持密封，一级导流叶片（2）的另一边附着在一级分离室（5）的内壁，与一级分离室（5）内壁的附着处保持密封。

3.根据权利要求1所述气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，其特征在于：二级导流叶片（9）附着在二级轴向导流轴（10），且与二级轴向导流轴（10）的附着处保持密封，二级导流叶片（9）的另一边附着在二级分离室（12）的内壁，与二级分离室（12）内壁的附着处保持密封。

4.根据权利要求1所述气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，其特征在于：所述一级导流叶片（2）和二级导流叶片（9）的数量为2，4片、6片、8片或者12片，每片导流叶片2均匀分布在轴向导流轴3的外表面。

5.根据权利要求1所述气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，其特征在于：所述一级导流叶片（2）垂直于一级轴向导流轴（3）纵切面，二级导流叶片（9）的入口端线垂直于二级轴向导流轴（10）纵切面；一级导流叶片（2）的出口端线与一级轴向导流轴（3）纵切面呈10-30度夹角，二级导流叶片（9）的出口端线与二级轴向导流轴（10）纵切面呈10-30度夹角。

6.根据权利要求1所述气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，其特征在于：所述一级导流叶片（2）和二级导流叶片（9）的入口端线与出口端线呈90度旋转夹角。

7.根据权利要求1所述气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，其特征在于：外循环旋流脱水机构为整体为筒状结构，所述一级导流叶片（2）和二级导流叶片（9）的长度为1-2.5倍筒体直径，宽度为0.125-0.375倍筒体直径。

8.根据权利要求1所述气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，其特征在于：所述二次分离导流室（6）位于一级分离室（5）和二级分离室（12）外，且三者同轴心。

9.根据权利要求1所述气井井口管式串联外循环旋流脱水装置，其特征在于：所述二级分离室（12）通过连接件与二次分离导流室（6）内壁连接。