CN103352686A - 煤层气排采井井口气水快速高效分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，包括水箱（1），水箱（1）内设有气水分离***、水箱（1）上侧部设有伸入到水箱（1）内的进水管（2），水箱（1）顶部设有负压抽气***，水箱（1）下侧部设有自动排水***，气水分离***外部设有密封***本发明通过将水流由柱状流变为面状流，并进行冲击、破碎结合负压抽及二次分离技术，可以实现气水的快速高效分离，有效解决目前气水分离难造成的资源浪费问题。多口井共用一套负压抽气***，节约了成本投入。该装置设备占地面积小、操作简单、价格便宜、气水分离效果好，应用前景广阔。

Description

煤层气排采井井口气水快速高效分离装置

技术领域

本发明属于煤层气安全生产技术领域，特别涉及一种煤层气排采井井口气水快速高效分离装置。

背景技术

随着经济发展对能源需求的加大以及煤矿安全生产的需要，煤层气开发引起了越来越多人们的关注。煤层气的大规模开发不仅可以缓解能源危机，在一定程度上还可以减少瓦斯直接排放对环境的污染，更重要的是降低了煤矿煤与瓦斯突出的危险性。随着煤层气开发工艺技术的不断成熟投入规模的不断加大，煤层气井规模急剧增加。煤层气主要赋存在煤储层中，其赋存特点决定了目前地面主要通过排水进行采气的。由于排出的水和气共用一个井筒，排采时，当产气量比较高时，地面排水管路中有部分的气体混杂其中被排出，造成了资源浪费。目前，所用的气、水分离装置无法把水管路中的水和甲烷气体分离出来。因此迫切需要一种装置或工艺可以对井口排水过程中气水进行快速分离，这样可以有效减少不必要的资源浪费，同时还可以降低甲烷直接排放到空气引起温室效应。

发明内容

本发明针对目前煤层气井排采过程中难以将水管路中含有的煤层气进行分离，导致资源浪费、温室效应增加等一系列问题，提供一种煤层气井井口气水快速高效分离装置，通过该装置可以将水中含有的煤层气进行快速的分离并收集再利用，减少直接排空造成的资源浪费和引起的温室效应。

为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，包括水箱1，水箱1内设有气水分离***、水箱1上侧部设有伸入到水箱1内的进水管2，水箱1顶部设有负压抽气***，水箱1下侧部设有自动排水***，气水分离***外部设有密封***。

所述气水分离***包括设在水箱1底部的电动机6和立柱3，立柱3上端设有碗状的储水容器4，进水管2的出水口位于储水容器4上方，立柱3上穿设有轴承5，电动机6的主轴与轴承5下部之间带传动连接，轴承5上部沿径向均匀设有三根连接杆7，每根连接杆7的外端分别设有一片扇叶8，扇叶8位于储水容器4上边沿的正下方。

所述负压抽气***包括设在水箱1顶部的管接头9、抽气管10、负压泵11、压力表12和气体干燥器13，抽气管10通过进气接头14与管接头9连接，负压泵11设在抽气管10上，压力表12设在临近进气接头14的抽气管10上，负压泵11的出气口通过干燥管15与气体干燥器13的进气口连接。

所述自动排水***包括设在水箱1下侧部的并伸入到水箱1内的出水管16、设在水箱1内壁上并位于出水管16上方的固定板17以及设在水箱1内壁上并位于固定板17上方的限高板18，固定板17竖向穿设有用于开闭出水管16的闸板阀19，闸板阀19的上端设有位于固定板17和限高板18之间的漂浮体20。

所述密封***包括外密封罩21和内密封罩22，外密封罩21的顶部设在扇叶8下方，外密封罩21的顶部与轴承5外周面之间设有密封件A，外密封罩21下侧部设有压差开闭结构B，内密封罩22设在电动机6外部，内密封罩22的上端设有用于通过电动机6的主轴的圆管节23。

所述密封件A包括径向截面为内侧开口管状的上环绕体24和径向截面为外侧开口管状的下环绕体25，上环绕体24的上部与轴承5外圆固定连接，下环绕体25的下部与外密封罩21固定连接，上环绕体24的下部插设在下环绕体25内，上环绕体24的下部与下环绕体25的上部之间设有环形密封橡胶垫26。

所述压差开闭结构B包括一块活动板27、两根活动杆28、两个限位块29和外密封罩21上开设的一个通孔30，两根活动杆28分别穿设在通孔30上部和下部的外密封罩21上，活动杆28的内端与限位块29连接，活动杆28的外端与活动板27连接，活动板27的表面积大于通孔30面积。

所述水箱1内设有位于进水管2上方的气水二次分离***，气水二次分离***包括设在水箱1内壁上的夹持体31，夹持体31上夹持有由纱窗折叠而成的过滤网32。

所述电动机6通过导线33连接有位于水箱1外部的电源34和变速开关35。

采用上述技术方案，本发明中的气水分离***主要是实现气水分离，是整个装置的核心。进水管将进口抽出的水输送到水箱内的储水容器中，该***通过储水容器将柱状水流转换成球面状水流，增大水流与空气接触面积，易于气体从水流中分离出来。在水流呈面状流下过程中，通过快速转动的扇叶对水流进行冲击，击碎水流，在负压抽气***作用下使气、水分离。其中电动机为无极调速电动机，可以实现转速0-500r/min任意调节，可以根据煤层气井产水量的大小，设置不同的转速。

负压抽气***主要提供气体流动的动力。该***主要通过负压泵提供***所需要的负压，通过负压可以降低水箱内部的压力，促进气体和水的快速分离。同时负压抽气***还提供气体从水箱流出所需要的动力。该***所使用的负压泵可以采为数字显示自动控制负压泵。通过压力表实时监测***负压，当压力过低时及时自动开启负压泵。气体干燥器主要是对气体中少量水进行进一步分离。气体干燥器内部盛放干燥剂，对经过其的气体进行进一步干燥，使分离出来的气体基本不含水分。

自动排水***主要是实现液面高度的自动控制，并及时排出密封***内部的积水。该***主要是通过漂浮体所受到的浮力来控制闸板阀的上升和下降，进而控制出水口的开关。当液面升高时，漂浮体所受到的浮力开始增加，当浮力大于漂浮体和闸板阀的重量时，闸板阀开始上升，出水管打开，水流流出，水流流出的过程中液面逐渐下降。随着液面下降漂浮体所受的浮力逐渐减小，当小于闸板阀和漂浮体自身重量时，闸板阀开始下降，出水管重新关闭，出水管的出水大小根据实际产水情况确定，最大流量能满足最大产水量的需要，有效避免了内部积水过多。在漂浮体上部有限高板可以控制漂浮体上升高度。

密封***主要是对电动机进行密封保护。该***为了避免电动机进水，首先安装以一个外密封罩，然后在外密封罩上部和轴承之间合理设计密封件，有效减少外部水进入外密封罩内部，实现对内部各装置的保护。为了避免进入外密封罩内部少量水对电动机造成的损害，在电动机外部、外密封罩内部安装一个内密封罩，这样可以有效避免了水对电动机的危害。

当密封***内部积水高度大于外界液面高度时，在内外压差的作用下，将活动板打开，内部水流出，随着内部水压减小，在自身重力以及外界水压作用下活动板重新关闭，该活动板主要是通过内外压差及自身重力进行自动控制。

气水二次分离***主要是对气体中的水进行分离。在电动机带动扇叶的作用下水被冲击、冲碎后，在动力作用下，水花四溅，为了避免水花在负压作用下直接进入气体管路，设计了气水二次分离***，并将其安装在水箱上部，将要进入气管路的水进行分离，气水二次分离***仅允许气体通过，不允许水通过。

本发明通过将水流由柱状流变为面状流，并进行冲击、破碎结合负压抽及二次分离技术，可以实现气水的快速高效分离，有效解决目前气水分离难造成的资源浪费问题。通过对电动机所处环境进行有效密封，降低了水对电动机的腐蚀、损害，增加使用寿命；多口井共用一套负压抽气***，节约了成本投入。该装置设备占地面积小、操作简单、价格便宜、气水分离效果好，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中密封件的放大图；

图3是图1中外密封罩上压差开闭结构的放大图；

图4是多个本发明的分离装置组成的区域分离***示意图。

具体实施方式

如图1～图4所示，本发明的煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，包括水箱1，水箱1内设有气水分离***、水箱1上侧部设有伸入到水箱1内的进水管2，水箱1顶部设有负压抽气***，水箱1下侧部设有自动排水***，气水分离***外部设有密封***。

气水分离***包括设在水箱1底部的电动机6和立柱3，立柱3上端设有碗状的储水容器4，进水管2的出水口位于储水容器4上方，立柱3上穿设有轴承5，电动机6的主轴与轴承5下部之间通过三角带传动连接，轴承5上部沿径向均匀设有三根连接杆7，每根连接杆7的外端分别设有一片扇叶8，扇叶8位于储水容器4上边沿的正下方。

气水分离***主要是实现气水分离，是整个装置的核心。进水管2将进口抽出的水输送到水箱1内的储水容器4中，该***通过储水容器4将柱状水流转换成球面状水流，增大水流与空气接触面积，易于气体从水流中分离出来。在水流呈面状流下过程中，通过快速转动的扇叶8中心对水流进行冲击，击碎水流，在负压抽气***的作用下使气、水分离。其中电动机6为无极调速电动机，可以实现转速0-500r/min任意调节，可以根据煤层气井产水量的大小，设置不同的转速。

该***中储水容器4为形同碗状或半球形的钢制体，储水容器4截面圆直径最大为1m，水流经储水容器4以后，通过该储水容器4的边缘向外溢出，形成圆柱面状水流。水流在向下流动过程中被扇叶8冲击、击碎，水花四溅，在负压作用下使气、水分离。其中扇叶8为钢制薄板，转动时刚好位于水流下方，三个扇叶8呈120度均匀分布在轴承5的外圆上，并且扇叶8与平面呈45度角。扇叶8和轴承5的外圆之间通过连接杆7连接在一起。轴承5分为内环和外环，轴承内环与轴承外环之间通过钢珠连接在一起，轴承内环与立柱3之间通过焊接固定在一起。扇叶8转动所需要的动力由电动机6提供，电动机6通过三角带在传动凹槽内的转动将动力提供给扇叶8。并且在轴承5以及电动机6上分别有轮槽。

负压抽气***包括设在水箱1顶部的管接头9、抽气管10、负压泵11、压力表12和气体干燥器13，抽气管10通过进气接头14与管接头9连接，负压泵11设在抽气管10上，压力表12设在临近进气接头14的抽气管10上，负压泵11的出气口通过干燥管15与气体干燥器13的进气口连接。

负压抽气***主要提供气体流动的动力。该***主要通过负压泵11提供***所需要的负压，通过负压可以降低水箱1内部的压力，促进气体和水的快速分离。同时负压抽气***还提供气体从水箱1流出所需要的动力。该***所使用的负压泵11可以采为数字显示自动控制负压泵。通过压力表12实时监测***负压，当压力过低时及时自动开启负压泵11。气体干燥器13主要是对气体中少量水进行进一步分离。气体干燥器13内部盛放干燥剂，对经过其的气体进行进一步干燥，使分离出来的气体基本不含水分。

负压抽气***中的负压泵20属于区域共用装置，在临近区域附近的几口井共用一个负压泵11，其区域连接如图4所示。从四个井口36排出的水，经过进水管2输送到水箱1中，水箱1内的气水分离***进行分离以后，负压泵11将气体收集到抽气管10中，再通过干燥管15进入到气体干燥器13的进一步干燥处理后，最后通过输气管道收集气体。其中抽气管10上有多个进气接头14，进气接头14与水箱1上的管接头9之间通过软管进行连接，其中进气接头14通过焊接固定在抽气管10上。在抽气管10上安装安装压力表12可以实时监控水箱1内的压力。

自动排水***包括设在水箱1下侧部的并伸入到水箱1内的出水管16、设在水箱1内壁上并位于出水管16上方的固定板17以及设在水箱1内壁上并位于固定板17上方的限高板18，固定板17竖向穿设有用于开闭出水管16的闸板阀19，闸板阀19的上端设有位于固定板17和限高板18之间的漂浮体20。

自动排水***主要是实现液面高度的自动控制，并及时排出密封***内部的积水。该***主要是通过漂浮体1所受到的浮力来闸板阀19的上升和下降，进而控制出水口的开关。当液面升高时，漂浮体1所受到的浮力开始增加，当浮力大于漂浮体1和闸板阀19的重量时，闸板阀19开始上升，出水管16打开，水流流出，水流流出的过程中液面逐渐下降。随着液面下降漂浮体1所受的浮力逐渐减小，当小于闸板阀19和漂浮体1自身重量时，闸板阀19开始下降，出水管16重新关闭，出水管16的出水大小根据实际产水情况确定，最大流量能满足最大产水量的需要，有效避免了内部积水过多。在漂浮体1上部有限高板可以控制漂浮体1上升高度。

该***中漂浮体1的大小是根据漂浮体1的自身重力以及闸板阀19的重力进行设计，其中闸板阀19和漂浮体1之间通过钢丝捆扎固定在一起。闸板阀19为一矩形钢制薄板，固定板为一矩形钢板，有一定的厚度，在固定板17的外端切割出一矩形空间，便于闸板阀19在其内部上升和下降，避免闸板阀19在左右以及前后方向上运动幅度过大。固定板17与水箱1之间通过焊接固定在一起，限高板18安装在漂浮体1上端，通过焊接固定在水箱1上。水箱1为一长、宽、高均为2m钢制立方体。

密封***包括外密封罩21和内密封罩22，外密封罩21的顶部设在扇叶8下方，外密封罩21的顶部与轴承5外周面之间设有密封件A，外密封罩21下侧部设有压差开闭结构B，内密封罩22设在电动机6外部，内密封罩22的上端设有用于通过电动机6的主轴的圆管节23。

密封件A包括径向截面为内侧开口管状的上环绕体24和径向截面为外侧开口管状的下环绕体25，上环绕体24的上部与轴承5外圆固定连接，下环绕体25的下部与外密封罩21固定连接，上环绕体24的下部插设在下环绕体25内，上环绕体24的下部与下环绕体25的上部之间设有环形密封橡胶垫26，有效减少水流进入到外密封罩21。

压差开闭结构B包括一块活动板27、两根活动杆28、两个限位块29和外密封罩21上开设的一个通孔30，两根活动杆28分别穿设在通孔30上部和下部的外密封罩21上，活动杆28的内端与限位块29连接，活动杆28的外端与活动板27连接，活动板27的表面积大于通孔30面积。

密封***主要是对电动机6进行密封保护。该***为了避免电动机6进水，首先安装以一个外密封罩21，然后在外密封罩21上部和轴承5之间合理设计密封件，有效减少外部水进入外密封罩21内部，实现对内部各装置的保护。为了避免进入外密封罩21内部少量水对电动机造成的损害，在电动机外部、外密封罩21内部安装一个内密封罩22，这样可以有效避免了水对电动机6的危害。

活动板27主要是在内外压差作用下实现自动开启，活动板27由橡胶材料制成，其重力应该满足要求，其中活动杆28为钢制体，在靠近活动板27一端，通过螺栓和螺母与活动板27固定在一起，在另外一端，通过焊接与限位块29焊接在一起.，限位块29起到限定活动杆28移动位置的作用。。

当密封***内部积水高度大于外界液面高度时，在内外压差的作用下，外密封罩21内水压将活动板27打开，内部水流出，随着内部水压减小，在自身重力以及外界水压作用下活动板27重新关闭，该活动板27主要是通过内外压差及自身重力进行自动控制。

水箱1内设有位于进水管2上方的气水二次分离***，气水二次分离***包括设在水箱1内壁上的夹持体31，夹持体31上夹持有由纱窗折叠而成的过滤网32。

气水二次分离***主要是对气体中的水进行分离。在电动机6带动扇叶8的作用下水被冲击、冲碎后，在动力作用下，水花四溅，为了避免水花在负压作用下直接进入气体管路，设计了气水二次分离***，并将其安装在水箱1上部，将要进入气体管路的水进行分离，气水二次分离***仅允许气体通过，不允许水通过。

气水二次分离***中的分离主要是采用多层纱窗叠放在一起形成过滤网32，水进入其管路主要是动力作用下，破碎成小水滴以后在负压作用下进入负压抽气***，在过滤网32的阻碍，可以有效减小水珠的动能，最终难易通过过滤网32，实现再次分离。纱窗采用市场上常见的孔径1.4mm的纱窗，在纱窗34的四周通过夹持体31固定以后，通过焊接固定在水箱1内壁上。

电动机6通过导线33连接有位于水箱1外部的电源34和变速开关35。

电动机6的导线33通过导线出口37与外界的电源27以及无极调节开关28连接，为了确保***的密封性，在连接好电源以后，在导线出口37处用添加有聚氨酯膨胀剂的布料放入导线出口37，对导线出口37进行封堵。

本实施例并没有对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，其特征在于：包括水箱（1），水箱（1）内设有气水分离***、水箱（1）上侧部设有伸入到水箱（1）内的进水管（2），水箱（1）顶部设有负压抽气***，水箱（1）下侧部设有自动排水***，气水分离***外部设有密封***。

2.根据权利要求1所述的煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，其特征在于：所述气水分离***包括设在水箱（1）底部的电动机（6）和立柱（3），立柱（3）上端设有碗状的储水容器（4），进水管（2）的出水口位于储水容器（4）上方，立柱（3）上穿设有轴承（5），电动机（6）的主轴与轴承（5）下部之间带传动连接，轴承（5）上部沿径向均匀设有三根连接杆（7），每根连接杆（7）的外端分别设有一片扇叶（8），扇叶（8）位于储水容器（4）上边沿的正下方。

3.根据权利要求1或2所述的煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，其特征在于：所述负压抽气***包括设在水箱（1）顶部的管接头（9）、抽气管（10）、负压泵（11）、压力表（12）和气体干燥器（13），抽气管（10）通过进气接头（14）与管接头（9）连接，负压泵（11）设在抽气管（10）上，压力表（12）设在临近进气接头（14）的抽气管（10）上，负压泵（11）的出气口通过干燥管（15）与气体干燥器（13）的进气口连接。

4.根据权利要求1或2所述的煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，其特征在于：所述自动排水***包括设在水箱（1）下侧部的并伸入到水箱（1）内的出水管（16）、设在水箱（1）内壁上并位于出水管（16）上方的固定板（17）以及设在水箱（1）内壁上并位于固定板（17）上方的限高板（18），固定板（17）竖向穿设有用于开闭出水管（16）的闸板阀（19），闸板阀（19）的上端设有位于固定板（17）和限高板（18）之间的漂浮体（20）。

5.根据权利要求2所述的煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，其特征在于：所述密封***包括外密封罩（21）和内密封罩（22），外密封罩（21）的顶部设在扇叶（8）下方，外密封罩（21）的顶部与轴承（5）外周面之间设有密封件（A），外密封罩（21）下侧部设有压差开闭结构（B），内密封罩（22）设在电动机（6）外部，内密封罩（22）的上端设有用于通过电动机（6）的主轴的圆管节（23）。

6.根据权利要求5所述的煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，其特征在于：所述密封件（A）包括径向截面为内侧开口管状的上环绕体（24）和径向截面为外侧开口管状的下环绕体（25），上环绕体（24）的上部与轴承（5）外圆固定连接，下环绕体（25）的下部与外密封罩（21）固定连接，上环绕体（24）的下部插设在下环绕体（25）内，上环绕体（24）的下部与下环绕体（25）的上部之间设有环形密封橡胶垫（26）。

7.根据权利要求5所述的煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，其特征在于：所述压差开闭结构（B）包括一块活动板（27）、两根活动杆（28）、两个限位块（29）和外密封罩（21）上开设的一个通孔（30），两根活动杆（28）分别穿设在通孔（30）上部和下部的外密封罩（21）上，活动杆（28）的内端与限位块（29）连接，活动杆（28）的外端与活动板（27）连接，活动板（27）的表面积大于通孔（30）面积。

8.根据权利要求1或2所述的煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，其特征在于：所述水箱（1）内设有位于进水管（2）上方的气水二次分离***，气水二次分离***包括设在水箱（1）内壁上的夹持体（31），夹持体（31）上夹持有由纱窗折叠而成的过滤网（32）。

9.根据权利要求2所述的煤层气排采井井口气水快速高效分离装置，其特征在于：所述电动机（6）通过导线（33）连接有位于水箱（1）外部的电源（34）和变速开关（35）。

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