CN110898534A - 一种基于压差平衡的插管式气液分离器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于压差平衡的插管式气液分离器，包括外筒、芯筒、引出管，芯筒的上部伸入至外筒的内部，芯筒的下部伸出至外筒底部的外部，引出管包括横管和竖管，横管与竖管相通，竖管位于外筒与芯筒之间并向下开口，横管的端部伸出至外筒之外，芯筒里安装叶轮，芯筒的上部设置排液区段，外筒的顶部安装气相引出口，分离器气相引出口的下方设置挡水板，挡水板通过连接杆与外筒的顶部相连，芯筒的底部外部安装入口法兰，气相引出口的顶部安装出口法兰。本发明不需要人员参与调控，可满足气液流量变化、不同流型，特别是振荡流型下，高效气液分离的要求。

Description

一种基于压差平衡的插管式气液分离器

技术领域

本发明涉及的是一种气液分离装置，具体地说是井下气液分离装置。

背景技术

气液分离技术在石油化工、能源利用、核能开发等领域有着广泛的应用。井下气液分离对于石油开采、延长高含液井的经济寿命有着极其重要的意义。井下待分离的气液混合物具有气液流量变化范围大、流型多样的特点。

目前，多种适用于气液流量范围广、流型多样化的高效气液分离器被提出(“一种双桶气液分离器”，CN 110075622 A；“一种宽流程多流型高效气液分离器”，CN 110075619A；“一种组合式高效气液分离器”，CN 110075618 A；“一种精细化气液分离器”，CN110075623 A)。但是，上述分离器需要对环腔内液位进行精准调控才能实现高效分离，分离器内液位过低，会有大量气泡随液体流出，液位过高则会使得气相出口携带大量液滴(C.Zheng,W.Yang,G.Wang,G.Fan,C.Yan,X.Zeng,and A.Liu,"Experimental Study on aNew Type of Separator for Gas Liquid Separation,"Frontiers in EnergyResearch,vol.7,2019-09-13 2019)。

在分离器的实际运行中，入口液体流量在不断变化，入口流量的改变同时导致分离器内液位发生变化，为保证高效分离，必须不断调整液位高度使其稳定在合适区间高度内。但是，对井下气液分离器进行精确的液位控制存在以下问题：

1、气液分离器安置于井下千米处，空间狭小，人员无法到达分离器安装位置实时进行手动液位控制；

2、油井孔眼狭小，仅略大于管线直径，配套测量、控制等设备布置十分困难，同时，当设备损坏时，需要将整个管线全部取出，维修费用高昂；

3、分离器运行环境压力高达数兆帕，在此高压环境下能够正常运行的测量装置无法达到液位测量的精度要求；

4、液相出口流量通过地面电缆控制，控制灵敏度差且具有滞后性，无法满足精确实时控制的要求。

以上问题给分离器内液位的精确控制带来了极大的困难，直接影响了分离器的分离效率。因此，有必要研发一种入口流量发生变化时，不需要外界干预调控液位仍能实现高效分离的液位自适应分离器，用于井下的气液分离。

发明内容

本发明的目的在于提供用于井下的、不需要外界干预调控液位仍能实现高效分离的一种基于压差平衡的插管式气液分离器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：包括外筒、芯筒、引出管，芯筒的上部伸入至外筒的内部，芯筒的下部伸出至外筒底部的外部，引出管包括横管和竖管，横管与竖管相通，竖管位于外筒与芯筒之间并向下开口，横管的端部伸出至外筒之外，芯筒里安装叶轮，芯筒的上部设置排液区段，外筒的顶部安装气相引出口，分离器气相引出口的下方设置挡水板，挡水板通过连接杆与外筒的顶部相连，芯筒的底部外部安装入口法兰，气相引出口的顶部安装出口法兰。

本发明还可以包括：

1、芯筒出口端的切线与内筒的中心轴线的夹角为60°。

2、排液区段与叶轮叶片上沿之间留有4～10倍芯筒内径长的发展段。

3、在芯筒与外筒之间设置防震条，防震条布置在叶轮的叶片下沿高度处。

本发明一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：包括外筒、芯筒、引出管，芯筒的上部伸入至外筒的内部，芯筒的下部伸出至外筒底部的外部，引出管包括横管和竖管，横管与竖管相通，竖管位于外筒与芯筒之间并向下开口，横管的端部伸出至外筒之外，芯筒里安装一级叶轮，芯筒的上部设置排液区段，芯筒的出口安装二级叶轮，外筒的顶部安装气相引出口，分离器气相引出口的下方设置挡水板，挡水板通过连接杆与外筒的顶部相连，芯筒的底部外部安装入口法兰，气相引出口的顶部安装出口法兰。

本发明还可以包括：

4、芯筒的出口与挡水板之间留有间距，以使得在外筒上部形成重力分离腔室。

5、挡水板的外径大于分离器气相引出口和芯筒的内径。

6、分离器气相引出口向分离器外筒内部延伸。

7、在芯筒和外筒环腔位于竖管的部分安装滤网。

8、在芯筒与外筒之间设置防震条，防震条布置在一级叶轮与排液区段之间。

本发明的优势在于：不需要人员参与调控，可满足气液流量变化、不同流型，特别是振荡流型下，高效气液分离的要求。该装置可实现：

(1)该分离器利用多层套筒式结构，通过叶轮、排液区段、分离挡板、重力分离腔室的配合，综合利用了离心分离、重力分离、碰撞分离三种分离原理。实现了在液体流量宽泛、大含气量范围、多流型特别是振荡流型下的气液混合物的高效分离。

(2)叶轮和芯筒设置的排液区段，有效地削弱了震荡流型下的轴向冲击，减少了轴向震荡流体的冲击高度和强度，降低了气相对液体携带的可能性，提高了分离效率。

(3)挡水板的外径大于分离器气相引出口和芯筒的内径，可以有效地避免高含气量条件下，气相的夹带而导致液相直接经由分离器气相引出口离开分离器。

(4)在高含气量条件下，由于气相夹带，部分液体会到达分离器外筒顶部，并进一步进入分离器气相引出口，气相引出口向内延伸的一部分对这部分液体起到了阻挡作用，有利于提高分离效率。

(5)滤网的设置，可以阻挡随流性强的微小气泡被液体携带进入滤网下部腔室，防止气泡从引出管流出，有利于气液分离效率的提高。

(6)在分离器入口流量不断变化的情况下，引出管的设置可以使环腔液位稳定在引出管出口高度附近，不会出现液位过低时液体中携带的气泡从液相引出口流出或液位过高导致淹没排液区段，增强了分离器的自适应能力，扩大了分离器的使用范围。

(7)改变引出管的内径和数量，实现不同物性和不同流量范围的流体的液位控制。

(8)调整引出管的高度，实现内筒和外筒环腔内的液位高度的控制，适用于在不同种类和流量范围的气液分离。

附图说明

图1为本发明的实施例1的整体剖视结构示意图；

图2为图1中的A-A剖视图；

图3为图1中的B-B剖视图；

图4为本发明实施例2的整体剖视结构示意图。

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：

实施方式1：结合图1-3，分离器的主体结构由相互套设的筒结构组成，即：外筒10、芯筒1，分离器的气相引出口8位于外筒10的顶部；在气相引出口8的下部设置有挡水板6，由连接杆7固定在外筒10顶盖；在芯筒1的上部设置有排液区段4，排液区段4中开设有排液孔；在芯筒1和外筒10环腔中环形布置引出管11，引出管11从外筒10的壁面引出。在芯筒1和外筒10环腔下部设置滤网13。排液区段4与叶轮3叶片上沿之间预留有4～10倍芯筒1内径长的发展段，发展段长度太短，气体没有完全聚集到中间，气泡被液体携带从排液孔排出，发展段太长，离心力衰弱，气芯不稳定，气泡同样被液体携带从排液孔排出，同时排液孔的直径沿气液混合物的流动方向依次增大。挡水板6的外径大于分离器气相引出口8和芯筒1的内径，且通过连接杆7固定在分离器外筒10的顶盖。分离器气相引出口8向分离器外筒10内部延伸。芯筒1的出口与挡水板6之间留有间距，以使得在外筒10上部形成重力分离腔室14。芯筒1出口端的切线与内筒的中心轴线的夹角为60°，液体沿切向方向喷出，缩短了液体轴向冲击高度。在分离器内筒1与外筒10之间设置防震条5，防震条5布置在叶轮3的叶片下沿高度处。***内筒1与外筒10的引出管11与外筒10的底部留有间距，保证流动畅通。引出管11从外筒10壁面进入，环形布置在芯筒1和外筒10的腔室内，***位置位于分离器正常运行液位高度区间内。滤网13布置高度位于引出管11入口上方，低于引出管11出口。

在进行气液分离时，其技术方案是：分离器的本体通过入口法兰2与出口法兰9实现安装固定。气液混合物由芯筒1的入口端进入分离器。流经叶轮3时，在叶轮3旋转叶片的导向作用下，气液混合物由直线运动变为旋转运动，并产生离心力。在离心力的作用下，经充分发展后，密度较小的气相聚集形成气芯，密度较大的液相在气芯周围形成环形液膜。当气液混合物流经排液区段4时，环形液膜中的部分液体经排液区段4的排液孔进入分离器芯筒1与外筒10之间的环腔内。经过排液区段4以后，气液混合物继续向上运动并离开芯筒1，进入重力分离腔室12。在后续流程中，在高含气量与低含气量条件下分离器内的分离过程有所差异，下将对其进行分开描述。

在低含气量条件下，气液混合物进入分离器前的流型较为稳定，没有振荡现象。因此，气液混合物离开芯筒1进入重力分离腔室12时流动较为稳定，没有明显的振荡现象。在离开芯筒1后，气液混合物进入重力分离腔室12，环形液膜中的剩余液体，在离心力的作用下沿芯筒1的内壁被抛向四周，而气相则继续向上运动，由分离器气相引出口8离开分离器，进入重力分离腔室12的液体流入外筒10和芯筒1之间的环腔内，当液位低于引出管11时，液体在芯筒1和外筒10底端汇聚，引出管11无流体排出，部分气泡直接从液体中浮出，再次进入重力分离腔室12，从气相引出口8流出。液体在腔室不断汇聚，液位逐渐升高，部分大气泡直接从液体中浮出，部分随流性较强的小气泡被被滤网13阻碍在芯筒1和外筒10间腔室，聚集到一定尺寸，从液体中浮出再次进入重力分离腔室12，从气相引出口8流出，此时芯筒和内筒腔室底部基本无明显气泡，当芯筒1和外筒10环腔内液位高于引出管11出口时，由于连通器原理，芯筒1和外筒10腔室内液体从引出管11排出，最终实现在低含气量下分离器的分离过程。

在高含气量条件下，一方面气液混合物可能呈现不稳定流型，即气液混合物在进入分离器前会发生剧烈的振荡，这种振荡在进入分离器后会继续向下游传递，造成分离器内发生剧烈的振荡；另一方面，在高含气量下气相流速较高，在气相的携带作用下，部分液体会随气相一起运动。受流型振荡和气相携带的影响，气液混合离开芯筒1后，直接喷射进入重力分离腔室12。受重力的影响，部分液体直接回落进入芯筒1与外筒10之间的环腔内。受振荡和气体携带的影响，部分液体会到达分离器外筒10的顶部。挡水板6可通过碰撞分离，阻挡大部分到达分离器顶部的液体，防止其直接进入分离器气相引出口8，进而导致分离效率下降。少量液体受气体携带的影响会到达分离外筒10顶盖处，分离器气相引出口8的向内延伸部分可阻挡液体由于气相的携带作用而进入分离器气相引出口8，使分离效率降低。在挡水板6和分离器气相引出口8的向内延伸部分的分离作用下，被分离出的液体进入重力分离腔室12后，继续回落进入内筒1与外筒10的环腔内。进入重力分离腔室12的液体流入外筒10和芯筒1之间的环腔内，当液位低于引出管11时，液体在芯筒1和外筒10底端汇聚，引出管11无流体排出，部分气泡直接从液体中浮出，再次进入重力分离腔室12，从气相引出口8流出。液体在腔室不断汇聚，液位逐渐升高，部分大气泡直接从液体中浮出，部分随流性较强的小气泡被被滤网13阻碍在芯筒1和外筒10间腔室，聚集到一定尺寸，从液体中浮出再次进入重力分离腔室12，从气相引出口8流出，此时芯筒和内筒腔室底部基本无明显气泡，当芯筒1和外筒10环腔内液位高于引出管11出口时，由于连通器原理，芯筒1和外筒10腔室内液体从引出管11排出，最终完成整个分离过程。在分离过程中，由于气液混合物的振荡，分离器内筒1会相应的发生振荡。防震条5的设置可对内筒1起到固定作用，避免由于长期振荡，而使分离器的结构发生疲劳损坏。

当芯筒1入口液体流量增加时，落入芯筒1和外筒10腔室的液体增加，由于芯筒1和外筒10腔室底部与引出管11底部连通，引出管11排出流量同样增加。当内筒1入口流量减少时，引出管11排出流量减小。因此，芯筒1和外筒10腔室液位高度始终稳定在引出管11出口高度附近，不会出现液位过低导致气泡从引出管11流出，或者液位过高导致淹没排液区段4使得分离效率降低的情况，实现了在不同流量范围下的液位自适应。

实施方式2：结合图4，在实施方式1的基础上，对分离器结构进行适当调整，将叶轮改进为一节叶轮23和二级叶轮14两个，芯筒1里安装一级叶轮23，芯筒1的上部设置排液区段4，芯筒1的出口安装二级叶轮14。结合附图4，对实施方式作进一步详细的描述：

结合图4，本发明提供的一种基于压差平衡的插管式气液分离器，包括：芯筒1、入口法兰2、叶轮23、排液区段4、防震条5、挡水板6、连接杆7、分离器气相引出口8、出口法兰9、外筒10、引出管11、重力分离腔室12、滤网13、二级叶轮14。

在进行气液分离时，其技术方案是：整个分离器通过入口法兰2与出口法兰12进行固定安装。在分离器运行过程中，气液混合物首先经芯筒1的入口进入气液分离器装置内部，流经一级叶轮23后由正常的直线运动变为旋转运动，产生旋转运动的同时产生离心力。在离心力的作用下，密度较小的气相聚集在芯筒1的中心，形成气芯；密度较大的液相积聚在芯筒1的壁面上并形成环形液膜，实现相间分离。通过叶轮23后，气液混合物在芯筒1内部继续向上运动，流经排液区段4时，环形液膜中的部分液相通过排液区段4的开孔进入芯筒1和外筒10之间的环腔内。由于摩擦耗散等作用，流体的离心力会有一定程度的衰弱。经排液区段4后，气液两相继续向上运动，之后的现象在高含气量条件下和低含气量条件下有所差异，下面分开进行描述。

在低含气量条件下，气体流速较低，流型较为稳定。气相和少量液相经过二级叶轮14的轮毂建立的中孔通道向上运动，进入重力分离腔室12内，气相进入分离器重力分离腔室12后继续向上运动，并经分离器气相引出口8离开分离器，液相在重力的作用下回落进入芯筒1与外筒10之间的环腔内。液相和少量气相经过叶轮之间的通道后，离心力进一步增强。离开二级叶轮叶片14后，在离心力的作用下，密度较大的液相被甩向外筒10的内壁面，并受重力回落进入芯筒1与外筒10之间的环腔内，气相则向上运动，分别经重力分离腔室13和分离器气相引出口8离开分离器。进入重力分离腔室12的液体流入外筒10和芯筒1之间的环腔内，当液位低于引出管11时，液体在芯筒1和外筒10底端汇聚，引出管11无流体排出，部分气泡直接从液体中浮出，再次进入重力分离腔室12，从气相引出口8流出。液体在腔室不断汇聚，液位逐渐升高，部分大气泡直接从液体中浮出，部分随流性较强的小气泡被被滤网13阻碍在芯筒1和外筒10间腔室，聚集到一定尺寸，从液体中浮出再次进入重力分离腔室12，从气相引出口8流出，此时芯筒和内筒腔室底部基本无明显气泡，当芯筒1和外筒10环腔内液位高于引出管11出口时，由于连通器原理，芯筒1和外筒10腔室内液体从引出管11排出，完成气液分离过程。

在高含气量条件下，气体流速高，气液两相混合物可能处于搅混流等不稳定流型或环状流条件下。经叶轮23后形成的环形液膜以及少量气体进入二级叶轮14叶片之间的通道，离心力进一步增强。离开二级叶轮14叶片后，液相在离心力的作用下别甩向分离器外筒10的内壁上，受气体携带和流型振荡的影响，液相沿外筒10的内壁继续向上运动，部分液相会运动至分离器气相引出口8处，部分液相会在途中回落进入外筒10与芯筒1之间的环腔内。到达分离器气相引出口8处的液体由于分离器气相引出口8的向内延伸部分的阻挡作用，并不会进入受气体携带的影响而进入分离器气相引出口8，而影响分离效率，这部分液体最终回落，进入外筒10与芯筒1之间的环腔。经叶轮23后形成的气芯和少量液相进入二级叶轮14的中空轮毂建立的流通通道后，进入重力分离腔室12内，在高流速气体的携带作用下，液相在重力分离腔室12内的冲击高度较高。其中，直径较大的液滴受重力的作用而回落进入外筒10与芯筒1之间的环腔内；直径较小的液滴在气相的携带作用下向上运动，经分离挡板6的作用，气相中携带的小液滴被分离，而气相则经分离器气相引出口8离开分离器。回落的液体流入外筒10和芯筒1之间的环腔内，当液位低于引出管11时，当液位低于引出管11时，液体在芯筒1和外筒10底端汇聚，引出管11无流体排出，部分气泡直接从液体中浮出，再次进入重力分离腔室12，从气相引出口8流出。液体在腔室不断汇聚，液位逐渐升高，部分大气泡直接从液体中浮出，部分随流性较强的小气泡被被滤网13阻碍在芯筒1和外筒10间腔室，聚集到一定尺寸，从液体中浮出再次进入重力分离腔室12，从气相引出口8流出，此时芯筒和内筒腔室底部基本无明显气泡，当芯筒1和外筒10环腔内液位高于引出管11出口时，由于连通器原理，芯筒1和外筒10腔室内液体从引出管11排出，最终完成整个分离过程。其中，防震条5的可对芯筒1起到固定支撑作用，避免由于振荡流型引气分离器结构发生疲劳损坏。

当内筒1入口液体流量增加时，回落到芯筒1和外筒10腔室的液体增加，由于芯筒1和外筒10腔室底部与外筒10和外筒10腔室底部连通，引出管11排出流量同样增加。当内筒1入口流量减少时，引出管11排出流量减小。芯筒1和外筒10腔室液位高度始终稳定在引出管11高度附近，不会出现液位过低导致气泡从引出管11流出，或者液位过高导致淹没排液区段4使得分离效率降低的情况，实现了在不同流量范围下的液位自适应。

Claims (10)

1.一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：包括外筒、芯筒、引出管，芯筒的上部伸入至外筒的内部，芯筒的下部伸出至外筒底部的外部，引出管包括横管和竖管，横管与竖管相通，竖管位于外筒与芯筒之间并向下开口，横管的端部伸出至外筒之外，芯筒里安装叶轮，芯筒的上部设置排液区段，外筒的顶部安装气相引出口，分离器气相引出口的下方设置挡水板，挡水板通过连接杆与外筒的顶部相连，芯筒的底部外部安装入口法兰，气相引出口的顶部安装出口法兰。

2.根据权利要求1所述的一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：芯筒出口端的切线与内筒的中心轴线的夹角为60°。

3.根据权利要求1所述的一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：排液区段与叶轮叶片上沿之间留有4～10倍芯筒内径长的发展段。

4.根据权利要求1所述的一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：在芯筒与外筒之间设置防震条，防震条布置在叶轮的叶片下沿高度处。

5.一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：包括外筒、芯筒、引出管，芯筒的上部伸入至外筒的内部，芯筒的下部伸出至外筒底部的外部，引出管包括横管和竖管，横管与竖管相通，竖管位于外筒与芯筒之间并向下开口，横管的端部伸出至外筒之外，芯筒里安装一级叶轮，芯筒的上部设置排液区段，芯筒的出口安装二级叶轮，外筒的顶部安装气相引出口，分离器气相引出口的下方设置挡水板，挡水板通过连接杆与外筒的顶部相连，芯筒的底部外部安装入口法兰，气相引出口的顶部安装出口法兰。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：芯筒的出口与挡水板之间留有间距，以使得在外筒上部形成重力分离腔室。

7.根据权利要求1-5任一所述的一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：挡水板的外径大于分离器气相引出口和芯筒的内径。

8.根据权利要求1-5任一所述的一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：分离器气相引出口向分离器外筒内部延伸。

9.根据权利要求1-5所述的一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：在芯筒和外筒环腔位于竖管的部分安装滤网。

10.根据权利要求5所述的一种基于压差平衡的插管式气液分离器，其特征是：在芯筒与外筒之间设置防震条，防震条布置在一级叶轮与排液区段之间。

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