CN110924922A - 一种筒体组合式恒液位气液分离器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种筒体组合式恒液位气液分离器，外筒、引流筒、液控筒、芯筒，芯筒的顶部伸入至外筒内部的中部以上，芯筒的底部伸出至外筒底部的外部，芯筒的外部设置液控筒，液控筒的外部设置引流筒，引流筒位于外筒内部，引流筒的上端部连接芯筒的外壁，液控筒的下端部连接外筒的内壁，外筒上设置分离器液相引出口，分离器液相引出口的位置位于外筒的底端，芯筒里安装叶轮，芯筒的上部设置排液区段，外筒的顶部安装分离器气相引出口，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，芯筒的底部安装入口法兰，分离器气相引出口的顶部安装出口法兰。本发明不需要外界干预调控液位仍能实现高效分离。

Description

一种筒体组合式恒液位气液分离器

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。

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气液分离，不需要外界干预调控液位仍能实现高效分离的一种筒体组合式恒液位气液分离器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种筒体组合式恒液位气液分离器，其特征是：包括阔外筒、引流筒、液控筒、芯筒，芯筒的顶部伸入至外筒内部，芯筒的底部伸出至外筒底部的外部，芯筒的外部设置液控筒，液控筒的外部设置引流筒，引流筒位于外筒内部，引流筒的上端部连接芯筒的外壁，液控筒的下端部连接外筒的内壁，液控筒的上端部位于引流筒上端部的下方，引流筒的下端部位于液控筒下端部的上方，外筒与引流筒之间组成液相下降第一通道，引流筒和液控筒之间组成液相上升通道，液控筒与芯筒之间组成液相下降第二通道，外筒上设置分离器液相引出口，分离器液相引出口的位置位于外筒的底端，分离器液相引出口连通液相下降第二通道，芯筒里安装叶轮，芯筒的上部设置排液区段，外筒的顶部安装分离器气相引出口，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，芯筒的底部安装入口法兰，分离器气相引出口的顶部安装出口法兰。

1、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。

2、芯筒出口端的切线与内筒的中心轴线的夹角为60°。

3、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、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。

本发明一种筒体组合式恒液位气液分离器，其特征是：包括外筒、引流筒、液控筒、芯筒、出气筒，芯筒的顶部伸入至外筒内部，芯筒的底部伸出至外筒底部的外部，芯筒的外部设置液控筒，液控筒的外部设置引流筒，引流筒位于外筒内部，引流筒的上端部连接芯筒的外壁，液控筒的下端部连接外筒的内壁，液控筒的上端部位于引流筒上端部的下方，引流筒的下端部位于液控筒下端部的上方，外筒与引流筒之间组成液相下降第一通道，引流筒和液控筒之间组成液相上升通道，液控筒与芯筒之间组成液相下降第二通道，外筒上设置分离器液相引出口，分离器液相引出口的位置位于外筒的底端，分离器液相引出口连通液相下降第二通道，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，出气筒为通透结构，出气筒位于芯筒上方、挡水板的下方，出气筒下端的外部安装遮水环，出气筒的外部分别安装至少一个分离孔板，分离孔板连接外筒内壁，外筒的顶部安装分离器气相引出口，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，芯筒的底部安装入口法兰，分离器气相引出口的顶部安装出口法兰。

本发明还可以包括：

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、液相引出口的高度低于液控筒的下端部。

8、分离器气相引出口向分离器外筒内部延伸，液相引出口的高度低于液控筒的下端部。

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、分离挡板和重力分离腔室的配合，综合利用了离心分离、重力分离和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)环腔内的液体大部分都沿外筒内壁面流下，引流筒顶部与芯筒连接，减小了流体与壁面撞击产生气体的夹带，减少了液体携带的气泡数量，有利于气泡从水中浮出，提高分离效率。

(6)引流筒和液控筒的设置，实现了不同流量范围下外筒和芯筒环腔内液位维持在稳定高度，免去了外界调控，不会发生因液位过低造成气体从液相引出口流出或液位过高造成分离效率降低的情况，扩大了分离器的使用范围和应用场所。

(7)调整引流筒和液控筒的高度和间隙，可以适用于不同物性不同流量的气液分离。

附图说明

图1为本发明实施例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，本发明提供的一种筒体组合式恒液位气液分离器，分离器的主体结构由相互套设的筒结构组成，包括芯筒1、外筒10、引流筒13、液控筒14，并在外筒10的上端设有气相引出口8，下端设有液相引出口12；在气相引出口8的下方设置有挡水板6，由连接杆7固定在外筒10顶部；在芯筒1的上部设置有排液区段4，排液区段4中开设有多排排液孔；在芯筒1内排液区段4的下方安置叶轮3；在芯筒1与外筒10间设置引流筒13和液控筒14，引流筒13顶端固定在芯筒1外壁面，液控筒14底端固定在外筒10内壁面。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之间留有一定的间距，以使得在外筒10上部形成重力分离腔室11。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。液控筒14底部与外筒10内壁面连接，液控筒14壁面与芯筒1外壁面留有间隙，保证流体流动通畅。引流筒13的筒壁位于液控筒14与外筒10形成的腔室内，顶部与芯筒1外壁面连接，并与液控筒14和外筒10壁面存在间隙，形成底部连通的环腔。液相引出口12设置高度低于液控筒14底部，液相引出口12开孔尺寸和数目根据分离液体流量和物性进行调整。

在进行气液分离时，其技术方案是：利用入口法兰2和出口法兰9将分离器固定安装后，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11。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11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11，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，液体进入重力分离腔室11后，在引流筒13的导流作用下，液体汇聚在外筒10和液控筒14之前的环腔内。当环腔内液位高度低于液控筒14出口时，无液体从液相引出口12排出，液体不断汇聚，芯筒1和液控筒14环腔液位逐渐升高，液体中携带的小气泡在液体中聚合，在浮升力的作用下浮出液面，重新进入重力分离腔室11，从分离器气相引出口8排出。随着液位不断的升高，气泡在浮力和曳力的作用下，无法到达液相引出口12入口位置，芯筒1和外筒10腔室底部液体无可见气泡，不含气泡的液体进入导流筒14和引流筒13环腔内。当液位高度达到液控筒14出口时，由于连通器原理，导流筒14和引流筒13环腔内液体流入芯筒1和液控筒14环腔，从液相引出口12排出，液体从携带的气泡浮出液面，再次进入重力分离腔室11，经分离器气相引出口8排出。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11。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11后，继续回落，进入外筒10和液控筒14之间的环腔内。进入重力分离腔室11的液体，当环腔内液位高度低于液控筒14出口时，无液体从液相引出口12排出，液体不断汇聚，芯筒1和液控筒14环腔液位逐渐升高，液体中携带的小气泡在液体中聚合，在浮升力的作用下浮出液面，重新进入重力分离腔室11，从分离器气相引出口8排出。随着液位不断的升高，气泡在浮力和曳力的作用下，无法到达液相引出口12入口位置，芯筒1和外筒10腔室底部液体无可见气泡，不含气泡的液体进入导流筒14和引流筒13环腔内。当液位高度达到液控筒14出口时，由于连通器原理，导流筒14和引流筒13环腔内液体流入芯筒1和液控筒14环腔，从液相引出口12排出，液体从携带的气泡浮出液面，再次进入重力分离腔室11，经分离器气相引出口8排出。实现在高含气量下分离器的分离过程。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。

当芯筒入口流量发生变化时，流入外筒10和液控筒14腔室内的流量也随之变化，从液相引出口12排出流量也相应变化以维持腔室内液位稳定在液控筒14出口高度附近，不会出现因液位过低气泡从液相引出口12排出或液位过高淹没排液区段4导致分离效率降低，实现了不同流量下的液位位于稳定高度。

实施方式2：结合图4，本发明提供的一种筒体组合式的气液分离器，包括：芯筒1、入口法兰2、二级叶轮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、遮水环21、分离器液相引出口12、引流筒13、液控筒14、三级分离孔板15、二级分离孔板16、一级分离孔板17、出气筒18、一级叶轮19。在实施方式1的基础上，添加了出气筒18，将叶轮改成一级叶轮19和二级叶轮23，芯筒1里安装一级叶轮19，芯筒的出口安装二级叶轮23，出气筒18为通透结构，出气筒18位于芯筒1上方、挡水板6的下方，出气筒18下端的外部安装遮水环21，出气筒18的外部分别安装至少一个分离孔板，分离孔板连接外筒10内壁，

在进行气液分离时，其技术方案是：利用入口法兰2和出口法兰9将分离器固定安装后，气液混合物由芯筒1的入口端入口进入分离器。流经一级叶轮19时，在一级叶轮19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经过液区段4后，部分液体被排出进入外筒体10与芯筒1之间的环腔内，大部分气体和少量液体主要通过二级叶轮23轮轴通孔进入气相通道，继续向上运动，气体和少量液体在二级叶轮23转叶片的导向作用下旋转强度进一步加强。在之后的流程中，在高含气量和低含气量条件下的分离过程有所差异，下面对其进行分开描述。

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。大部分气体和少量液体经过二级叶轮23后，旋转强度增加，离心力进一步增强，在离心力的作用下密度较大的液体被抛向外筒体10的内壁上，部分液体由于惯性而继续向上运动，受到一级分离孔板17的阻挡后，在重力的作用下进入外筒体10与芯筒1之间的环腔内。气体继续向上运动进入出气筒，最后由分离器气相引出口8离开分离器。在引流筒13的导流作用下，液体汇聚在外筒10和液控筒14之前的环腔内。当环腔内液位高度低于液控筒14出口时，无液体从液相引出口12排出，液体不断汇聚，芯筒1和液控筒14环腔液位逐渐升高，液体中携带的小气泡在液体中聚合，在浮升力的作用下浮出液面，重新进入重力分离腔室，从分离器气相引出口8排出。随着液位不断的升高，气泡在浮力和曳力的作用下，无法到达液相引出口12入口位置，芯筒1和外筒10腔室底部液体无可见气泡，不含气泡的液体进入导流筒14和引流筒13环腔内。当液位高度达到液控筒14出口时，由于连通器原理，导流筒14和引流筒13环腔内液体流入芯筒1和液控筒14环腔，从液相引出口12排出，液体从携带的气泡浮出液面，再次进入重力分离腔室，经分离器气相引出口8排出。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。大部分气体和少量液体经过二级叶轮23后，旋转强度增加，离心力进一步增强，在离心力的作用下密度较大的液体被抛向外筒体10的内壁上，部分液体会沿外筒体10内壁继续向上运动，三层分离孔板可阻挡液体的向上运动。经过三级孔板的阻挡作用，绝大部分液体回落进入外筒体10与芯筒1的之间的环腔，少量进入分离器外筒体上腔室内的液滴，在重力的作用下回落，并进入外筒体10与芯筒1的之间的环腔。受流型振荡和气相携带的影响，气体携带少量液滴继续向上运动通过出气筒18，到底外筒10顶盖处时，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，液滴进一步回落，最后进入外筒体10与芯筒1之间的环腔内，而气体则由分离器气相引出口8离开分离器。在引流筒13的导流作用下，液体汇聚在外筒10和液控筒14之前的环腔内。当环腔内液位高度低于液控筒14出口时，当环腔内液位高度低于液控筒14出口时，无液体从液相引出口12排出，液体不断汇聚，芯筒1和液控筒14环腔液位逐渐升高，液体中携带的小气泡在液体中聚合，在浮升力的作用下浮出液面，重新进入重力分离腔室，从分离器气相引出口8排出。随着液位不断的升高，气泡在浮力和曳力的作用下，无法到达液相引出口12入口位置，芯筒1和外筒10腔室底部液体无可见气泡，不含气泡的液体进入导流筒14和引流筒13环腔内。当液位高度达到液控筒14出口时，由于连通器原理，导流筒14和引流筒13环腔内液体流入芯筒1和液控筒14环腔，从液相引出口12排出，液体从携带的气泡浮出液面，再次进入重力分离腔室，经分离器气相引出口8排出，最终完成气液分离过程。

当芯筒入口流量发生变化时，流入外筒10和液控筒14腔室内的流量也随之变化，从液相引出口12排出流量也相应变化以维持腔室内液位稳定在液控筒14出口高度附近，不会出现因液位过低气泡从液相引出口12排出或液位过高淹没排液区段4导致分离效率降低，实现了不同流量下的液位位于稳定高度。

Claims (10)

1.一种筒体组合式恒液位气液分离器，其特征是：包括外筒、引流筒、液控筒、芯筒，芯筒的顶部伸入至外筒内部，芯筒的底部伸出至外筒底部的外部，芯筒的外部设置液控筒，液控筒的外部设置引流筒，引流筒位于外筒内部，引流筒的上端部连接芯筒的外壁，液控筒的下端部连接外筒的内壁，液控筒的上端部位于引流筒上端部的下方，引流筒的下端部位于液控筒下端部的上方，外筒与引流筒之间组成液相下降第一通道，引流筒和液控筒之间组成液相上升通道，液控筒与芯筒之间组成液相下降第二通道，外筒上设置分离器液相引出口，分离器液相引出口的位置位于外筒的底端，分离器液相引出口连通液相下降第二通道，芯筒里安装叶轮，芯筒的上部设置排液区段，外筒的顶部安装分离器气相引出口，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，芯筒的底部安装入口法兰，分离器气相引出口的顶部安装出口法兰。

2.根据权利要求1所述的一种筒体组合式恒液位气液分离器，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。

3.根据权利要求1所述的一种筒体组合式恒液位气液分离器，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°。

4.根据权利要求1所述的一种筒体组合式恒液位气液分离器，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。

5.根据权利要求1所述的一种筒体组合式恒液位气液分离器，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。

6.一种筒体组合式恒液位气液分离器，其特征是：包括外筒、引流筒、液控筒、芯筒、出气筒，芯筒的顶部伸入至外筒内部，芯筒的底部伸出至外筒底部的外部，芯筒的外部设置液控筒，液控筒的外部设置引流筒，引流筒位于外筒内部，引流筒的上端部连接芯筒的外壁，液控筒的下端部连接外筒的内壁，液控筒的上端部位于引流筒上端部的下方，引流筒的下端部位于液控筒下端部的上方，外筒与引流筒之间组成液相下降第一通道，引流筒和液控筒之间组成液相上升通道，液控筒与芯筒之间组成液相下降第二通道，外筒上设置分离器液相引出口，分离器液相引出口的位置位于外筒的底端，分离器液相引出口连通液相下降第二通道，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，出气筒为通透结构，出气筒位于芯筒上方、挡水板的下方，出气筒下端的外部安装遮水环，出气筒的外部分别安装至少一个分离孔板，分离孔板连接外筒内壁，外筒的顶部安装分离器气相引出口，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，芯筒的底部安装入口法兰，分离器气相引出口的顶部安装出口法兰。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种筒体组合式恒液位气液分离器，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1-6任一所述的一种筒体组合式恒液位气液分离器，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1-6任一所述的一种筒体组合式恒液位气液分离器，其特征是：液相引出口的高度低于液控筒的下端部。

10.根据权利要求7所述的一种筒体组合式恒液位气液分离器，其特征是：分离器气相引出口向分离器外筒内部延伸，液相引出口的高度低于液控筒的下端部。

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