气-液分离的装置及方法
【专利说明】气—液分禹的装置及方法发明领域
[0001]本发明总的涉及多相流体流中的组分分离。更具体地说，其涉及通过流成型装置的重建流态，使得流体股中的大多数特定流体组分位于流体流体流的某一区域中，这允许各种流体组分有效分尚。
[0002]发明背景
[0003]气-液两相流体流包括具有不同相的不同流体的混合物，诸如空气和水，蒸汽和水或石油和天然气。此外，流体流的液相还可包括诸如油和水的不同液体组分。气-液两相流采用很多不同的形式并且可分类成液体内的不同类型的气体分布。这些分类通常被称为流态或流型并在图1A-1E中示出。如图1A所示的气泡流通常是具有气泡在液体中的完全均匀分散的液体的连续分布。如图1B所示的活塞流或栓塞流是从气泡流的过渡，其中，气泡已经合并成具有接近管径的大小的较大气泡。如图1C所示的搅动流是其中活塞流气泡已经彼此连接的模型。在如图1D所示的环状流中，液体作为薄膜在管壁上流动而气体沿管的中心流动。最后，在如图1E所示的纤细环状流中，随着增大液体流量，气体核心中的液滴浓度增大，从而导致液体大块或大条纹形成。
[0004]通常要求将流体的气体组分和液体组分彼此分离以使诸如某些类型的液栗的系统能够正确运行。常规的立式气-液分离器或卧式气-液分离器可用于将气体与液体分离。常规分离器通常采用机械结构，其中，进入流体撞击启动气体组分和液体组分之间的初级分离的导流挡板。网孔垫或除雾垫接着用于进一步去除悬浮液体。分离器的大小设置以及分离器的具体性质依赖于很多因素，因素包括液体流量、液体密度、蒸汽密度、蒸汽速度和入口压力。当蒸汽/液体比高或者总流量低时，选择立式分离器。卧式分离器通常优选地用于低蒸汽/液体比或者用于大总流体量。
[0005]这些类型的分离器的一个应用是在石油和天然气钻井作业中。具体地说，当在钻井作业过程中经历井涌时，使用泥浆-气体分离器。井涌是在钻井作业过程中进入井眼的流体地层流。如果井涌不能被快速控制，则其可能导致井喷。作为控制井涌的过程的部分，防喷装置被触发以关闭井眼并且井眼流体缓慢地循环离开井眼同时较重的钻井液被栗入井眼。泥浆气体分离器用于当井眼流体循环离开井眼时将天然气与钻井液分离开。经常地，然而，现有技术的分离器具有处理具有诸如井眼的那些特性的高容量和/高流量的流体流的有限能力。
[0006]当然，分离器还用于石油和天然气的生产中以将天然气与正在生产的石油分离。此外，有很多需要使用气-液分离器的其它应用。例如，当被称为船舶加油的给船舶提供燃料时，空气通常夹带在燃料中，从而导致所转移的燃料测量不准确。类似地，在石油生产中或者其它液体的生产中，转移或输送液体可导致在该过程期间液体获取所夹带的气体。在这方面，所夹带的气体可阻碍液体产物的准确测量，不管其是在船舶加油过程中的所转移的燃料还是管道中流动的液体。
【发明内容】
[0007]本发明的一方面涉及在流体组分与流路分离之前使用以多个环或圈形成的曲线流管的成型多相混合流。使多相流成形进入曲线路径将允许离心力更容易迫使较重的、较稠的液体到曲线路径中的流成型管线的外侧壁或外径壁并允许较轻的、较稀的蒸汽或气体沿流成型管线的内侧壁或内径壁流动。在某些实施例中，一旦流态已经在流管内重建，邻近管线的特定壁的所聚集的流组分就可被移除。例如，在以较大的液体成分为特征的流体流中，液-气流体流的气体组分将沿曲线流成型管线的内径壁聚集，其中，气体可被吸入或被驱动进入位于内壁上的离开端口，从而允许若非全部气体，则大部分气体连同少量液体被送到常规气-液分离器。分离后的流体会具有比流管中的初级流体流相对较高的气液比，但会以比流成型管线内的总流量低得多的流量进入常规气体分离器。这允许气体与液体通过使用比全流体流和/或较高流量所需的更小、更经济的常规气-液分离器有效分离。
[0008]在某些实施例中，不管是单个环还是多个环的形式的曲线流管都可与控制可调节阀的传感器结合使用。在多个环的各种情况下，流管中的环允许通过系统的流体流的停留时间延长。沿流路设置的传感器用于估测流量12的性质，诸如例如流体流的一个或多个组分的百分比或“馏分(cut)”。可调节阀完全位于下游，使得阀可根据来自传感器的测量结果及时调节。例如，测量馏分的传感器馏分可用于调节流体流中的堰板位置，由此增大或减小与流体流分离开的流体量。虽然如本文所述的传感器将主要被描述为测量馏分，但也可使用其它类型的传感器。类似地，馏分传感器的类型不限于特定类型，但可包括界面计的非限制性实例；光学传感器或电容传感器。一旦馏分被确定，多环系统中的流体流的延长停留时间允许阀门被调节，由此一旦流体流已经根据本发明重建，增强流体组分的分离。可调节阀可以是例如可以用于抽出或分离流体流的一个组分的堰板、箔或类似结构。还可以使用其它类型的可调节阀。
[0009]在多环系统的某些实施例中，一般沿轴线设置的一个或多个环或圈的主径可沿轴线的长度变化以控制通过系统的流量。在某些实施例中，流管将包括沿轴线形成的多个环，其中，每个连续环具有比前面环小的主径，使得流管内的流体流的速度沿轴线增大同时保持流态分离。类似地，在某些实施例中，流管将包括沿轴线形成的多个环，其中，每个具有比前面环大的主径，使得流管内的流体流的速度沿轴线减小。
[0010]在多环系统的某些实施例中，两组环或圈可沿流路使用。第一组环将用于分离诸如气体的组分，如上所述。第二组环用于处理留在流体流中的任何气体。在某些实施例中，在流体流引入第二组环之前，流体流可被搅动以由此增强如上所述的流态重塑。
[0011]此外，流体引导面可放置在离开端口处的流成型管线的内壁上以进一步帮助引导气体流至常规气体分离器。
[0012]此外，来自常规气-液分离器的液体回流可布置成在下游紧密接近在流成型管线的内壁上的离开端口。液体回流和离开端口的紧密接近允许使用位于邻近在离开端口的正下游的流成型管线中的液体回流的文丘里管、喷嘴或其它限流装置。当液体流经离开端口时，文丘里管、喷嘴或其它限流装置加快流成型管线中的液体的速度。这种液体加速有助于将液体从常规气-液分离器中拉出。此外，流成型管线内的液体加速有助于防止可能存在于气-液流中的任何固体进入出口，并且其有助于降低进入出口并因此进入常规分离器的液体量。
[0013]在某些实施例中，加热器可在流态重塑之前沿流体流设置以引起流体流内的至少部分流体相变。例如，流体流中的某些液烃在所施加的热量下可转化成气体以增强如上所述的烃从流体流分离。这种加热器可与具有任一单环和多环的曲线流管一起使用。
[0014]类似地，在某些实施例中，具有任一单环和多环的曲线流管可与液-液分相器结合使用。液-液分相器优选地部署在离开端口的下游并且布置成将不同密度的液体彼此分离。在某些实施例中，液-液分相器可调节并与传感器结合使用。传感器沿在气体出口的下游的流路布置并且用于估测留在流体流中的各种液体的百分比或“馏分”。分相器可以根据馏分调节。分相器可包括例如可调节堰板、可调节箔、可调节阀或类似的可调节机构。在一个实施例中，分相器可包括呈具有两个从中穿过的流道的可旋转球的形式的可调节阀。球的旋转调节流道相对于液-液流体流的位置，从而将或多或少的特定通道暴露于流体流。还可以使用其它类型的可调节阀。
[0015]在特别适于具有高含气量的流体流、即“湿气”的本发明的另一实施例中，流动通路沿曲线流管的内径壁的至少部分形成，如本文所述。湿气内的液体将聚集在流动通路中并且可以从主流体流中排出。
[0016]在本发明的另一实施例中，气-液分离器包括保持容器的液位控制并且建立整个系统的恒定流动压力的可变位置气体控制阀。
[0017]本发明因此允许多相流体通过使用比以前能够采用的分离器更小的常规分离器有效分离。本发明实现这一目的而没有使用额外复杂机械装置并且因此将有效且可靠地运行。
【附图说明】
[0018]本发明及其优点的更全面理解可以通过参照结合附图的下列描述获得，其中:
[0019]图1A-1E示出了两相气-液流的各种