专利名称：小型惯性气液分离系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体-液体混合物的小型惯性分离系统和相关的分离方法。更具体地说，本发明涉及一种小型分离器，适于基于将两种截然不同的效应相结合，而分离多相烃流束。从气相分离出液相的具体步骤为-降低进入流束的速度，其引起第一分层效应；-流体以低速碰撞分离器的壁，与液相和气相之间的惯性分离作用相结合。去除夹杂在气体流束中的液滴的另一种效应是基于离心分离原理或通过聚结 (coalescence)0
背景技术：
石油工业中使用的传统分离器主要由重力分离系统组成。这些分离器一般由大尺寸的腔组成，将流体混合物在腔中置放一定时间，以便允许在重力作用下发生混合物的两相分离。这些腔的特征在于相当大的重量和尺寸，难以适用于近海生产平台，而且其成本会显著地影响近海建筑物的成本。可选地，为了从原油中分离气体，基于应用离心力的分离器已经得到使用，例如通过使用如加拿大专利1，093，017中所描述的串联装配的旋风分离器，或者如加拿大专利 1，136，061中所描述的复杂结构。然而，由于这些设施较为笨重，因此，即使是它们也并非最适用于近海平台。为了消减这些缺点，技术人员转向小型分离系统的开发，还关注在诸如海底环境、 极为寒冷环境或井下的恶劣环境中的应用，并且所述小型分离系统可能有望逐渐取代在海岸使用的重力分离器。小型分离系统还可以用于多相(气/液，液/液或流体/固体)之间的部分分离。 这可以在广泛应用范围内发生，诸如，测量或再压缩系统、管线输送、水合物控制、环境和安
全需要。查阅技术文献导出的结论是，小型分离系统通常被视为分离器，在这些分离器中用离心力代替重力。本分析只局限于不含移动部件的小型分离系统。基于离心力原理并且在分离中主要用做精整元件(finishing elements)的小型气体_液体分离系统利用装备有叶片的管(旋流管)，这些管使流体混合物做旋转运动，从液相中分离出气相，正如在壳牌(Shell)名下的美国专利4，566，883中所描述的那样。最近，Tea Sistemi基于同样的原理开发了离心分离器，其中引起流体转动的元件(旋流器) 的几何形状已经被优化，还允许使用具有大直径的单个单元代替具有小直径的多个单元， 如国际专利申请WO 2007/129. 276中所描述的那样。开发小型分离系统所采用的一些概念也可用于诸如由壳牌(Shell)开发的小型重力分离器的传统重力分离系统的演化。这些分离器可以是卧式的或立式的。使用一定数量的内部元件的立式小型圆柱分离器的一个实例在国际专利申请WO 2005/023. 396 Al中给出，这种立式小型圆柱分离器带有旋流器，该旋流器用做二级气体-液体分离器，这种立式小型圆柱分离器与气体_液体混合物的预分离部相接合，所述气体_液体混合物在入口叶片内部通过。卧式小型三相圆柱分离器的另一个实例在美国专利6，537，458中给出，在该实例中，通过使用由多个旋转管或叶片组(vane pack)所组成的一级分离器，而使得其系统更加高效。与离心力和重力一起，惯性效应能够在气体-液体分离中起到重要作用。这些效应是能够从市面上获得的各种类型的液滴分离器(其在气体流束内部)的基础。借助于使流体流束通过特定门或孔加速而到达碰撞表面上，这通常引起突然的方向改变——其确定所需的分离，而使得液体与气体分离。这些设备的一些实例可以例如在欧洲专利1，068，890 Bl中或更为新近的国际专利申请WO 2008/134. 227中找到。考虑到通过管线的团状(slug)的或分层的液体流束的惯性效应是显著的，因此正确地利用惯性效应可以起到重要作用。在多相烃流束的连续监控系统的范围内频繁使用的分离设备，装备有相对于水平方向倾斜的入口管，该入口管使得能够通过气体-液体混合物的分层而实现分离。在美国专利4，760，742中，描述了这些系统的一个实例，该实例设想了一种管路系统，用于分离夹杂在液体流束中的气泡。美国专利5，526，684公开了一种具有竖向延伸部(development)的小型分离系统，竖向延伸部带有向下倾斜的切向入口。倾斜的入口管连同逐渐收缩的二维门一起，一方面引起两相的部分分层，另一方面在入口处引起流体的加速，进而引起液体沿着分离器的壁向下涡旋(vortical spiral)，产生分离效应的主要是离心力。然而，该发明的局限在于，离心力要求在分离器入口处的流体是高速的，而流动体的分层却是在混合物低速时发生的。在上述分离系统中显现出的相互掣肘的效应所引起的矛盾，可以解释其作为部分分离系统的低效率和低适用性的原因。
发明内容
本发明的目的是提供一种将两种效应从根本上结合起来的装置和小型气体_液体分离方法，这两种效应是-在分离器入口处流动体的分层；和-液相的惯性分离，并且，所述装置和方法的特征在于，通过显著地缓冲(damping)入口管中的流束的液体成分，将该系统构造成用以有效地分离例如团状流的多相流，该特征使分离器的底部高度降低，并使得分离器的体积也随之减小。上述目的通过采用根据本发明的小型气体_液体分离装置而实现，该装置包括 分层装置、竖向延伸的圆柱形主体，以及用于气体流束和液体流束的两个出口装置。本发明在所附的权利要求书中被描述。当需要时，系统可以设有可选的附加设备，该附加设备用于分别从气体流束中分离出液体、从液体流束中分离出气体和/或另一液体的进一步的分离。所述分层装置主要由两个管组成，这两个管的主要特征在于截面的扩大，这使得能够相当大地降低50% )混合物在入口处的速度，这种结构，与管的可能的略微向下的倾斜10° )相结合，能够使得入口处的流束的团状流被缓冲，并导致分层的流动条件。此外，由于所述入口管沿切向插设在所述圆柱形主体上，因此它确保在对分离器的壁的相对轻的碰撞与惯性力的联合作用下，较重的液相被传送至分离器的底部，而不会造成液体流束的过分散碎(fragmentation)，但是使仍旧夹杂在液体流束中的气泡得以释放，与业已经由分层而析出的气体一起，趋向于朝着圆柱形主体的上部、在主体内沿着中央上升(一级液体分离)。可能的团状流的流束在分离器入口处被缓冲的事实，使得分离器的底部可以具有减小的体积。在圆柱形主体的上部中，分离系统可以选择性地包括用于消除夹杂在气体中的小液滴的精整元件的布置，所述精整元件诸如除雾器、丝网垫、叶片组、旋风分离器、旋流器元件等(二级液体分离)。本发明尤其适用于多相烃流束的分离，并且可以通过使用用于多相流仿真 MAST(多相分析与转换仿真)的专用代码与入口处的特定流动相关地在工程级水平上 (project level)被优化，MAST是由TEASistemi开发的，能够捕捉各流动状态之间的动态变化(动态模式识别)。
借助于下文中对本发明的实施例之一所作的描述，将更清晰地理解根据本发明的小型分离系统的更多特征和优点，所提供的本发明的实施例用于示例性和非限制性的目的，并且结合附图而做出，附图中-图1显示的是小型惯性分离器的示意性视图，其中安装了可选的普通二级分离器；-图Ia示出的是入口管的平面图，显示出该入口管与分离器的主体的切向连接方式；-图2提供的是小型惯性分离器的示意性视图，其中将6个旋流器元件的布置被安装以作为二级分离器；-图2a表示的是图2中A-A剖面；-图3显示随着对于液体流束的一定流量而言的气体流量而改变的与图2的系统相关的实验的总分离效率(一级和二级分离)以及一级分离效率。
具体实施例方式图1示出小型气体-液体惯性分离器，其入口装置1由两个管2和4及连接门3 组成。管2是沿水平方向的，例如来自生产井的多相流体流在该管中流动。所述管2通过适当的连接门3与具有较大直径的管4连接，该管4可以相对于水平方向以< 10°的倾斜角度适当地略微倾斜。如图Ia更清楚地示出的那样，所述管4与分离器的圆柱形主体6的入口门5相应地沿切向插入。圆柱形主体6沿竖向延伸，并被假想地划分为底部7和上部 9，底部7在圆柱形主体的下基部8与入口门5之间延伸，上部9在圆柱形主体的上基部10与入口门5之间延伸。在所述分离器的上部9的内部，可以选择性地设置精整元件11的布置(例如除雾器、丝网垫、叶片组、旋风分离器、旋流器元件等)，用于二级液体分离。两个出口装置由液体出口管12和气体出口管13组成，它们分别插设在圆柱形主体的下基部8上和上基部10上。应当注意到，当需要时，系统还可以包括位于液体出口管12和气体出口管 13的下游的两个可选的附加分离器(在图1的图面中没有示出)，以便进一步分别从液体流束分离出气体和/或另一种液体、和从气体流束分离出液体。接下来呈现的图2与图2a示出了小型气体-液体惯性分离器的一种具体结构。所标记的大多数部件与图1中所标记的那些部件相同、并且用相同的附图标记指示。图2的结构与图1的结构的不同之处在于，在作为二级分离器的分离器上部9的内部，设有6个旋流器元件14的布置(国际专利申请WO 2007/129. 276)，这些旋流器元件被定位成关于圆柱的轴线是对称的，如图2a更清楚地示出的那样。旨在直观阐释的图3 (其与图2的系统相关)所显示的是对于以团状流进入的液体流束(流量等于5m3/h)而言的实验性总分离效率值(一级与二级液体分离)和与液相有关的一级分离效率值——这些值随着气体流量(30 + 470m3/h)而变化。应当注意到，随着气体流量的增大，惯性分离系统的效率略微降低，总是保持在95%的效率以上，而对于气体流束的任一流量，总效率仍旧高于99%，这表明，在气体流束的流量增大时，图2的旋流器元件14的布置提供高的分离效率，即使入口处的分层不彻底，也能增大对总分离效率的贡献。参照图1，在操作条件下，来自油井和天然气井的各流体的混合物以泡沫流状态或团状流状态通过水平管2流入分离器。混合物通过连接门3流入具有较大截面的管4。流动直径的增大，使得混合物的速度大幅降低(> 50% )。这个效应与管的可能的略微向下的倾斜(相对于水平方向< 10° )相结合，使得能够缓冲在入口处的流束的团状流，并导致分层的流动条件。因之而被分层的混合物以低速沿切向通过入口 5进入分离器的圆柱形主体6。分层效应与惯性力一起，确保在分离器的圆柱形主体6中，较重的液相以低速撞击分离器的壁，并且沿着壁以圆周运动流向分离器的底部7，不使液体流束产生过度的散碎，但是使液体中夹带的气体得以释放，传送到圆柱形主体的中央，与业已通过分层而分离出的气体一起，朝向分离器的上部9( 一级液体分离)在主体内上升。这两种效应相结合导致高效的一级分离。仍夹杂在气体流束中的小液滴，可以借助于选择性地将先前被分离的气相在精整元件11的布置的内部传送，而被进一步地去除(二级液体分离)。脱气后的液相通过液体出口管12离开分离器的底部7，而气相通过气体出口管13排出。业已证明与传统分离器相比，根据本发明的小型气体_液体惯性分离系统使得累赘体积被减小(大约1/4)。应当注意到，分离器的入口管长度和底部最佳高度取决于系统的操作条件(气体流量、液体流量、压力、流动状态)；因此它们的尺寸规格要视具体情况而定。
权利要求
1.一种气体-液体混合物的小型惯性分离系统，该系统包括-分层装置，该分层装置用于在入口处对多相流体流束进行分层； -圆柱形主体，在所述圆柱形主体中进行气体_液体惯性分离； _被分离的气体流束和液体流束的两个出口装置，这两个出口装置分别插设在所述圆柱形主体的上基部和下基部上； 其特征在于_所述分层装置由第一管和相对于所述第一管具有更大直径的第二管组成，所述第二管通过连接门与所述第一管连接，所述第二管相对于水平方向选择性地倾斜，所述倾斜和所述两个管之间截面的增大引起所述多相流束的分层；_所述分层装置在相对于所述下基部的一定高度处沿切向插设在所述圆柱形主体上； 所述高度的最小值保证在所述分层装置中已预先分层的所述流束的有效惯性分离。
2.根据权利要求1所述的小型惯性分离系统，其中所述圆柱形主体的上部包括精整分离器元件装置，该精整分离器元件装置用于消除夹杂在气体中的小液滴。
3.根据权利要求1或2所述的小型惯性分离系统，其中所述倾斜的角度小于或等于 10° 0
4.根据权利要求1、2或3所述的小型惯性分离系统，其中在所述入口处的所述多相流是具有泡沫流状态、团状流状态或环形流状态的流体流束。
5.一种与小型惯性系统相关的气体-液体混合物的分离方法，该方法包括以下阶段 _在包括第一管和相对于所述第一管具有较大直径的第二管的分层装置的入口处，使具有泡沫流状态、团状流状态或环形流状态的流体混合物产生分层流动，所述第二管通过连接门与所述第一管连接；-通过将入口速度的大幅降低(> 50% )与所述第二管的可能的略微向下的倾斜(相对于水平方向< 10° )相结合，在所述入口处缓冲所述流体混合物的可能的团状流状态； -通过在圆柱形主体内以低速沿切向传送被分层的流束而进行气体_液体惯性分离， 其特征在于低速碰撞所述圆柱形主体的壁以防止其过度散碎，并且产生_较重的液相在分离器的底部方向上沿着所述圆柱形主体的壁朝向所述分离器的第一出口装置的环形流；-仍夹杂在液相中的气泡的进一步释放，所述气泡趋于分离，移动进入所述圆柱形主体的中央部分，并且在第二出口装置的方向上与业已通过分层而分离的气体一起沿着中央上升。
6.根据权利要求5所述的用于与小型惯性系统相关的气体_液体混合物的分离方法， 其中，通过将预先借助于分层并且借助于惯性而被分离的气相选择性地传送通过任何实施方式的精整元件，而将仍夹杂在气体流束中的小液滴进一步地去除，所述精整元件借助于离心力或聚结而起作用，所述精整元件位于穿过所述第二出口装置的出口之前。
全文摘要
一种小型气体-液体惯性分离器，包括分层装置(1)，由第一水平管(2)和具有相对于水平方向可能略微倾斜(≤10°)的较大直径的第二管(4)组成，两个管通过适当的连接门(3)相互连接；沿竖向延伸的圆柱形主体(6)，分层装置沿切向插设在圆柱形主体(6)上，在此进行气体-液体惯性分离，在圆柱形主体(6)的上部(9)中，精整元件(11)可以选择性地插入，以便对夹杂在气体流束中的液滴加以进一步分离；用于液体流束(12)和气体流束(13)的两个出口装置。
文档编号B01D45/16GK102470308SQ201080034266
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月21日 优先权日2009年6月26日
发明者A·安西亚蒂, L·迪贝拉尔多, P·安德烈乌西 申请人:艾尼股份公司