专利名称：管道式两级导流片型油水分离器及其应用方法
技术领域：
本发明涉及一种将油水两相混合液进行分离的装置，特别是涉及一种应用在井下及海底分离系统中的管道式两级导流片型油水分离器及其应用方法。
背景技术：
在石油工业中，油水分离设备是重要生产设备。分离技术对行业发展至关重要。当前的旋流分离器按照功能分为油水预分和污水处理两种类型，为了将油水混合 物开采液处理后排放，通常需要多组旋流管组合而成，在工艺过程中一般要用分离器串联或者并联，这种配置占用空间大、结构不紧凑、操作复杂。如美国专利4995989叙述了一种组合式液液分离设备，设备采用二级分离，前级采用一个旋流装置，后级采用旋流分离器，用于强化对比重不同的两相液体进行分离；专利申请号为02109677. 5的发明，描述了一种二级分离，包括一个大旋流分离器进行预分，若干个小的旋流分离器进一步分离，体积庞大。申请号为200610037772. 8为一种三级分离系统，通过将三级旋流器集装在一个罐内进行油水分离达到排放标准。上述分离器采用传统的切向式入口起旋方式形成旋流场，切向式入口与油水出口流向垂直，因此在多级分离时必然对空间有一定的要求。由于在实际井下分离中，往往需要在狭窄的空间里对产液进行快速分离以提高生产效率，上述旋流器虽然也能实现快速分离，但是在旋流器串联时对径向尺寸要求较高，因而限制了它们在井下分离中的应用。
发明内容
针对以上多级油水分离装置现有技术的不足，本发明提供一种紧凑型二级分离器及其应用方法，实现油水分离在有限空间内快速高效的分离。为了解决上述技术问题，本发明提供一种管道式两级导流片型油水分离器，包括依次连接的一级进液管段、渐扩管段、一级旋流生成管段、一级除水管段和二级旋流分离管段；其中，所述一级旋流生成管段和二级旋流分离管段均包含固定倾斜安装在其上的2片以上的导流片；在所述一级除水管段和二级旋流分离管段上均开设有一组以上的除水孔。优选地，上述油水分离器还具有以下特点安装在所述一级旋流生成管段的导流片为一级导流片，所述一级导流片沿所述一级旋流生成管段的周向均布，并在所述一级旋流生成管段的轴向依次叠置；安装在所述二级旋流分离管段的导流片为二级导流片，所述二级导流片沿所述二级旋流分离管段的周向均布，并在所述二级旋流分离管段的轴向依次叠置。
优选地，上述油水分离器还具有以下特点所述第一导流片为半椭圆形，该第一导流片的长轴与所述一级旋流生成管段的横截面的夹角e为10° < 0 <60°，所述第一导流片的短轴与所述一级旋流生成管道的横截面的夹角a为0°彡a彡45°。优选地，上述油水分离器还具有以下特点
所述第一导流片为4片，所述第一导流片的长轴与所述一级旋流生成管段的横截面的夹角9为45。，所述第一导流片的短轴与所述一级旋流生成管段的横截面的夹角a为O。。优选地，上述油水分离器还具有以下特点所述第二导流片为半椭圆形，该第二导流片的长轴与所述二级旋流分离管段的横截面的夹角P为10° < P <60°，所述第二导流片的短轴与所述二级旋流分离管道的横截面的夹角①为0°彡0)彡45°。优选地，上述油水分离器还具有以下特点所述第二导流片为3片，所述第二导流片的长轴与所述二级旋流分离管段的横截面的夹角P为50。，所述第二导流片的短轴与所述二级旋流分离管段的横截面的夹角
为O。。优选地，上述油水分离器还具有以下特点在所述一级除水管段上开设的除水孔为一级除水孔，所述一级除水孔的外圆周面与所述一级除水管段的内壁相切，所述第一除水孔的孔径d'为d, SbD-caD，其中，所述b、c为常数，D为所述一级除水管段的输出口处的直径，a为所述管道式两级导流片型油水分离器的入口含油率。优选地，上述油水分离器还具有以下特点在所述二级旋流分离管段上开设的除水孔为二级除水孔，所述二级除水孔的外圆周面与所述二级旋流分离管段的内壁相切，所述第二除水孔的孔径d'为(T彡bD-0. 5c a D,其中,所述b、c为常数,D为二级旋流分离管段的直径，a为所述管道式两级导流片型油水分离器的入口含油率。优选地，上述油水分离器还具有以下特点一级进液管段上装有第一流量计；在一级除水管段和二级旋流分离管段的除水孔之间的管段外设置有圆筒，所述圆筒用于容纳从所述第一除水孔和第二除水孔排出的液体；所述圆筒连接有与之正交的出水管段，水通过出水管段排出，出水管段上装有弯头，使出水管段的出口与来流方向平行，出水管段上装有第二流量计和球阀，通过调节球阀来控制从出水管段的出口分流掉的流量占一级进液管段流量的百分比。为了解决上述技术问题，本发明还提供一种应用管道式两级导流片型油水分离器的方法，包括将含油浓度在5%_20%之间的油井产液，以15m3/h的流量，输入到一级进液管段，通过所述第一流量计记录入口流量；调节出水管段上的球阀，监测第二流量计和第一流量计的视数，使第一流量计的视数在第二流量计的50%左右，以分离掉50%左右的水。本发明具有如下优点I、当油水以一定的比例进入安装有本发明油水分离器的起旋装置时，遇到导流片，由于导流片周向同向倾斜，沿环形方向每个导流片导流的那部分流体流动基本相同，因此能够达到一致的涡旋效果，这样就保证了经过导流片后，所形成的旋流场是中心对称的。而油水混合液经过导流片导流后在管道中向一个方向运动，在其向前运动过程中，所受的外来流场干扰少，因此，所形成的对称流场较稳定。油水在对称稳定的旋流场中，由于油相密度较小，所受到的向心浮力大于离心力，因此向管中心运动，水则向相反的方向运动，即分布在管壁附近；在对称稳定流场中，油核稳定的分布在圆形管道中心区域，不会发生大位移的摇晃；这样，就能够起到很好的油水分离效果；2、开设的第一除水孔的外圆周面与一级除水管段的内壁相切，且第一除水孔的孔径d'设为d' SbD-caD;第二除水孔的外圆周面与二级旋流分离管段的内壁相切，且第二除水孔的孔径d'为d, SbD-O. 5c a D ;这样，就能够进一步根据含油率来调整不同孔径的除水孔，提高了油水分离效率；3、本发明是利用旋流原理的二级油水分离设备，本发明的油水分离器的油水混合物的入口和出口的内径相同，只需在需要处理的采液管线上截下一段安装此分离器，不改变管流方向，适应性好；
4、本发明旋流生成管段安装在管道中，不需要像切向式入口一样，需要另外加一根管子变成二维结构，且三个口的流向平行，因此节省空间，从而能够更有效的利用井下空间，尤其是对于需要多级分离的设备，其一级旋流装置与二级旋流装置的流向一致，二级安装不需要在径向上做改变，更适合应用在井下多级油水分离系统中；另一方面，在水下环境中，水底流动对多级分离器装置的稳定性要求较高，且高压环境使得传统的切向式入口成为薄弱环节，需要额外加强该处的焊接强度，而管道式两级导流片型油水分离器则不存在这一问题，其二级结构紧凑，空间利用率高，因此本发明具有良好的工业应用前景。
图I为管道式两级导流片型油水分离器整体示意图；图2为导流片安装示意图；图3为除水孔开设示意图。
具体实施例方式下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。本发明实施例的用于在井下及未来水下分离系统中的管道式两级导流片型油水分离器，如图I所示，包括如下部件一级进液管段I、渐扩管段2、一级旋流生成管段3和一级除水管段5，二级旋流分离管段12，出水管段6。其中，进液管段I的进液管上装有流量计16，出水管段6上装有一个流量计7和球阀8。在一级旋流生成管段3中安装有一级导流片4。在二级旋流分离管段12中安装有二级导流片13。如图2所示，一级旋流生成管段3进一步包括可固定倾斜安装在其上的4片一级导流片第一一级导流片41、第二一级导流片42、第三一级导流片43和第四一级导流片44，一级导流片41、42、43、44沿一级旋流生成管段3的周向均布，并在一级旋流生成管段3的轴向依次叠置。当油水混合的流体沿流向17的方向流经一级导流片41、42、43、44时，就会形成中心对称的旋流场，在旋流场中油水因密度不同所受到离心力不同而被分离。一级导流片41、42、43、44采用半椭圆形的不锈钢或者其它耐磨材料制成,一级导流片41、42、43、44的长轴与一级旋流生成管段3的横截面的夹角0为45°，短轴与一级旋流生成管段3的横截面相平行，即短轴与一级旋流生成管段3的横截面的夹角a为0°。
传统的切向式入口起旋方式形成旋流场，在旋流场中油相向中心区域运动形成油核，并利用油核与水在不同区域的反向流动实现油水分离，当旋流场不稳定时，油核中的部分油有被反向流动的水带走的可能，从而增加了油水分离的难度。而本发明的起旋方式即利用轴向安装的静态一级导流片41、42、43、44导流后形成旋流场，在旋流场中油相所形成的油核与在管壁附近分布的水相向相同的方向运动，则减小了上述风险。在本发明实施例中，一级导流片41、42、43、44以长轴与一级旋流生成管段3的横截面的夹角9为45。的角度同向安装在一级旋流生成管段3中，当然，也可以是10° < 0 <60°。短轴与一级旋流生成管段3的横截面相平行，即短轴与一级旋流生成管段3的横截面的夹角a为0°，当然，也可以是0°彡a彡45°。在一级导流片41、42、43,44的厚度h通常可以设置在2mnT7mm，以保证足够的强度，一级旋流生成管段3的管径d为75mm,—级导流片的厚度为2mm。在本发明实施例中，一级导流片4的安装数目也可以设置在2飞片，也可以起到相同或是类似的油水分离效果。各一级导流片在一级旋流生成管段3中心区域依次重叠，保 持中心重叠点紧靠在一起，从而保证油水混合液经过导流片导流。 如图I所示，一级除水管段5上开设有沿油水流向主流方向间隔适当间距的I组以上一级除水孔15，每组除水孔15的数量与一级导流片41、42、43、44的数量相同，且沿一级除水管段5周向均匀分布。一级除水孔15的外圆周面与一级除水管段5的内壁相切，如图3所示，且除水孔15的孔径d'为d'彡bD-caD，其中，b、c为常数，D为一级除水管段5的输出口处的直径，a为油水分离器的入口含油率。在本发明实施例中，b为0.25，D为
0.05m，c为0. 8925。通过这样设置除水孔，大大减小了油从出水管道流出的几率，从而能够应用到井下将水分离就地回注地层。在一级除水管段5后连接二级旋流分离管段12，在二级旋流分离管段12上安装有与一级导流片旋向相同的二级导流片13，二级导流片13在二级旋流分离管段12上沿轴向依次叠置。当油水混合的流体流经二级导流片13时，会增强旋流强度，使经过一级除水管段5后形成中心对称的更强的旋流场，在旋流场中油水因密度不同所受到离心力不同而被进一步分离。二级导流片13也采用半椭圆形的不锈钢或者其它耐磨材料制成，二级导流片13的长轴与二级旋流分离管段12横截面的夹角P为50°，短轴与二级旋流分离管段12的横截面相平行，即短轴与二级旋流分离管段12的横截面的夹角为0°。在本发明实施例中，二级导流片13以长轴与二级旋流分离管段12的横截面的夹角3为50°的角度同向安装在二级旋流分离管段12中，当然，也可以是10°。短轴与二级旋流分离管段12的横截面相平行，即短轴与二级旋流分离管段12的横截面的夹角0)为0°，当然，也可以是0° 。在二级导流片13的厚度通常可以设置在2mnT7mm0在本发明实施例中，二级导流片13的安装数目可以设置在2飞片，可以起到相同或是类似的油水分离效果。各二级导流片在二级旋流分离管段12中心区域依次重叠，保持中心重叠点紧靠在一起，从而保证油水混合液经过导流片导流。传统的切向式入口起旋方式形成旋流场，在旋流场中油相向中心区域运动形成油核，并利用油核与水在不同区域的反向流动实现油水分离，通常入口流向与分离后的出口流向相互垂直，因此要实现二级串联对径向尺寸有一定的要求。而本发明的二级导流片型起旋方式沿流向串联相接即利用轴向安装的静态一级导流片41、42、43、44导流后形成旋流场，当除水后，沿流向继续安装二级导流片13加强旋流，并进一步将水分离，两者沿轴向串接，减小了对径向尺寸的需求，因此结构更紧凑，更适合于在井下和对实施空间有要求的场合使用。在二级旋流分离管段12上，距二级导流片13 —定长度处，如图I所示，开设有沿油水流向主流方向间隔适当间距的I组以上二级除水孔11，二级除水孔11的组数与二级导流片13的数量相同，且沿二级旋流分离管段12周向均匀分布。二级除水孔11的外圆周面与二级旋流分离管段12的内壁相切，如图3所示，且二级除水孔11的孔径d'为(T彡bD-0. 5c a D,其中，b、c为常数，D为二级旋流分离管段12的直径，a为油水分离器的入口含油率。在本发明实施例中，b为0. 25，D为0. 05m, c为0. 8925。在一级除水管段5和二级旋流分离管段12除水孔之间的管段外有同心圆筒14与之形成一个腔室，该腔室包括用于容纳从一级和二级除水孔排出的液体，在圆筒14上装有与之正交的出水管段6，水通过出水管段6排出，出水管段6上装有弯头，使出水管的出口 最终与来流方向平行，出水管段6上装有流量计7和一个球阀8，通过调节球阀8来控制从出口 9分流掉的流量占进液管段I流量的百分比。其余的来液通过主流下游的出口 10排出，不改变主流的流动方向，出口 10即为安装在二级旋流分离管段12输出端的出口，出口10为富油出口。本发明提供的应用在井下及未来水下分离系统中的管道式两级导流片型油水分离器的方法，包括将含油浓度在5%_20%之间的油井产液，以15m3/h的流量，从一级进液管段I经第一流量计16进入，入口的第一流量计16记录入口流量；经过渐扩管段2的导流，油水两相混合液顺利过渡到一级旋流生成管段3，流经第一导流片41、42、43、44形成高速旋转的流体，油水两相在离心力作用下，快速分离，密度较大的水相富集在管内壁，而密度较小的油相则富集在管中心。分离好的油水两相在惯性作用进入一级除水管段5，在一级除水管段5中，油相富集在管中心，分布在一级除水管段5内壁附近的水则由管壁上的第一除水孔15流出从而实现一级油水分离，经过一级分离后的油水混合物进入二级旋流分离管段12，流经二级导流片13的导流作用，旋转强度得到增强，将水进一步通过二级除水孔11分离出来。通过调节出水管段6上的球阀8，监测第二流量计7和第一流量计16的视数，使第二流量计7的视数在第一流量计16的50%左右，分离掉50%左右的水；在本实施例中，一级除水孔15的孔径d'为3mm。二级除水口 11的孔径为2mm。分离后剩下50%的油水混合物输送到平台或者井口进行精细分离。经过本设备处理后的回注水含油率小于lOOOppm，达到国家井下或者海底水下处理系统处理标准。应用实例一在上述技术方案中，一级进液管段I管径为50mm，渐扩管段2的两个端面直径分别为50mm和75mm,—级旋流生成管段3的管径为75mm和一级除水管段5的两个端面直径分别为75mm和50mm, —级导流片4有4个,一级导流片长轴与一级旋流生成管段3的横截面的夹角9为45°，短轴与一级旋流生成管段3的横截面的夹角a为O。，二级旋流分离管段12的管径为50mm，二级导流片的数目为3片，二级导流片长轴与一级旋流生成管段3的横截面的夹角9为50°，短轴与二级旋流生成管段4的横截面的夹角a为O。，出水管段6的管径为50mm。一级除水孔15的孔径为3mm，一级除水孔共开设5个截面，均匀分布在一级除水管段5。二级除水孔的孔径为2mm，二级除水孔共开设5个截面。一级进液管段I长度为100mm，渐扩管段2的长度为150mm，一级旋流生成管段3的长度为750mm，其中一级导流片安装在距一级旋流生成管段3流入口 50mm处。一级导流片4厚度2mm，一级除水管段5长度为200mm。二级旋流分离管段12的长度为1000mm，二级导流片安装在距离二级旋流分离管段12流入口 100mm。二级除水孔的第一排孔开设在距离导流片500mm处,均 勻开设。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种管道式两级导流片型油水分离器，其特征在于，包括依次连接的一级进液管段、渐扩管段、一级旋流生成管段、一级除水管段和二级旋流分离管段；其中，所述一级旋流生成管段和二级旋流分离管段均包含固定倾斜安装在其上的2片以上的导流片；在所述一级除水管段和二级旋流分离管段上均开设有一组以上的除水孔。
2.如权利要求I所述的管道式两级导流片型油水分离器，其特征在于，安装在所述一级旋流生成管段的导流片为一级导流片，所述一级导流片沿所述一级旋流生成管段的周向均布，并在所述一级旋流生成管段的轴向依次叠置；安装在所述二级旋流分离管段的导流片为二级导流片，所述二级导流片沿所述二级旋流分离管段的周向均布，并在所述二级旋流分离管段的轴向依次叠置。
3.如权利要求2所述的管道式两级导流片型油水分离器，其特征在于，所述第一导流片为半椭圆形，该第一导流片的长轴与所述一级旋流生成管段的横截面的夹角e为10° < 0 <60°，所述第一导流片的短轴与所述一级旋流生成管道的横截面的夹角a为0° ≤ a ≤ 45°。
4.如权利要求3所述的管道式两级导流片型油水分离器，其特征在于，所述第一导流片为4片，所述第一导流片的长轴与所述一级旋流生成管段的横截面的夹角0为45°，所述第一导流片的短轴与所述一级旋流生成管段的横截面的夹角a为0°。
5.如权利要求2所述的管道式两级导流片型油水分离器，其特征在于，所述第二导流片为半椭圆形，该第二导流片的长轴与所述二级旋流分离管段的横截面的夹角0为10° < P <60°，所述第二导流片的短轴与所述二级旋流分离管道的横截面的夹角￠)为0° 彡 CD 彡 45°。
6.如权利要求5所述的管道式两级导流片型油水分离器，其特征在于，所述第二导流片为3片，所述第二导流片的长轴与所述二级旋流分离管段的横截面的夹角P为50°，所述第二导流片的短轴与所述二级旋流分离管段的横截面的夹角O为0°。
7.如权利要求I所述的管道式两级导流片型油水分离器，其特征在于，在所述一级除水管段上开设的除水孔为一级除水孔，所述一级除水孔的外圆周面与所述一级除水管段的内壁相切，所述第一除水孔的孔径d'为d,彡bD-caD，其中，所述b、c为常数，D为所述一级除水管段的输出口处的直径，a为所述管道式两级导流片型油水分离器的入口含油率。
8.如权利要求I所述的管道式两级导流片型油水分离器，其特征在于，在所述二级旋流分离管段上开设的除水孔为二级除水孔，所述二级除水孔的外圆周面与所述二级旋流分离管段的内壁相切，所述第二除水孔的孔径d'为d,彡bD-0.5caD，其中，所述b、c为常数，D为二级旋流分离管段的直径，a为所述管道式两级导流片型油水分离器的入口含油率。
9.如权利要求rs中任意一项所述的管道式两级导流片型油水分离器，其特征在于，一级进液管段上装有第一流量计；在一级除水管段和二级旋流分离管段的除水孔之间的管段外设置有圆筒，所述圆筒用于容纳从所述第一除水孔和第二除水孔排出的液体；所述圆筒连接有与之正交的出水管段，水通过出水管段排出，出水管段上装有弯头，使出水管段的出口与来流方向平行，出水管段上装有第二流量计和球阀，通过调节球阀来控制从出水管段的出口分流掉的流量占一级进液管段流量的百分比。
10.一种应用管道式两级导流片型油水分离器的方法，包括 将含油浓度在5%-20%之间的油井产液，以15m3/h的流量，输入到一级进液管段，通过所述第一流量计记录入口流量； 调节出水管段上的球阀，监测第二流量计和第一流量计的视数，使第一流量计的视数在第二流量计的50%左右，以分离掉50%左右的水。
全文摘要
本发明公开一种管道式两级导流片型油水分离器及其应用方法，其中，所述管道式两级导流片型油水分离器包括依次连接的一级进液管段、渐扩管段、一级旋流生成管段、一级除水管段和二级旋流分离管段；其中，所述一级旋流生成管段和二级旋流分离管段均包含固定倾斜安装在其上的2片以上的导流片；在所述一级除水管段和二级旋流分离管段上均开设有一组以上的除水孔。本发明能够实现油水分离在有限空间内快速高效的分离，具有良好的工业应用前景。
文档编号B01D17/038GK102743898SQ201210191508
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者乐钻, 刘敏, 史仕萤, 吴应湘, 徐文江, 王胜, 罗昌华, 许晶禹, 邓晓辉, 邹信波 申请人:中国科学院力学研究所, 中海石油(中国)有限公司深圳分公司