专利名称：分离低浓度液体和高浓度液体混合物的装置与方法
技术领域：
本发明涉及分离低浓度液体组分和高浓度液体组分混合物的装置和方法。本发明可用于分离任何此类混合物，不过特别适用于分离从油井获得的流质这一领域。
按传统做法，生产流质用三相分离器作初步分离，该三相分离器是一种简单的大型压力容器，在三相分离器中，生产流质保持足够长的滞留时间，使油、水和气在重力作用下分离。三相分离器都大，以保证足够的滞留时间以使分离发生。
随着向漂浮平台发展趋势的增长，空间比传统油田钻机更受限制。此外，三相分离器必须设置复杂的隔板，以便允许液位能以合理的精度确定，并防止漂浮平台被海水摇动时分离器内的波浪使流质再次混合。
作为三相分离器的替代物，曾建议使用水力旋流器(hydrocyclone)进行生产流质的初步分离。尽管这能使分离器的体积减小，但这样使用水力旋流器存在两个明显的问题。首先，这种装置是建立来分离出一定百分比的体积的输入流，不可能令人满意地解决油和水的残留物(slugs)，也不能随着油井生命期的进展不可避免地水增多油减少而调节。其次，水力旋流器在混合物既不是水连续也不是油连续而是处于相转换(phase inversion)过程中时，不能满意地运行。
根据本发明，一种用于分离低浓度液体组分和高浓度液体组分混合物的装置包括一容器，具有垂直轴线；一混合物环形入口，设置在容器底部，向上开口，入口处设置一装置，以使混合物离开出口时环绕垂直轴线涡旋；第一出口，设置在环形入口的中心，以使低浓度液体组分初出料，该低浓度液体组分已在由涡旋液体所形成的涡流内被吸下；和第二出口，面向容器底部，与第一入口相隔一段距离，以使高浓度液体组分初出料，该高浓度液体组分已被涡旋液体离心力强迫其从容器垂直轴线离开。
这种装置有效地提供了三相分离器和水力旋流器的全部优点。借助于混合物在进入容器时的涡旋，两种液体被强迫分别聚结从而加速分离。由混合物产生的离心力，使低浓度液体向容器轴心运动，并被从涡流的中心吸下，而高浓度液体被迫从轴线离开，在此，可在重力作用下进一步分离，移向容器的底部。发生分离的时间因此大大少于三相分离器，从而分离器的尺寸可随之减小。
本装置的特征在于，它使低浓度液体层处于高浓度液体层之上，低浓度液体在涡流的中心穿过高浓度液体被吸下。这样在容器内的滞留时间短，十分适合于混合物中的任何废料浆。
此装置被用于分离生产流质时，流质的自然压力可被利用于生成涡流，因此并不需要泵。在容器入口至出口间产生的压力降，意味着可设置节流阀以保证小的压力降，此种节流阀是传统上需要用于降低生产流质的进入压力的。这样减小了混合物的切变，从而防止混合物的乳化。
控制阀最好设置在两出口处，这些阀根据容器内低浓度液体和高浓度液体的量控制，以保持两种液体组分的液面在预定的范围。因此，每一阀既可部分关闭也可全部关闭，以响应一种液面或其它液面下降至预定范围，从而所讨论的液面可以升高。这意味着本发明之装置可建立成使两出口流的组分在油井整个生命期本质上保持恒定。本装置因此可接受一种未知的而且其组分变化的生产流质，并生产两种已知固定组分流，该组分流是液体组分之一连续相。这些流可容易地被水力旋流器进一步分离。
两种液体组分在容器中的量，可以使用设置在入口处的多相监测器监测混合物的组分来确定。不过，检测两种液体量的最简便方法是用液位检测器，检测低浓度液体组分的自由表面和两种液体组分间界面的位置。
如果容器是压力容器，在容器顶部设置第三出口，此装置还可用于分离气体。在气体出口处可设置一去雾装置，以在气体离开容器时干燥气体，并将从气体中分离出的液体送回容器中液体的主体中。
环形入口装置、使混合物离开出口时绕轴线涡旋的装置、和第一出口，可以用一种已知的管环装置设置，该装置例如可以如WO96/05128所述。涡旋可以由一种机动桨叶系统产生。不过，最好利用液体进入的压力，这可通过使用一种螺旋推运器，或斜翼系统，或更推荐在环形入口设置切向或渐开线进料装置。已经发现，如果两切向或渐开线形入口设置在直径上的相反两端，流体在入口处的切变可保持最小。
一空心圆柱筒可设置在容器的底部，环绕环形入口。此筒有效地减少必须被进入液体旋转的水量，从而减少生成涡流所需的能量。它还可以用于在容器的最底部和最外部提供一较平静的区域，从而在此区域的高浓度液体组分在重力作用下能更容易地分离。
如果需要从生产液中分离出任何固体，可在容器的上游设置固体收集器，例如像WO95/07325所公开的那样。
根据本发明的第二方面，一种分离由低浓度液体组分和高浓度液体组分组成的混合物的方法包括下列步骤在压力下从容器底部的环形入口引入混合物，该环形入口向上开口，绕垂直轴线涡旋，并生成一涡流，其中，低浓度液体组分在高浓度液体组分之上形成一层，并被吸向涡流的中心；从设置在环形入口中心的第一出口初排低浓度液体组分；从低浓度液体组分层下的区域，通过第二出口初排高浓度液体组分。
此方法还包括下列步骤监测高浓度液体组分在容器中的量；控制从第一出口和第二出口的出口流，以便使两种液体组分在容器中保持预定的水平。在此，检测容器中液体组分的量的步骤，最好包括检测液体自由表面和两液体组分之间界面的位置。
本发明的装置和方法之一实施例将参考附图给予说明，其中
图1为该装置的原理图；和图2为横截面图，示出了该装置下部的详情。
压力容器1具有圆锥形下部、一圆柱形中部和一曲线形上部。油井流质入口2设置在容器1的底部。如图2所示，油井流质入口2的开口与环形腔3相通，该环形腔通过一对切向入口4与第二环形室5相通。环形室5绕压力容器的中心线向上延伸一段距离与压力容器相通。筒6A、6B既可设置在流质供给导管7的端部，构成进口腔5的外壁，如图中的6A，也可远离流质供给导管7一段距离处，设置在容器1的基面上，如图中的6B。在流质供给导管7内与之同轴设置的是排料导管8，该导管通往连续油相出口9。连续水相出口10，设置在容器1的壁上，朝向容器的底部。用于气体的第三出口11设置在容器的顶部，作为一个压力控制器12。
界面位置检测器13为众所周知的结构，设置以监侧油液界面位置，液位监侧器14为众所周知的结构，设置以监测油的自由界面位置。
使用中，从生产油井来的油井流质，经过油井流质入口以高压送入容器1。由于流质经过切向入口4，流质产生涡旋。当流质离开导管时仍维持涡旋，以便在容器内生成一涡流15。离心力使油和水分别聚结，并在水上形成一油层，也使油从涡流中心被吸下，并从液体排出导管8送出。水在容器下部经受进一步的重力分离，连续水相经过连续水相出口10送出。同时，气体从油和水中析出，并收集在容器的顶部，以便从气体出口11排出。
界面检测器13和液面检测器14监测容器内油和水的量，设置在连续油相出口9和连续水相出口10的控制阀(未示出)保证油位和水位在固定的参数内。因此，如果油井流质中的油量减少，油的自由表面的位置将下降，这将被液位检测器14检测出来。液位检测器14然后产生一信号，送往控制流经连续油相出口9液流的控制阀，以部分地或全部关闭此阀，于是，减少从容器流出的油，使油的自由表面上升。如果油井流质中的水量减少，类似的操作由界面位置检测器13和设置在连续水相出口10的阀引出。
权利要求
1.一种用于分离低浓度组分和高浓度组分所组成混合物的装置，包括容器(1)，其具有一垂直轴线；混合物环形入口(5)，其设置在容器底部，向上开口，入口处设有装置(4)，用以使混合物随着离开入口绕垂直轴线产生涡旋；第一出口(8)，其设置在环形入口的中心，以主要排出分离的低浓度液体组分，该低浓度液体组分已被吸下在液体涡旋所产生的涡流内；和第二出口(10)，其面向容器底部，与第一入口相距一距离，用以主要排出分离的高浓度液体组分，该高浓度液体组分已被涡旋液体的离心力使其离开容器的垂直轴线。
2.如权利要求1所述的装置，其中，控制阀设置在两出口处，控制阀根据容器内低浓度液体和高浓度液体的量控制，以保持两种液体组分的水平在预定范维内。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，设有液位检测器(13，14)以检测低浓度液体组分的自由表面的高度和两种液体组分间界面的高度。
4.如上述权利要求其中之一所述的装置，其中，容器(1)是压力容器，气体出口(11)设置在容器顶部。
5.如权利要求4所述的装置，其中，一去雾装置设置在气体出口(11)，以在气体离开容器(1)时干燥气体，并将从气体中分离的液体送回容器中液体的主体。
6.如上述权利要求其中之一所述的装置，其中，涡旋是由设有切向或渐开线送料器的环形入口(4)所产生。
7.如权利要求6所述的装置，其中，两切向或渐开线入口(4)设置在直径的相反两端。
8.如上述权利要求其中之一所述的装置，其中，空心圆筒(6A，6B)设置在容器底部，环绕环形入口(5)。
9.一种分离由低浓度液体组分和高浓度液体组分组成的混合物的方法，包括下列步骤在压力下从容器底部的环形入口(5)将混合物引入容器(1)，该环形入口向上开口，绕垂直轴线涡旋，并生成一涡流，其中，低浓度液体组分在高浓度液体组分之上形成一层，并被吸向涡流的中心；从设置在环形入口中心的第一出口(8)初排低浓度液体组分；从低浓度液体组分层下的区域，通过第二出口(10)初排高浓度液体组分。
10.如权利要求9所述的方法，还包括下列步骤监测高浓度液体组分在容器中的量；控制从第一出口(8)和第二出口(10)的出口液流，以便使两种液体组分的高度在容器中保持预定的高度。
11.如权利要求10所述的方法，其中，检测容器内液体组分量的步骤，包括检测自由液面高度和检测两液体组分间界面的高度。
全文摘要
一种用于初步分离生产流质的装置和方法。容器(1)具有一环形进口(5),向上开口,设置在容器底部。环形进口具有装置(4),用于使混合物涡旋以生成涡流。用于油连续流的第一出口(8)设置在环形入口的中心。用于水连续流的第二出口(10)设置成面向容器底部并与第一入口相距一段距离。油和水在由涡旋所产生的离心力作用下,油经涡流中心吸下,并从第一出口(8)排出。
文档编号B04C5/08GK1265602SQ9880787
公开日2000年9月6日 申请日期1998年6月4日 优先权日1997年6月27日
发明者戴维·约翰·帕金森 申请人:莫普罗产品有限公司