一种指状段塞流耗散分离装置的制作方法

本发明涉及一种指状段塞流耗散分离装置，用于分离气液两相流便于后续单相增压输送，其采用管式结构紧凑、分离效率高、承压能力强、抗冲击性强、成本低，属于油气集输系统多相分离技术领域。

背景技术：

在深水凝析气田的开发和生产过程中，会持续有凝析液产生，这些凝析液在管线低洼处积聚，使流动状态恶化。此时，若使用多相增压技术输送井流物上岸则存在增压效率低下、可靠性差等缺点；同时，在多相混输过程中易出现严重段塞流、水合物卡堵等流动安全问题。而先水下气液分离、再单相增压输送的技术不仅能降低井口背压、减少举升能耗、提高采收率，同时也可以有效避免流动安全问题，这对保障深水气田安全开发、提高经济效益具有重要意义。

目前，水下分离技术可以分为：管式分离技术、重力分离技术、沉箱分离技术和内管分离技术。其中，沉箱分离技术包含设备多、控制复杂；内管分离技术工作范围窄；基于重力分离技术的容积式分离器受限于深水外压高，分离罐本体的壁厚值必然很大，导致其重量增大、安装难度也增大；而管式分离技术借助细长的管式结构，能在较小壁厚下承受高外压，并减小分离装置重量，降低安装难度，节约投资开发，且可以通过合理组合满足紧凑性和高效性要求，因此十分适合深水高压环境。

中国专利200680008192.4(授权专利公告号cn101160448a)公开了一种管式分离器入口装置，该入口装置有多根竖直向上的脱气管，并终止于上倾的集气管，入口装置的末端为扩径且下倾的输送管，使得气相收集到集气管中而液相保留在输送管中；该专利仅是一种单支分离器入口装置，没有高效处理段塞流的结构组件，且处理量有限。中国专利200680015023.3(授权专利公告号cn101171401a)公开了一种管式分离器，该分离器利用可微微倾斜的大管径、大长度的弯曲管式结构进行多相流分离；该专利主要依靠停留时间进行分离，功能单一且结构不够紧凑。中国专利201420080288.3(授权专利公告号cn203796250u)公开了一种深海水下多管式卧式气液分离器，该分离器在进口管上并联布置多组单管，且每个单管内分别设有一个导流器，多相流在此由于密度差旋流分离；该专利中多相流压力损失大，且各单管接收到的来流不相等，整体分离过程不稳定。

技术实现要素：

本发明提供了一种指状段塞流耗散分离装置，将段塞流均匀分配到下游的多个并联指状支管内并完成液塞耗散分层和气液分离，其管式结构能承受深水的高外压，同时拥有较高的分离效率和较好的抗冲击性，能保障深水气田安全开发、提高经济效益。

本发明所采用的技术方案是：

一种指状段塞流耗散分离装置，其特征在于包括分流入口管和与分流入口管垂直连接的一级分流汇管，所述分流入口管入口端用于连接两相来流管道、出口端连接于一级分流汇管一侧的中部，一级分流汇管的另一侧对称设有两根与所述分流入口管平行的一级分流出口管，每根一级分流出口管的出口端分别连接于一根二级分流汇管一侧的中部，所述二级分流汇管与所述一级分流出口管垂直并且与所述一级分流汇管平行，每根二级分流汇管另一侧对称设有两根二级分流出口管，所述二级分流出口管与二级分流汇管垂直并且与一级分流出口管平行，所述二级分流出口管的出口端分别连接一指状支管；

所述指状支管包括轴线位于同一平面的指状入口管、上倾管、气相顶管、上倾气相出口管、下倾管、扩径管、液相底管、下倾液相出口管和立管；上倾管和下倾管共同连接于指状入口管的出口端，并与指状入口管共同连接组成y形管结构，与指状入口管平行的气相顶管连接在上倾管的末端，气相顶管的末端为上倾气相出口管；

液相底管经扩径管与下倾管的出口端相连，且液相底管与指状入口管平行，液相底管末端连接下倾液相出口管，所述立管连接气相顶管和液相底管，且与气相顶管相连的位置靠近上倾气相出口管。

所述的指状段塞流耗散分离装置，其特征在于还包括与所述上倾气相出口管垂直的集气汇管，各个上倾气相出口管的末端均连接于集气汇管的侧面。

所述的指状段塞流耗散分离装置，其特征在于还包括与所述下倾液相出口管垂直的集液汇管，各个下倾液相出口管的末端均连接于集液汇管的侧面。

所述的指状段塞流耗散分离装置，其特征在于还包括三级或三级以上的多级分流汇管，每级分流汇管有一个分流入口和两个分流出口，相应的，指状支管的个数呈指数增加。

所述的指状段塞流耗散分离装置，其特征在于分流入口管管径与两相来流管管径一致，以避免不必要的加速；一级分流汇管、二级分流汇管管径比分流入口管管径大，以尽量均分来流。

所述的指状段塞流耗散分离装置，其特征在于上倾管的作用是减少液体直接进入气相顶管，但同时要保证至少20％的气相由此进入气相顶管，因此，上倾管与下倾管彼此垂直设置。

所述的指状段塞流耗散分离装置，其特征在于以45°作为下倾管的倾角。

本发明的基本原理是利用指状段塞流耗散分离装置自身结构特性与计算工作尺寸，使液塞在分离装置内的流动过程中自发完成均分、耗散和分离。在入口分流管中，液塞被均分成多股两相流并向下游流动，速度和动量有所减小；进入指状支管的两相流一部分直接进入气相顶管，减小了下倾管的工作负荷，另一部分两相流进入下倾管并完成分层耗散；在扩径的液相底管中，两相流速进一步降低，液滴停留时间增加；在立管中，气相顶管中的液相和液相底管中的气相进行空间交换。此外，在任何弯头、三通、扩径处，液滴能与分离器壁面碰撞沉积。

本发明的有益效果是管式结构紧凑、分离效率高、承压能力强、抗冲击性强、成本低；且液塞均匀分流、耗散、分离过程完全自发，操作控制简单。该发明能保障深水气田安全开发、提高经济效益。

附图说明：

图1是本发明的单支指状支管结构示意图；

图2是本发明的入口分流管结构示意图；

图3是本发明的整体结构示意图；

图中：1—指状入口管、2—上倾管、3—气相顶管、4—上倾气相出口管、5—下倾管、6—扩径管、7—液相底管、8—下倾液相出口管、9—立管、10—分流入口管、11—一级分流汇管、12—一级分流出口管、13—二级分流汇管、14—二级分流出口管、15—集气汇管、16—集液汇管。

具体实施方式

参见附图1、2、3，一种指状段塞流耗散分离装置，其特征在于包括入口分流管、指状支管、集气汇管和集液汇管，包括：指状入口管1、上倾管2、气相顶管3、上倾气相出口管4、下倾管5、扩径管6、液相底管7、下倾液相出口管8、立管9、分流入口管10、一级分流汇管11、一级分流出口管12、二级分流汇管13、二级分流出口管14、集气汇管15、集液汇管16等。

如附图1所示，指状入口管1与上倾管2和下倾管5共同连接组成y形管结构，由于下倾管5向下而上倾管2向上，因此，进入指状支管的两相流大部分由此进入下倾管5，少部分进入上倾管2，减小了下倾管5耗散分层两相流的工作负荷；气相顶管3和上倾气相出口管4依次连接在上倾管2下游，少量两相流在气相顶管3中完成分层，分层后的液相从立管9下落，分层后的气相进入上倾气相出口管4，同时上倾气相出口管4可回流动量不足的液相，提高分离气相的品质；大量两相流在下倾管5中耗散分层，随后由扩径管6进入液相底管7，两相流流速减缓，液滴停留时间增加，同时液滴在扩径管6处易碰撞壁面沉积，分层后的气相由立管9上升至气相顶管3，分层后的液相进入下倾液相出口管8，同时下倾液相出口管8起液封作用，减少气相进入提高分离液相的品质；立管9设置在靠近上倾气相出口管4处，且连接气相顶管3和液相底管7，是气相顶管3液相和液相底管7气相交换空间的通道。指状段塞流耗散分离装置含有多个指状支管且并联平行设置。

如附图2所示，入口分流管的分流入口管10接收来流管道的两相流，随后两相流进入一级分流汇管11分流，从两根一级分流出口管12流出分别进入二级分流汇管13再分流，最后通过二级分流出口管14流入下游指状支管内，经多次分流的两相流速度和动量都有所减小。注意到，每级分流汇管只有一个分流入口和两个分流出口，且入口等分分流汇管、出口对称设置，这样两相流进过每级分流汇管后都能达到均分效果，有利于指状段塞流耗散分离装置高效稳定运行。当分离装置处理量大时，可增设三级或更多级分流汇管，相应的，指状支管的个数呈指数增加。

如附图3所示，入口分流管接收来流管道的两相流，然后将两相流均分至各指状支管内完成耗散分离，分离后的气相由上倾气相出口管4进入集气汇管15输送至下游，分离后的液相由下倾液相出口管8进入集液汇管16输送至下游.

附图所示的是所述一级分流汇管11配置有两根一级分流出口管12的情况，所述每根二级分流汇管13配置有两根二级分流出口管14；且所述分流入口管10、一级分流汇管11、一级分流出口管12组成的一级结构与所述一级分流出口管12、二级分流汇管13、二级分流出口管14组成的二级结构是一样的。

本发明的工作过程为：段塞流液塞由分流入口管10进入指状段塞流耗散分离装置，首先在各级分流汇管(11、13)中均匀分流；分流后的两相流部分进入气相顶管3、部分进入下倾管5耗散分层；随后气相顶管3液相和液相底管7气相在立管9中进行气液空间互换；最终分离后的气相和液相分别通过集气汇管15和集液汇管16排出，完成整个均分、耗散、分离过程。

上述指状段塞流耗散分离装置关键构件尺寸的设计原则和确定方法如下：

1)分流入口管10管径与两相来流管管径一致，避免不必要的加速；各级分流汇管(11、13)管径比分流入口管10管径大，尽量均分来流。

2)上倾管2的作用是减少液体直接进入气相顶管3，但同时要保证至少20％的气相由此进入气相顶管3，因此，上倾管2与下倾管5垂直设置。

3)下倾管5的作用是耗散分层两相流，下倾管5的管径通过联立taitel-dukler流型转变准则方程与分层流水动力特性方程、再假定无量纲液膜高度后通过迭代方法求解；受限于长度、高度要求，并要保证液塞耗散分层效果，下倾管5的倾角不能太小也不能太大，本发明推荐使用45°作为下倾管5的倾角。

4)液相底管7将继续耗散未完全分层的液塞，并使液滴沉降，此时应保证两相流速度较小且液滴有足够的时间沉降；因此，本发明推荐液相底管7管径为1.5倍的下倾管5管径，同时扩径管6产生喷射效应，液滴撞击壁面沉积；液相底管7入口到立管9底端的最小长度通过液滴沉降速度公式结合液相底管7中表观气速确定。

5)立管9是气相顶管3液相和液相底管7气相交换空间的通道，应保证液滴沉降速度大于立管9截面的平均气速，因此通过联立液滴沉降速度公式与立管9表观气速可以求解得到立管9管径的最小值；当立管9没有被液相底管7中的液体完全充满时，认为立管9可正常工作，因此，通过伯努利方程和液塞到来的压力瞬变方程可以求解出液相在立管9中能达到的最大高度，以这个高度作为立管9高度的最小值。

6)分离器其他部分构件的长度可根据几何关系运算得到。

7)指状段塞流耗散分离装置整体以1％～3％的斜率设置。

本发明实现气液分离的基本原理是将来流分配到多条小管径的并联组合管道结构中，以减小液滴沉降距离、缩短沉降时间，并增加流动总横截面积降低流速、增加停留时间的方式提高分离效率。本发明可在较宽工作范围内保证分离效率，同时满足耐压性、抗冲击性和紧凑性要求，能保障深水气田安全开发、提高经济效益。

本发明提供的指状段塞流耗散分离装置不限于以上实施例，本领域技术人员依据本发明的技术理念对本发明实施例进行的任何修改、等同替换、改进等，都并未脱离本发明的精神原则和保护范围。