管道式油气水分离系统及分离方法与流程

本发明涉及油气水分离技术领域，更具体地说，涉及一种管道式油气水分离系统及分离方法。

背景技术：

在石油、天然气等油气开采领域，通常都需要用到油气水多相分离系统，来将生产井的产出液分离成达标的油相、气相和水相。目前，陆地及海上油气田开采量大幅度增加，且伴随开采的延续，油井含水率越来越高，并常伴有大量的气体，给已有油气水分离系统带来较大的压力，使传统的分离技术的缺陷逐渐显现，影响海洋油气开采技术的发展。

油气水多相分离技术中物理分离的方法主要包括重力分离法、离心分离法、气浮分离法、膜分离法和过滤分离法等。在现实生产中，往往需要对大量的油气水混合液进行快速分离，重力分离和过滤分离都是有效的分离技术手段，但处理速度相对较慢，且设备结构复杂、体积庞大。授权公告号为cn101810941b的专利《复合式油水分离系统》，公开了一种采用梯型管和旋流管组成的管道式油水分离系统，其结构简单、处理快速，对油水两相的分离具有较好的效果。授权公告号为cn104707364b的专利《油水分离装置和油水分离方法》，公开了一种集离心和重力分离为一体的管道式油水分离装置，可实现对油水混合液的快速分离。授权公告号为cn105031977b的专利《油气水多相分离系统及其应用方法》，公开了一种由气液旋流分离、油水旋流聚并和动态重力分离的管道式油气水分离系统及其应用方法，可实现对油气水混合液的快速分离。

综上所述，油气开采中的油气水分离装置逐步向高效、轻便等方向发展。因此，发展新型高效紧凑型分离器，提高油气水分离的指标和效率，减小海上平台载重，对海洋石油工程的发展具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种管道式分离系统及分离方法，可实现对油气水混合来液的快速高效分离，具有占地面积小、分离速度快等优点，并可实现对油气水混合来液分离的自动控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种管道式油气水分离系统，其包括:

上层套管结构，包括水平设置的上层外管和上层内管；所述上层内管的一端具有气相出口，所述上层内管的顶部开设有第一进口；

中层套管结构，包括水平设置的中层外管和中层内管；所述中层内管的一端具有进液口，另一端具有油相出口；所述中层内管的顶部开设有第一出口，底部开设有第二出口；

下层套管结构，包括水平设置的下层外管和下层内管；所述下层内管的一端具有水相出口，所述下层内管的底部开设有第二进口；

至少一根第一立管，用于连通所述上层外管和所述中层外管；

至少一根第二立管，用于连通所述中层外管和所述下层外管。

在一些实施例中，该管道式油气水分离系统还包括依次安装在所述上层内管气相出口管路上的第一调节阀和集液腔、安装在所述中层内管的油相出口管路上的第二调节阀、将所述集液腔与所述第二调节阀的出口相连通的回流管路、安装在所述下层内管的水相出口管路上的第三调节阀、以及安装在所述回流管路上的第四调节阀。

在一些实施例中，该管道式油气水分离系统还包括安装在所述集液腔内的液位检测仪、以及安装在所述下层内管的水相出口管路上的含油率分析仪；所述液位检测仪分别与所述第一调节阀、所述第四调节阀通信连接，控制相应阀门的开度；所述含油率分析仪分别与所述第二调节阀、所述第三调节阀通信连接，控制相应阀门的开度。

在一些实施例中，所述上层外管和所述上层内管偏心设置，所述上层外管和所述上层内管之间上部的间隙小于下部的间隙；

所述中层外管和所述中层内管同轴设置；

所述下层外管和所述下层内管偏心设置，所述下层外管和所述下层内管之间上部的间隙大于下部的间隙。

在一些实施例中，所述上层外管和所述上层内管之间上部的间隙和下部的间隙的比例为1:3，所述下层外管和所述下层内管之间上部的间隙和下部的间隙的比例为3:1。

在一些实施例中，所述上层外管的底部和所述中层外管的顶部之间通过多根倾斜设置的第一立管相连通，所述中层外管的底部和所述下层外管的顶部之间通过多根竖直设置的第二立管相连通。

在一些实施例中，所述第一立管的倾斜角度α为15-45°，水平间距为1-1.8m，数量为6-12根；所述第二立管的间距为1-1.8m，数量为6-12根。

在一些实施例中，当油气水混合来液的混合流量为20-30m³/h、体积含气率不高于30％、液相中体积含水率不高于60％时，

所述上层外管的内径为100mm，所述上层内管的内径为50mm、外径为60mm，所述上层内管顶部开设的第一进口的直径为6mm、数量为80个，所述上层外管和所述上层内管之间上部的间隙为10mm、下部的间隙为30mm；

所述中层外管的内径为100mm，所述中层内管的内径为50mm、外径为60mm，所述中层内管顶部开设的第一出口的直径为6mm、数量为80个，底部开设的第二出口的直径为8mm、数量为80个；

所述下层外管的内径为100mm，所述下层内管的内径为50mm、外径为60mm，所述下层内管底部开设的第二进口的直径为8mm、数量为80个，所述下层外管和所述下层内管之间上部的间隙为30mm、下部的间隙为10mm；

所述第一立管的内径为50mm、倾斜角度α为30°、水平间距为1m、数量为6根；

所述第二立管的内径为50mm、间距为1m、数量为6根。

本发明还提供一种管道式油气水分离方法，针对上述任一项所述的管道式油气水分离系统，按以下步骤进行处理：

s1、将油气水混合来液由进液口输入到所述管道式油气水分离系统中，通过动态重力分离和浅池分离的作用，在中层套管结构中进行初步分离，初步分离出的气相由中层内管顶部的第一出口流出，并通过第一立管流入到上层套管结构中，再通过浅池分离的作用进行精细分离，完全分离出来的气相由上层内管顶部的第一进口进入到所述上层内管中，并经由气相出口流出；初步分离出的水相由中层内管底部的第二出口中流出，并通过第二立管流入到下层套管结构中，再通过浅池分离的作用进行精细分离，完全分离出来的水相由下层内管底部的第二进口进入到所述下层内管中，并经由水相出口流出；剩余的油相通过中层内管经由油相出口流出。

在一些实施例中，在步骤s1之前还包括：

s0、开启所述上层内管气相出口管路上的第一调节阀、所述中层内管油相出口管路上的第二调节阀、所述下层内管水相出口管路上的第三调节阀至全开的位置，回流管路上的第四调节阀至全关的位置；

在步骤s1之后还包括：

s2、当气相流经至所述上层内管气相出口管路上安装的集液腔时，所述集液腔收集气相中携带的液体，并将携带的液体通过所述回流管路流入油相出口管路流出；

s3、通过所述集液腔内安装的液位检测仪，实时测量所述集液腔内的液位，控制其在预置的数值h1之内；将所述液位检测仪测量的信号传输至所述第一调节阀和所述第四调节阀，当所述液位检测仪测量的液位高于预置的数值h1时，调大所述第四调节阀，调小所述第一调节阀；

s4、通过所述下层内管水相出口管路上安装的含油率分析仪，实时测量所述水相出口管路中的含油率，控制其在预置的数值h2之内；将所述含油率分析仪测量的信号传输至所述第二调节阀和所述第三调节阀，当所述含油率分析仪测量的含油率高于预置的数值h2时，调大所述第二调节阀，调小所述第三调节阀。

实施本发明至少具有以下有益效果：本发明的管道式油气水分离系统，通过动态重力分离和浅池分离的作用，中层套管结构可实现对油气水混合来液的初步分离，上层套管结构可实现对经过中层套管结构初步分离后的气液的进一步精细分离，下层套管结构可实现对经过中层套管结构初步分离后的油水的进一步精细分离；该管道式油气水分离系统完全采用管道式的分离技术，实现油气水的完全分离，具有占地面积小、处理效率高等特点，适用于陆上和海上油田，易于安装应用于水下，有较好的工业应用前景。

另外，通过安装在各出口管路上的第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀、集液腔、回流管路、液位检测仪、以及含油率分析仪，还可对分离的过程实现完全自动控制，将分离后的气中含液率、油中含水率、水中含油率控制在预设标准以下。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一些实施例中管道式油气水分离系统的结构示意图；

图2是图1的a-a剖视结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1-2所示为本发明一些实施例中的管道式油气水分离系统，该管道式油气水分离系统包括多层分岔管路分离装置，该多层分岔管路分离装置用于实现对油气水混合来液的快速高效分离，其一端具有可供油气水混合来液流入的进液口4，另一端具有可供分离后的气相流出的气相出口15、供分离后的油相流出的油相出口25、以及供分离后的水相流出的水相出口35。该多层分岔管路分离装置包括水平设置的上层套管结构1、中层套管结构2、下层套管结构3，以及用于连通上层套管结构1和中层套管结构2的至少一根第一立管51、用于连通中层套管结构2和下层套管结构3的至少一根第二立管52。该多层分岔管路分离装置通过动态重力分离和浅池沉降分离理论对油气水混合来液进行分离。

具体地，中层套管结构2包括水平设置的中层外管21和中层内管22，其可实现对油气水混合来液的初步分离。其中，中层内管22的一端具有进液口4，另一端具有油相出口25。优选地，中层外管21和中层内管22同轴设置。中层内管22的顶部开设有可供初步分离出的气相流出的第一出口23，底部开设有可供初步分离出的水相流出的第二出口24。

上层套管结构1包括水平设置的上层外管11和上层内管12，其可实现对经过中层套管结构2初步分离后的气液的进一步精细分离。其中，上层内管12对应油相出口25的一端具有气相出口15。上层套管结构1对应进液口4的一端可以采用盲板封住，或者其也可以通过第一立管51连通至中层套管结构2。上层内管12的顶部开设有可供分离出的气相流入的第一进口13。优选地，上层外管11和上层内管12偏心设置，且上层外管11和上层内管12之间上部的间隙小于下部的间隙，以增强浅池分离理论的作用，提高气液分离的效率和指标。上层外管11和上层内管12之间偏心的距离可根据内外管道的直径确定，一般情况下，上层外管11和上层内管12之间上部的间隙和下部的间隙的比例为1:3。

下层套管结构3包括水平设置的下层外管31和下层内管32，其可实现对经过中层套管结构2初步分离后的油水的进一步精细分离。其中，下层内管32对应油相出口25的一端具有水相出口35。下层套管结构3对应进液口4的一端可以采用盲板封住，或者其也可以通过第二立管52连通至中层套管结构2。下层内管32的底部开设有可供分离出的水相流入的第二进口34。

优选地，下层外管31和下层内管32偏心设置，且下层外管31和下层内管32之间上部的间隙大于下部的间隙，以增强浅池分离理论的作用，提高油水分离的效率和指标。下层外管31和下层内管32之间偏心的距离可根据内外管道的直径确定，一般情况下，下层外管31和下层内管32之间上部的间隙和下部的间隙的比例为3:1。

第一出口23、第二出口24、第一进口13、第二进口34均可以为通孔和/或细缝，以防止回流。优选地，第一出口23、第二出口24分别为设置在中层内管22顶部、底部的多个圆孔；第一进口13可以为设置在上层内管12顶部的多个圆孔；第二进口34可以为设置在下层内管32底部的多个圆孔。其中，中层内管22顶部开孔的数量和直径可以和上层内管12顶部开孔的数量和直径相同；中层内管22底部开孔的数量和直径可以和下层内管32底部开孔的数量和直径相同。中层内管22顶部开孔的数量和直径、以及上层内管12顶部开孔的数量和直径，可根据进液口处油气水混合来液中的气相体积含率计算得出。中层内管22底部开孔的数量和直径、以及下层内管32底部开孔的数量和直径，可根据进液口处油气水混合来液中的水相体积含率计算得出。

优选地，上层外管11的底部和中层外管21的顶部之间通过多根倾斜设置的第一立管51相连通。立管倾斜设计能够有效减小流动的阻力，促进气液的快速分离；且能够优化流场结构，增加分离的稳定性。第一立管51的数量、间距和倾斜角度α，可根据进液口处油气水混合来液中的气相体积含率计算得出。一般情况下，第一立管51的数量为6～12根、水平间距为1m～1.8m、倾斜角度α为15～45°。通常，当工况条件下的体积含气率不高于30％时，第一立管51的数量为6根、水平间距为1m、倾斜角度α为30°。

优选地，中层外管21的底部和下层外管31的顶部之间通过多根竖直设置的第二立管52相连通。第二立管52的间距和数量可根据进液口处油气水混合来液中的水相体积含率计算得出。一般情况下，第二立管52的数量为6～12根、间距为1m～1.8m。通常，当进液口处液相中的体积含水率不高于60％时，第二立管52的数量为6根、间距为1m。

在其他实施例中，第二立管52也可以采用倾斜立管的方式，同样可以优化流场结构，减小流动阻力。但是，相对于气液分离中第一立管51设置成倾斜立管的作用，油水分离中第二立管52设置成倾斜立管的作用较小，且会增加加工的成本。

该多层分岔管路分离装置的分离过程为：油气水混合来液由多层分岔管路分离装置的进液口4进入到中层内管22中，通过动态重力分离和浅池分离理论的作用，在流动过程中产生分层，上层的气相由中层内管22顶部开设的第一出口23流出，下层的水相由中层内管22底部开设的第二出口24流出；初步分离出的气相经过第一立管51流入上层套管结构1，通过浅池分离理论的作用，气液进行进一步的分离，完全分离出来的气相由上层内管12顶部开设的第一进口13进入上层内管12，最终由多层分岔管路分离装置的气相出口15流出；初步分离出的水相经过第二立管52流入下层套管结构3，通过浅池分离理论的作用，油水混合液进行进一步的精细分离，完全分离出来的水相由下层内管32底部开设的第二进口34进入下层内管32，最终由多层分岔管路分离装置的水相出口35流出；剩余的油相由多层分岔管路分离装置的油相出口25流出，从而实现油气水的完全分离。

多层分岔管路分离装置中内外管道的尺寸可以根据油气水混合来液的混合流量和体积含率确定。当油气水的混合流量为20～30m³/h、工况条件下体积含气率不高于30％、液相中体积含水率不高于60％的油气水混合来液进入本发明中的多层分岔管路分离装置中时，具体实施例的尺寸如下：

多层分岔管路分离装置中的上层套管结构1，上层外管11的内径为100mm，上层内管12的内径为50mm、外径为60mm，上层内管12顶部开设的第一进口13的直径为6mm、数量为80个，上层外管11和上层内管12之间上部的间隙为10mm、下部的间隙为30mm；

多层分岔管路分离装置中的中层套管结构2，中层外管21的内径为100mm，中层内管22的内径为50mm、外径为60mm，中层内管22顶部开设的第一出口23的直径为6mm、数量为80个，底部开设的第二出口24的直径为8mm、数量为80个；

多层分岔管路分离装置中的下层套管结构3，下层外管31的内径为100mm，下层内管32的内径为50mm、外径为60mm，下层内管32底部开设的第二进口34的直径为8mm、数量为80个，下层外管31和下层内管32之间上部的间隙为30mm、下部的间隙为10mm；

多层分岔管路分离装置中的第一立管51，内径为50mm，倾斜角度α为30°，水平间距为1m，立管的数量为6根；

多层分岔管路分离装置中的第二立管52，内径为50mm，间距为1m，立管的数量为6根。

优选地，本发明中的管道式油气水分离系统还可包括安装在多层分岔管路分离装置气相出口管路上的集液腔71、以及将集液腔71与多层分岔管路分离装置的油相出口管路相连通的回流管路72。集液腔71可以收集气相出口管路中携带的液体，并将携带的液体通过回流管路72流入到油相出口管路中，以进一步提高气体分离的效果，将气中体积含液率降至0.5％以内。通常，上述气中体积含液率的预设值也可适当的调节。

进一步地，该管道式油气水分离系统还可包括安装在多层分岔管路分离装置气相出口管路上的第一调节阀61、安装在多层分岔管路分离装置油相出口管路上的第二调节阀62、安装在多层分岔管路分离装置水相出口管路上的第三调节阀63、以及安装在回流管路72上的第四调节阀64，以实现对相应管路流量的调节。第一调节阀61、第二调节阀62、第三调节阀63、以及第四调节阀64均可为手动调节阀或者电动调节阀。在一些实施例中，第一调节阀61、集液腔71可依次安装在多层分岔管路分离装置的气相出口管路上。回流管路72可将集液腔71与第二调节阀62的出口相连通，以将集液腔71中积累的液相放掉，避免集液腔71内的区域成为流动死区，影响液位控制方法的实现。

优选地，第一调节阀61、第二调节阀62、第三调节阀63、以及第四调节阀64均为电动调节阀，以便于实现对油气水分离的完全自动控制。

此外，该管道式油气水分离系统还可包括安装在集液腔71内的液位检测仪81、以及安装在多层分岔管路分离装置水相出口管路上的含油率分析仪82。液位检测仪81可实时测量集液腔71内的液位，并将测量的信号传输至第一调节阀61和第四调节阀64，控制相应阀门的开度，将气中体积含液率降至预设标准(如0.5％)以下。含油率分析仪82可实时测量水相出口管路的含油率，并将测量的信号传输至第二调节阀62和第三调节阀63，控制相应阀门的开度，将含油率降至预设标准(如30mg/l)以下。

在一些实施例中，液位检测仪81可以为电容式液位测量装置，含油率分析仪82可以为红外含油率在线分析仪。当然，所有的高精度在线检测仪均可以实现测量的功能，但精度和灵敏度上会存在一定的差异，本发明只是提供了一种具体的测量方案，实际中可根据测量的要求选择不同的测量仪器和测量方案，来对气中含液率、油中含水率、水中含油率、液位等中的一个或多个参数进行测量。

本发明提出的管道式油气水分离系统，完全采用管道式的分离技术，实现油气水的完全分离，具有占地面积小、处理效率高等特点，且能对分离的过程实现完全自动控制。本发明的管道式油气水分离系统，在处理指标、分离效率及占地面积等方面均具有较大的优势，能够较好地替代油气开采中采用的罐体式分离系统，其可适用于陆上和海上油田，易于安装应用于水下，有较好的工业应用前景。

本发明还提供一种管道式油气水分离方法，针对上述提出的管道式油气水分离系统，按以下步骤进行处理：

s1、将油气水混合来液由进液口4输入到管道式油气水分离系统中，通过动态重力分离和浅池分离的作用，在中层套管结构2中进行初步分离，初步分离出的气相由中层内管22顶部的第一出口23流出，并通过第一立管51流入到上层套管结构1中，再通过浅池分离的作用进行精细分离，完全分离出来的气相由上层内管12顶部的第一进口13进入到上层内管12中，并经由气相出口15流出；初步分离出的水相由中层内管22底部的第二出口24中流出，并通过第二立管52流入到下层套管结构3中，再通过浅池分离的作用进行精细分离，完全分离出来的水相由下层内管32底部的第二进口34进入到下层内管32中，并经由水相出口35流出；剩余的油相通过中层内管22经由油相出口25流出。

当该管道式油气水分离系统中设置有集液腔71和回流管路72时，相应地，在步骤s1之后还包括：

s2、当经上述多层分岔管路分离装置分离出来的气相经由气相出口管路流经至集液腔71时，集液腔71收集气相中携带的液体，并将携带的液体通过回流管路72流入油相出口管路流出。

优选地，还可以通过第一调节阀61、第二调节阀62、第三调节阀63、以及第四调节阀64来调节相应管路的流量，以使分离出来的气中含液率、油中含水率、水中含油率达到预设标准以下。在一个优选实施例中，可通过以下步骤实现对该管道式油气水分离系统运行的自动控制，在步骤s1之前还包括：

s0、开启上层内管12气相出口管路上的第一调节阀61、中层内管22油相出口管路上的第二调节阀62、下层内管32水相出口管路上的第三调节阀63至全开的位置，回流管路72上的第四调节阀64至全关的位置；

在步骤s2之后包括：

s3、通过集液腔71内安装的液位检测仪81，实时测量集液腔71内的液位，控制其在预置的数值h1之内；将液位检测仪81测量的信号传输至第一调节阀61和第四调节阀64，当液位检测仪81测量的液位高于预置的数值h1时，调大第四调节阀64，调小第一调节阀61；

s4、通过下层内管32水相出口管路上安装的含油率分析仪82，实时测量水相出口管路中的含油率，控制其在预置的数值h2之内；将含油率分析仪82测量的信号传输至第二调节阀62和第三调节阀63，当含油率分析仪(82)测量的含油率高于预置的数值h2时，调大第二调节阀62，调小第三调节阀63。

通过上述步骤s0～s4，即可实现油气水的完全自动分离，易于实现工业化应用，且分离后的气中体积含液率小于0.5％，油中体积含水率小于1.0％，水中含油率小于30mg/l。当然，实际中可根据需要将上述气中体积含液率、油中体积含水率、水中含油率的预设值进行适当的调节，将分离后的气中体积含液率、油中体积含水率、水中含油率控制在预设标准以下。

优选地，上述步骤中的第一调节阀61、第二调节阀62、第三调节阀63、以及第四调节阀64阀门开度的调节均可设置为无级微调节。在其他实施例中，若第一调节阀61、第二调节阀62、第三调节阀63、以及第四调节阀64为手动调节阀，则需要手动进行调节。

在步骤s3中，当液位高于预置的数值h1时，调小第一调节阀61，可实现预设的气液分离效果；调大第四调节阀64，可实现控制信号的回位，实现稳定分离。另外，在气相出口管路中的含液率(气中含液率)较低时，当液位高于预置的数值h1时，也可只单独调节第一调节阀61或第四调节阀64。但是，在气中含液率突然增加时，为了快速将气中含液率降低，则需要同时对第一调节阀61和第四调节阀64进行调节。类似地，在步骤s4中，在水相出口管路中的含油率(水中含油率)较低时，当含油率高于预置的数值h2时，也可只单独调节第二调节阀62或第三调节阀63。但是，在水中含油率突然增加时，为了快速将水中含油率降低，则需要同时对第二调节阀62和第三调节阀63进行调节。

此外，由图1可知，如果只单独调大油相出口管路安装的第二调节阀62，其它阀不动，那么，水中含油率会减小，且集液腔内的液位会降低。在设置阀门联动调节的时候，此种操作也会是其中的一种工况。

可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。