CN102784728A - 井下二级旋流分离器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种井下二级旋流分离器，井下二级旋流分离器包括：外管，外管上设有产出液进口；设置在外管中的第一级旋流分离器，第一级旋流分离器包括：第一管壁以及第一管壁中的第一内腔，第一内腔中设有第一入口、第一富油溢流通道和第一富水排出通道；设置在外管中的第二级旋流分离器，第二级旋流分离器包括：第二管壁以及第二管壁中的第二内腔，第二内腔中设有第二入口、第二富油溢流通道和第二富水排出通道；富油流通道，设置在外管中并连接第一富油溢流通道和第二富油溢流通道；其中，第一级旋流分离器与第二级旋流分离器串联连接，第一入口与产出液进口连通，第一富水排出通道与第二入口连接。

Description

井下二级旋流分离器

技术领域

本发明涉及石油化工及环保领域，属于液-液两相分离处理技术，具体而言，涉及一种井下二级旋流分离器，用于井下油-水分离。

背景技术

目前，用于液液两相(以油水两相为例进行说明)的快速分离方法主要有旋流分离、气浮选、过滤和膜分离等。气浮选则适应含油浓度变化的范围小；过滤可以较好地实现油水两相的分离，但对于高含油污水却需要频繁的反冲洗来保证设备的长期稳定运行；膜分离设备成本较高，对介质条件要求又较为严格。旋流分离具有设备体积小、分离效率高等优点，在很多行业得到广泛应用，但只用于地面分离。

水力旋流器的分离原理是利用介质间的密度差而进行离心分离的，密度差越大，分散相的粒径越大，分离效果相对就越好，目前作为一种油水分离设备也已在我国获得了一定的应用(东北石油大学先后申请了多项相关技术专利，如ZL 98211681.0、ZL 01279933.5和ZL 01277425.1等)。

油田井下油水分离技术目前由于分离器分离效果、同注水质质量等的限制，未得到很好的推广应用。随着油田开采的深入，采出液的含水率逐步增高，采出水不仅大大增加了举升和作业成本，且为油田地面带来很大的环保压力。

发明内容

本发明旨在提供一种井下二级旋流分离器，以解决现有技术在井下油-水分离方面效果差的问题。

为此，本发明提出一种井下二级旋流分离器，所述井下二级旋流分离器包括：外管，所述外管上设有产出液进口；设置在所述外管中的第一级旋流分离器，所述第一级旋流分离器包括：第一管壁以及所述第一管壁中的第一内腔，所述第一内腔中设有第一入口、第一富油溢流通道和第一富水排出通道；设置在所述外管中的第二级旋流分离器，所述第二级旋流分离器包括：第二管壁以及所述第二管壁中的第二内腔，所述第二内腔中设有第二入口、第二富油溢流通道和第二富水排出通道；富油流通道，设置在所述外管中并连接所述第一富油溢流通道和所述第二富油溢流通道；其中，所述第一级旋流分离器与所述第二级旋流分离器串联连接，所述第一入口与所述产出液进口连通，所述第一富水排出通道与所述第二入口连接。

进一步地，所述外管为直管，所述第一级旋流分离器与所述第二级旋流分离器同轴依次首尾连接，所述富油流通道设置在所述第一管壁和所述第二管壁之外。

进一步地，所述第一内腔中设有与所述第一入口连通的第一螺旋形旋流腔，所述第一螺旋形旋流腔的末端与所述第一富水排出通道连通，所述井下二级旋流分离器还包括：连接在所述第一富油溢流通道的首端的集油腔，所述集油腔设置在所述外管中，所述第一富油溢流通道的末端位于所述第一螺旋形旋流腔的前端，且位于前端的轴心处。

进一步地，所述第一级旋流分离器还包括：设置在所述第一富水排出通道中的导向底锥，所述导向底锥伸入到所述第一螺旋形旋流腔中，所述锥面形成锥尖，所述第一富油溢流通道位于所述第一内腔的中央，所述锥尖朝向所述第一富油溢流通道并位于所述第一内腔的中央。

进一步地，所述导向底锥的底部设置在所述第二入口上，所述锥尖与所述第一富油溢流通道的末端的间距为8至15倍的所述第一螺旋形旋流腔的直径。

进一步地，所述导向底锥包括：相连接的第一锥段和第二锥段，所述锥尖位于所述第二锥段上，所述第一锥段的锥度小于所述第二锥段的锥度。

进一步地，所述第二级旋流分离器为圆弧曲线过渡型双锥水力旋流器。

进一步地，所述外管上还设有与第一富油溢流通道连通的抽油泵，所述抽油泵位于所述第一富油溢流通道的首端。

进一步地，所述外管中还设有与第二富水排出通道连通的集水腔，以及与所述集水腔连接的注入泵。

进一步地，所述富油流通道所述与产出液进口通过密封件间隔。

由于采用了第一级旋流分离器和第二级旋流分离器共两级旋流分离器，产出液经过了两级分离能够得到有效的处理，增加了产油量，又保证二级分离器处理后富水流达到井下同井同注指标，达到了环保的效果，使井下油水分离及同井同注成为可能。

进而，本发明的第一级旋流分离器中具有导向底锥和锥尖(也称为顶针)，这样使油滴在顶针附近聚集，并沿顶针向上运移，缩短了油相从溢流口流出的距离，利于含油污水的进一步分离。

附图说明

图1为根据本发明实施例的井下二级旋流分离器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的第一级旋流分离器的工作原理示意图。

附图标号说明：

1、外管  11、密封件  13、产出液进口  15、集油腔  17、富油流通道

19、密封件  2、第一级旋流分离器  21、第一管壁  23、第一内腔

25、导向底锥  230、第一入口  231、第一螺旋形旋流腔  235、第一富油溢流通道

237、第一富水排出通道  251、锥尖  253、锥面  252、第一锥段  254、第二锥段

3、第二级旋流分离器  30、第二管壁  34、第二富水排出通道  36、集水腔

320、第二入口  321、第二螺旋形旋流腔  323、第二富油溢流通道

100、井下二级旋流分离器

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，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，根据本发明实施例的井下二级旋流分离器100包括：外管1、设置在所述外管中的第一级旋流分离器2以及设置在所述外管中的第二级旋流分离器3。所述外管1上设有产出液进13，以便从井下获取产出液。外管1可以通过连接件或连接部与油管相连，例如采取斜螺纹形式的连接段与井下配套装置联接。

旋流分离原理是利用两种不互溶液体介质的密度差而进行离心分离。在离心力的作用下，密度较重相——水被甩至器壁；同时，密度较轻相——油被挤至中心处。这样，油从中部的溢流管排出，水则向底流口运动，由底流口排出，从而实现旋流分离。

所述第一级旋流分离器2包括：第一管壁21以及所述第一管壁中的第一内腔23，所述第一内腔23中设有第一入口230、第一富油溢流通道235和第一富水排出通道237。第一富油溢流通道235是一次分离(即第一次分离)时，含油多的液体的排出通道，例如，可以为带有孔的管道，第一富水排出通道237是一次分离时，含水多的液体的排出通道。

所述第二级旋流分离器3包括：第二管壁30以及所述第二管壁30中的第二内腔(图中未标示)，所述第二内腔中设有第二入口320、第二富油溢流通道323和第二富水排出通道34。第二富油溢流通道323是二次分离时，含油多的液体的排出通道，第二富水排出通道34是二次分离(即第二次分离)时，含水多的液体的排出通道，也是经过两次分离后最终的排水通道。

富油流通道17，设置在所述外管1中并连接所述第一富油溢流通道235和所述第二富油溢流通道323。井下二级旋流分离器分离出来的油是来自第一富油溢流通道235和所述第二富油溢流通道323的总和。所述第一级旋流分离器2与所述第二级旋流分离器3串联连接，这样，能够在一次分离的基础上进行二次分离，保证二级旋流分离器处理的高效性，保证二级分离器处理后富水流达到井下同井同注指标。其中，所述第一入口230与所述产出液进口13连通，所述第一富水排出通道237与所述第二入口320连接。

一级旋流器采用螺旋流道式入口结构，相比常规盘式入口结构减少空间体积，并能为旋流器入口液流提供充分的切向速度，保证分离效率。

一级旋流分离器底流口结构采用螺旋流道式出口，为二级旋流器提供螺旋液流的同时减少二级旋流分离器入口环空结构，与二级旋流分离器直接相连，缩短整体分离段的轴向尺寸，并保证了井下二级旋流分离器的同轴度。

二级富油流与一级富油流均通过入口结构处开径向孔联通富油流通道，这样减少密封件的使用，省去多余空间。

进一步地，如图1所示，所述外管1为直管，所述第一级旋流分离器2与所述第二级旋流分离器3同轴依次首尾连接，通常，所述第一级旋流分离器2设置在所述第二级旋流分离器3的上端，这样，能够减少外管1的径向尺寸，适应井下油水分离的工作环境，所述富油流通道17设置在所述第一管壁21和所述第二管壁30之外，即富油流通道17设置在所述第一管壁21和外管1之间，以及所述第二管壁30和外管1之间，这样能够利用第一管壁21、所述第二管壁30以及外管的环空，使得外管尺寸小，减少了二级旋流器的附加入口结构，保证了一级与二级的液流连续性，能够提供给二级旋流分离器稳定的液相。

进一步地，如图1和图2所示，所述第一内腔23中设有与所述第一入口230连通的第一螺旋形旋流腔231，所述第一螺旋形旋流腔231的末端与所述第一富水排出通道237连通。第一螺旋形旋流腔231是在第一管壁21中设置螺旋槽，使得进入第一管壁21中的油与水的混合液形成旋流。第一螺旋形旋流腔231起到预选和稳流作用。由于井下二级旋流分离器是设置在井下，用于井下开采的油与水的混合液的分离，井下二级旋流分离器的工作深度距离地面几百米甚至上千米，这样，进入第一螺旋形旋流腔231的油与水的混合液在巨大的井下压力的作用下，产生高速旋转，因而，本发明无需单独的驱动装置，例如电动机来驱动油与水的混合液进行旋转，节能环保。

如图1所示，所述井下二级旋流分离器2还包括：连接在所述第一富油溢流通道的首端的集油腔15，所述集油腔15设置在所述外1管中，所述第一富油溢流通道235的末端(图1中为下端)位于所述第一螺旋形旋流腔231的端部，例如位于前端，且位于前端的轴心处。这样，使得第一次分离出来的油(或液体)从上端被抽走，分离出来的含水多的液体进入下端进行第二次分离，第一次分离中油和水的相反走向与采油生产中油要抽上去，水要注同地下的目的相吻合，节约了能源。

进一步地，如图1所示，所述第一级旋流分离器2还包括：设置在所述第一富水排出通道237中的导向底锥25，所述导向底锥25伸入到所述第一螺旋形旋流腔231中，所述锥面253形成锥尖251，所述第一富油溢流通道235位于所述第一内腔23的中央(即位于第一内腔23的轴线上)，所述锥尖251朝向所述第一富油溢流通道235并位于所述第一内腔23的中央(即位于第一内腔23的轴线上)。油与水的混合液进入第一螺旋形旋流腔231后，在整个第一内腔23内都高速旋转，即使离开第一螺旋形旋流腔231进入第一内腔23的其他部分，也能够高速旋转。一部分分离出来的油(或含油多的液体)直接进入第一富油溢流通道235，没有进入第一富油溢流通道235的液体则下行进入第一富水排出通道237中，由于在这个过程中仍然继续着旋流分离，所以还有油或油滴继续分离出来，通过导向底锥2，可以使得这部分油或油滴沿着锥面253移动，到达锥尖251后，以与第一内腔23的轴线一致的方向进入到第一富油溢流通道235中，这样，能够提高第一次分离的效率，减少第二次分离的负担。因此，导向底锥2可以弥补第一富油溢流通道235的不足。

目前，现有的旋流器内部没有顶针(锥尖)，只是一个向下收口的锥管结构。这种结构底流口是一根管，形不成切向出液形式。本发明的锥尖的好处是把底部出水口(第一富水排出通道237)与常规旋流器的入口有机地结合在一起。使两级形成一个统一的有机整体。

进一步地，如图1所示，所述导向底锥25的底部设置在所述第二入口320上，所述锥尖251与所述第一富油溢流通道235的末端的间距d为8至15倍的所述第一螺旋形旋流腔231的直径。间距d太大，导向底锥25难以将油或油滴输送至第一富油溢流通道235中，间距d太小，则不利于锥底部分的油或油滴的输送。

进一步地，如图2所示，所述导向底锥包括：相连接的第一锥段252和第二锥段254，所述锥尖251位于所述第二锥段254上，所述第一锥段的锥度E小于所述第二锥段的锥度F，这样，起到一个收拢和变向的作用，以便油或油滴尽快向着第一富油溢流通道235移动。

如图2所示，第一级旋流分离器2的工作原理为：第一级旋流分离器2的上部侧向具有第一入口230，产出液从第一入口230侧向进入到第一内腔23中，分离出来的油或(含油多的液体)从第一富油溢流通道235的上部流出，含水多的液体从底部侧向设置的第一富水排出通道237流出，第一入口230和第一富水排出通道237侧向设置的方式便于第一内腔23内形成稳定的分离空间。

进一步地，所述第二级旋流分离器3为圆弧曲线过渡型双锥水力旋流器，第一级旋流分离器2与第二级旋流分离器3实现无中间环空紧密连接，保证了很高的同轴度。圆弧曲线过渡型双锥水力旋流器例如参见ZL01279933.5的专利，该分离器的原理也是旋流分离，起到将一级旋流得到的富水流进一步净化的作用，以达到井下选定地层的排放指标。二级旋流分离器虽然均采用旋流分离原理，但是因其作用不同，采用了不同的结构形式。初分作用的内锥式旋流分离器(第一级旋流分离器2)在内部增设了两段锥角的顶针结构，使油滴在顶针附近聚集，并沿顶针向上运移，利于含油污水的进一步分离，通过初分，将产出液主要的油相分离出来；第二级的分离器(第二级旋流分离器3)主要起到对富水流进一步净化的作用，是处理后的水相能否达到同井同注指标的关键，采用的圆弧曲线过渡型双锥水力旋流器具有高效的除油分离效果。因此，这种串联结构在两端保证了整体的高效分离效果。这两种旋流分离器的组合效率高，优化分离器的分离效果，能够模块组合，可以根据中、高含水井的具体井况进行优化变型，拓宽了其推广应用前景。

进一步地，所述外管1上还设有与第一富油溢流通道235连通的抽油泵(图中未示出)，所述抽油泵位于所述第一富油溢流通道235的首端，例如，抽油泵位于集油腔15的上方，以进行抽油，抽油泵可以为地面驱螺杆泵，也可以是潜油电泵或潜油螺杆泵。

进一步地，所述外管1中还设有与第二富水排出通道34连通的集水腔36，以及与所述集水腔36连接的注入泵，以将水注入井下。

进一步地，如图1所示，所述富油流通道17所述与产出液进口134通过密封件间隔，在上部，通过密封件11间隔，在下部，通过密封件19间隔开。密封件11和密封件19例如为密封圈。

本发明中，井下二级旋流分离器100以模块组合形式形成二级串联布置，通过密封装置布置于井下采油段。井下油水混合液经井壁流入，先后流经一级的内锥式旋流分离器(即第一级旋流分离器2)和二级的圆弧曲线过渡型双锥水力旋流器(即第二级旋流分离器3)。富油流(含油多的液体)经分离器与井壁之间形成的环形集油通道(富油流通道)被采油泵泵送至地面，富水流(含水多的液体)达到井下地层的排放指标，直接同井同注入目标地层当中。

同其他水处理工艺及设备相比，井下二级旋流分离器100结构更加紧凑，本发明涉及的两种单体旋流分离结构分别因其螺旋入口形式和圆弧曲线过渡型双锥水力旋流器结构实现了小直径下的高效分离效果；设备本身无任何驱动部件，完全利用自然力，利于在井下使用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种井下二级旋流分离器，其特征在于，所述井下二级旋流分离器包括：

外管，所述外管上设有产出液进口；

设置在所述外管中的第一级旋流分离器，所述第一级旋流分离器包括：第一管壁以及所述第一管壁中的第一内腔，所述第一内腔中设有第一入口、第一富油溢流通道和第一富水排出通道；

设置在所述外管中的第二级旋流分离器，所述第二级旋流分离器包括：第二管壁以及所述第二管壁中的第二内腔，所述第二内腔中设有第二入口、第二富油溢流通道和第二富水排出通道；

富油流通道，设置在所述外管中并连接所述第一富油溢流通道和所述第二富油溢流通道；

其中，所述第一级旋流分离器与所述第二级旋流分离器串联连接，所述第一入口与所述产出液进口连通，所述第一富水排出通道与所述第二入口连接。

2.如权利要求1所述的井下二级旋流分离器，其特征在于，所述外管为直管，所述第一级旋流分离器与所述第二级旋流分离器同轴依次首尾连接，所述富油流通道设置在所述第一管壁和所述第二管壁之外。

3.如权利要求1所述的井下二级旋流分离器，其特征在于，所述第一内腔中设有与所述第一入口连通的第一螺旋形旋流腔，所述第一螺旋形旋流腔的末端与所述第一富水排出通道连通，所述井下二级旋流分离器还包括：连接在所述第一富油溢流通道的首端的集油腔，所述集油腔设置在所述外管中，所述第一富油溢流通道的末端位于所述第一螺旋形旋流腔的前端，且位于前端的轴心处。

4.如权利要求1至3中任一项所述的井下二级旋流分离器，其特征在于，所述第一级旋流分离器还包括：设置在所述第一富水排出通道中的导向底锥，所述导向底锥伸入到所述第一螺旋形旋流腔中，所述导向底锥的锥面形成锥尖，所述第一富油溢流通道位于所述第一内腔的中央，所述锥尖朝向所述第一富油溢流通道并位于所述第一内腔的中央。

5.如权利要求4所述的井下二级旋流分离器，其特征在于，所述导向底锥的底部设置在所述第二入口上，所述锥尖与所述第一富油溢流通道的末端的间距为8至15倍的所述第一螺旋形旋流腔的直径。

6.如权利要求4所述的井下二级旋流分离器，其特征在于，所述导向底锥包括：相连接的第一锥段和第二锥段，所述锥尖位于所述第二锥段上，所述第一锥段的锥度小于所述第二锥段的锥度。

7.如权利要求1所述的井下二级旋流分离器，其特征在于，所述第二级旋流分离器为圆弧曲线过渡型双锥水力旋流器。

8.如权利要求1所述的井下二级旋流分离器，其特征在于，所述外管上还设有与第一富油溢流通道连通的抽油泵，所述抽油泵位于所述第一富油溢流通道的首端。

9.如权利要求1所述的井下二级旋流分离器，其特征在于，所述外管中还设有与第二富水排出通道连通的集水腔，以及与所述集水腔连接的注入泵。

10.如权利要求1所述的井下二级旋流分离器，其特征在于，所述富油流通道所述与产出液进口通过密封件间隔。

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