CN85109021A - 分离油井油气流的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明是分离物料流，尤其是油井油气流各组分的离心分离方法和装置。离心力用以从气相组分中把液相组分及固体分开而利用离心力和对流流动的联合作用从第二种液体，如水中，将第一种液体，如原油分开，此外，利用离心力和对流流动的联合作用还可把重质气体如二氧化碳，从轻质气体如碳氢化合物气体中分离出来。

Description

本发明有关固体、液体和气体的分离工艺。更具体地讲，是关于油井油气流中各个组份的离心分离方法和分离装置。

在石油工业上，油井是钻进地层中以获得其中的碳氢化合物。一种单一的地层中，一般都含有多种不同的碳氢化合物，包括气态碳氢化合物，如甲烷，和液态碳氢化合物，如辛烷。地层中这些碳氢化合物经常参杂有非碳氢化合物，如砂子、水和二氧化碳，地层中的这些碳氢化合物和非碳氢化合物组份经过油井流向地面，即为油井油气流产物。

从油井中开采出来的碳氢化合物在投放市场之前，一般都必须先把油气流中的其它组份分离出来。此外，用于输送要求和各自的用途不同，一般液态碳氢化合物必须同气态碳氢化合物分离。由此而形成的液态碳氢化合物流则称为原油，形成的气态碳氢化合物流则称为天然气。原油和天然气往往是分别导入到各自的总输送管道。然后再输送到装运设施，炼油厂，化工厂或工业上或居民点的使用地点。从油井中开采出来的原油和天然气在导入其相应的总输送管道之前，首先必须达到一些为总输送管道所建立的标准。例如，原油中只能允许含有很小百分比的水份和固体颗粒，而天然气中也只允许含很小百分比的水蒸汽，这些限制条件的目的在于使管道中的原油和天然气一直保持相当均匀的物料流。

就是在没有通用的输送要求条件下，实际上往往也需要把原油和天然气分离并达到相对来说无杂质的状态。例如，从海上平台所获得的原油一般是装入油船输送，而天然气一般是通过轻巧的海下管道送到陆地上的设施。如果原油中混有水，一般要求原油在装上油船之前要把水去掉，这样可以充分利用油船的容积。如果天然气中含有相当数量的二氧化碳气体，一般要求把二氧化碳从天然气中分离开来，使二氧化碳在海上平台上就消除掉，以便留出管道容积来单独输送天然气。

由于以上以及其它的一些原因，已花费许多精力并大量投资来开发分离油井油气流组份的系统。许多分离系统利用各种油井油气流组份互不混合并具有不同重度的特性，从而借助于重力来达到所要求的分离。例如，油气流一般是导入容积很大的储槽式的分离器中，分离器中在不同的垂直位置上有各种供不同组份流出的出口管路，在油气流引入分离器后经过一段相当时间的静置，重力的作用就可使较重的组份沉降在底部。一般的情况是，油气流中的水份就会分离出来，沉集在分离器底部，原油部分保留在分离器的中部，而气体部分就上升到分离器顶部，由于这种重力分离需要一定的分离时间，所以分离器一般都相当大，而充满油气流后又很重。

重力固然足以将水、原油和天然气彼此分离开来，但一般却不足以将非碳氢化合物气体从天然气中分离开来。要完成这一分离，一般是将从分离器中分离出的气体送往另一分离系统，这种分离系统是以各种不同的气体组份具有不同的物理和/或化学特性为依据的。依靠不同的物理特性而使一种或多种气体组份从其余的组份中分离出来的系统，一般需通过引入压力并进行冷却从而引起液化作用来完成。在这一系统中采用的压气机、换热器等一般都是大型的，既笨重成本又高。依靠各个组份的不同的化学特性进行分离的系统，例如乙二醇分离系统，一般也需要采用大型、笨重而又昂贵的设备。

分离来自一个或多个油井的油气流各组份时所必须的加工设施的费用，是使一个采油场投入生产所必须的费用的一大部分，就海上采油场来说，这一问题，由于受重量和空间的限制就变得更为复杂。所需加工设施所占的空间越大，以及它们的重量越大，则设计，建造以及安装其大小和强度都足以支承这些设施的海上平台的费用也就越多。由于以上以及其它的一些原因，所以如果能有一套比现存的系统更小，更轻且成本更低的分离系统，则将会取得更高的经济效益。本发明的目标就是要提供这样一套系统。

简而言之，本发明是一种物料流各组份，尤其是油井的油气流各组份的离心分离方法和分离装置。在第一种实施方案中，油气流是通过一中心支柱进入到带有一个主转子和一个内转子的离心分离器中，内转子与主转子相连而得以与其一同旋转。油气流先进入内转子中，把砂子和其它颗粒除掉。油气流的其余组份从内转子流出而进入主转子中，在主转子中它们被离心力和对流流动的联合作用而被一一分离开。水经过布置在主转子下部附近的集水管被分离出来，原油和天然气通过布置在主转子顶部附近并分隔开的集气管而被分离出来。

在第二种实施方案中，只采用一个单独的转子，砂子和其它颗粒是同水一起经过布置在转子底部附近的收集管而被分离出来，而原油则由布置在转子顶部附近的集油管而分离出来。此外，还有两对集气管，一个布置在转子顶部附近。用以分离出轻质气体，如天然气;另一个布置在转子底部附近，用以分离出重质气体，如二氧化碳。

图1是本发明的第一实施方案的离心分离装置的部分剖视图。

图2是沿图1中的2-2截面的横断面视图。

图3是沿图1中的3-3截面的横断面视图。

图4是沿图1中的4-4截面的横断面视图。

图5是沿图1中的5-5截面的横断面视图。

图6是沿图1中的6-6截面的横断面视图。

图7是本发明的第二实施方案中的离心分离装置的部分剖视图。

图8是本发明的第一实施方案的离心分离装置的控制系统的示意图。

图1所示出的是本发明的第一实施方案的离心分离装置的部分剖视图。

离心分离器11是设计来用以分离油气流中各组份的。例如，一种含有水、原油、天然气和固体颗粒如砂子的油气流，通过这一离心分离器可以分离出四种单独的物料流，因此便于使原油和天然气两者能在市场上销售，

把水和砂子两者排除掉。

分离是借助于两个转子，＜粗髯12和内转子13来完成的，这两个转子在一个保护性的静止密封壳体14内的空间里以极高的速度一起转动。转动方向如箭头15所示。为了给出一个有关各部分的大小比例，假设每天需要加工五千至一万桶油气流，则主转子的长度为6英尺（2米），直径为2.5英尺（0.8米）。主转子由高速电动机16驱动，电动机通过主轴17同主转子相连。内转子通过辐条18和19同主转子相连而得以同其一同转动。内转子的主要作用是把砂子和其它颗粒从油气流中分离出来，并把其余的油气流组份加速使之进入主转子中。这其余的组份就在主转子中彼此一一分离开来。

中空容器14基本上是一圆柱形的壳体，并由支脚20支承着。另一种方案是，这一容器也可以由一些器壁组装而成。主转子是通过传动主轴17在容器中转动的，主轴17是从容器底端部的开孔21向外伸出。轴承22使传动轴得以转动并维持传动轴准确地对中。传动轴上带有机械式接触密封23，把容器的底端部密封住，以防止气体漏进或逸出来。容器的顶端部有开孔24，让中心支柱25从中通过，这一开孔由密封装置26封住。

密封住的容器里充有氦气的惰性气体，以防止在其中形成爆炸性的混合物。如果一不注意让天然气从主转子漏进容器里并同空气混合就有可能形成这一混合物。另一种代替在容器里充进惰性气体的做法，就是把容器抽成真空。这样将会增加费用，不过这一增加的费用至少可以部分地由主转子的气动阻力降低而节省下来的能量加以抵偿。

主转子12基本上是圆柱形的，包括主转子的周壁27，底端盖28和顶端盖27。底端盖是整体的并同传动轴17相连，顶端盖有一开孔让中心支柱通过伸出。顶端盖有双重机械式接触密封30，其两侧都有密封环31，环绕着中心支柱。这种布置可允许顶端盖围绕静止的中心支柱转动，同时又可防止气体等漏进或漏出主转子。轴承32支承着主转子的重量，保持主转子的顶端盖对中，使主转子能够在静止的中空容器中转动。轴承33安在主转子的下端，使中心支柱保持准确地对中，并使中心支柱在主转子转动时保持静止固定。唯一同主转子转动的离心分离元件是主转子的隔板34和内转子13，这两件都不同中心支柱接触。

内转子随同主转子一起转动，这是因为它们之间连接着辐条18和19。内转子的形状如图1所示，包括有底板35，截锥状的内转子壁36，截锥状的出口唇部37，内转子的上隔板38和内转子下隔板39。上隔板是园环状的，并将内转子的上腔室40同中腔室41隔开。下隔板也是园环状的，并将中腔室41同下腔室42隔开。无论是上隔板或下隔板都不同中心支柱接触，而且两隔板都带有开槽43，可让砂子通过，这将在以下说明，此外，上隔板带有一些开孔44，可让从中腔室的砂子中脱出的原油进入到上腔室，这也将在以下说明。虽然内转子壁面是截锥形的较好，不过其它的形状也可采用，只要内转子壁面有一径向较大部分和一径向较小部分，径向较大部分是用以从被加工的油气流中分离出砂子和其它颗粒就行。

全部进出离心分离器的流动物质都是经过中心支柱的。油井油气流是通过进料法兰接头45进入中心支柱的，分离出的原油、水，天然气和砂子分别通过油法兰接头46，水法兰接头47，气法兰接头48和砂子法兰接头49流出中心支柱的。补充的水，它的必要性在下面解说，通过补充水法兰接头50流进离心分离器中。

油井油气流是通过进料喷管51喷进内转子上腔室40里，进料喷管布置在中心支柱的两个相反侧面上，并顺着转子的转动方向弯曲。在主转子的顶部附近布置有集油管52和集气管53，它们分别起着把从主转子分离出来的原油和天然气取走的作用。分离出的水由布置在主转子底部附近的集水管54取走。一对对的集油管、集气管和集水管都是沿中心支柱的相反侧面布置的，并弯曲成同主转子的转动方向相反的方向。将各个收集管布置在中心立柱相反的一面，可降低轴承和密封件的磨损，因为这样可使在离心器中快速转动的流体作用在静止的中心支柱上的侧向位移力降至最小，这是因为作用在一根收集管上的侧向位移力趋向于被作用在相反方向上的收集管的力所抵消的缘故。主转子的隔板34将集油管和集气管同主转子的下部隔开，从而可以防止这些收集管不被对流流动所干扰，其原因在以下说明。

从中心支柱相反的两侧伸出而进入内转子的下腔室42中的是砂子收集管55和补充水管56。同其它的收集管相同，砂子收集管也是弯曲成同旋转方向相反的形状。砂子收集管是用以将收集在下腔室中的砂子取走，而补充水管是用以向下腔室里喷补充水，因而可使内转子保持一定的水位直到上部隔板38的高度。所以需要加水是因为有一些水是被在下腔室中的砂子收集管带走了。关于内转子和中心支柱结构的进一步细节。将结合参考图2、3、4、5和6的横截面视图加以说明。

图2是沿图1的2-2截面所切出的横断面视图，这一切面是刚好在内转子的下隔板的上水平面上并延伸经过中心支柱、内转子和主转子。如图中所示，内转子壁面36是通过三根辐条18同主转子壁面27相连接。当主转子按照箭头57所示的方向转动时，它就推动辐条，因而把内转子带动与之一起转动。辐条的切线方向配置使它们在离心分离器操作期间是处于受拉的状态。这样布置可使剪力和压力降至最小，因为这种力会迫使辐条变弯或者变成皱曲。

把内转子中的中腔室同下腔室隔开的下隔板39是同内转子壁面相连接而不同中心支柱25相接触。下隔板上的开槽43可让在中腔室中的砂子流向下腔室而被集砂管取走。出砂子的导管58是布置在中心支柱里面并同集砂管相连直至出砂子的法兰接头。在图2的视图中，在中心支柱内还有二根其它的导管，即补充水导管59和水导管60。补充水导管同补充水喷管联通并通到补充水法兰接头，而水导管则同集水管联通而至水法兰接头。

图3是沿图1的3-3截面切出的横截面视图，切面刚好是在内转子的上隔板上的平面，并延伸经过中心支柱、内转子和主转子。这一视图可以更清楚地看到上隔板的开孔和开槽。开槽43可允许砂子从内转子的上腔室流进中腔室。而内转子的开孔44可让从砂子中脱出的原油经过充满水的中腔室向上浮动进入上腔室。

图4是沿图1的4-4截面所切出的横截面视图，切面刚好是在内转子出口唇部的水平面上，并延伸经过中心支柱和主转子。从视图上可以看到，内转子的出口唇部的顶部37是由3个切向的辐条19同主转子相连的，内转子与中心支柱25之间的环形空间61提供一个通道可让油井油气流从内转子的上腔室流出而进入主转子里。正如图4中所示，中心支柱内有四根导管，即砂子导管58，补充水导管59，水导管60和进料管62。进料管同进料法兰接头相连并延伸到进料喷管。其它的导管上面已经提到过。要注意的是在图4中所示的进料管是在中心支柱的中心位置上，而在图2和3所示位置，水导管是在中心支柱的中心位置上，水导管60从图2和3所示的在中心支柱的中心位置到图4所示的在中心立柱的周边位置的过渡是发生于中心支柱的上隔板和进料管之间的高度上的。

图5是沿图1的5-5截面切出的横截面视图，切面刚好在中心支柱上油法兰接头和水法兰接头下面的平面上。在这一平面上。中心支柱25的横截面是同图4所示的中心支柱的横截面是相似的。砂子导管58，补充水导管59，进料管62和水导管60基本上都是相同的。不过图5中另有一根导管，即油导管63，它是接在集油管上而连在油法兰接头上的。它是用来取走通过离心分离器从油气流中分离出的原油的。经过集气管从主转子中取走的天然气是流经在中心支柱内环绕着各根导管的空间64而流向气体法兰接头的。

图6是沿图1的6-6截面切出的横截面视图，切面刚好在中心支柱上油法兰接头和水法兰接头的上平面上。因为油导管和水导管分别在油法兰接头和水法兰接头处就终止了，所以在图6的中心支柱内就没有出现。其余留下来的导管有砂子导管58，补充水导管59和进料管62。而如图5中所说的，天然气是在中心支柱内的空间64中流通的。

本发明第一实施方案的结构已说明如上。现在参照图1来讨论利用离心分离器来分离油气流中各组份的方法。

油气流经过进料法兰接头45流入离心分离器后，就从进料喷管51喷入快速转动的内转子的上腔室40里。在油气流充满上腔室时，内转子的转动就造成砂子和其它重颗粒组份向外流动，同内转子的截锥形壁面36接触，离心力使砂子沿内转子向外倾斜的壁面向下流动。内转子壁面的最佳倾斜角度是同许多因素有关，包括砂子颗粒的大小，但是同旋转轴线的夹角一般应在20至30度之间。当砂子向下流至上隔板38时，就通过其中的开槽43进入中腔室41。中腔室中充满了水，以下再加以说明，其作用是将粘附在砂子上的残留原油抽取出来。因为残留的原油比在中腔室内的水轻，它就向内移动，并通过上隔板上的开孔44向上浮动。这样，从砂子中抽取出来的残留原油就同上腔室40中油气流重新混合在一起。

在中腔室中脱出残留的原油后，砂子就在离心力的影响下继续向下沿着内转子的向外倾斜的壁面流动。当砂子达到下隔板39的水平面时，就流经开槽43而进入内转子的下腔室42中，再通过集砂管55被取走，集砂管是从中心支柱向外延伸直到接近于内转子壁面的地方。由于集砂管是在下腔室中把砂子取走的，所以有些水也会同时被取走，这两者就通过布置在中心支柱25内的砂子导管流出离心分离器。

正如上面所说的，内转子的中腔室和下腔室充满了水，所以残留在砂子中的原油能够在它流径中腔室时被抽取出来。因为有些水是被在下腔室中的集砂管取走，所以需要补充加入水，以便维持保留在中腔室中的水的液面。这一补充的水是经过补充水喷管56注入下腔室中的。

内转子的下腔室和中腔室主要是被砂子和补充水所占据，而内转子的上腔室则主要是被油气流所占据。上面已经说过，油气流是经过进料喷管51喷入上腔室内的。当运转起动时，一旦上腔室被油气流充满了，则除了砂子和其它一些重的颗粒外，基本上全部油气流的组份将向上流动经过内转子13和中心支柱25之间的环形空间61而流出上腔室。当它们流经环形空间时，油气流中各组份就被内转子的出口唇部37的转动而很快地加速，并由此被抛出内转子而进入主转子里。

油气流的液相和气相组份的密度差别就形成了很迅速的径向分离。如果从内转子出来的油气流的组份是水、原油和天然气，则低密度的天然气将占住主转子的最内部，密度高得多的水和原油将向外围流动，形成一层比较薄的液层，占主转子的最外部，也即贴近主转子壁面27。液层和天然气将被一层液/气界面所分开，这一界面被主转子内的高离心力维持住。贴近于主转子壁面的离心力最大，并于指数的方式向中心支柱方向下降，离心力的径向分布梯度，使在正常的操作条件下，液/气界面层形成于主转子壁面内几英寸的地方，也即使界面层处于主转子壁面与内转子最外部之间。

主转子快速旋转所产生的高离心力，基本上是单独地起着将油气流中的液相组份从气相组份中分离出来的作用，不过这只是造成油气流中的液相组份从互相分离开来的两个机制之一。另一种机制是对流流动，它同高离心力共同作用，使液相组份得以快速分离，因而有高的生产效率。对流流动形式的纵截面分布图是靠近主转子壁面指向下方，靠近液/气界面指向上方。液层的转动和液层内的对流流动相联合，以三维的方式观察，就形成一种螺旋形的流动图形。只需看一下图7中的箭头74，对液层中对流流动的纵剖图分布图形就可得出一个初略的概念。

回到图1，对流流动是从中心支柱25下部由其相反两侧伸向主转子壁面27底部附近的静止集水管54和位于主转子顶部附近的主转子隔板34的转动所引起的。静止的集水管对快速转动的液层施加一种阻力，从而降低了处在其中的油气流液相各组份的转动速度，为了保持角动量，液相组份就向内流向中心支柱。当液相组份达到液/气界面时它们就进入了一个其压力沿向上方向下降的区域。其结果是液体组份转变了流动方向，并在界面附近区域流向界面附近主转子的顶部，当液体组份达到主转子的顶部时，它们就同主转子隔板34相接触。这一快速转动的隔板就提高了液体的转动速度，这样又迫使它们向外流向主转子的壁面以保持角动量。当液相组份达到主转子的壁面，它们就进入了一个其压力沿向下方向下降的区域。其结果是液相组份又转变了流动方向，沿着主转子壁面向下流至主转子的底部，这样就完成了对流流动的周期循环。

对流流动使油气流的液相组份在轴向方向上得以分离。如果原油和水是主要的液相组份，则原油将被运送到主转子的顶部，通过集油管52被取走，而水将被运送到主转子的底部，通过集水管54取走。主转子隔板34上的开孔65允许原油流过隔板而流进由中心支柱相反两侧向外伸往主转子壁面附近的集油管。

原油和水的轴向分离是按以下的方式实现的。当油气流从内转子流出而进入主转子时，其中的气相组份就很快地脱离了液相组份，并将保留在液/气界面内部。另一方面，原油和水的液相组份，将穿过界面，与此同时，由于界面附近有向上的对流流动，所以就在液层里开始向上流动。当原油和水在界面附近向上运动，水由于它的密度较大，将比原油承受更大的离心力。这就强迫水向外流向主转子壁面，而壁面附近的对流流动方向是向下流向集水管的。由于油的密度较低，所以就保留在液层内部而向上流至集油管。如发生有任何原油达到主转子壁面附近，它们将会被水推向内部，而同液/气界面附近，它们将会被水推向内部，而同液/气界面附近的向上流动的对流流动流束汇合。

本发明的油气流的液相组份的轴向分离，可同径向分离进行对照比较。依靠径向分离的离心分离器一般必须使被分离的各液相组份，在一准确的径向位置上保持一个界面，以便能把它们一一分离。这对要成功地分离油气流中的液相组份来说，是特别地困难的。因为油气流在一个相对较短的间隔时间内，其组成和流量一般是会波动的。本发明的对流流动所形成的轴向分离的离心分离方法和装置可以较好地承受这种波动。对流流动也能提供较好的传质机制，因而能达到效率更高和更彻底的分离。

最佳的对流流动图形和对流流动速度是通过正确地设计集水管和主转子隔板而达到的，速度必须足够低，以便油气流的各组份能得以分离，速度又必须足够高以便有高效率的流通速率。集水管和主转子隔板的最优设计将依赖于被加工的油气流的组成，例如，如果油气流中含有高百分比的水，与分离含水少的油气流比较，就需要有较大的集水管。对于一些含水量大的油气流，则有可能使所需要的集水管太大而达不到最佳的对流流动。这时可通过正好在集水管上面，安置一块同主转子隔板34相似的第二块转动的主转子隔板（图中没有表示出来）来加以补救。这第二块隔板防止了集水管受对流流动的干扰。正好在第二块隔板的上面，可从中心支柱相反的两侧安装一对向外伸出的固定杆（图中没有示出），以推动对流流动。因为这一对固定杆只起一种作用，所以将它们设计来达到最优的对流流动状况。

如上所述，液层只占主转子的最外面的部分。为了避免扰乱液层里的对流流动，主转子的这一区域的流动干扰必须减小到最小程度。因此，内转子壁36和内转子出口唇部37不延展到这一液层区，而连接内转子于主转子的辐条18和19是做得比较小的。

与一一分离油气流的液相组份的轴向分离不同，气相组份是以径向分离的方式与液相组份分开的。气相组份占据了主转子的最内部位置，并通过集气管53取出，集气管53是在主转子隔板34上方，从中心支柱的相反两侧向外伸出相对较短的距离。而另一方面，集油管52与之相反，则是从中心支柱的相反两侧向外伸长到靠近主转子的壁面。这样，液/气界面的径向位置就可有较大的相对波动范围，而不会形成气体流向集油管，或原油流向集气管的现象。主转子隔板上的开孔66允许气相组份从进料管51流向集气管。

利用本发明的方法，甚至有可能把油井油气流中的气相组份相互分离。考虑一种油井油气流，其中除天然气以外还含有高百分率的二氧化碳。利用把砂子、原油、水和气相组份相互分离的同一离心分离器把二氧化碳从天然气中分离出来，其余的油井油气流处理装置可以省掉，这样可降低成本。图7所示，则为要达到这种分离方式的第二种实施方案。

由于图7所示离心分离器中的许多元件与图4所示的元件相同。因而就不重新说明了。这些元件在两种图中具有相同的号码。通过两图的比较，可看出图7的离心分离器没有内转子、集砂管和补充水喷管。但它包括第二对集气管70和一个截锥状的转子壁面71。正如在前面所看到的，图1所示离心分离器中的主转子壁面是圆柱体的，而图7所示的离心分离器中还有带旋转的下部隔板72和固定杆73。

图7所示的离心分离器是为了处理除含有原油和天然气以外，还含有较低浓度的砂子和其它颗粒和含有较高浓度的水，并且含有较高浓度的二氧化碳和其它重质非碳氢化合物气体的油井油气流。由于砂子的浓度较低，所以可以取消内转子，集砂管和补充水管。水的浓度高，需要使用大集水管54，但集水管过大就不能提供最佳条件的对流流动。这样，就需要增加旋转的下部隔板72和固定杆73。固定杆73通过对在离心分离器内部转动的液体产生一种阻力从而给对流流动提供一个推动力。下部隔板防止集水管阻碍对流流动，这种流动形式由箭头74和75标出。上部隔板76与图1所示的主转子隔板相同。

含有砂子、水、原油、天然气和二氧化碳的油井油气流通过进料喷管51进入离心分离器并由转动的转子带动而加速旋转。由于其密度低的缘故，天然气和二氧化碳很快与油井油气流中的其它组份分开并保持在转子77的最内部处。而较重的砂子、水和原油将流动到最外部。于是，在靠近转子壁面71附近形成一液体层。液体层是通过一液/气界面而与气相组份分开的。液体层中较重组份的砂子将被迫与转子壁面接触。由于转子的壁面为截锥形状，所以砂子将向下方流动。这与在图1所示的离心分离器中砂子也沿着截锥状的内转子壁面向下流动的情况相似。当砂子向下流动时，它就流过下部隔板的开槽78而被集水管54取走。尽管这种截锥状的转子壁面是优选的，但其它形状的也可以采用。只要转子的壁面既有较大的径向部分又有较小的径向部分就成。利用较大的径向部分从被加工的油井油气流中分离出砂子和其它颗粒。

液体层中的水和原油将通过离心力和对流流动的联合作用而沿轴向彼此被分离。这同以上离心分离器的第一实施方案相似。实线箭头74示出了液体层内部的对流流动的断面图。由于对流流动的结果，水沿着转子壁面向下流动，在下部隔板通过开槽78进入集水管54。另一方面，原油则向上流动靠近液/气界面，通过上部隔板76的开口79流入集油管52。

正如离心力和对流流动的联合作用可给液体层中水和原油提供一种轴向的分离一样。这种联合作用也可使二氧化碳和天然气产生轴向分离。虚线箭头75示出了这些气相组份对流流动的断面图。气体组份的对流流动方式和液体层中液体的对流流动方式是相同的。固定杆73给旋转的气相组份施加一种阻力，这样可放慢气体流动。为使动量矩守恒，气相组份将向内朝着中心支柱25流动。当气相组份靠近中心支柱时，它们将进入沿向上方向压力降低的区域。因此，气相组份就转向而向上流动，基本上平行于中心支柱。当气相组份达到迅速转动的上部隔板76时，它们的旋转速度就被提高了。这种速度迫使气相组份向外朝着液/气界面流动。对于气相组份来说，这就如同转子壁面的作用一样，起着一种进一步向外运动的阻挡层的作用。当气相组份接近于界面时，它们进入了沿向下方向压力降低的区域，因此，在靠近界面处，气相组份就转向而向下流动直到它们达到固定杆73为止。这就完成了对流流动循环，由于气相组份的快速旋转，同时又遭受到对流流动，所以它们实际的三维流动是螺旋状的。

由于二氧化碳气体密度大。它将比天然气组份被离心力向外甩得更远。因此，二氧化碳就流动到接近于液/气界面的区域，那里对流流动方向是向下的。这将导致二氧化碳接近于界面向下流动，并通过下部隔板开口80而进入重气体集气管70，给重气体法兰接头81从此离心机中移出。另一方面，轻的天然气将保留在转子的最里层，其对流流动方向是向上的。所以，天然气将通过上部隔板的开口82向上流动而进入轻气体集气管83经气体法兰接头84移出。

应注意到，第二种离心分离器实施方案没有砂子法兰接头和补充水的法兰接头。当然这是由于省去了集砂管和补充水管的原因。同样，第二种离心分离器实施方案的中心支柱也就没有砂子导管和水导管。然而，中心支柱包括一个重气体导管（图中未示出），该导管把重气体集气管70和重气体法兰接头81相连接。从氢气体集气管中出来的气体通过围绕在中心支柱中的各导管的空间（图中未示出）流出。

这样，第二种离心分离器实施方案有一个进口法兰接头：即进料管法兰接头;四个出口管法兰接头：即原油法兰接头、水法兰接头、重气体法兰接头和轻气体法兰接头。通过比较，图1所示的第一种离心分离器实施方案有两个进口管法兰接头：即进料管法兰接头和补充水法兰接头，四个出口管法兰接头：即原油法兰接头、水法兰接头、气体法兰接头和砂子的法兰接头。两个分离器方案中的任一方案在操作时，有一个控制系统检测并调节着法兰接头处的流量，以保持输出的物流是在规定的组成范围内。控制系统的设计主要根据所处理的油井油气流的特性，输出物流的组成条件，该离心机的设计方案和所要求的生产率。例如，图8所示控制系统的示意图可应用于图1所示的第一种离心分离器实施方案。

图8所示的控制系统基本上是根据压力控制操作的。正如以上所说到的那样，离心分离器内部的离心力从中心支柱开始随着径向距离的增加而按指数规律增加。结果，离心分离器内部的压力也从中心支柱开始随着径向距离的增加而按指数规律增加。实际的压力分布要通过离心分离器内部油井油气流组份的密度、相对含量和绝对含量，并通过主转子的旋转速度和半径来确定。离心分离器的操作要满足的一个制约条件，就是所处理的油井油气流的压力一定要大于离心分离器内中心支柱上的径向进料管终止处的压力。这样才能使油井油气流通过进料喷管进入离心机内。图8所示的进料法兰接头、原油法兰接头、水法兰接头、天然气法兰接头、砂子法兰接头和补充法兰接头分别由圆圈45、46、47、48、49、50标出。

离心分离器内液体量的增加将产生离心分离器内压力的增加。这将引起通过原油法兰接头46离开离心分离器的原油压力有所增加。对于一个固定的管口来说流体流量也就要增加。如果原油压力调节器85测到了离心分离器内的压力超过了相当于最适宜液体量规定的压力。并且，如果这种增加持续了所规定的一段时间的话，这时，原油压力调节器就向原油节流阀86发出信号以便阀门开得更大一些。这样可使更多的原油流出离心分离器，因而可使离心分离机内的液体量降低到最适宜的水平上。最终的原油检测器87用于检测原油中的含量，但不做为控制用。

水分析仪88检测通过法兰接头流出离心分离器的水流，用于确定水流中残留原油的百分率。残留原油的百分率高，则表明了损失了一些有用的碳氢化合物并使水的处理变得复杂起来。残留原油的百分率是随着流量的增加而增加的，因为，增加了流量就缩短了离心分离器内油井油气流停留的时间，从而降低了分离效率。

水分析仪控制着三个阀门，水节流阀89和再循环阀90和91。如果水份中残留的原油的百分率增加到规定范围以上，并且这种增加持续了规定的一段时间，水分析仪就会给水节流阀提供信号使阀门关小，从而放慢流动。这样可通过增加停留时间把含水量限制在规定的技术需求条件之内，提高分离效率，从而降低残留原油的百分率。流量下降了，也可引起离心分离器中液体量的增加。结果，离心分离器的压力增加，使得油压力调节器85向油节流阀86提供信号使阀门开得更大一生，从而使通过油法兰接头46的原油流量增加，同时使离心分离器内液体量降低到最适宜的水平上，正如以上所述。另一方面，如果水流中残留原油的百分率下降到规定极限以下，水分析仪88就给节流阀89提供信号使阀门开得大一些，从而使通过水法兰接头47的水的流量增加，这将减少离心分离器中的液体量并使得油压力调节器85给油节流阀86提供信号使阀门小。从而降低原油流出离心分离器的流量，同时使离心分离器中的液体量增加到最适宜的水平。

如象以上所描述的那样保持离心分离器内的水流量和液体量，离心分离器就应当能够满足对原油和水流两者所规定的技术要求。如果两种物流同时不能满足技术要求，就会超过离心分离器的设计能力。

在一定的条件下，例如起动时，水流中残留原油的百分率在一短时间内可能会很高，这种情况需用水分析仪88和再循环阀90和91来调节。在正常操作条件下，再循环阀90是打开的，再循环阀90是关上的。如果残留原油的百分率超过规定的最大极限时，水分析仪就会给再循环阀90提供信号使阀门关闭而再循环阀门91打开。这样，可使水流再循环回到离心分离器内与进料流一起作进一步的分离。一旦这样临时发生的情况结束了，残留原油的百分率就会降低到规定的最大极限以下，水分析仪就会给在循环阀90信号，使阀门90打开而关闭再循环阀91，从而使整个运转系统达到正常操作条件。

从气体法兰接头48流出的天然气的流量由被气体压力调节器93和气体分析仪94调节的气体节流阀92调节。如果气体压力调节器检测到压力降低到规定极限以下。它就会给气体节流阀提供信号使阀门关小，从而可增加气体的压力，相反，如果气体压力调节器检测到压力增加到规定极限以上，它就会给气体节流阀提供信号使阀门开得大一些，从而降低气体压力，增加流率。

增加流率意味着天然气在离心分离器内的停留时间短了。在一些情况下，这会使天然气指标降低到技术要求以下。如果因为这样或那样的原因使天然气所含杂质例如重碳氢化合物或水蒸汽的百分率太高，则气体分析仪将取消气体压力调节器的任何信号，而使气体节流阀关小，这样可减少流量，增加离心分离器内天然气的停留时间，使天然气指标回到技术要求以内。一旦天然气指标符合技术要求，气体分析仪将停止发出信号，而气体压力调节器将重新开始调节气体节流阀。用这种方法调节天然气流的组成，也可控制原油物流的蒸汽压力。

通过进料法兰接头45来的进料流率的波动，通常可由离心分离器来承受，只要这种波动是暂时的，同时油井油气流液体组份又没有溢出离心分离器就可以。油压力调节器和气体压力调节器的反应时间故意相对地减慢，以便忽略短暂的波动。如果进料流率一直维持在不断增加的基础上，压力调节器将使油节流阀和气体节流阀开得大一些。因此可加快原油和天然气流出离心分离器。如果加快流动引起原油和天然气指标降低到技术要求以下并延长了一段时间，就会超过离心分离器的设计能力。在这样情况下，进料流率就应降低，这时可通过调节例如油井口阀门来解决（图中来标出）。一旦进料流率恢复正常以后，原油和天然气流就会符合技术要求。在正常操作条件下，流入离心分离器的进料量基本上与流出离心分离器的原油、天然气、水和砂子的量相平衡。

控制系统的作用是另外为流入和流出离心分离器的物流提供一种平衡，再回到前面所说的，从离心分离器内转子出来的砂子通过集砂管移出也引起一些水的移出。为此，补充水就通过补充水管流到内转子中。当砂子和水通过砂子法兰接头49流出离心分离器时，流量计95就测量流率。根据流率，流量计调节补充水阀96，阀96是用以调节流入补充水法兰接头50的补充水流量的。因而平衡了流出砂子法兰接头的水量和补充水量之间的进出关系。从砂子法兰接头流出来的砂子的正常流率，在确定流量计和补充水阀之间的控制联系时要加以考虑。一般说来，这种控制关系要这样确定，就是使补充水的流率比集砂管移出的水的平均流率稍微大一点，这将对油井油气流中砂子含量的轻微波动提供一个允许偏差。多出的补充水将通过内转子上部隔板的开孔流出，并与内转子上腔室的进料流相会合，不会对离心分离器的操作起干扰作用。

对于图7所示的第二种离心分离器的实施方案来说，可使用相似于图8所描述的控制系统。但可省略补充水的控制，而增加第二个气体流的控制。轻气体和重气体流之间的控制关系相似于原油和水流之间的控制关系。其它控制方案也可以利用。

因为本发明常常可在细节上作许多改变、调整和改造，所以前面讨论的以及附图所示是作为说明解释用的，而不是作为限制条件。例如，如果油井油气流含有低密度的颗粒而代替了高密度的砂子，图1所示第一种离心分离器的内转子就可省略，被分离的颗粒随着水移出。还有，图1所示的第一种离心分离器也可沿着图7所示第二种离心分离器的管线作相应的改变，以便油井油气流中的气相组份能互相分离。此外，各种收集管、隔板和固定杆的配置也可加以调整以便轻的气相组份流到离心分离器的底部，而重组份流到离心分离器的顶部。离心分离器的垂直方向布置也可变成沿水平方向或者变成某一中间的方向布置。在这种情况下，在此处所用过的“顶部”和“底部”这样的术语也要改变。进一步地讲，在一定情况下，以串联方式布置多台离心分离器来处理油井油气流是很有益的。此外本发明的方法和装置也能有效地用于除油井油气流以外的其它物料流的处理。其它的一些改变、调整和改造细节对本技术领域的普通技术人员来说是一目了然的。这种细节上的改变、调整和改造都包括在下面的权利要求书所确定的保护范围之内。

Claims (18)

1、分离包括第一种液体，第二种液体和气体的物料流各组份的方法，该第一种液体较第二种液体为轻，本方法包括的步骤为：

(a)将该物料流引进一个包括有转子壁面，和相反布置的第一和第二端部的离心分离转子中；

(b)以一定速度转动该转子，产生的离心力足以达到径向分离，以使气体与液体分离开，该液体因此被迫向外流，在靠近该转子壁面的地方形成一液层，而该液层通过一液/气界面，从该气体中被分离出来；

(c)在该液层中诱发一种对流流动，使靠近该界面的流动方向向该第一端部流动，而靠近该转子壁面的流动方向则向着该第二端部，该对流流动和该离心力共同作用，通过强迫该第一种液体流向该第一轴向端部，该第二种液体流向该第二端部，从而达到轴向分离出该第一种液体和该第二种液体；

(d)从该转子中抽走该分离出的第一种液体、第二种液体和气体。

2、根据权利要求1的方法，其中，该物料流是一种油井的油气流，而且该第一种液体是原油，该第二种液体是水。

3、根据权利要求1的方法，其中，该物料流还进一步包括固体颗粒，而该固体颗粒是同该第二种液体一起从该第一液体和该气体中分离出来的，而且该固体颗粒是从该转子中同该第一种液体一起被抽取出来的。

4、根据权利要求3的方法，其中，该物料流是一种油井的油气流，而且该第一种液体是原油，该第二种液体是水。

5、根据权利要求1的方法，其中，该气体中包括重质气体和轻质气体，且该方法还进一步包括在该气体中引起对流流动的步骤，以使得在靠近该界面的流动方向是指向该第二端部，而离该界面更向内的流动方向是指向该第一端部，该对流流动和离心力共同作用，通过强迫该重质气体流向该第二端部以及强迫该轻质气体流向该第一端部，从而达到轴向把该重质气体从该轻质气体分离开，而且从该转子中抽走该被分离出的重质气体和轻质气体。

6、根据权利要求5的方法，其中该物料流是油井的油气流，而该第一种液体是原油，该第二种液体是水，该重质气体是二氧化碳，该轻质气体是碳氢化合物气体。

7、分离包括第一种液体，第二种液体，气体和固体颗粒物料流各组份的方法，该第一种液体比该第二液体为轻，该方法包括下列操作步骤：

（a）把该油气流引进到有内转子和主转子的离心分离器中，该内转子放在主转子里面，该内转子有一径向的大端和一径向的小端，该主转子有一主转子壁面和相反布置的第一和第二端部;

（b）转动该内转子以产生离心力，该离心力足以使该固体颗粒进入该内转子的径向大端;

（c）从该内转子的径向大端取走该分离出来的固体颗粒;

（d）继续将该油气流引进该内转子，由此造成该第一种液体，第二种液体和气体从该内转子流出而进入该主转子里;

（e）转动该主转子以产生离心力，该离心力足以使该气体从该液体中径向分离出来，该液体由此被迫向外流，在靠近该主转子壁面附近形成一液层，该液层通过一液/气界面被从该气体中分离出来;

（f）在该液层中引起一种对流流动，使靠近界面的流动方向指向该第一端部，而靠近该转子壁面的流动方向指向该第二端部，该对流流动和该离心力共同作用，通过强迫该第一种液体流向该第一端部以及该第二种液体流向该第二端部，从而达到轴向分离开第一种液体和该第二种液体;

（g）从该主转子取走该分离出来的第一种液体、第二种液体和气体。

8、根据权利要求7的方法，其中，该方法还进一步包括向该内转子内喷水的步骤，该水是用以在该固体颗粒被从该内转子中取走之前，从该颗粒中抽出其中的残留原油的。

9、用以分离开物料流各组份的装置，该装置包括：

（a）中心支柱;

（b）适宜于绕该中心支柱转动的主转子，该主转子有一主转子壁面和相反布置的第一和第二端部;

（c）适宜于使流体从该中心支柱流进该主转子的进料喷管;

（d）在该进料喷管和该第一端部之间的轴向位置上，有从该中心支柱向外伸向该主转子的轻液体收集管;

（e）在该进料喷管和该轻液体收集管之间的轴向位置上，有第一主转子隔板连接在该主转子壁面里面;

（f）在该进料喷管和该第二端部之间的轴向位置上，有重液体收集管从该中心支柱向外伸向该主转子;

（g）有从该中心支柱向外伸向该主转子，但其径向距离比该轻液体收集管为短的气体收集管。

10、根据权利要求9的装置，其中，该主转子壁面是截锥形状的，其中的第一端部是在该主转子壁面的狭端，而该第二端部是在该主转子壁面的宽端。

11、根据权利要求9的装置，其中，该气体收集管是处在该第一主转子隔板和该第一端部之间的轴向位置上。

12、根据权利要求11的装置，其中，该气体收集管是一轻质气体收集管，而其中的该装置还进一步包括重质气体收集管，此收集管是处在该进料喷管和该第二端部之间的轴向位置上，从该中心支柱向外伸向该主转子，其径向距离较该重液体收集管为短。

13、根据权利要求9的装置，其中，还进一步包括有：

（a）在该进料喷管和该重液体收集管之间的轴向位置上，有第二主转子隔板连接在该主转子里面;

（b）在该进料喷管和该第二主转子隔板之间的轴向位置上，有一从该中心支柱向外伸向该主转子的固定杆。

14、根据权利要求9的装置，其中，该装置还进一步包括：

（a）带有径向大端和径向小端的内转子壁面的内转子，该内转子是在该第一主转子隔板和该重液体收集管之间的轴向位置上，放在该主转子里面，适宜于绕该中心支柱转动，而且适宜于从该进料喷管中接受物料流;

（b）有一固体颗粒收集管，从该中心支柱向外伸向内转子的径向大端。

15、根据权利要求14的装置，其中，该内转子是截锥形状的。

16、根据权利要求14的装置，其中，还进一步包括有从该中心支柱向外伸向该内转子的补充水喷管。

17、根据权利要求16的装置，其中，该装置还进一步包括有：

（a）在该固体收集管和进料喷管的轴向位置上，连接在该内转子壁面内部的第一内转子隔板、该第一内转子隔板在其外边缘上有第一种开孔，在该外边缘同该中心支柱之间有第二种开孔;

（b）在该内转子第一隔板同该固体颗粒收集管之间的轴向位置上有第二内转子隔板连接在该内转子壁面内部，该第二内转子隔板在其外边缘上有开孔。

18、根据权利要求16的装置，其中，该内转子还进一步包括截锥状的出口唇部，而该唇部的小端是同该内转子壁面相连在一起。

Images