油气水分离设备

技术领域

本发明涉及油气集输技术领域，尤其是涉及一种油气水分离设备。

背景技术

随着社会生产力的不断发展，各行各业生产加工处理过程中对液液两相分离器的需求日益显著。尤其是在化工过程处理、城市生活污水处理以及油气集输过程中显现出了迫切需求，而得益于旋流分离设备的高效紧凑、停留时间短、分离效率高等优点，超重力式旋流分离设备成为了目前液液两相分离过程中的主流设备。但在实际生产过程中，由于上游设备对气相分离的并不彻底，现有工艺中往往会有气相随着来液一同进入设备中，对设备的正常使用、分离效果带来了极大的考验。

在油气集输领域，随着油田生产规模的不断扩大，长期注水开发，现阶段不少国内外陆地及近海油田已进入高含水或特高含水开采期，为解决高含水采出液带来的问题，常采用在三相分离器前增设旋流分离设备对采出液进行分水处理。但在现场实际使用过程中，采出液伴生气往往在一级三相分离器中分离的并不彻底，部分气体依会随着来液进入分离设备中。而气体在旋流分离器中的现象可以归为“气核”与“气携油”两种形式。前者形成的主要原因是一定气量的气体进入起旋元件后，在离心力的作用下，较轻的组分(空气)、中组分(油)、重组分(水)组成的混合物由于密度的不同，气体会首先向旋流器中心聚集，气体无法及时从溢流口排出在中心汇聚成“气核”。这种气核的存在会挤占“油核”的空间位置，从而导致油相不能向中间聚集，无法从溢流口排出，进而导致设备分离性能变差。后者形成的原因是油气水混合物在一定的压力下进入分离设备中并在起旋元件的作用下在内部高速旋转。同时，采出液伴生气被高速旋转流体的剪切作用分割成大量的细小气泡，小气泡因为离心力的作用会快速向中心汇聚，移动的过程中会与水中分散的油滴碰撞、粘附，使得原本难以分离的微小油滴一并汇聚在中心，最终气相与油相一并从溢流口排除，进而提高了分离效率。

申请人在专利CN108311300B中提出了一种具有脱气功能的油水旋流分离器，可在采出液进入分离空间前脱除伴生气，避免含气对油水分离效果的不利影响。但是，本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

现有的油水旋流分离器无法实现脱气量的在线调控，不能控制进入分离器内部的气体量，大量含气对旋流预分水设备油水分离产生不利影响，不能确保旋流预分水设备能够适应不同含气条件的运行环境。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种油气水分离设备，以解决现有技术中油水旋流分离器无法实现脱气量的调控的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种油气水分离设备，包括油水旋流分离装置和脱气调节装置，所述油水旋流分离装置包括由分离装置的外管包围并依次连接的起旋器、脱气器和分离腔，所述起旋器和所述脱气器的内部均形成有排气空腔，所述排气空腔背离所述分离腔的端部设置有盖体部，所述盖体部上设置有排油管以及与所述排气空腔连通的排气管，所述排油管通过所述脱气器底部的排油孔连通所述分离腔，所述脱气器上开设有长度沿所述油水旋流分离装置轴线方向设置的第一气流缝隙；

所述脱气调节装置包括排气开度调节器和滑片结构，所述排气开度调节器设置于所述盖体部上，所述盖体部通过连接部与所述滑片结构连接，所述滑片结构上开设有长度沿所述油水旋流分离装置的轴线方向设置的第二气流缝隙，所述脱气器套设于所述滑片结构的外围，转动所述排气开度调节器能通过所述盖体部和所述连接部带动所述滑片结构转动以调节所述第二气流缝隙与对应位置处所述第一气流缝隙的重合开度。

优选地，所述外管包括依次连接的圆柱段、大锥段、小锥段和直流段，各段之间光滑过渡，所述起旋器设置于所述圆柱段内，所述脱气器设置于所述大锥段内，所述圆柱段与所述起旋器之间、所述大锥段与所述脱气器之间均形成有流体穿过的空间。

优选地，所述起旋器包括柱环状叶片载体和导流叶片，所述柱环状叶片载体伸入至所述圆柱段，所述圆柱段与所述柱环状叶片载体之间形成柱环形空间，所述导流叶片均匀布置于所述柱环形空间内，所述导流叶片在所述油水旋流分离装置轴线方向上与所述圆柱段的轴向长度相等，所述导流叶片在径向方向上与所述柱环状叶片载体和所述外管内壁均为过盈配合。

优选地，所述脱气器为锥环状，所述脱气器伸入到所述大锥段以与所述大锥段形成锥环形空间，所述脱气器在所述油水旋流分离装置轴向方向上的长度不小于所述大锥段的轴向长度；

所述第一气流缝隙沿所述脱气器壁厚方向斜切，所述第一气流缝隙在所述油水旋流分离装置轴向方向上的长度不大于所述大锥段的轴向长度。

优选地，所述起旋器上远离所述脱气器的端部设置有引流部，所述引流部为喇叭口的圆弧形锥状体结构。

优选地，所述引流部的内壁上设置有内螺纹，所述盖体部上设置有外螺纹，所述盖体部通过所述外螺纹与所述内螺纹配合与所述引流部形成可拆卸连接。

优选地，所述第一气流缝隙和所述第二气流缝隙的截面形状均为长方形且所述长方形的长边与所述油水旋流分离装置轴线平行，所述第一气流缝隙的个数与所述第二气流缝隙的个数相等且位置对应，所述排气空腔的中心轴线位置处设有排油管。

优选地，所述第一气流缝隙的长度与所述第二气流缝隙的长度相等且所述滑片结构与所述脱气器过盈配合。

优选地，所述连接部为杆状结构，所述连接部的两端分别与所述盖体部和所述滑片结构固定连接，所述小锥段采用渐缩形锥管结构。

本发明提供的油气水分离设备，在油水旋流分离装置上安装有脱气调节装置，脱气调节装置包括排气开度调节器和滑片结构，排气开度调节器设置于盖体部上，盖体部通过连接部与滑片结构连接，滑片结构上开设有长度沿油水旋流分离装置的轴线方向设置的第二气流缝隙，脱气器上开设有长度沿油水旋流分离装置轴线方向设置的第一气流缝隙；脱气器套设于滑片结构的外围，转动排气开度调节器能通过盖体部和连接部带动滑片结构转动以调节第二气流缝隙与对应位置处第一气流缝隙的重合开度，避免了对分离腔流场的不利影响，这种可变开度的设计尤其适用现场含气条件复杂的工况，可通过调节开度以适用于不同含气工况，达到节约经费、提高分离效率或减少含气条件对其影响的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的油气水分离设备的结构示意图；

图2是本发明提供的排气空腔的剖视结构图；

图3是本发明提供的脱气调节装置的结构示意图；

图4是本发明提供的滑片结构的示意图；

图5是本发明中油气水分离设备中排气空腔内部流场分散相(气相)浓度分布示意图。

附图标记：1、引流部；2、起旋器；3、导流叶片；4、外管；41、圆柱段；42、大锥段；43、小锥段；44、直流段；5、脱气调节装置；51、第二气流缝隙；52、排气开度调节器；53、连接部；54、滑片结构；6、排油孔；7、第一分离室；8、第二分离室；9、排气管；10、排油管；11、排气空腔；12、盖体部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

面对正如背景技术提到的采出液含气对旋流分离设备的两种影响结果，国内外研究学者也对含气条件下旋流分离设备的适应性进行了研究。FMC Technologies公司在2010年12月针对管式脱水器单体的试验时系统的考虑了含气对旋流脱水其设备的影响，公司在Gullfaks C平台上进行了管式脱水器单体的试验。试验过程中分别使用单井产出物和多井产出物混合液作为试验介质，以测试不同气体含量下，分水器性能的变化情况，并探索了实际工况下脱水器所能承受的最大气体含量。实验结果表明，当气体含量控制在5％以下时，管式分水器的分离效果会随着进气量的提升增强。但当含气量大于10％后，水出口的含油量明显提升，分离效果变差。国内学者对含气条件下旋流分离器也开展了适应性研究，其分别通过数值模拟及室内试验探究了不同含气量下对设备分离效果的影响，结果表明当含气量从1％变化到5％的过程中，设备分离效果变化不明显，但当含气量大于5％时，分离效果下降明显。

通过对比国内外实验研究结果表明，适量的气体随着来液一同进入到设备中会提高设备的分离效果。但如果来液中含气量过大，则会导致气体无法从溢流口及时排除，进而产生“气核”在中心汇聚的现象，进而影响分离效果。之前提出了一种具有脱气功能的油水旋流分离器，可在采出液进入分离空间前脱除伴生气，避免含气对油水分离效果的不利影响，但无法实现脱气量的在线调控，因此本申请对之前提出的具有脱气功能的油水旋流分离器进行改进，提出一种可在线调节排气开度的油气水分离设备，能够根据现场来液含气情况及时调节排气口开度，以便控制进入分离器内部的气体处于适量状态，达到有利于分离的状态或减少大量含气对旋流预分水设备油水分离的不利影响，确保旋流预分水设备能够适应不同含气条件的运行环境，提高油气水分离设备在工程实际当中的作用。

具体的，参见图1～图4，本发明提供的油气水分离设备，包括油水旋流分离装置和脱气调节装置5，油水旋流分离装置包括由分离装置的外管4包围并依次连接的起旋器2、脱气器和分离腔，起旋器2和脱气器的内部均形成有排气空腔11，排气空腔11背离分离腔的端部设置有盖体部12，盖体部12上设置有排油管10以及与排气空腔11连通的排气管9，排油管10通过脱气器底部的排油孔6连通分离腔，排气空腔11的中心轴线位置处设有排油管10，脱气器上开设有长度沿油水旋流分离装置轴线方向设置的第一气流缝隙；

脱气调节装置5包括排气开度调节器52和滑片结构54，排气开度调节器52设置于盖体部12上，盖体部12通过连接部53与滑片结构54连接，滑片结构54上开设有长度沿油水旋流分离装置的轴线方向设置的第二气流缝隙51，脱气器套设于滑片结构54的外围，转动排气开度调节器52能通过盖体部12和连接部53带动滑片结构54转动以调节第二气流缝隙51与对应位置处第一气流缝隙的重合开度。

本发明提供的可在线调节排气开度的油气水分离设备，可以通过转动排气开度调节器52带动滑片结构54转动，进而达到在线调节排气开度的目的。当现场来液含气量较少时，可转动排气开度调节器52达到全关的状态，使得第一气流缝隙与第二气流缝隙51处于全闭的状态，一方面可以降低因第一气流缝隙与第二气流缝隙51的存在而影响分离区流场稳定性的影响，另一方面也可使得低含气量时气相依能进入分离腔，进而达到提高分离效果的目的。当现场含气量较多时，便可通过调节排气开度逐渐增大排气缝的开度大小，使得更多的气体可以通过第一气流缝隙与第二气流缝隙51提前排出，进而避免含气过多对分离效率的不利影响。例如，油气开采过程中，往往现场来液含气量是不固定的，大多呈现含气量从多变少的趋势，在这种工况下，本发明提供的油气水分离设备便可在开采的前期阶段适量的调大开度，并随着含气量的减少逐渐减小开度，使得分离效果一直处于最优的状态，而且整个过程中避免了更换部件，有利于分离设备的长期有效运行。

本实施例中的外管4包括依次连接的圆柱段41、大锥段42、小锥段43和直流段44，各段之间光滑过渡，起旋器2设置于圆柱段41内，脱气器设置于大锥段42内，圆柱段41与起旋器2之间、大锥段42与脱气器之间均形成有流体穿过的空间。分离腔包括第一分离室7和第二分离室8，油水旋流分离装置的小锥段43和直流段44分别包裹形成了分离器的第一分离室7和第二次分离室。

起旋器2包括柱环状叶片载体和导流叶片3，柱环状叶片载体伸入至圆柱段41，圆柱段41与柱环状叶片载体之间形成柱环形空间，导流叶片3均匀布置于柱环形空间内，导流叶片3在油水旋流分离装置轴线方向上与圆柱段41的轴向长度相等，导流叶片3在径向方向上与柱环状叶片载体和外管4内壁均为过盈配合。导流叶片3可采用圆弧准线、幂函数准线或螺旋线型叶片。相邻的导流叶片3之间的重叠率为35％较佳。

脱气器为锥环状，脱气器伸入到大锥段42以与大锥段42形成锥环形空间，脱气器在油水旋流分离装置轴向方向上的长度不小于大锥段42的轴向长度；第一气流缝隙沿脱气器壁厚方向斜切，第二气流缝隙51也是沿滑片结构54锥体壁厚方向斜切，第一气流缝隙在油水旋流分离装置轴向方向上的长度不大于大锥段42的轴向长度。第一气流缝隙和第二气流缝隙51的截面形状均为长方形且长方形的长边与油水旋流分离装置轴线平行，第一气流缝隙的个数与第二气流缝隙51的个数相等且位置对应。

第一气流缝隙在迎着混合液流动方向的竖向缝的下表面倒有半径0.6mm的圆角，同时顺着混合液流动方向的竖向缝的上表面也倒有半径0.6mm的圆角，或者，第一气流缝隙在另外两侧面倒有圆角，以便实现气相顺利排出。第一气流缝隙的长度与第二气流缝隙51的长度相等且滑片结构54与脱气器过盈配合。

起旋器2上远离脱气器的端部设置有引流部1，引流部1为喇叭口的圆弧形锥状体结构，圆弧形锥状体结构的弧度值为90°，半径值为19mm。引流部1的内壁上设置有内螺纹，盖体部12上设置有外螺纹，盖体部12通过外螺纹与内螺纹配合与引流部1形成可拆卸连接。本实施例中的连接部53为杆状结构，连接部53的两端分别与盖体部12和滑片结构54固定连接，小锥段43采用渐缩形锥管结构。

模拟验证：借助Fluent软件(CFD软件的一种)对所设计油气水分离设备的分离性能进行验证。多相流模型为Mixture模型，湍流模型为雷诺应力模型；油气水三相物性参数参考设计参数；操作参数为入口流量1m3/h、入口含油浓度20％、分流比0.45、进气比5％，气相浓度分布示意图如图5所示，气相经过起旋后，大量气体会顺着第一气流缝隙和第二气流缝隙51流入排气空腔11内部，然后通过排气管9均匀排出，排气率可大于30％，排气性能良好。

具体的，本发明提供的油气水分离设备的原理解释如下：

当现场来液含气量较少时，首先调整脱气调节装置5使第一气流缝隙和第二气流缝隙51处于完全闭合状态。含有少量气体的油水混合液经来液调制段(引流部1)进入油水旋流分离装置内部，经引流后均匀加速油水混合物至叶片流道(柱环状叶片载体与圆柱段41之间的空间)内，在导流叶片3与外管4的圆柱段41形成的环形空间内产生旋流，随后含有少量气体的油水混合液进入到半径更小的大锥段42空间内，因旋转半径较小，旋流强度再次进一步加大，在此区域内由于气体被高速旋转流体的剪切作用分割成大量的细小气泡，小气泡因为离心力的作用会快速向中心汇聚，移动的过程中会与水中分散的油滴碰撞、粘附，使得原本难以分离的微小油滴一并汇聚在中心。随后混合液进入第一分离室7内进而形成外旋流和内旋流，外旋流区主要为来液中的水相(重质相)，内旋流主要为来液中的油气混合物(重质相、轻质相)。外旋流的水相以螺旋流的方式流至第二次分离室尾端流出，内旋流的油气混合物以旋进油核的形式反向运动，经排油孔6进入至排油管10排出。

当现场来液含气量较多时，首先调整脱气调节装置5使第一气流缝隙和第二气流缝隙51的开口开度处于半开或者全开状态。含有较多气体的油水混合液经来液调制段进入油水旋流分离装置内部，经引流后均匀加速油水混合物至叶片流道(柱环状叶片载体与圆柱段41之间的空间)内，并在导流叶片3与外管4的圆柱段41形成的环形空间内产生旋流，随后含有较多气体的油水混合液进入到半径更小的大锥段42空间内，因旋转半径较小，在离心力与惯性力的共同作用力下，气体进入第一气流缝隙与滑片结构54上的不同开度的第二气流缝隙51内，随后气相进入至排气空腔11内从排气管9排出。剩余含有少量或微量气体的油水混合液直接进入到第一次分离室、第二次分离室内，进而形成外旋流和内旋流，外旋流区主要为来液中的水相(重质相)，内旋流主要为来液中的油气混合物(重质相、轻质相)。外旋流的水相以螺旋流的方式流至第二次分离室尾端流出，内旋流的油气混合物以旋进油核的形式反向运动，经排油孔6口进入至排油管10排出。

本发明提供的油气水分离设备，可以根据现场来液含气量的变化及时通过脱气调节装置5调整排气开度，这种可变开度的设计尤其适用于现场含气条件复杂的工况，可通过调节排气缝(第一气流缝隙和第二气流缝隙51)开度以适用于不同含气工况，整个过程中避免了更换部件，达到节约经费、保证油水分离效率的目的。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。