一种降粘聚结一体化旋流分离装置

技术领域

本发明涉及一种应用于高含聚条件下井下油田抽油系统的油水分离装置。

背景技术

目前，我国的大型油田，如大庆油田、胜利油田等东部油田都已进入开发末期，产量都有不同程度的递减，而新增储量比较缓慢，并且勘探成本和难度也越来越大，因此控制含水率，稳定目前原油产量，最大程度的提高最终采收率，经济合理的予以利用和开发，对整个石油工业有着举足轻重的作用，而三次采油技术是目前为止能够达到这一要求的技术，在三次采油阶段，采用各种物理、化学方法改变原油粘度和对岩石的吸附性，可以增加原油的流动能力，进一步提高原油采收率。聚合物驱油技术是利用高相对分子质量聚合物水溶液的粘度特性，起到降低岩层中水相的渗透率的作用，提高水相波及系数；与此同时降低了油水粘度比，使采出液的含水率大大降低，从而达到提高原油采收率的目的。但是当原油采收率获得大幅提升的同时，由于聚合物等物质的影响，增大了处理液的粘度和油水乳化程度，使后续油田采出液和油田污水的处理难度增大，对水处理技术的要求也随之提高。因此，很有必要研制出既能降低混合液粘度又能聚结小粒径油滴的一体化旋流分离装置。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种降粘聚结一体化旋流分离装置，该种分离装置针对高含聚油水混合相增加了专有处理结构，混合相流经机械降粘模块降低混合相粘度后，流入自适应稳流模块，根据流速自动调节液体的过流面积，确保流入油滴聚结模块的混合相流量趋于稳定，避免因流量变化过大影响油滴聚结效果，使得小粒径油滴聚结成大粒径油滴，利于后续旋流分离。携带大粒径油滴的混合项再流入旋流分离模块，经旋流分离后，油相由溢流管排出，水相由底流口排出。本种降粘聚结一体化旋流分离装置可提高旋流器分离效率，使得三次聚合物驱采油持续高效运行。

本发明的技术方案是：

本发明首先给出一种自适应稳流模块，包括压缩弹簧10、控流压盘9、控制齿条11、侧边连接齿轮12、侧边齿轮连接销13、侧边锥形齿轮14、侧边锥形齿轮定位销15、中心锥形齿轮16、中心齿轮连接销17、稳流控制太阳轮18、稳流叶片行星轮19、稳流叶片行星轮支架20以及稳流叶片21。

所述控流压盘9包括中心体以及控流压盘滑块901、压缩弹簧定位槽902以及连接梁903，所述中心体的轴心处开有通孔用于和溢流管22上的孔配合以实现轴向滑动；控制齿条11与连接梁903端面的圆孔螺纹连接在一起；控流压盘滑块901用于在顶部套筒滑道2301内滑动。

压缩弹簧10下端用于定位于顶部套筒凸台2302上，上端放置在压缩弹簧定位槽902腔内用来实现压缩弹簧10的轴向定位；侧边连接齿轮12与对应的轴承相配合后套在顶部套筒凸轴2303上，侧边锥形齿轮14亦与对应的轴承相配合后套在顶部套筒凸轴2303上；侧边连接齿轮12与侧边锥形齿轮14通过侧边齿轮连接销13连接实现同步转动；侧边锥形齿轮定位销15与顶部套筒凸轴2303过盈配合，实现侧边锥形齿轮14的轴向定位。中心锥形齿轮16与对应的轴承相配合，安装在溢流管22上；中心锥形齿轮16与侧边锥形齿轮14相配合转动，稳流控制太阳轮18与对应的轴承相配合套在溢流管22上，中心锥形齿轮16与稳流控制太阳轮18通过中心齿轮连接销17连接实现同步转动；稳流叶片行星轮19环绕在稳流控制太阳轮18四周，且与稳流叶片21通过螺纹连接在一起；稳流叶片行星轮支架20与溢流管22通过螺纹连接，所述稳流叶片行星轮支架的外侧均布六个卡口，稳流叶片21尾部穿过所述卡口孔洞与稳流叶片行星轮19通过螺纹连接固定；所述溢流管22能与顶部套筒23的上端通过螺纹连接后并伸出所述顶部套筒。

其次，本发明给出一种油滴聚结模块，包括圆柱状的具有上、下连接螺纹端的外套筒，外套筒内部中空，其独特之处在于：在所述外套筒内固定有聚结器24，所述聚结器24靠近前端位置设置螺旋流道，螺旋流道的两侧均为中心管，所述中心管的顶部用于和溢流管（22）通过螺纹连接，所述中心管的底部开有连接螺纹。

再次，本发明给出一种旋流分离模块，包括底部套筒26，其独特之处在于：所述底部套筒26由上至下分为大直径直筒段、大锥段、小锥段以及小直径直筒段；所述旋流分离模块还包括旋流螺旋流道25；所述旋流螺旋流道25具有中心管和固定在所述中心管外的外螺旋导流体；所述中心管的顶部有连接螺纹用于和聚结器24上中心管的底部通过螺纹连接；所述外螺旋导流体的底部固定在底部套筒26内大直径直筒段底部的环形槽内；底部套筒26能与顶部套筒23通过螺纹连接。

综合上述结构，本发明给出一种降粘聚结一体化旋流分离装置的第一组成方式，包括顶部套筒23和机械降粘模块1，以及自适应稳流模块2。

所述机械降粘模块1包括剪切片5、旋转剪切叶片6、剪切固定支座7以及剪切盘8。所述剪切片5利用表面凸起的结构对含聚混合液微粒进行剪切降粘，其中部套筒用于与溢流管22通过螺纹连接，所述旋转剪切叶片6为一旋转件，其中部套筒四周均布六个弧形叶片，其中部套筒通过紧定螺钉与轴承配合，轴承安装在溢流管22上。所述剪切固定支座7为一定位部件，其中部套筒通过螺纹连接在溢流管22上，套筒上端实现旋转剪切叶片6的轴承以及剪切片5的轴向定位，所述剪切盘8为一盘状结构，其中间部分开有矩形阵列孔槽，孔槽内侧对立壁面上置有剪切盘内锥801，该结构的中部套筒与剪切固定支座7通过螺纹连接。

顶部套筒23内设置有顶部套筒滑道2301、顶部套筒凸台2302和顶部套筒凸轴2303以及顶部套筒进液口2304。

机械降粘模块1位于自适应稳流模块2的上方，溢流管22贯穿机械降粘模块1和自适应稳流模块2。

降粘聚结一体化旋流分离装置的第二组成方式，包括顶部套筒23和机械降粘模块1，以及自适应稳流模块2，以及油滴聚结模块，所述油滴聚结模块的外套筒连接至顶部套筒23的底端成为顶部套筒23的延长段，所述油滴聚结模块的中心管连接在溢流管22上。

降粘聚结一体化旋流分离装置的第三组成方式，包括顶部套筒23和机械降粘模块1，以及自适应稳流模块2，以及油滴聚结模块，以及旋流分离模块。

所述旋流分离模块上的底部套筒26与顶部套筒23的延长段通过螺纹连接；所述旋流分离模块的中心管上端与所述油滴聚结模块的中心管下端相连接。

本发明具有如下有益效果：

自适应稳流模块可通过改变过流面积来稳定流量，使得流经混合相流量趋于稳定，避免了因流量过大导致流速较大以致于不能充分进行机械降粘或因流速变化影响油滴聚结效果。

油滴聚结模块可使离散相油滴在旋流场作用下实现碰撞聚结，使粒径较小油滴聚结成粒径较大油滴，利于提高旋流分离效率。

旋流分离模块利用油水两相之间的密度差，使得强旋流作用下油水两相的离心力不同，实现油水两相间的分离，处理量大，分离效果较好。

将自适应稳流模块、油滴聚结模块、以及机械降粘模块组合构成一套装置后，组合后的装置具有如下优点：

分离装置结构简单，连接方式上多采用螺纹连接，便于安装，整体外观呈圆筒状，适合井下狭长空间条件下使用。

该装置利用机械剪切可以降低流体粘度的原理，对高含聚油水混合相进行机械剪切降低其粘度，使其利于后续含聚混合液中油水两相的分离，相对于化学方法降粘，机械降粘方法更高效、极大提高经济适用性。

通过齿轮组和稳流叶片相互配合，通过改变过流面积来稳定流量，提升了聚结效率，减小流量变化对聚结效果的影响。通过油滴聚结模块可使离散相油滴在旋流场作用下实现碰撞聚结，使小油滴聚结成粒径较大的大油滴，提高后续旋流分离效率。旋流分离模块利于油水两相间密度差，在强旋流作用下造成的离心力不同，使得轻质油相成为螺旋上升的内层旋流，从溢流口排出，重质水相在离心力作用下向轴心聚集最终从底流口排出，从而实现油水两相的分离，分离效果较好。

附图说明：

图1为降粘聚结一体化旋流分离装整体外观图。

图2为降粘聚结一体化旋流分离装置整体爆炸图。

图3为降粘聚结一体化旋流分离装置整体剖视图。

图4为机械降粘模块外观图。

图5为机械降粘模块爆炸图。

图6为剪切盘8外观结构图。

图7为自适应稳流模块外观图。

图8为自适应稳流模块爆炸图。

图9为自适应稳流模块齿轮传动部分放大图。

图10为自适应稳流模块低流速下工作原理图。

图11为自适应稳流模块高流速下工作原理图。

图12为控流压盘外观图。

图13为控制齿条外观图。

图14为稳流叶片行星轮支架外观图。

图15为稳流叶片外观图。

图16为溢流管外观图。

图17为顶部套筒剖视图。

图18为聚结器外观图。

图19为旋流分离模块外观图。

图20为旋流分离模块剖视图。

图中1-机械降粘模块、2-自适应稳流模块、3-油滴聚结模块、4-旋流分离模块、5-剪切片、6-旋转剪切叶片、7-剪切固定支座、8-剪切盘、801-剪切盘内锥、9-控流压盘、901-控流压盘滑块、902-压缩弹簧定位槽、903-连接梁，10-压缩弹簧、11-控制齿条、12-侧边连接齿轮、13-侧边齿轮连接销、14-侧边锥形齿轮、15-侧边锥形齿轮定位销、16-中心锥形齿轮、17-中心齿轮连接销、18-稳流控制太阳轮、19-稳流叶片行星轮、20-稳流叶片行星轮支架、21-稳流叶片、22-溢流管、23-顶部套筒，2301-顶部套筒滑道，2302-顶部套筒凸台，2303-顶部套筒凸轴，2304-顶部套筒进液口，24-聚结器，25-旋流螺旋流道，26-底部套筒，2601-底流口。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

机械降粘模块包括剪切片，旋转剪切叶片，剪切固定支座，剪切盘。所述剪切片利用表面凸起结构对含聚混合液微粒进行剪切降粘，其中部套筒与溢流管通过螺纹连接，所述旋转剪切叶片为一旋转件，其中部套筒四周均布六个弧形叶片，其中部套筒通过紧定螺钉与轴承配合，轴承安装在溢流管上；所述剪切固定支座为一定位部件，其中部套筒通过螺纹连接在溢流管上，套筒上端实现旋转剪切叶片的轴承以及剪切片的轴向定位，所述剪切盘为一盘状结构，其中间部分开有矩形阵列孔槽，孔槽内侧对立壁面上置有剪切盘内锥，该结构的中部套筒与剪切固定支座通过螺纹连接。

自适应稳流模块包括控流压盘、压缩弹簧、控制齿条、侧边连接齿轮、侧边齿轮连接销、侧边锥形齿轮、侧边锥形齿轮定位销、中心锥形齿轮、中心齿轮连接销、稳流控制太阳轮、稳流叶片行星轮、稳流叶片行星轮支架、稳流叶片、溢流管、顶部套筒组成。所述控流压盘主要结构有控流压盘滑块、压缩弹簧定位槽、连接梁，轴心处开有通孔与溢流管孔配合即可实现轴向滑动，控制齿条与连接梁端面的圆孔螺纹连接在一起，控流压盘外侧设有控流压盘滑块，该滑块可在顶部套筒滑道内滑动。压缩弹簧下端定位顶部套筒凸台以实现对其支承，上端放置在控流压盘内部结构压缩弹簧定位槽腔内实现压缩弹簧的轴向定位。侧边连接齿轮与对应的轴承相配合套在顶部套筒凸轴上，侧边锥形齿轮同样与对应的轴承相配合套在顶部套筒凸轴上，侧边连接齿轮与侧边锥形齿轮通过侧边齿轮连接销连接实现同步转动，侧边锥形齿轮定位销与顶部套筒凸轴过盈配合，实现侧边锥形齿轮的轴向定位。中心锥形齿轮与对应的轴承相配合，安装在溢流管上，该中心锥形齿轮与侧边锥形齿轮相配合转动，稳流控制太阳轮与对应的轴承相配合套在溢流管上，中心锥形齿轮与稳流控制太阳轮通过中心齿轮连接销连接实现同步转动，稳流叶片行星轮环绕在稳流控制太阳轮四周，且与稳流叶片通过螺纹连接在一起，稳流叶片行星轮支架与溢流管通过螺纹连接，其外侧均布六个卡口，稳流叶片尾部穿过其卡口孔洞与稳流叶片行星轮通过螺纹连接固定。所述溢流管与顶部套筒上端通过螺纹连接。所述顶部套筒与底部套筒通过螺纹连接。

所述油滴聚结模块由聚结器组成，所述聚结器靠近前端位置为一螺旋流道，两侧均为圆柱状套筒，其内部中空，其顶部与溢流管通过螺纹连接，底部与旋流螺旋流道连接。

所述旋流分离模块由旋流螺旋流道和底部套筒组成。所述旋流螺旋流道顶部与聚结器底部通过螺纹连接，其螺旋流道底部安装在底部套筒相应的环槽内。所述底部套筒外观为一圆柱状圆筒，其内部中空，由上至下分为大直径直筒段，大锥段，小锥段以及小直径直筒段，该底部套筒与顶部套筒通过螺纹连接。

组合后的最优的降粘聚结一体化旋流分离装置，具有机械降粘模块、自适应稳流模块、油滴聚结模块以及旋流分离模块。

旋流分离装置整体外观图如图1所示，高含聚油水混合相由井下套管进入顶部套筒进液口2304中并流入该降粘聚结一体化旋流分离装置内部，流经内部机械降粘模块1、自适应稳流模块2、油滴聚结模块3、旋流分离模块4，最终将处理后的油相由溢流管22排出，水相由底流口2601排出。降粘聚结一体化旋流分离装置整体爆炸图如图2所示，主要由机械降粘模块1、自适应稳流模块2、油滴聚结模块3、旋流分离模块4组成。

图3为降粘聚结一体化旋流分离装置整体剖视图，高含聚油水混合相由顶部套筒进液口2304进入顶部套筒23内部，高含聚油水混合相流经机械降粘模块1，经剪切作用使得高含聚油水混合相的粘度降低，降粘后的混合液流经自适应稳流模块2，该模块可根据流速自动调节液体的过流面积，使得流经油滴聚结模块3的混合相流量趋于稳定，避免了因流速变化影响油滴聚结效果，稳流后的混合液流入油滴聚结模块3，该模块使得小粒径油滴聚结，聚结后的油滴粒径变大，利于旋流分离，最后经聚结作用后的混合液流入旋流分离模块4，混合液经旋流分离后，油相由溢流管22排出，水相由底流口2601排出。

图4为机械降粘模块1外观图，图5为机械降粘模块1爆炸图，主要由剪切片5，旋转剪切叶片6，剪切固定支座7，剪切盘8组成，其工作原理为含聚混合液流经剪切片5进行剪切，旋转剪切叶片6对含聚混合液进行旋转剪切，最后流经剪切盘8并与剪切盘内锥801进行三次剪切，含聚混合液经剪切作用处理后其粘度明显下降，降粘后的混合液易于进行油滴聚结与旋流分离。

图6为剪切盘8外观结构图。图7为自适应稳流模块2外观图。图8为自适应稳流模块2爆炸图，主要由控流压盘9、压缩弹簧10、控制齿条11、侧边连接齿轮12、侧边齿轮连接销13、侧边锥形齿轮14、侧边锥形齿轮定位销15、中心锥形齿轮16、中心齿轮连接销17、稳流控制太阳轮18、稳流叶片行星轮19、稳流叶片行星轮支架20、稳流叶片21、溢流管22、顶部套筒23组成。

图9为自适应稳流模块2齿轮传动部分放大图，控流压盘9外侧的控流压盘滑块901与顶部套筒23内壁的顶部套筒滑道2301相配合使得控流压盘9在顶部套筒23内部沿着滑道移动，当进入降粘聚结装置内部流速急剧增大时，流量压强过大因而冲击控流压盘9，使得控流压盘9在压缩弹簧10反向弹力下运动，压缩弹簧10下端固定在顶部套筒凸台2302上，上端嵌入控流压盘9内部结构压缩弹簧定位槽902内实现其轴向定位，控制齿条11螺纹连接至控流压盘9连接梁处的螺纹孔内，因此控流压盘9往复运动带动控制齿条11往返运动，控制齿条11与侧边连接齿轮12为齿轮齿条配合，控制齿条11的上下往复运动转化为侧边连接齿轮12旋转运动，侧边齿轮连接销13作为侧边连接齿轮12与侧边锥形齿轮14之间的传动件，将侧边连接齿轮12的旋转运动传递至侧边锥形齿轮14使得侧边锥形齿轮14旋转，侧边锥形齿轮14与中心锥形齿轮16构成锥齿轮传动啮合机构，将侧边锥形齿轮14的径向旋转运动转换为中心锥形齿轮16的轴向旋转运动，中心齿轮连接销17将中心锥形齿轮16与稳流控制太阳轮18连接在一起，6个稳流叶片行星轮19与稳流控制太阳轮18构成行星齿轮机构且稳流叶片行星轮19被固定在稳流叶片行星轮支架20上，稳流叶片行星轮支架20内部中心孔内壁通过螺纹连接至溢流管22外壁面，因此稳流控制太阳轮18旋转带动外围稳流叶片行星轮19旋转，稳流叶片21螺纹连接至稳流叶片行星轮19内部中心孔，进而使得稳流叶片21绕稳流叶片行星轮19轴心进行自转，当6片稳流叶片21同时自转会产生相对封闭或打开状态，所以当进液量增大使得6处稳流叶片21同时逆时针旋转相互构成较封闭状态从而有效减小流液过流面积，使得流量趋于稳定，大大减弱了流量突变对降粘聚结装置分离效率所造成恶劣影响；另一方面若进液量减小，6处稳流叶片21同时顺时针旋转相互构成打开状态从而有效增大流液过流面积增大处理量，与此同时打开状态下的稳流叶片21对流经液体可以进行适当的机械剪切从而进一步降低混合相液体粘度。

图10为自适应稳流模块2低流速下工作原理图，该状态下混合液流速较低，此时稳流叶片21保持如图位置，当混合液流经叶片时，因过流面积较大，流量基本不变，此时的流量利于进行油滴的聚结。图11为自适应稳流模块2高流速下工作原理图，该状态下混合液流速较高，混合液冲击控流压盘9使压缩弹簧10压缩变形，进而带动各齿轮传动，使得稳流叶片21旋转到如图所示位置，此时过流面积减小，流量随之减小利于油滴聚结，该模块主要将流量稳定在一定区间，减小了紊乱流场对油滴聚结产生的不利影响。

图12为控流压盘9外观图。图13为控制齿条11外观图。图14为稳流叶片行星轮支架20外观图。图15为稳流叶片21外观图。图16为溢流管22外观图。图17为顶部套筒23剖视图。图18为聚结器24外观图，混合液流经该聚结器24的螺旋流道使得离散相油滴在旋流场的作用下实现碰撞聚集，使小粒径油滴聚结成大粒径的油滴后进入后端旋流分离模块4，提高分离效率；其次，轻质油相在聚结器形成的旋流场作用下沿径向向轴心运移，进入后端旋流分离模块4更容易沿轴向向上运动至溢流管22排出实现分离。图19为旋流分离模块4外观图。图20为旋流分离模块4剖视图，油水混合液流入旋流螺旋流道25，从而形成强旋流，由于油水两相间密度差，在强旋流作用下造成的离心力不同，使得轻质油相成为螺旋上升的内层旋流，流入旋流螺旋流道25中心孔处最终从溢流管22排出，重质水相在离心力作用下向轴心聚集最终从底流口2601排出，从而实现油水两相的分离。