立式動態旋流器的製作方法

2023-10-09 22:00:44

專利名稱：立式動態旋流器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於石油生產領域中的稠油除砂以及聚合物驅採出液分離的立式動態旋流器。
背景技術：
目前我國已經在松遼、渤海灣、準格爾等15個大中型含油盆地和地區發現了數量眾多的稠油油藏，預測我國稠油油藏地質儲量高達80×108m3以上，因此在今後的油田開發中我國的稠油開採潛力巨大。但是，由於稠油油藏壓實成巖作用一般都較差，儲層膠結疏鬆，砂粒間的結合能力差，在採油過程中較高的壓力梯度作用下，砂粒容易發生脫落，而原油的粘度普遍較高，攜砂能力很強，致使在原油開採過程中的出砂現象非常普遍和嚴重。目前現有的各種井下防砂工藝、技術手段雖然在一定程度上起到了防砂效果，但是不能從根本上解決稠油含砂的問題。而且化學防砂等工藝的實施往往會影響到油井的產油量。為此，20世紀90年代國內外的採油工作者們相繼提出了「出砂冷採」的新的稠油開採方法，即井下不採取防砂措施，讓砂和原油一道採出。實踐證明出砂冷採工藝可以大幅度的提高油層的空隙度和滲透率。但是，出砂冷採採出的原油含砂量更大，對油田地面集輸設備帶來了更大的難題。原油中攜帶著的大量的砂粒非常容易在集輸管道及各類分離儲存設備中沉積下來，造成管路與儲罐等設備堵塞，泵類設備磨損加劇，存儲類設備的有效利用率降低等一系列不利影響。因此如何高效率地清除高粘度稠油中的砂粒是國內外稠油開採中面臨的一大難題。
目前國內外解決稠油除砂的方法主要是重力沉降除砂。重力沉降除砂原理比較簡單，就是將原油引入大型沉降設備，利用油、水、砂的不同比重進行自然沉降分離，該方法沉降效率低，設備佔地面積大，原油脫水效果差，而且清理沉降設備中的沉砂工作既相當煩瑣，又極不安全。
對於旋流除砂設備目前應用的是靜態水力旋流器，主要應用於低粘度介質的氣-固、液-固或液-液分離。實踐表明，只要旋流器結構設計合理，旋流產生的離心力將比重力大1000倍以上。所以這種分離方法的分離效果較重力沉降法的分離效果有顯著提高，而且有結構簡單設備佔地面積小的優點。
由於靜態水力旋流器自身的結構特點和特殊的工作方式使得靜態水力旋流器在進一步提高分離效率方面受到種種限制，特別是在處理高粘度介質(比如稠油)的分離作業時，普通的靜態旋流分離設備遇到了一些難以克服的困難。由於工作介質的粘度大，介質內摩擦阻力增加，最終導致壓力損失(能量損失)的增加，分離能力降低，嚴重的時候會使旋流器完全喪失分離能力，如河南油田部分油井產出的原油(稠油)和聚合物驅時的採出液用靜態水力旋流器根本無法分離。這些都是目前靜態旋流除砂設備在處理高粘度的稠油除砂、脫水以及採用聚合物驅時採出液分離時遇到的難以克服的困難。隨著我國的稠油油藏的大量開發和聚合物驅採油技術的大面積推廣應用，使得地面原油除砂、脫水問題日漸突出，單純的靜態旋流技術已經滿足不了油田現場的生產需要。
近年來，國內外已經開發出了一種臥式動態旋流器，由於臥式動態旋流器在結構上存在缺陷，致使動態旋流技術至今沒有在油田生產中推廣使用。目前國內外各種規格型號的動態旋流器大都有一個共同的結構特點，那就是臥式布置、軸向進液，而且轉筒內徑與轉簡長度之比較大(有的長徑比達20以上)。究其原因，之所以採用這種進液方式而沒有採用傳統的靜態旋流器的切向進液的方式，主要是為了簡化動態旋流器的進液結構。但是，這種結構上的簡化對旋流器的流場帶來諸多的不利因素，嚴重影響了分離效果，使得臥式動旋流器的優點沒能充分的發揮出來。主要表現在以下幾點(1)軸向進料不利於物相的分離不論是氣-固、液-固分離還是液-液分離，旋流分離的結果都是使輕相匯聚到中心部位而重相分布於外圍。所以，物料總的運動趨勢是重相在離心力的作用下向外圍運移，輕相向中心部位運移。當採用切向進液的方式時，液體沿旋流器內壁進入，大部分的重相在離心力的作用下已經「優先佔據」了外圍，而輕相則被「擠到」中心部位。所以其徑向運動的主體是輕相向內運移。而當採用軸向進液時大部分重相的徑向運動起點是在中心部位，在離心力(或其他葉輪等機械力)的作用下重相由中心部位向外圍運移是徑向運動的主體。從兩者徑向速度的分析可以看出，軸向進液方式不利於物相的分離。為了保證重相介質能在限定的時間內從中心部位運動到旋流器壁，旋流器的直徑不能太大；同樣，在直徑一定的情況下，要使重相在離開旋流器以前運動到旋流器壁，轉筒必需要有一定的長度。為了保證足夠的分離時間，軸向進液結構的轉筒必需採用大的長徑比。
(2)軸向進液結構中的液體的軸向初速度太大，不利於增加分離介質在分離腔內的有效停留時間在相同的供液壓力下，軸向供液時液體產生的軸向速度要比切向供液時液體產生的軸向速度大得多。所以，在相同的時間內，前者要產生更大的軸向位移。為了保證液體在旋流器內有足夠的停留時間，必須增加轉筒的長度。
(3)小直徑的轉筒使得動態旋流器產生離心力的能力受到限制對於靜態旋流器而言，旋流器所能達到的分離粒度與旋流器的直徑有著直接的依賴關係。這是因為靜態旋流器在工作時，液體的迴轉動力來源於液體自身的壓力能，在一定的進液壓力下，小直徑比大直徑能產生更大的離心力。但是對於動態旋流器而言，液體的迴轉動力主要來源於轉筒，轉筒高速旋轉帶動液體旋轉，液體產生離心力的大小主要取決於轉筒的轉速和直徑。相同直徑下，轉速越高產生的離心力越大；同一轉速下，直徑越大產生的離心力也越大。所以從這個角度來看，採用小直徑的轉筒不利於動態旋流器優點的發揮。
(4)增加轉筒長度，增加了系統振動對流場的幹擾前面的(1)、(2)兩條決定了臥式動態旋流器轉筒必須要採用較大的長徑比。但是，在同一直徑下，轉筒長度越大其同軸度越難保證，分離過程中在轉筒高速旋轉的情況下，轉筒的幾何中心與迴轉中心的偏離程度在很大程度上影響著最終的分離效果。同時，由於長度的增加加重了系統振動對流場的影響，嚴重的時候可能在出口處使已經分離的輕、重相又重新混合。
綜合以上分析可以看出，採用軸向供液結構給動態旋流器的分離效果帶來諸多不利影響，嚴重的制約了動態旋流器技術發展，這也可以說明為什麼經過十幾年的研究，該技術仍然未能得到推廣應用。

發明內容
本發明的目的旨在提供一種用於稠油脫水除砂和聚合物驅採出液分離的帶變頻控制的立式動態旋流器。該動態旋流器可以很好地克服靜態旋流技術在處理高粘度難分離介質分離時所遇到的一系列難題，最大限度的保留了常規靜態旋流器的優點，同時又比國內外提出的臥式結構的動態旋流器有明顯的優點，是一種適用高粘度介質和聚合物分離作業用的動態旋流分離設備。
本發明所採用的技術方案是變頻電機(1)、立式分離體(3)以及沉降罐(4)等均採用同軸立式安裝(如圖1所示)，通過底座(圖2中的18)固聯在機架(6)上；變頻電機(1)聯結撓性聯軸接(圖2中的10)和聯結軸(圖2中的19)帶動分離轉筒(圖2中的15)以一定的角速度高速旋轉；其中轉筒(15)和進/回液過渡套(12)是最關鍵的部件，它們配合不僅形成回液過渡腔(HQ)和進液過渡腔(JQ)，還形成螺紋密封(L)。在轉筒(15)的筒體與進液過渡腔(JQ)對應的位置上開有3個沿圓周均布的切線方向進液口(25)；是分離液體由進液過渡腔(JQ)進入轉筒(15)的通道，液體沿切線進液口(25)進入旋轉著的轉筒(15)，轉筒的旋轉對液體起到加速旋轉，加強了離心分離的效果。為了增加轉筒的使用壽命，本發明在轉筒內部分別安裝了襯套I(22)、襯套II(23)和底流口(25)，均屬高硬度耐磨材料，其中襯套II(23)和底流口(24)是成套的4組8件，錐角在0°～30°之間，可根據採出液的具體情況選擇適當錐角的底流口。本發明的沉降罐(4)底部設有可調接頭(5)，通過調節沉降罐底部的可調閥(5)的開度可以實現動態旋流分離分流比的調整。本發明的轉筒上部採用徑向扶正軸承(13)、下端採用軸向採用止推軸承(16)支撐，兩端均採用螺旋密封(L)和成型密封(17)的雙重密封。
本發明的有益效果是整體採用立式結構，採出液從切線方向以一定的初速度進入旋流器，充分利用了離心力和重力的綜合作用，分離介質中經初步分離的重相在重力的作用下沿轉筒壁緩緩下沉，經底流口進入沉降罐，克服了臥式動態旋流器為了增加分離介質的有效分離時間而必須增加轉筒長度的缺點；同時，本發明的轉筒在電機的帶動下以一定的角速度旋轉，進入轉筒的分離介質在轉筒的帶動下高速旋轉，克服了靜態旋流器在器壁處的切向速度為零、在處理高粘度介質時切線速度急劇衰減的缺點；本發明沉降罐的設置可以實現對旋流器底流口水封，有效的消除轉筒內部的空氣柱，降低內部流場的湍流強度，大大降低流場內部能量的損耗，提高分離效果；本發明採用變頻電機驅動，可以根據進分離介質的性能和對介質分離效果的要求調整電機(轉筒)的轉速和沉降罐底部的調節閥的開度，從而合理調整旋流器的處理量和分流比；本發明轉筒的內部錐角為0°～30°，根據分離介質與工藝參數確定；本發明進液端穩壓裝置的設置可以很好的消除井口採出液壓力的波動。


圖1是本發明立式動態旋流器的整體結構示意圖。圖中1.變頻電機，2.出液接頭，3.立式旋流分離體，4.沉降罐，5.可調接頭，6.機架，7.連接管路，8.穩壓裝置，9.進液接頭。
圖2是本發明立式旋流分離體的結構圖。圖中1.變頻電機，10.聯軸接，11.聯軸接罩，12.進/回液過渡套，13.扶正軸承，14.軸承座，15.轉筒，16.止推軸承，17.成型密封，18.底座，19.連接軸，20.溢流管，21.密封，22.襯套I，23.襯套II，24.底流口，25.進液螺堵，L.螺紋密封，HQ.回液過渡腔，JQ.進液過渡腔，QK.轉筒上的切相進液口(3個)。
圖3是立式旋流分離體A-A向剖面圖。
具體實施例方式
下面結合圖1、圖2和圖3來進一步說明本發明。
如圖1和圖2所示立式動態旋流器，主要由變頻電機(1)、回液管路(2)、立式旋流分離體(3)、沉降罐(4)、可調閥(5)、機架(6)、連接管路(7)、穩壓裝置(8)、進液管路(9)等組成；其中立式旋流分離體又由聯軸接(10)，聯軸接罩(11)，進/回液過渡套(12)，扶正軸承(13)，軸承座(14)，轉筒(15)，止推軸承(16)，成型密封(17)，底座(18)，連接軸(19)，溢流管(20)，成型密封(21)，襯套I(22)，襯套II(23)，底流口(24)，進液螺堵(25)主要零件組成。
動態旋流器工作時變頻電機(1)帶動立式轉筒(15)以一定的轉速旋轉；具有一定壓力的預分離介質經穩壓裝置(8)穩壓以後，沿切線方向進入由進/回液過渡套(12)和轉筒(15)形成的的進液過渡腔(JQ)，進液過渡腔中帶有一定壓力和切線速度的液體經轉筒(15)上的切向進液口以一定的速度進入旋轉的轉筒(15)，在轉筒(15)的帶動下實現動態旋流分離；在離心力和重力的綜合作用下，重相逐漸富集於轉筒(15)的筒壁，並沿筒壁下沉到沉降罐(4)；輕相匯聚在轉筒中心，經溢流管(20)進入由進/回液過渡套(12)和轉筒(15)形成的回液過渡腔(HQ)，最終排到連著的外部管匯；在現場工作的時候，隨時根據採出液的流量以及採出液輕重相的比例實時調節變頻電機的轉速和沉降罐(4)下方的排出口可調接頭(5)的開度，實現各參數的最佳匹配控制。
權利要求
1.一種立式動態旋流器，其特徵在於變頻電機(1)、立式旋流分離體(3)以及沉降罐(4)均採取立式同軸安裝，通過底座(18)固聯在機架(6)上；主要由變頻電機(1)聯結撓性聯軸接(10)和聯結軸(19)帶動分離轉筒(15)以一定的角速度高速旋轉；轉筒(15)和進/回液過渡套(12)是最關鍵的部件，它們配合不僅形成回液過渡腔(HQ)和進液過渡腔(JQ)，還形成螺紋密封(L)；在轉筒(15)的筒體與進液過渡腔(JQ)對應的位置上開有3個沿圓周均布的切線方向進液口(25)；是分離液體由進液過渡腔(JQ)進入轉筒(15)的通道，液體沿切線進液口(25)進入旋轉著的轉筒(15)，轉筒的旋轉對液體起到加速作用，加強了離心分離的效果。
2.根據權利要求1所述的立式動態旋流器，其特徵是在轉筒(15)內部分別安裝了襯套I(22)，襯套II(23)，底流口(24)，均屬高硬度耐磨材料，其中襯套II(23)，底流口(24)是成套的4組8件，錐角在0°～30°之間，通過調節沉降罐(4)底部的可調接頭(5)的開度可以實現動態旋流器分流比的調整。
3.根據權利要求1所述的立式動態旋流器，其特徵是在轉筒(15)上部採用徑向扶正軸承(13)、下部採用軸向採用止推軸承(16)支撐，兩端均採用螺紋密封(L)和成型密封(17)的雙重密封。
4.根據權利要求1所述的立式動態旋流器，其特徵是具有一定壓力的預分離工作介質經穩壓裝置(8)穩壓，沿切線方向進入由進/回液過渡套(12)和轉筒(15)形成的進液過渡腔(JQ)，在轉筒(15)的帶動下實現動態旋流分離；在離心力和重力的綜合作用下，重相逐漸富集於轉筒(15)的筒壁，並沿筒壁經底流口(24)沉入沉降罐(4)，輕相匯聚在轉筒(15)的中心，經溢流管(20)進入由進/回液過渡套(12)和轉筒(15)形成的回液過渡腔(HQ)排出，最終排到連接的外部管匯。
全文摘要
本發明涉及一種用於石油生產中的稠油除砂和聚合物驅油採出液的分離的立式動態旋流器。它可克服靜態旋流器技術在處理高粘度介質分離時遇到的難題，又比現有的臥式動態旋流器有明顯的優點，是一種適合於高粘度介質分離作業的動態旋流分離設備。其技術方案是將變頻電機、立式旋流分離體及沉降罐採用同軸立式安裝；變頻電機聯結撓性聯軸接和聯結軸帶動分離轉筒以一定的角速度高速旋轉，預分離工作介質經穩壓沿切線方向進入由進/回液過渡套和轉筒形成的進液過渡腔，經轉筒上的切相進液口進入轉筒，在轉筒的帶動下實現動態旋流器分離。本發明充分利用了離心力和重力的綜合作用，分離介質中經初步分離的重相沿筒壁緩緩下沉，經底流口進入沉降罐，非常適合處理高粘度介質的分離作業。
文檔編號B04C5/14GK101028614SQ200610020989
公開日2007年9月5日 申請日期2006年5月9日 優先權日2006年5月9日
發明者梁政, 鍾功祥, 任連城, 吳世輝, 鄧雄, 楊志, 呂志忠, 蔣發光 申請人:西南石油大學