一種管道式油水分離方法及裝置的製作方法
2023-06-10 21:27:16
專利名稱：一種管道式油水分離方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將油水兩相混合液進行分離的方法，特別是關於一種應用在 海洋生產平臺、水下生產系統以及陸上油氣田分離系統中的管道式油水分離方法 及裝置。
背景技術：
目前，在海上油氣田和陸上油氣田生產過程中，油水分離工藝佔據著很重要 的地位，旋流分離方法作為一種高效分離方法，廣泛應用在各種分離設備中。隨 著油田後期採出液進入高含水階段，同時為了使目前現有的工藝處理設備滿足後 期生產的要求，因此必須對現有設備進行必要的改造。在海洋採油平臺上，由於 空間的限制，並不適合進行大規模的改造，此時，小型、高效的處理設備倍受推 崇。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種將油氣田中油水精確分離的管道式 油水分離方法及裝置。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案 一種管道式油水分離方法，其 包括以下內容1)設置一由若干螺旋通道組成的管道，將管道分為一體連通的上 部管和下部管，上部管連接一頂筒，下部管連接一環形底筒，在上部管中心設置 一導向管，在下部管的中心設置一與各螺旋通道腔室內側連通的集油管路，在環 形底筒上設置水相出口管，在環形底筒的中心穿設一與集油管路連通的油相出口 管；2)利用油水之間的密度差以及油水混合液在各螺旋通道中旋轉流動產生的離 心力，使通過所述管道的密度較大的水相液體沿徑向向各螺旋通道腔室外側移動， 油相液體則在水相液體壓力作用下，向下部管中的各螺旋通道腔室內側聚集，並 流入集油管路中，分離後的水相液體和油水液體，分別通過水相出口管和油相出 口管流出。
所述上部管內各所述螺旋通道展開後的長度為Z=218 麵--根
"( _ P咖，)"
據各所述螺旋通道展開後的長度得到所述上部管內各所述螺旋通道的圈數為"=i/S=-18 了，其中R為各所述螺旋通道的旋轉半徑;
"2( - P咖，)"V4^2 + ,
w為各所述螺旋管道的徑向截面寬度；w一為油相的動力粘度；d為水相顆粒直徑; A^為水相顆粒的密度；A.。 ,為油相密度；Z為單個所述螺旋通道的螺距， Z = 4(/7 + //)， h'為所述管道內各所述螺旋通道之間隔板壁厚；U為油水混合液在各 所述螺旋管道進口的流速；S為單個所述螺旋通道一周螺旋線的周長。
所述上部管內各所述螺旋通道展開後的長度採用以下步驟得到1)假設油水 混合液在所述上部管內各所述螺旋通道中的流動為理想狀態的層流，且油水兩相
液體之間不存在剪切作用，則水相顆粒受到的離心加速度為"-jg2+^y,從而
可得到水相顆粒的離心力為,=,=/^7><^2+^，其中U為油水混合液在各
所述螺旋管道進口的流速；g為水相顆粒的重力加速度；R為各所述螺旋通道的旋 轉半徑；P^為水相顆粒的密度；V為水相顆粒的體積；由於所述上部管內的流動
為層流，將離心加速度的公式帶入斯託克斯重力沉降公式v = ^鄰g(Pdisp — P咖t)
中，可得水相顆粒的沉降速度為V' = "2( -P咖,+ "4 "2 /18//贈，其中d 為水相顆粒直徑；p，,為油相密度；//￡。 (為油相的動力粘度；2)根據沉降速度和 各所述螺旋通道的徑向截面寬度W確定水相顆粒在所述上部管內的沉降時間為 kw/v'; 3)根據水相顆粒的沉降時間和油水混合液在進口的流速確定所述上部管
內各所述螺旋通道的長度為Z=/x" = ^-
j2 (P鄉-P咖,Wg2+W4/i 2
實現上述方法的裝置，它包括一管道，所述管道內由若干獨立且疊摞的螺旋 通道組成，所述管道分為一體連通的上部管和下部管，所述上部管頂部連接一具 有法蘭的頂筒，各所述螺旋通道的進口間隔設置在所述頂筒內，所述上部管的中 心設置有一兩端封閉的導向管，所述導向管的錐頭高於各所述所述螺旋通道的進 口，所述下部管的中心為一與各所述螺旋通道腔室內側連通的集油管路，所述下 部管底部連接一環形底筒，所述環形底筒上設置有水相出口管，所述環形底筒的中心穿設有一與所述集油管路連通的油相出口管。
所述螺旋通道為獨立且疊摞的四個，且螺旋通道的進口呈90。間隔設置。
各所述螺旋通道的截面形狀為矩形。
所述水相出口管為一根以上，且呈螺旋狀設置。
所述上部管內各所述螺旋通道展開後的長度為Z 18 咖,_一，根
據各所述螺旋通道展開後的長度得到所述上部管內各所述螺旋通道的圈數為
"=丄/5 =-18 U ，其中R為各所述螺旋通道的旋轉半徑;
d (P鄉一 P咖，)w、 4冗2 + 7
W為各所述螺旋管道的徑向截面寬度；"￡。 ,為油相的動力粘度；d為水相顆粒直徑；
A^為水相顆粒的密度；A。",為油相密度；％為單個所述螺旋通道的螺距，
義-4^ + //)， h，為所述管道內各所述螺旋通道之間隔板壁厚；U為油水混合液在 各所述螺旋管道進口的流速；S為單個所述螺旋通道一周螺旋線的周長。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由於採用了一由 多個獨立的螺旋通道組成的管道，並將管道中部分為一體連通的上部管和下部管， 當油水混合液經過上部管流動後，可以產生離心力，使密度較大的水相液體向下 部管內的螺旋通道腔室外側移動，同時油相液體在水相液體的壓力作用下向螺旋
通道腔室內側聚集，因此實現了油水分離的狀態。2、本發明由於在上部管的中心
設置有帶有錐頭的導向裝置，該錐頭能更好的將流入的油水混合液分流至四個螺 旋通道的進口，並減少油水混合液進入各螺旋通道後內部流場的紊亂，保證了油
水分離的效率。3、本發明由於在下部管的中心設置有與各螺旋通道腔室內側相通
的集油管路，在管道底部連接一環形底筒，環形底筒的底部與兩螺旋型水相出口 管連接， 一油相出口管與集油管路連通，使聚集在下部管內各螺旋通道腔室內側 的油相液體可以通過集油管路流入油相出口管，由油相出口管流出，水相液體則
由環形底筒底部的水相出口管流出，因此實現了油水分離的目的。4、本發明由於 較精確地設計了上部管內各螺旋通道的展開長度和圈數，因此能有效地減小分離 系統的體積，並有效地提高了油水混合液的分離效率，使油水分離更加精確。5、 本發明由於採用螺旋型水相出口管，這樣可以降低下部管出口處的液體流動方向 由切向變為軸向時對管道內油水混合液流場造成的影響，保證了油水的分離效率。 6、本發明採用在管道的橫截面上四個螺旋通道的進口成90。排列，各螺旋通道的螺旋線升角由入口處的90°逐漸過渡到上部管內螺旋線的相對平滑的角度，這樣
可以將沿軸向流入的油水混合液平緩過渡轉化為沿切向流入，有效地減少油水混 合液動能的損失，並降低了由於軸向剪切以及渦流造成油相顆粒破碎乳化作用， 進一步提高了油水混合液的分離效率。本發明可廣泛應用在各種油氣田分離系統 中。
圖1是本發明的具有四個螺旋通道的裝置整體結構剖面示意圖
圖2是本發明的油水混合液進口俯視圖 圖3是本發明的水相顆粒受力分析 圖4是本發明的單個螺旋管道的一周螺旋線示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
如圖l、圖2所示，本發明設置一管道l，管道l內由若干個獨立且疊摞的螺 旋通道11組成。以管道1由四個管截面為矩形的螺旋通道11組成為例，各相鄰 的兩個螺旋通道11之間通過厚度為h'的不鏽鋼鋼板隔開，各螺旋通道11互不相 通，形成獨立的通道。管道1分為一體連通的預分離段的上部管12和油水分離段 的下部管13。上部管12的頂部連接一頂筒2，頂筒2具有一法蘭21，以便與前端 裝置連接。各螺旋通道ll均帶有獨立的進口 14，各進口 14設置在頂筒2內。在 上部管12的中心設置一兩端封閉的導向管3，導向管3頂部帶有一高於各進口 14 的錐頭4，錐頭4能更好地將流入的油水混合液分流至四個進口 14，並減少油水 混合進入各螺旋通道11後內部流場的紊亂。在下部管13的中心設置一與各螺旋 通道11腔室內側相通的集油管路5。下部管13底部與一環形底筒6連接，環形底 筒6上設置有一根以上的螺旋狀水相出口管7連接。環形底筒6的中心穿設有一 與集油管路5連通的油相出口管8。在本發明中，設置有兩個螺旋狀水相出口管7。
上述實施例中，當管道1內為多個螺旋通道11時，各迸口 14在管道1的橫 截面上呈間隔設置。在本實施例中，四個螺旋通道ll的進口 14呈90°間隔設置 在管道1的橫截面上，並且各螺旋通道11的入口處的螺旋線升角由90°逐漸過渡 到相對平滑的角度，這樣可以將沿軸向流入的油水混合液平緩過渡轉化為沿切向 流入，並可以有效地減少油水混合液動能的損失，降低了由於軸向剪切以及渦流 造成油相顆粒破碎乳化作用，提高了油水混合液的分離效率。
本發明利用油水之間的密度差以及油水混合液在各螺旋通道11中旋轉流動產 生的離心力，使油水混合液在上部管12內逐漸產生分離，並進入下部管13中。使密度較大的水相液體沿徑向向各螺旋通道11腔室外側移動，從而使下部管13 內為體積份數較大的水相液體，並從螺旋型水相出口管7流出；油相液體則在水 相液體壓力作用下沿徑向向下部管13中的各螺旋通道11腔室內側聚集，並流入 集油管路5中，油相液體從油相出口管8流出。
上述實施例中，根據水相液體從各螺旋通道11矩形界面腔室內側沉降到腔室 外側所需要的最長時間，可以採用以下步驟求出油水混合液基本分離時所需要的 上部管12內各螺旋通道11展開後的總長度和圈數
1)假設油水混合液在各螺旋通道11內中的流動為理想狀態的層流，水相顆 粒直徑為d，各螺旋通道11的旋轉半徑為R，油水混合液的在單個螺旋通道11的 進口 14處的進口流速為u，且油水兩相液體之間不存在剪切作用，則體積為V的 水相顆粒受到的離心加速度a為
a = w2/i (1) 當油水混合液在單個螺旋通道11的進口 14處的進口流速為u時，管道1的 處理量為
g = 4xwx wx/ (2) 如圖3所示，由於考慮到水相顆粒還受到重力加速度g的作用，實際上體積 為V的水相顆粒受到離心加速度a的方向並不是水平向外的，而是與水平方向存 在一定的夾角^，由公式(1)可推得水相顆粒運移速度與水平方向夾角為 p = arctangi /M2，本發明設定當^ 112m/s2 ，實際上水相顆粒的離心加速度a為
a= g2+4 (3) 從而可得到水相顆粒的離心力F為
formula see original document page 9
上述各公式中，U為油水混合液在各螺旋管道ll進口 14的流速；W為各螺旋 管道11的徑向截面寬度(如圖2所示)；h為各螺旋管道11的徑向截面高度；g為
水相顆粒的重力加速度；i 為各螺旋通道ll的旋轉半徑；/9鄉為水相顆粒的密度， 即分散相密度；
由於上部管12內的流動為層流，將離心加速度a的公式(3)帶入Stokes (斯 託克斯)重力沉降公式"dLpg"isp —P咖t)中，可得出在上部管12內，油水混 合液在單個螺旋通道11的進口 14的流速為w時水相顆粒的沉降速度v'為V' = " 2 ( -A訓,)Vg2+"4/i 2 / 1 8 A。"， ( 5 )
式中，d為水相顆粒直徑；A。",為油相顆粒密度，即連續相密度；A。",為油相 的動力粘度。由公式(5)可以看出，上部管12內水相顆粒在油相中的沉降速度v' 與水相顆粒直徑d、油水混合液在進口 14的流速u成二次方關係，與水相和油相 的兩相液體之間密度差- p自)成正比。
2) 根據沉降速度i/和各螺旋通道11的徑向截面寬度w確定沉降時間t:各螺 旋通道11徑向截面寬度w，以及截面高度h的尺寸選擇要綜合考慮油水混合液在 進口 14的流速u、油水混合液的流量Q以及系統整體壓降AP等因素，即 D = /^,M,AiV..)。在各螺旋管道11的徑向截面寬度為w時，水相顆粒在上部管 12內各螺旋通道11矩形腔室內，從內側運移到最外側的沉降時間t為
Z = w/v' (6)
3) 根據沉降時間t和油水混合液在進口 14的流速u確定使油水充分分離所 需要的上部管12內各螺旋通道11的展開長度L為
",…-18層,。"( (7)
J (A/d)^g十"^
當水相顆粒受到水平方向的離心加速度達到112m/s2時，水相顆粒受到的重力 加速度g可以忽略，則公式(7)可簡化為
"2( -P爐)"
4)根據上部管12內各螺旋通道11的展開長度L確定上部管12內各螺旋通 道ll的圈數如圖4所示，設在單個螺旋通道11 一周周長為S的螺旋線上有一 點M， M沿螺旋線旋轉一角度c^後到達點Mi，與點M!在一條錐面素線上存在一點N
使得il^V丄MV。在直角三角形MNMi中有MV = U^， M,7V-丄c^。
MM1所對應的弧長為ds,則由勾股定理可得到(&)2=(/ .^)2+(弄.^)2， 由此可得到弧長ds為
A =」i 2+A.W (9)
式中，R為各螺旋通道11的旋轉半徑；；^為單個螺旋通道11的螺距， ;j^407 + ZO，h'為管道l內各螺旋通道ll之間隔板壁厚；e的取值範圍為0〈^《2;r; 對公式(9)兩邊進行積分，可得到單個螺旋通道11螺旋線一周的周長S為:formula see original document page 11
由上部管12內各螺旋通道11展開後的總長度L，以及公式(10)可確定為達 到充分的分離而需要的上部管12內各螺旋通道11的圈數n為
formula see original document page 11(11)
由公式(8)可以計算出在流體流速與管徑一定時，不同情況下的水相顆粒充 分沉降所需要的上部管12內各螺旋通道11的圈數。
綜上所訴，油水混合液經過上部管12後，進入下部管13，下部管13內各螺 旋通道11的螺旋圈數為每一個螺旋通道11分離出的油相完全進入中心集油管路5 時，所需要的最小圈數為nl，圈數nl與油水混合液中含油率、油相出口8的分流 比等因素有關。由此可知，管道l的總長為Z,。,。,=(n + "l)x;r。
本發明在使用時，系統的運轉完全依靠系統進出口壓差進行工作，不需要外 部動力輸入，沒有可移動部件。分離出的水相液體在下部管13出口處為切向流出， 經過螺旋型水相出口管7後，分離出的水相液體流動方向逐漸轉變為沿軸向方向 流出，並進入後續設備中。由於採用螺旋型水相出口管7，這樣可以降低下部管 13出口處的液體流動方向由切向變為軸向時對管道1內油水混合液流場造成的影 響，保證了油水的分離效率。本發明的裝置放置形式不影響其油水分離效率，可 根據現場空間任意放置，使用範圍較廣。
上述各實施例中，還可以在結構和連接上有其它變化，例如，各螺旋通道ll 的矩形截面是可以變化的，還可以是圓形或是其它形狀，但矩形截面的螺旋通道 11比較容易加工。凡是基於本發明技術方案上的變化和改進，不應排除在本發明 的保護範圍之外。
權利要求
1、一種管道式油水分離方法，其包括以下內容1)設置一由若干螺旋通道組成的管道，將管道分為一體連通的上部管和下部管，上部管連接一頂筒，下部管連接一環形底筒，在上部管中心設置一導向管，在下部管的中心設置一與各螺旋通道腔室內側連通的集油管路，在環形底筒上設置水相出口管，在環形底筒的中心穿設一與集油管路連通的油相出口管；2)利用油水之間的密度差以及油水混合液在各螺旋通道中旋轉流動產生的離心力，使通過所述管道的密度較大的水相液體沿徑向向各螺旋通道腔室外側移動，油相液體則在水相液體壓力作用下，向下部管中的各螺旋通道腔室內側聚集，並流入集油管路中，分離後的水相液體和油水液體，分別通過水相出口管和油相出口管流出。
2、 如權利要求1所述的一種管道式油水分離方法，其特徵在於所述上部管 內各所述螺旋通道展開後的長度為根據各所述螺旋通道展開後的長度得到所述上部管內各所述螺旋通道的圈數為其中R為各所述螺旋通道的旋轉半徑；W為各所述螺旋管道的徑向截面寬度； "，,為油相的動力粘度；d為水相顆粒直徑；^一為水相顆粒的密度；p，,為油相 密度；義為單個所述螺旋通道的螺距，^ = 4(/7 + /z')， h'為所述管道內各所述螺旋 通道之間隔板壁厚；u為油水混合液在各所述螺旋管道進口的流速；S為單個所述 螺旋通道一周螺旋線的周長。
3、如權利要求2所述的一種管道式油水分離方法，其特徵在於所述上部管 內各所述螺旋通道展開後的長度採用以下步驟得到l)假設油水混合液在所述上部管內各所述螺旋通道中的流動為理想狀態的層 流，且油水兩相液體之間不存在剪切作用，則水相顆粒受到的離心加速度為 從而可得到水相顆粒的離心力為:formula see original document page 3其中U為油水混合液在各所述螺旋管道進口的流速；g為水相顆粒的重力加 速度；R為各所述螺旋通道的旋轉半徑；A^為水相顆粒的密度；V為水相顆粒的 體積；由於所述上部管內的流動為層流，將離心加速度的公式帶入斯託克斯重力沉 降公式v = dLpg(pdlsp - P咖)中，可得水相顆粒的沉降速度為 1L _其中d為水相顆粒直徑；^。 ,為油相密度；//，,為油相的動力粘度；2) 根據沉降速度和各所述螺旋通道的徑向截面寬度W確定水相顆粒在所述上 部管內的沉降時間為formula see original document page 33) 根據水相顆粒的沉降時間和油水混合液在進口的流速確定所述上部管內各所述螺旋通道的長度為formula see original document page 3
4.一種實現權利要求1或2或3所述方法的管道式油水分離裝置，其特徵在於它包括一管道，所述管道內由若干獨立且疊摞的螺旋通道組成，所述管道分為一體連通的上部管和下部管，所述上部管頂部連接一具有法蘭的頂筒，各所述 螺旋通道的進口間隔設置在所述頂筒內，所述上部管的中心設置有一兩端封閉的 導向管，所述導向管的錐頭高於各所述所述螺旋通道的進口，所述下部管的中心 為一與各所述螺旋通道腔室內側連通的集油管路，所述下部管底部連接一環形底 筒，所述環形底筒上設置有水相出口管，所述環形底筒的中心穿設有一與所述集 油管路連通的油相出口管。
5、 如權利要求4所述的一種管道式油水分離裝置，其特徵在於所述螺旋通道為獨立且疊摞的四個，且螺旋通道的進口呈90。間隔設置。
6、 如權利要求4所述的一種管道式油水分離裝置，其特徵在於各所述螺旋通道的截面形狀為矩形。
7、 如權利要求5所述的一種管道式油水分離裝置，其特徵在於各所述螺旋通道的截面形狀為矩形。
8、 如權利要求4或5或6或7所述的一種管道式油水分離裝置，其特徵在於 所述水相出口管為一根以上，且呈螺旋狀設置。為:
9、如權利要求4或5或6或7所述的一種管道式油水分離裝置，其特徵在於 所述上部管內各所述螺旋通道展開後的長度為根據各所述螺旋通道展開後的長度得到所述上部管內各所述螺旋通道的圈數formula see original document page 4其中R為各所述螺旋通道的旋轉半徑；w為各所述螺旋管道的徑向截面寬度； "，,為油相的動力粘度；d為水相顆粒直徑；為水相顆粒的密度；A。",為油相 密度；義為單個所述螺旋通道的螺距，7 = 4^ + /^， h'為所述管道內各所述螺旋 通道之間隔板壁厚；u為油水混合液在各所述螺旋管道進口的流速；S為單個所述 螺旋通道一周螺旋線的周長。
10、如權利要求8所述的一種管道式油水分離裝置，其特徵在於所述上部管內各所述螺旋通道展開後的長度為丄= 18紐^c。"(根據各所述螺旋通道展開後的長度得到所述上部管內各所述螺旋通道的圈數為formula see original document page 4其中R為各所述螺旋通道的旋轉半徑；w為各所述螺旋管道的徑向截面寬度； 、。 ,為油相的動力粘度；d為水相顆粒直徑；/7~為水相顆粒的密度；^。",為油相 密度；Z為單個所述螺旋通道的螺距，義=4^ + /^, h'為所述管道內各所述螺旋 通道之間隔板壁厚；u為油水混合液在各所述螺旋管道進口的流速；S為單個所述 螺旋通道一周螺旋線的周長。
全文摘要
本發明涉及一種管道式油水分離方法及裝置，其包括以下內容設置一由若干螺旋通道組成的管道，將管道分為一體連通的上部管和下部管，上部管連接一頂筒，下部管連接一環形底筒，在上部管中心設置一導向管，在下部管的中心設置一與各螺旋通道腔室內側連通的集油管路，在環形底筒上設置水相出口管，在環形底筒的中心穿設一與集油管路連通的油相出口管；本發明利用油水之間的密度差以及油水混合液在各螺旋通道中旋轉流動產生的離心力，使通過所述管道的密度較大的水相液體沿徑向向各螺旋通道腔室外側移動，油相液體則在水相液體壓力作用下，向下部管中的各螺旋通道腔室內側聚集，並流入集油管路中，分離後的水相液體和油水液體，分別通過水相出口管和油相出口管流出。本發明可廣泛應用在各種油氣田分離系統中。
文檔編號B01D17/038GK101537267SQ200910083048
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月27日 優先權日2009年4月27日
發明者李清平, 濤 王 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心