一種指狀段塞流耗散分離裝置的製作方法

2023-12-09 19:39:21

本發明涉及一種指狀段塞流耗散分離裝置，用於分離氣液兩相流便於後續單相增壓輸送，其採用管式結構緊湊、分離效率高、承壓能力強、抗衝擊性強、成本低，屬於油氣集輸系統多相分離技術領域。

背景技術：

在深水凝析氣田的開發和生產過程中，會持續有凝析液產生，這些凝析液在管線低洼處積聚，使流動狀態惡化。此時，若使用多相增壓技術輸送井流物上岸則存在增壓效率低下、可靠性差等缺點；同時，在多相混輸過程中易出現嚴重段塞流、水合物卡堵等流動安全問題。而先水下氣液分離、再單相增壓輸送的技術不僅能降低井口背壓、減少舉升能耗、提高採收率，同時也可以有效避免流動安全問題，這對保障深水氣田安全開發、提高經濟效益具有重要意義。

目前，水下分離技術可以分為：管式分離技術、重力分離技術、沉箱分離技術和內管分離技術。其中，沉箱分離技術包含設備多、控制複雜；內管分離技術工作範圍窄；基於重力分離技術的容積式分離器受限於深水外壓高，分離罐本體的壁厚值必然很大，導致其重量增大、安裝難度也增大；而管式分離技術藉助細長的管式結構，能在較小壁厚下承受高外壓，並減小分離裝置重量，降低安裝難度，節約投資開發，且可以通過合理組合滿足緊湊性和高效性要求，因此十分適合深水高壓環境。

中國專利200680008192.4(授權專利公告號cn101160448a)公開了一種管式分離器入口裝置，該入口裝置有多根豎直向上的脫氣管，並終止於上傾的集氣管，入口裝置的末端為擴徑且下傾的輸送管，使得氣相收集到集氣管中而液相保留在輸送管中；該專利僅是一種單支分離器入口裝置，沒有高效處理段塞流的結構組件，且處理量有限。中國專利200680015023.3(授權專利公告號cn101171401a)公開了一種管式分離器，該分離器利用可微微傾斜的大管徑、大長度的彎曲管式結構進行多相流分離；該專利主要依靠停留時間進行分離，功能單一且結構不夠緊湊。中國專利201420080288.3(授權專利公告號cn203796250u)公開了一種深海水下多管式臥式氣液分離器，該分離器在進口管上並聯布置多組單管，且每個單管內分別設有一個導流器，多相流在此由於密度差旋流分離；該專利中多相流壓力損失大，且各單管接收到的來流不相等，整體分離過程不穩定。

技術實現要素：

本發明提供了一種指狀段塞流耗散分離裝置，將段塞流均勻分配到下遊的多個並聯指狀支管內並完成液塞耗散分層和氣液分離，其管式結構能承受深水的高外壓，同時擁有較高的分離效率和較好的抗衝擊性，能保障深水氣田安全開發、提高經濟效益。

本發明所採用的技術方案是：

一種指狀段塞流耗散分離裝置，其特徵在於包括分流入口管和與分流入口管垂直連接的一級分流匯管，所述分流入口管入口端用於連接兩相來流管道、出口端連接於一級分流匯管一側的中部，一級分流匯管的另一側對稱設有兩根與所述分流入口管平行的一級分流出口管，每根一級分流出口管的出口端分別連接於一根二級分流匯管一側的中部，所述二級分流匯管與所述一級分流出口管垂直並且與所述一級分流匯管平行，每根二級分流匯管另一側對稱設有兩根二級分流出口管，所述二級分流出口管與二級分流匯管垂直並且與一級分流出口管平行，所述二級分流出口管的出口端分別連接一指狀支管；

所述指狀支管包括軸線位於同一平面的指狀入口管、上傾管、氣相頂管、上傾氣相出口管、下傾管、擴徑管、液相底管、下傾液相出口管和立管；上傾管和下傾管共同連接於指狀入口管的出口端，並與指狀入口管共同連接組成y形管結構，與指狀入口管平行的氣相頂管連接在上傾管的末端，氣相頂管的末端為上傾氣相出口管；

液相底管經擴徑管與下傾管的出口端相連，且液相底管與指狀入口管平行，液相底管末端連接下傾液相出口管，所述立管連接氣相頂管和液相底管，且與氣相頂管相連的位置靠近上傾氣相出口管。

所述的指狀段塞流耗散分離裝置，其特徵在於還包括與所述上傾氣相出口管垂直的集氣匯管，各個上傾氣相出口管的末端均連接於集氣匯管的側面。

所述的指狀段塞流耗散分離裝置，其特徵在於還包括與所述下傾液相出口管垂直的集液匯管，各個下傾液相出口管的末端均連接於集液匯管的側面。

所述的指狀段塞流耗散分離裝置，其特徵在於還包括三級或三級以上的多級分流匯管，每級分流匯管有一個分流入口和兩個分流出口，相應的，指狀支管的個數呈指數增加。

所述的指狀段塞流耗散分離裝置，其特徵在於分流入口管管徑與兩相來流管管徑一致，以避免不必要的加速；一級分流匯管、二級分流匯管管徑比分流入口管管徑大，以儘量均分來流。

所述的指狀段塞流耗散分離裝置，其特徵在於上傾管的作用是減少液體直接進入氣相頂管，但同時要保證至少20％的氣相由此進入氣相頂管，因此，上傾管與下傾管彼此垂直設置。

所述的指狀段塞流耗散分離裝置，其特徵在於以45°作為下傾管的傾角。

本發明的基本原理是利用指狀段塞流耗散分離裝置自身結構特性與計算工作尺寸，使液塞在分離裝置內的流動過程中自發完成均分、耗散和分離。在入口分流管中，液塞被均分成多股兩相流並向下遊流動，速度和動量有所減小；進入指狀支管的兩相流一部分直接進入氣相頂管，減小了下傾管的工作負荷，另一部分兩相流進入下傾管並完成分層耗散；在擴徑的液相底管中，兩相流速進一步降低，液滴停留時間增加；在立管中，氣相頂管中的液相和液相底管中的氣相進行空間交換。此外，在任何彎頭、三通、擴徑處，液滴能與分離器壁面碰撞沉積。

本發明的有益效果是管式結構緊湊、分離效率高、承壓能力強、抗衝擊性強、成本低；且液塞均勻分流、耗散、分離過程完全自發，操作控制簡單。該發明能保障深水氣田安全開發、提高經濟效益。

附圖說明：

圖1是本發明的單支指狀支管結構示意圖；

圖2是本發明的入口分流管結構示意圖；

圖3是本發明的整體結構示意圖；

圖中：1—指狀入口管、2—上傾管、3—氣相頂管、4—上傾氣相出口管、5—下傾管、6—擴徑管、7—液相底管、8—下傾液相出口管、9—立管、10—分流入口管、11—一級分流匯管、12—一級分流出口管、13—二級分流匯管、14—二級分流出口管、15—集氣匯管、16—集液匯管。

具體實施方式

參見附圖1、2、3，一種指狀段塞流耗散分離裝置，其特徵在於包括入口分流管、指狀支管、集氣匯管和集液匯管，包括：指狀入口管1、上傾管2、氣相頂管3、上傾氣相出口管4、下傾管5、擴徑管6、液相底管7、下傾液相出口管8、立管9、分流入口管10、一級分流匯管11、一級分流出口管12、二級分流匯管13、二級分流出口管14、集氣匯管15、集液匯管16等。

如附圖1所示，指狀入口管1與上傾管2和下傾管5共同連接組成y形管結構，由於下傾管5向下而上傾管2向上，因此，進入指狀支管的兩相流大部分由此進入下傾管5，少部分進入上傾管2，減小了下傾管5耗散分層兩相流的工作負荷；氣相頂管3和上傾氣相出口管4依次連接在上傾管2下遊，少量兩相流在氣相頂管3中完成分層，分層後的液相從立管9下落，分層後的氣相進入上傾氣相出口管4，同時上傾氣相出口管4可回流動量不足的液相，提高分離氣相的品質；大量兩相流在下傾管5中耗散分層，隨後由擴徑管6進入液相底管7，兩相流流速減緩，液滴停留時間增加，同時液滴在擴徑管6處易碰撞壁面沉積，分層後的氣相由立管9上升至氣相頂管3，分層後的液相進入下傾液相出口管8，同時下傾液相出口管8起液封作用，減少氣相進入提高分離液相的品質；立管9設置在靠近上傾氣相出口管4處，且連接氣相頂管3和液相底管7，是氣相頂管3液相和液相底管7氣相交換空間的通道。指狀段塞流耗散分離裝置含有多個指狀支管且並聯平行設置。

如附圖2所示，入口分流管的分流入口管10接收來流管道的兩相流，隨後兩相流進入一級分流匯管11分流，從兩根一級分流出口管12流出分別進入二級分流匯管13再分流，最後通過二級分流出口管14流入下遊指狀支管內，經多次分流的兩相流速度和動量都有所減小。注意到，每級分流匯管只有一個分流入口和兩個分流出口，且入口等分分流匯管、出口對稱設置，這樣兩相流進過每級分流匯管後都能達到均分效果，有利於指狀段塞流耗散分離裝置高效穩定運行。當分離裝置處理量大時，可增設三級或更多級分流匯管，相應的，指狀支管的個數呈指數增加。

如附圖3所示，入口分流管接收來流管道的兩相流，然後將兩相流均分至各指狀支管內完成耗散分離，分離後的氣相由上傾氣相出口管4進入集氣匯管15輸送至下遊，分離後的液相由下傾液相出口管8進入集液匯管16輸送至下遊.

附圖所示的是所述一級分流匯管11配置有兩根一級分流出口管12的情況，所述每根二級分流匯管13配置有兩根二級分流出口管14；且所述分流入口管10、一級分流匯管11、一級分流出口管12組成的一級結構與所述一級分流出口管12、二級分流匯管13、二級分流出口管14組成的二級結構是一樣的。

本發明的工作過程為：段塞流液塞由分流入口管10進入指狀段塞流耗散分離裝置，首先在各級分流匯管(11、13)中均勻分流；分流後的兩相流部分進入氣相頂管3、部分進入下傾管5耗散分層；隨後氣相頂管3液相和液相底管7氣相在立管9中進行氣液空間互換；最終分離後的氣相和液相分別通過集氣匯管15和集液匯管16排出，完成整個均分、耗散、分離過程。

上述指狀段塞流耗散分離裝置關鍵構件尺寸的設計原則和確定方法如下：

1)分流入口管10管徑與兩相來流管管徑一致，避免不必要的加速；各級分流匯管(11、13)管徑比分流入口管10管徑大，儘量均分來流。

2)上傾管2的作用是減少液體直接進入氣相頂管3，但同時要保證至少20％的氣相由此進入氣相頂管3，因此，上傾管2與下傾管5垂直設置。

3)下傾管5的作用是耗散分層兩相流，下傾管5的管徑通過聯立taitel-dukler流型轉變準則方程與分層流水動力特性方程、再假定無量綱液膜高度後通過迭代方法求解；受限於長度、高度要求，並要保證液塞耗散分層效果，下傾管5的傾角不能太小也不能太大，本發明推薦使用45°作為下傾管5的傾角。

4)液相底管7將繼續耗散未完全分層的液塞，並使液滴沉降，此時應保證兩相流速度較小且液滴有足夠的時間沉降；因此，本發明推薦液相底管7管徑為1.5倍的下傾管5管徑，同時擴徑管6產生噴射效應，液滴撞擊壁面沉積；液相底管7入口到立管9底端的最小長度通過液滴沉降速度公式結合液相底管7中表觀氣速確定。

5)立管9是氣相頂管3液相和液相底管7氣相交換空間的通道，應保證液滴沉降速度大於立管9截面的平均氣速，因此通過聯立液滴沉降速度公式與立管9表觀氣速可以求解得到立管9管徑的最小值；當立管9沒有被液相底管7中的液體完全充滿時，認為立管9可正常工作，因此，通過伯努利方程和液塞到來的壓力瞬變方程可以求解出液相在立管9中能達到的最大高度，以這個高度作為立管9高度的最小值。

6)分離器其他部分構件的長度可根據幾何關係運算得到。

7)指狀段塞流耗散分離裝置整體以1％～3％的斜率設置。

本發明實現氣液分離的基本原理是將來流分配到多條小管徑的並聯組合管道結構中，以減小液滴沉降距離、縮短沉降時間，並增加流動總橫截面積降低流速、增加停留時間的方式提高分離效率。本發明可在較寬工作範圍內保證分離效率，同時滿足耐壓性、抗衝擊性和緊湊性要求，能保障深水氣田安全開發、提高經濟效益。

本發明提供的指狀段塞流耗散分離裝置不限於以上實施例，本領域技術人員依據本發明的技術理念對本發明實施例進行的任何修改、等同替換、改進等，都並未脫離本發明的精神原則和保護範圍。