专利名称：立式动态旋流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于石油生产领域中的稠油除砂以及聚合物驱采出液分离的立式动态旋流器。
背景技术：
目前我国已经在松辽、渤海湾、准格尔等15个大中型含油盆地和地区发现了数量众多的稠油油藏，预测我国稠油油藏地质储量高达80×108m3以上，因此在今后的油田开发中我国的稠油开采潜力巨大。但是，由于稠油油藏压实成岩作用一般都较差，储层胶结疏松，砂粒间的结合能力差，在采油过程中较高的压力梯度作用下，砂粒容易发生脱落，而原油的粘度普遍较高，携砂能力很强，致使在原油开采过程中的出砂现象非常普遍和严重。目前现有的各种井下防砂工艺、技术手段虽然在一定程度上起到了防砂效果，但是不能从根本上解决稠油含砂的问题。而且化学防砂等工艺的实施往往会影响到油井的产油量。为此，20世纪90年代国内外的采油工作者们相继提出了“出砂冷采”的新的稠油开采方法，即井下不采取防砂措施，让砂和原油一道采出。实践证明出砂冷采工艺可以大幅度的提高油层的空隙度和渗透率。但是，出砂冷采采出的原油含砂量更大，对油田地面集输设备带来了更大的难题。原油中携带着的大量的砂粒非常容易在集输管道及各类分离储存设备中沉积下来，造成管路与储罐等设备堵塞，泵类设备磨损加剧，存储类设备的有效利用率降低等一系列不利影响。因此如何高效率地清除高粘度稠油中的砂粒是国内外稠油开采中面临的一大难题。
目前国内外解决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较简单，就是将原油引入大型沉降设备，利用油、水、砂的不同比重进行自然沉降分离，该方法沉降效率低，设备占地面积大，原油脱水效果差，而且清理沉降设备中的沉砂工作既相当烦琐，又极不安全。
对于旋流除砂设备目前应用的是静态水力旋流器，主要应用于低粘度介质的气-固、液-固或液-液分离。实践表明，只要旋流器结构设计合理，旋流产生的离心力将比重力大1000倍以上。所以这种分离方法的分离效果较重力沉降法的分离效果有显著提高，而且有结构简单设备占地面积小的优点。
由于静态水力旋流器自身的结构特点和特殊的工作方式使得静态水力旋流器在进一步提高分离效率方面受到种种限制，特别是在处理高粘度介质(比如稠油)的分离作业时，普通的静态旋流分离设备遇到了一些难以克服的困难。由于工作介质的粘度大，介质内摩擦阻力增加，最终导致压力损失(能量损失)的增加，分离能力降低，严重的时候会使旋流器完全丧失分离能力，如河南油田部分油井产出的原油(稠油)和聚合物驱时的采出液用静态水力旋流器根本无法分离。这些都是目前静态旋流除砂设备在处理高粘度的稠油除砂、脱水以及采用聚合物驱时采出液分离时遇到的难以克服的困难。随着我国的稠油油藏的大量开发和聚合物驱采油技术的大面积推广应用，使得地面原油除砂、脱水问题日渐突出，单纯的静态旋流技术已经满足不了油田现场的生产需要。
近年来，国内外已经开发出了一种卧式动态旋流器，由于卧式动态旋流器在结构上存在缺陷，致使动态旋流技术至今没有在油田生产中推广使用。目前国内外各种规格型号的动态旋流器大都有一个共同的结构特点，那就是卧式布置、轴向进液，而且转筒内径与转简长度之比较大(有的长径比达20以上)。究其原因，之所以采用这种进液方式而没有采用传统的静态旋流器的切向进液的方式，主要是为了简化动态旋流器的进液结构。但是，这种结构上的简化对旋流器的流场带来诸多的不利因素，严重影响了分离效果，使得卧式动旋流器的优点没能充分的发挥出来。主要表现在以下几点(1)轴向进料不利于物相的分离不论是气-固、液-固分离还是液-液分离，旋流分离的结果都是使轻相汇聚到中心部位而重相分布于外围。所以，物料总的运动趋势是重相在离心力的作用下向外围运移，轻相向中心部位运移。当采用切向进液的方式时，液体沿旋流器内壁进入，大部分的重相在离心力的作用下已经“优先占据”了外围，而轻相则被“挤到”中心部位。所以其径向运动的主体是轻相向内运移。而当采用轴向进液时大部分重相的径向运动起点是在中心部位，在离心力(或其他叶轮等机械力)的作用下重相由中心部位向外围运移是径向运动的主体。从两者径向速度的分析可以看出，轴向进液方式不利于物相的分离。为了保证重相介质能在限定的时间内从中心部位运动到旋流器壁，旋流器的直径不能太大；同样，在直径一定的情况下，要使重相在离开旋流器以前运动到旋流器壁，转筒必需要有一定的长度。为了保证足够的分离时间，轴向进液结构的转筒必需采用大的长径比。
(2)轴向进液结构中的液体的轴向初速度太大，不利于增加分离介质在分离腔内的有效停留时间在相同的供液压力下，轴向供液时液体产生的轴向速度要比切向供液时液体产生的轴向速度大得多。所以，在相同的时间内，前者要产生更大的轴向位移。为了保证液体在旋流器内有足够的停留时间，必须增加转筒的长度。
(3)小直径的转筒使得动态旋流器产生离心力的能力受到限制对于静态旋流器而言，旋流器所能达到的分离粒度与旋流器的直径有着直接的依赖关系。这是因为静态旋流器在工作时，液体的回转动力来源于液体自身的压力能，在一定的进液压力下，小直径比大直径能产生更大的离心力。但是对于动态旋流器而言，液体的回转动力主要来源于转筒，转筒高速旋转带动液体旋转，液体产生离心力的大小主要取决于转筒的转速和直径。相同直径下，转速越高产生的离心力越大；同一转速下，直径越大产生的离心力也越大。所以从这个角度来看，采用小直径的转筒不利于动态旋流器优点的发挥。
(4)增加转筒长度，增加了系统振动对流场的干扰前面的(1)、(2)两条决定了卧式动态旋流器转筒必须要采用较大的长径比。但是，在同一直径下，转筒长度越大其同轴度越难保证，分离过程中在转筒高速旋转的情况下，转筒的几何中心与回转中心的偏离程度在很大程度上影响着最终的分离效果。同时，由于长度的增加加重了系统振动对流场的影响，严重的时候可能在出口处使已经分离的轻、重相又重新混合。
综合以上分析可以看出，采用轴向供液结构给动态旋流器的分离效果带来诸多不利影响，严重的制约了动态旋流器技术发展，这也可以说明为什么经过十几年的研究，该技术仍然未能得到推广应用。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种用于稠油脱水除砂和聚合物驱采出液分离的带变频控制的立式动态旋流器。该动态旋流器可以很好地克服静态旋流技术在处理高粘度难分离介质分离时所遇到的一系列难题，最大限度的保留了常规静态旋流器的优点，同时又比国内外提出的卧式结构的动态旋流器有明显的优点，是一种适用高粘度介质和聚合物分离作业用的动态旋流分离设备。
本发明所采用的技术方案是变频电机(1)、立式分离体(3)以及沉降罐(4)等均采用同轴立式安装(如图1所示)，通过底座(图2中的18)固联在机架(6)上；变频电机(1)联结挠性联轴接(图2中的10)和联结轴(图2中的19)带动分离转筒(图2中的15)以一定的角速度高速旋转；其中转筒(15)和进/回液过渡套(12)是最关键的部件，它们配合不仅形成回液过渡腔(HQ)和进液过渡腔(JQ)，还形成螺纹密封(L)。在转筒(15)的筒体与进液过渡腔(JQ)对应的位置上开有3个沿圆周均布的切线方向进液口(25)；是分离液体由进液过渡腔(JQ)进入转筒(15)的通道，液体沿切线进液口(25)进入旋转着的转筒(15)，转筒的旋转对液体起到加速旋转，加强了离心分离的效果。为了增加转筒的使用寿命，本发明在转筒内部分别安装了衬套I(22)、衬套II(23)和底流口(25)，均属高硬度耐磨材料，其中衬套II(23)和底流口(24)是成套的4组8件，锥角在0°～30°之间，可根据采出液的具体情况选择适当锥角的底流口。本发明的沉降罐(4)底部设有可调接头(5)，通过调节沉降罐底部的可调阀(5)的开度可以实现动态旋流分离分流比的调整。本发明的转筒上部采用径向扶正轴承(13)、下端采用轴向采用止推轴承(16)支撑，两端均采用螺旋密封(L)和成型密封(17)的双重密封。
本发明的有益效果是整体采用立式结构，采出液从切线方向以一定的初速度进入旋流器，充分利用了离心力和重力的综合作用，分离介质中经初步分离的重相在重力的作用下沿转筒壁缓缓下沉，经底流口进入沉降罐，克服了卧式动态旋流器为了增加分离介质的有效分离时间而必须增加转筒长度的缺点；同时，本发明的转筒在电机的带动下以一定的角速度旋转，进入转筒的分离介质在转筒的带动下高速旋转，克服了静态旋流器在器壁处的切向速度为零、在处理高粘度介质时切线速度急剧衰减的缺点；本发明沉降罐的设置可以实现对旋流器底流口水封，有效的消除转筒内部的空气柱，降低内部流场的湍流强度，大大降低流场内部能量的损耗，提高分离效果；本发明采用变频电机驱动，可以根据进分离介质的性能和对介质分离效果的要求调整电机(转筒)的转速和沉降罐底部的调节阀的开度，从而合理调整旋流器的处理量和分流比；本发明转筒的内部锥角为0°～30°，根据分离介质与工艺参数确定；本发明进液端稳压装置的设置可以很好的消除井口采出液压力的波动。
图1是本发明立式动态旋流器的整体结构示意图。图中1.变频电机，2.出液接头，3.立式旋流分离体，4.沉降罐，5.可调接头，6.机架，7.连接管路，8.稳压装置，9.进液接头。
图2是本发明立式旋流分离体的结构图。图中1.变频电机，10.联轴接，11.联轴接罩，12.进/回液过渡套，13.扶正轴承，14.轴承座，15.转筒，16.止推轴承，17.成型密封，18.底座，19.连接轴，20.溢流管，21.密封，22.衬套I，23.衬套II，24.底流口，25.进液螺堵，L.螺纹密封，HQ.回液过渡腔，JQ.进液过渡腔，QK.转筒上的切相进液口(3个)。
图3是立式旋流分离体A-A向剖面图。
具体实施例方式
下面结合图1、图2和图3来进一步说明本发明。
如图1和图2所示立式动态旋流器，主要由变频电机(1)、回液管路(2)、立式旋流分离体(3)、沉降罐(4)、可调阀(5)、机架(6)、连接管路(7)、稳压装置(8)、进液管路(9)等组成；其中立式旋流分离体又由联轴接(10)，联轴接罩(11)，进/回液过渡套(12)，扶正轴承(13)，轴承座(14)，转筒(15)，止推轴承(16)，成型密封(17)，底座(18)，连接轴(19)，溢流管(20)，成型密封(21)，衬套I(22)，衬套II(23)，底流口(24)，进液螺堵(25)主要零件组成。
动态旋流器工作时变频电机(1)带动立式转筒(15)以一定的转速旋转；具有一定压力的预分离介质经稳压装置(8)稳压以后，沿切线方向进入由进/回液过渡套(12)和转筒(15)形成的的进液过渡腔(JQ)，进液过渡腔中带有一定压力和切线速度的液体经转筒(15)上的切向进液口以一定的速度进入旋转的转筒(15)，在转筒(15)的带动下实现动态旋流分离；在离心力和重力的综合作用下，重相逐渐富集于转筒(15)的筒壁，并沿筒壁下沉到沉降罐(4)；轻相汇聚在转筒中心，经溢流管(20)进入由进/回液过渡套(12)和转筒(15)形成的回液过渡腔(HQ)，最终排到连着的外部管汇；在现场工作的时候，随时根据采出液的流量以及采出液轻重相的比例实时调节变频电机的转速和沉降罐(4)下方的排出口可调接头(5)的开度，实现各参数的最佳匹配控制。
权利要求
1.一种立式动态旋流器，其特征在于变频电机(1)、立式旋流分离体(3)以及沉降罐(4)均采取立式同轴安装，通过底座(18)固联在机架(6)上；主要由变频电机(1)联结挠性联轴接(10)和联结轴(19)带动分离转筒(15)以一定的角速度高速旋转；转筒(15)和进/回液过渡套(12)是最关键的部件，它们配合不仅形成回液过渡腔(HQ)和进液过渡腔(JQ)，还形成螺纹密封(L)；在转筒(15)的筒体与进液过渡腔(JQ)对应的位置上开有3个沿圆周均布的切线方向进液口(25)；是分离液体由进液过渡腔(JQ)进入转筒(15)的通道，液体沿切线进液口(25)进入旋转着的转筒(15)，转筒的旋转对液体起到加速作用，加强了离心分离的效果。
2.根据权利要求1所述的立式动态旋流器，其特征是在转筒(15)内部分别安装了衬套I(22)，衬套II(23)，底流口(24)，均属高硬度耐磨材料，其中衬套II(23)，底流口(24)是成套的4组8件，锥角在0°～30°之间，通过调节沉降罐(4)底部的可调接头(5)的开度可以实现动态旋流器分流比的调整。
3.根据权利要求1所述的立式动态旋流器，其特征是在转筒(15)上部采用径向扶正轴承(13)、下部采用轴向采用止推轴承(16)支撑，两端均采用螺纹密封(L)和成型密封(17)的双重密封。
4.根据权利要求1所述的立式动态旋流器，其特征是具有一定压力的预分离工作介质经稳压装置(8)稳压，沿切线方向进入由进/回液过渡套(12)和转筒(15)形成的进液过渡腔(JQ)，在转筒(15)的带动下实现动态旋流分离；在离心力和重力的综合作用下，重相逐渐富集于转筒(15)的筒壁，并沿筒壁经底流口(24)沉入沉降罐(4)，轻相汇聚在转筒(15)的中心，经溢流管(20)进入由进/回液过渡套(12)和转筒(15)形成的回液过渡腔(HQ)排出，最终排到连接的外部管汇。
全文摘要
本发明涉及一种用于石油生产中的稠油除砂和聚合物驱油采出液的分离的立式动态旋流器。它可克服静态旋流器技术在处理高粘度介质分离时遇到的难题，又比现有的卧式动态旋流器有明显的优点，是一种适合于高粘度介质分离作业的动态旋流分离设备。其技术方案是将变频电机、立式旋流分离体及沉降罐采用同轴立式安装；变频电机联结挠性联轴接和联结轴带动分离转筒以一定的角速度高速旋转，预分离工作介质经稳压沿切线方向进入由进/回液过渡套和转筒形成的进液过渡腔，经转筒上的切相进液口进入转筒，在转筒的带动下实现动态旋流器分离。本发明充分利用了离心力和重力的综合作用，分离介质中经初步分离的重相沿筒壁缓缓下沉，经底流口进入沉降罐，非常适合处理高粘度介质的分离作业。
文档编号B04C5/14GK101028614SQ200610020989
公开日2007年9月5日 申请日期2006年5月9日 优先权日2006年5月9日
发明者梁政, 钟功祥, 任连城, 吴世辉, 邓雄, 杨志, 吕志忠, 蒋发光 申请人:西南石油大学