一种利用浮筒控制的宽流程高效气液分离器的制作方法

本发明涉及的是一种气液分离装置，具体地说是井下气液分离装置。

背景技术：

气液分离技术在石油化工、能源利用、核能开发等领域有着广泛的应用。井下气液分离对于石油开采、延长高含液井的经济寿命有着极其重要的意义。井下待分离的气液混合物具有气液流量变化范围大、流型多样的特点。

目前，多种适用于气液流量范围广、流型多样化的高效气液分离器被提出(“一种双桶气液分离器”，cn110075622a；“一种宽流程多流型高效气液分离器”，cn110075619a；“一种组合式高效气液分离器”，cn110075618a；“一种精细化气液分离器”，cn110075623a)。但是，上述分离器需要对环腔内液位进行精准调控才能实现高效分离，分离器内液位过低，会有大量气泡随液体流出，液位过高则会使得气相出口携带大量液滴(c.zheng,w.yang,g.wang,g.fan,c.yan,x.zeng,anda.liu,"experimentalstudyonanewtypeofseparatorforgasliquidseparation,"frontiersinenergyresearch,vol.7,2019-09-132019)。

在分离器的实际运行中，入口液体流量在不断变化，入口流量的改变同时导致分离器内液位发生变化，为保证高效分离，必须不断调整液位高度使其稳定在合适区间高度内。但是，对井下气液分离器进行精确的液位控制存在以下问题：

1、气液分离器安置于井下千米处，空间狭小，人员无法到达分离器安装位置实时进行手动液位控制；

2、油井孔眼狭小，仅略大于管线直径，配套测量、控制等设备布置十分困难，同时，当设备损坏时，需要将整个管线全部取出，维修费用高昂；

3、分离器运行环境压力高达数兆帕，在此高压环境下能够正常运行的测量装置无法达到液位测量的精度要求；

4、液相出口流量通过地面电缆控制，控制灵敏度差且具有滞后性，无法满足精确实时控制的要求。

以上问题给分离器内液位的精确控制带来了极大的困难，直接影响了分离器的分离效率。因此，有必要研发一种入口流量发生变化时，液位自适应分离器，用于井下的气液分离。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供用于井下的、不需要外界干预调控液位仍能实现高效分离的一种利用浮筒控制的宽流程高效气液分离器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种利用浮筒控制的宽流程高效气液分离器，其特征是：包括外筒、芯筒，芯筒的上端部伸入至外筒内部，芯筒的下端部伸出至外筒下方的外部，芯筒内部设置叶轮，芯筒的上部设置排液区段，外筒的上端部设置气相引出口，气相引出口下方设置挡水板，挡水板通过连接杆与外筒上端部固定，外筒的下端部设置分离器液相引出口，液相引出口与外筒内部相通处设置隔板，芯筒的外部套有活动浮筒，隔板与活动浮筒通过连接轴相连，活动浮筒所受浮力小于活动浮筒、连接轴和隔板的重力并处于静止状态时，液相引出口与外筒内部不连通，活动浮筒所受浮力大于活动浮筒、连接轴和隔板的重力使得隔板在活动浮筒的带动下向上运动后，液相引出口与外筒内部连通，芯筒的下端部安装入口法兰，气相引出口的上端部安装出口法兰。

本发明还可以包括：

1、芯筒出口端的切线与内筒的中心轴线的夹角为60°。

2、还包括出气筒，芯筒的上端部安装挡水帽，出气筒位于外筒内部，出气筒的下部位于芯筒里，出气筒的上部穿出挡水帽并位于重力分离腔室，出气筒的上部外面套有挡水环，挡水环连接外筒内壁。

3、排液区段与叶轮叶片上沿之间预留有4～10倍芯筒内径长的发展段。

4、挡水板的外径大于分离器气相引出口和芯筒的内径。

5、气相引出口向分离器外筒内部延伸。

6、芯筒与挡水板之间的外筒内部空间，形成重力分离腔室。

7、在分离器内筒与外筒之间设置防震条，防震条布置在叶轮的叶片下沿高度处。

本发明的优势在于：不需要人员参与调控，可满足气液流量变化、不同流型，特别是振荡流型下，高效气液分离的要求。该装置可实现：

(1)该分离器利用多层套筒式结构，通过叶轮、排液区段、重力分离腔室的配合，综合利用了离心分离、重力分离的分离原理。实现了在液体流量宽泛、大含气量范围、多流型特别是振荡流型下的气液混合物的高效分离。

(2)叶轮和芯筒设置的排液区段，有效地削弱了震荡流型下的轴向冲击，减少了轴向震荡流体的冲击高度和强度，降低了气相对液体携带的可能性，提高了分离效率。

(3)挡水板的外径大于分离器气相引出口和芯筒的内径，可以有效地避免高含气量条件下，气相的夹带而导致液相直接经由分离器气相引出口离开分离器。

(4)在高含气量条件下，由于气相夹带，部分液体会到达分离器外筒顶部，并进一步进入分离器气相引出口，气相引出口向内延伸的一部分对这部分液体起到了阻挡作用，有利于提高分离效率。

(5)在液相引出口处设置隔板，可以防止在出口环境压力波动时造成回流。

(6)与活动浮筒连接的隔板的高度随着液位的变化而变化，大流量下隔板与液相引出口开度大，排出流量增加，小流量时开度减小，排出流量减少，实现了不同入口流量下液相引出口流量的自动控制，不会发生液位较低气泡从液相引出口流走或者液位过高使得分离效率降低的情况，提高了分离器在不同流量下的自适应能力，实现了在宽泛流程下的高效气液分离。

(7)通过调整活动浮筒的布置高度，可以控制芯筒和外筒腔室液体高度以适应不同流量不同物性下的气液分离。

附图说明

图1为本发明实施例1的整体剖视结构示意图；

图2为图1中的a-a剖视图；

图3为图1中的b-b剖视图；

图4为本发明实施例2的整体剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施方式1：结合图1-3，分离器的主体结构由相互套设的筒结构组成，即：芯筒1、外筒10、隔板11、连接轴12、活动浮筒13，分离器的气相引出口8与液相引出口15分别位于外筒10的顶部与下部；在气相引出口8的下部设置有挡水板6，由连接杆7固定在外筒10顶盖；在芯筒1的上部设置有排液区段4，排液区段4中开设有排液孔；在芯筒1内排液区段4的下部安置叶轮3；在筒芯1外壁设置套于芯筒1的活动浮筒13，液相引出口15入口处设置隔板11，并通过连接轴12相连接；排液区段4与叶轮3叶片上沿之间预留有4～10倍芯筒1内径长的发展段，发展段长度太短，气体没有完全聚集到中间，气泡被液体携带从排液孔排出，发展段太长，离心力衰弱，气芯不稳定，气泡同样被液体携带从排液孔排出，同时排液孔的直径沿气液混合物的流动方向依次增大。挡水板6的外径大于分离器气相引出口8和芯筒1的内径，且通过连接杆7固定在分离器外筒10的顶盖。分离器气相引出口8向分离器外筒10内部延伸。芯筒1的出口与挡水板6之间留有间距，以使得在外筒10上部形成重力分离腔室11。芯筒1出口端的切线与内筒的中心轴线的夹角为60°。在分离器内筒1与外筒10之间设置防震条5，防震条5布置在叶轮3的叶片下沿高度处。穿套于芯筒1外部的活动浮筒13高度位于分离器正常运行时芯筒1和外筒10环腔液位高度范围内，可根据分离液体流量和物性进行调整，活动浮筒13内壁面与芯管1外壁面存在间隙，使得活动浮筒13可自由移动。液相引出口15的入口处设置隔板11，隔板11外径大于液相引出口15内径，通过连接轴12与活动浮筒13固定。液相引出口15高度低于活动浮筒13。

在进行气液分离时，其技术方案是：分离器的本体通过入口法兰2与出口法兰9实现安装固定。气液混合物由芯筒1的入口端进入分离器。流经叶轮3时，在叶轮3旋转叶片的导向作用下，气液混合物由直线运动变为旋转运动，并产生离心力。在离心力的作用下，经充分发展后，密度较小的气相聚集形成气芯，密度较大的液相在气芯周围形成环形液膜。当气液混合物流经排液区段4时，环形液膜中的部分液体经排液区段4的排液孔进入分离器芯筒1与外筒10之间的环腔内。经过排液区段4以后，气液混合物继续向上运动并离开芯筒1，进入重力分离腔室11。在后续流程中，在高含气量与低含气量条件下分离器内的分离过程有所差异，下将对其进行分开描述。

在低含气量条件下，气液混合物进入分离器前的流型较为稳定，没有振荡现象。因此，气液混合物离开芯筒1进入重力分离腔室11时流动较为稳定，没有明显的振荡现象。在离开芯筒1后，气液混合物进入重力分离腔室11，环形液膜中的剩余液体，在离心力的作用下沿芯筒1的内壁被抛向四周，而气相则继续向上运动，由分离器气相引出口8离开分离器，进入重力分离腔室11的液体流入外筒10和芯筒1之间的环腔内，当液位低于活动浮筒13高度时，液体在芯筒1和外筒10底端汇聚，对于活动浮筒受力f：

f＝ρgv-mg

式中，

ρ：芯筒1和外筒10腔室内液体密度；

g：重力加速度；

v：活动浮筒浸于液体中的体积；

m：活动浮筒13、连接轴12和隔板14的总质量。

此时f<0，液相引出口15关闭，无液体排出，芯筒1和外筒10腔室内液位逐渐升高，液体中携带的小气泡在液体中聚合，在浮升力的作用下浮出液面，重新进入重力分离腔室11，从分离器气相引出口8排出。随着液位不断的升高，气泡在浮力和曳力的作用下，无法到达液相引出口12入口位置，芯筒1和外筒10腔室底部液体无可见气泡，当液位到达活动浮筒13高度时，有f>0，活动浮筒13随液位上升，带动隔板14上移，液体从液相引出口15排出，液体从携带的气泡浮出液面，再次进入重力分离腔室11，经分离器气相引出口8排出。当流入芯筒和外筒环腔液体流量和液相引出口流量相等时，液位稳定，此时活动浮筒受力f＝0，浮筒稳定在某一高度，液相引出口和隔板开度保持不变，实现在低含气量下分离器的分离过程。

在高含气量条件下，一方面气液混合物可能呈现不稳定流型，即气液混合物在进入分离器前会发生剧烈的振荡，这种振荡在进入分离器后会继续向下游传递，造成分离器内发生剧烈的振荡；另一方面，在高含气量下气相流速较高，在气相的携带作用下，部分液体会随气相一起运动。受流型振荡和气相携带的影响，气液混合离开芯筒1后，直接喷射进入重力分离腔室11。受重力的影响，部分液体直接回落进入芯筒1与外筒10之间的环腔内。受振荡和气体携带的影响，部分液体会到达分离器外筒10的顶部。挡水板6可通过碰撞分离，阻挡大部分到达分离器顶部的液体，防止其直接进入分离器气相引出口8，进而导致分离效率下降。少量液体受气体携带的影响会到达分离外筒10顶盖处，分离器气相引出口8的向内延伸部分可阻挡液体由于气相的携带作用而进入分离器气相引出口8，使分离效率降低。在挡水板6和分离器气相引出口8的向内延伸部分的分离作用下，被分离出的液体进入重力分离腔室11后，继续回落进入内筒1与外筒10的环腔内。当液位低于活动浮筒13高度时，液体在芯筒1和外筒10底端汇聚，此时f<0，液相引出口15关闭，无液体排出，芯筒1和外筒10腔室内液位逐渐升高，液体中携带的小气泡在液体中聚合，在浮升力的作用下浮出液面，重新进入重力分离腔室11，从分离器气相引出口8排出。随着液位不断的升高，气泡在浮力和曳力的作用下，无法到达液相引出口12入口位置，芯筒1和外筒10腔室底部液体无可见气泡，当液位到达活动浮筒13高度时，有f>0，活动浮筒13随液位上升，带动隔板14上移，液体从液相引出口15排出，液体从携带的气泡浮出液面，再次进入重力分离腔室11，经分离器气相引出口8排出。当流入芯筒和外筒环腔液体流量和液相引出口流量相等时，液位稳定，此时活动浮筒受力f＝0，浮筒稳定在某一高度，液相引出口和隔板开度保持不变，最终实现在高含气量下分离器的分离过程。在分离过程中，由于气液混合物的振荡，分离器内筒1会相应的发生振荡。防震条5的设置可对内筒1起到固定作用，避免由于长期振荡，而使分离器的结构发生疲劳损坏。

当内筒1入口液体流量增加时，落入芯筒1和外筒10腔室的液体增加，进而导致环腔内液位逐渐上升，此时f>0，浮筒位置上升，隔板和液相引出口入口处开度增大，液相引出口15排出流量增加。当芯筒1入口流量减少时，环腔液位逐渐下降，此时f<0，浮筒位置下降，隔板高度降低，隔板和液相引出口入口处开度减小，液相引出口15排出流量减小。芯筒1和内筒11腔室液位高度始终稳定在活动浮筒13初始高度附近，不会出现因液位过低气泡从液相引出口15排出或液位过高淹没排液区段4导致分离效率降低，实现了在不同流量范围下的液位自适应。

实施方式2：结合图4，在实施方式1的基础上，对分离器结构进行适当调整，增加出气筒17，挡水帽18通过挡水帽支撑条19安装在芯筒1的上端部，挡水帽支撑条19之间存在空隙，出气筒17位于外筒10内部，出气筒17的下部位于芯筒1里，出气筒17的上部穿出挡水帽18并位于重力分离腔室11，出气筒17的上部外面套有挡水环16，挡水环16连接外筒10内壁。结合附图4，对实施方式作进一步详细的描述：

结合图4，本发明提供的一种利用浮筒控制的宽流程高效气液分离器，包括：1芯筒，2入口法兰，3叶轮，4排液区段，5防震条，6挡水板，7连接杆，8分离器气相引出口，9出口法兰，10外筒，11重力分离腔室，12连接轴，13活动浮筒，14隔板，15液相引出口，16挡水环，17出气筒，18挡水帽，19挡水帽支撑条。

在进行气液分离时，其技术方案是：整个分离器通过入口法兰2与出口法兰12进行固定安装。气液混合物由芯筒1的入口法兰2侧进入分离器，并在流经叶轮3后有直线运动变为旋转运动，并产生离心力。气液混合物离开叶轮3后，流进叶轮3与排液区段4之间的发展段时，在离心力的作用下气相聚集为气芯，液相被抛向芯筒1的周围形成液膜。液膜在流经排液区段4时，部分液体通过排液孔直接进入芯筒1与外筒10之间的环腔内。在后续流程中，在高含气量与低含气量条件下分离器内的分离过程有所差异，下将对其进行分开描述。

在低含气量条件下，气液两相混合物的折算流速较低，经由挡水帽支撑条19之间的空隙离开芯筒1的流体和进入出气筒17的气相通道的流体均不会发生剧烈的气相夹带现象。离开排液区段4后，大部分液体和少量气体在挡水帽18的作用下，沿径向经由各个挡水帽支撑条19之间的空隙进入芯筒1与外筒10之间的环腔；大部分气体及少量液体进入出气筒17内。沿径向经由各个挡水帽支撑条19之间的空隙进入芯筒1与外筒10之间的环腔的气液混合物，液相受重力下落，气相则继续向上运动。进入出气筒17建立的气相通道内的气液混合中气体沿气相通道继续向上运动，并经由分离器气相引出口8离开分离器；少量液体在气相的夹带作用下，经由出气筒17的出口进入重力分离腔室11。进入重力分离腔室11的液体流入内筒11和芯筒1之间的环腔内，当液位低于活动浮筒13高度时，液体在芯筒1和外筒10底端汇聚，对于活动浮筒受力f：

f＝ρgv-mg

式中，

ρ：芯筒1和外筒10腔室内液体密度；

g：重力加速度；

v：活动浮筒浸于液体中的体积；

m：活动浮筒13、连接轴12和隔板14的总质量。

此时f<0，液相引出口15关闭，无液体排出，芯筒1和外筒10腔室内液位逐渐升高，液体中携带的小气泡在液体中聚合，在浮升力的作用下浮出液面，重新进入重力分离腔室11，从分离器气相引出口8排出。随着液位不断的升高，气泡在浮力和曳力的作用下，无法到达液相引出口12入口位置，芯筒1和外筒10腔室底部液体无可见气泡，当液位到达活动浮筒13高度时，有f>0，活动浮筒13随液位上升，带动隔板14上移，液体从液相引出口15排出，液体从携带的气泡浮出液面，再次进入重力分离腔室11，经分离器气相引出口8排出。当流入芯筒和外筒环腔液体流量和液相引出口流量相等时，液位稳定，此时活动浮筒受力f＝0，浮筒稳定在某一高度，液相引出口和隔板开度保持不变，最终实现在低含气量下分离器的分离过程。

在高气含量条件下，气液两相的平均折算流速较高，一方面气相的夹带作用明显增强；另一方面由于流型的变化，气液两相在流动过程中可能伴随剧烈的振荡。受气相夹带作用及振荡的影响，在挡水帽18的阻挡作用下，经芯筒1分离后的液体以及部分气体，沿径向通过各个挡水帽支撑条19之间的空隙进入芯筒1与外筒10之间的环腔内。液体受气体携带的影响，会沿外筒10的内壁面继续向上运动。在挡水环16的作用下，沿外筒10的内壁面继续向上运动的液体由于受到阻挡，进入重力分离腔室11，并进一步回落进入外筒10与芯筒1之间的环腔内。经过叶轮后，高速运动的气芯携带少量液体进入出气筒17建立的气相通道内，到达气相通道出口后，部分液体直接进入重力分离腔室15，同样受重力回落。进入出气筒17气相通道内的液体，大部分受气体携带的影响直接冲击有连接杆7固定的挡水板6，通过碰撞分离实现对气流中夹带的液滴的分离，被分离出的液体进入重力分离腔室11，并受重力而回落。部分经过二次分离以及碰撞分离后仍未被分离的液体，受气体的携带作用会积聚于分离器外筒10的上部。分离器气相引出口8的向内延伸部分可有效阻挡这部分液体进入分离器气相引出口8，保证分离效率。回落的液体流入内筒11和芯筒1之间的环腔内，进入重力分离腔室11的液体流入外筒10和芯筒1之间的环腔内，当液位高度较低时，液体在芯筒1和外筒10底端汇聚，此时f<0，液相引出口15关闭，无液体排出，芯筒1和外筒10腔室内液位逐渐升高，液体中携带的小气泡在液体中聚合，在浮升力的作用下浮出液面，重新进入重力分离腔室11，从分离器气相引出口8排出。随着液位不断的升高，气泡在浮力和曳力的作用下，无法到达液相引出口12入口位置，芯筒1和外筒10腔室底部液体无可见气泡，当液位到达活动浮筒13高度时，有f>0，活动浮筒13随液位上升，带动隔板14上移，液体从液相引出口15排出，液体从携带的气泡浮出液面，再次进入重力分离腔室11，经分离器气相引出口8排出。当流入芯筒和外筒环腔液体流量和液相引出口流量相等时，液位稳定，此时活动浮筒受力f＝0，浮筒稳定在某一高度，液相引出口和隔板开度保持不变，最终实现在高含气量下分离器的分离过程。其中，防震条5的可对芯筒1起到固定支撑作用，避免由于振荡流型引气分离器结构发生疲劳损坏。

当内筒1入口液体流量增加时，回落到芯筒1和内筒11腔室的液体增加，进而导致外筒液位逐渐上升并带动浮筒位置上升，此时f>0，浮筒位置上升，隔板和液相引出口入口处开度增大，液相引出口15排出流量增加。当芯筒1入口流量减少时，环腔液位逐渐下降，此时f<0，浮筒位置下降，隔板高度降低，隔板和液相引出口入口处开度减小，液相引出口15排出流量减小。芯筒1和内筒11腔室液位高度始终稳定在活动浮筒13初始高度附近，不会出现因液位过低气泡从液相引出口15排出或液位过高淹没排液区段4导致分离效率降低，实现了在不同流量范围下的液位自适应。