專利名稱：一種油水分離方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將油水兩相混合液進(jìn)行分離的方法，特別是關(guān)于一種應(yīng)用在 海洋生產(chǎn)平臺、水下生產(chǎn)系統(tǒng)以及陸上油氣田分離系統(tǒng)中的油水分離方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，在海上油氣田和陸上油氣田生產(chǎn)過程中，油水分離工藝占據(jù)著很重要 的地位，螺旋管分離技術(shù)作為一項新的分離技術(shù)，目前還沒有在工業(yè)中得到廣泛 的應(yīng)用。中國科學(xué)院力學(xué)所的一項實(shí)用新型專利"一種復(fù)合式油水分離裝置"(專
利公開號CN 201101907Y)中首次將螺旋管分離技術(shù)與其它分離技術(shù)結(jié)合應(yīng)用在 分離器中，它采用對螺旋管外壁進(jìn)行開孔將水相放出的方法實(shí)現(xiàn)油水的分離。在 較低的螺旋管進(jìn)口流速下，重力加速度對螺旋管內(nèi)油水分布情況起著重要的影響 作用，當(dāng)進(jìn)口流速較大、重力加速度相對于離心加速度較小時，管內(nèi)油水界面會 呈現(xiàn)倒"V"字型，此時管內(nèi)油水分布情況也不同于低流速下管內(nèi)的油水分布。螺 旋管的開孔位置取決于管內(nèi)油水分布情況，同時開孔位置直接影響了螺旋管的整 體分離效率，為了能使管內(nèi)連續(xù)的油水兩相盡可能完全、快速的分離，必須采用 一種合理的開孔方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能將油氣田中油水精確分離的油水 分離方法及裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種油水分離方法，其包括以 下內(nèi)容1)設(shè)置一螺旋管，所述螓旋管分為一體連通的上部管和下部管，所述下 部管內(nèi)側(cè)的管壁上間隔設(shè)置有若干孔洞，所述下部管的中心設(shè)置一集油管，所述 集油管的管壁通過若干連接管連接對應(yīng)的所述孔洞；2)利用油水之間的密度差以 及油水混合液在螺旋管旋轉(zhuǎn)流動產(chǎn)生的離心力，使密度較大的水相液體向螺旋管 管壁外側(cè)移動，使油相液體在水相液體的壓力作用下，向螺旋管管壁內(nèi)側(cè)聚集， 分離后的水相液體和油水液體，分別通過螺旋管底部的水相出液口和集油管底部 的油相出液口流出。
所述上部管的長度為丄=l，L_;根據(jù)所述上部管的長度得到所述上部管的圈數(shù)為"=￡/2;^ =——9&"(" 72 ，其中R為所述螺旋管的
" -P爐"
旋轉(zhuǎn)半徑，D為螺旋管內(nèi)徑，"^為油相的動力粘度，d為水相顆粒直徑，p^為
水相顆粒的密度，p，,為油相密度，"為油水混合液在所述上部管進(jìn)口的流速。
所述上部管的長度采用以下步驟得到1)假設(shè)油水混合液在所述上部管中的 流動為理想狀態(tài)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
F-W^^/7鄉(xiāng)gFx、g2+^y ，其中"為油水混合液在所述上部管進(jìn)口的流速，g為水
相顆粒的重力加速度，i 為所述螺旋管的旋轉(zhuǎn)半徑，A^為水相顆粒的密度，V為 水相顆粒的體積；由于所述上部管內(nèi)的流動為層流，將離心加速度的公式帶入斯
托克斯重力沉降公式v- d'g"isp — P咖')中，可得水相顆粒的沉降速度為
郵咖t
v' = ^(P鄉(xiāng)-P咖,)Vg2 + "4^2/18L ，其中d為水相顆粒直徑；A。w為油相密度； /U,為油相的動力粘度；2)根據(jù)沉降速度和所述螺旋管的管內(nèi)徑確定水相顆粒在 所述上部管內(nèi)的沉降時間為^ = ^"'; 3)根據(jù)水相顆粒的沉降時間和油水混合
液在進(jìn)口的流速確定所述上部管的長度為Z = fx"= j2 18屮爐。
d ( _ P咖,)"
所述螺旋管的螺距大于等于所述螺旋管的管外徑的1倍、小于所述螺旋管的 管外徑的2倍。
實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置包括一螺旋管，所述螺旋管分為一體連通的上部管和下 部管，所述下部管內(nèi)側(cè)的管壁上間瞞設(shè)置有若干孔淌，所述下部管的中心設(shè)置一 集油管，所述集油管的管壁通過若干連接管連接對應(yīng)的所述孔洞。
所述螺旋管的螺距大于等于所述螺旋管的管外徑的1倍、小于所述螺旋管的 管外徑的2倍。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于采用了一螺 旋管，并將螺旋管分為一體連通的上部管和下部管，當(dāng)油水混合液經(jīng)過上部管流 動后，可以產(chǎn)生離心力，使密度較大的水相液體向螺旋管管壁外側(cè)移動，同時油 相液體在水相液體的壓力作用下向螺旋管管壁內(nèi)側(cè)聚集，因此實(shí)現(xiàn)了油水分離的狀態(tài)。2、本發(fā)明由于采用在下部管內(nèi)側(cè)的管壁上間隔設(shè)置若干個孔洞，以及在下 部管的中心設(shè)置有集油管，使集油管通過若干個連接管與對應(yīng)的孔洞連接，從而 使得聚集在管壁內(nèi)側(cè)的油相液體可以通過連接管流入集油管，并由集油管底部油 相出液口流出，水相液體則由下部管底部的水相出液口流出，因此實(shí)現(xiàn)了油水分 離的目的。3、本發(fā)明由于較精確地設(shè)計了上部管的長度和圈數(shù)，并確定螺旋管的 螺距大于等于螺旋管管外徑的1倍或小于螺旋管管外徑的2倍，因此能有效地減 小分離系統(tǒng)的體積，并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。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用在各種油氣田分離系統(tǒng)中。


圖l是本發(fā)明的整體示意圖
圖2是圖1的剖面示意圖
圖3是本發(fā)明的水相顆粒受力分析
圖4是本發(fā)明在低流速下主體螺旋管內(nèi)油水界面示意圖
圖5是本發(fā)明在高流速下主體螺旋管內(nèi)油水界面示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
如圖l、圖2所示，設(shè)置一螺旋管l，螺旋管1分為一體連通的上部管2和下 部管3，在下部管2的管壁內(nèi)側(cè)間隔設(shè)置有若干孔洞4，在下部管2的中心設(shè)置一 集油管5，將集油管5的管壁通過若干連接管6連接下部管2內(nèi)壁對應(yīng)的孔洞4。
本發(fā)明利用油水之間的密度差以及油水混合液在螺旋管1中旋轉(zhuǎn)流動產(chǎn)生的 離心力，使油水混合液在上部管2內(nèi)從上而下油水界面逐漸出現(xiàn)分離，經(jīng)過一段 時間形成穩(wěn)定的油水界面并且界面逐漸清晰，并進(jìn)入下部管3中。此時密度較大 的水相液體向下部管3的外側(cè)運(yùn)移，從而使下部管3內(nèi)為體積份數(shù)較大的水相液 體，并從下部管3底部的水相出液口 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3管壁內(nèi)側(cè)聚集，并通過連接管6流入集油管5，使集油管5內(nèi)為 體積份數(shù)較大的油相液體，油相液體從集油管5底部的油相出液口 8流出。
上述實(shí)施例中，上部管2可以采用以下步驟求出其螺旋管長度和圈數(shù)
1)假設(shè)油水混合液在上部管2中的流動為理想狀態(tài)的層流，水相顆粒直徑為
d，螺旋管1的旋轉(zhuǎn)半徑為R，油水混合液的在上部管2進(jìn)口的流速為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
fl = w2/i (1)
如圖3所示，由于考慮到水相顆粒還受到重力加速度g的作用，實(shí)際上體積為V的水相顆粒受到離心加速度a的方向并不是水平向外的，而是與水平方向存 在一定的夾角p，由公式(1)可推得水相顆粒運(yùn)移速度與水平方向夾角為 p = arCtangi /M2 ，則實(shí)際上水相顆粒的離心加速度a為
(2)
1/ 及2
從而可得到水相顆粒的離心力F為:
<formula>formula see original document page 7</formula>其中"為油水混合液在上部管2進(jìn)口的流速；g為水相顆粒的重力加速度；/ 為螺旋管l的旋轉(zhuǎn)半徑；A^為水相顆粒的密度，即分散相密度；
由于上部管2內(nèi)的流動為層流，將離心加速度a的公式(2)帶入Stokes (斯
托克斯)重力沉降公式v = d2g^d邵—P咖')中，可得出在上部管2內(nèi)油水混合液在 進(jìn)口的流速為w時水相顆粒的沉降速度v'為
其中d為水相顆粒直徑；/^。 ,為油相密度，即連續(xù)相密度；^。 (為油相的動力 粘度。由公式(4)可以看出，螺旋管l內(nèi)水相顆粒在油相中的沉降速度v'與水相 顆粒直徑d、油水混合液在上部管2進(jìn)口的流速u成二次方關(guān)系，與水相和油相的
兩相液體之間密度差(p— - A。J成正比。
2) 根據(jù)沉降速度v'和螺旋管1的管內(nèi)徑D確定沉降時間t:螺旋管1管內(nèi)徑
D的尺寸選擇要綜合考慮油水混合液在上部管2進(jìn)口的流速"、油水混合液的流量 2以及系統(tǒng)整體壓降A(chǔ)P等因素，即L^ /(2,",AP,…)。在螺旋管1的管內(nèi)徑為D時， 水相顆粒在上部管2內(nèi)的沉降時間t為
= ￡>/v' (5)
3) 根據(jù)沉降時間t和水相顆粒在上部管2進(jìn)口的流速u確定使油水充分分離 所需要的上部管2的長度L為
-歸，"' (6)
由公式(6)可知，當(dāng)水相顆粒受到水平方向的加速度比較大時，水相顆粒受
到的重力加速度g可以忽略，則此式可簡化為
<formula>formula see original document page 7</formula>進(jìn)而由上部管2的長度L可確定為達(dá)到充分的分離而需要的上部管2的圈數(shù)n
為
w = Z/2;ri =-9//咖(D~~^ (8)
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2的圈數(shù)。
上述各實(shí)施例中，螺旋管1的螺距應(yīng)大于等于螺旋管1管外徑的1倍或小于 螺旋管1管外徑的2倍，考慮到加工以及施工等其它因素，螺距還可適當(dāng)增大。 因此這樣設(shè)計螺距能有效地減小分離系統(tǒng)的體積，并且提高了油水混合液的分離 效率，這種分離系統(tǒng)尤其適合在海洋采油平臺的分離系統(tǒng)中使用。連接管6的管 徑應(yīng)根據(jù)上部管2的進(jìn)口中含油率的大小做相應(yīng)的調(diào)整，同時還應(yīng)考慮油相粘度 大小以及其它因素的影響，從而確保油相能順利地通過連接管6流入集油管5中。 隨著油相不斷的通過連接管6流入集油管5中，下部管3內(nèi)的油相會逐漸減少， 因此下部管3的內(nèi)側(cè)開孔數(shù)量應(yīng)從上而下逐漸減少，以確保整個裝置的分離效率； 集油管5的尺寸大小應(yīng)滿足能順利地將所有連接管6流入的油相快速的輸送至下 一級設(shè)備。本實(shí)施例中連接管6的管徑設(shè)置為《。 _,=/)/4，集油管5的管徑與螺 旋管l的管徑相同。
本發(fā)明在使用時，系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)完全依靠系統(tǒng)進(jìn)出口壓差進(jìn)行工作，不需要外 部動力輸入，沒有可移動部件。由于螺旋管1內(nèi)最終形成的油水界面形狀與上部 管2的進(jìn)口中流進(jìn)油水混合液的流速u相關(guān)。當(dāng)上部管2的進(jìn)口中流進(jìn)油水混合 液的流速u較低、油水混合物的離心加速度a相對于重力加速度g不大時，螺旋 管1內(nèi)的油水界面近似呈斜"C"型(如圖4所示)；隨著上部管2的進(jìn)口中流進(jìn) 油水混合液的流速u增大，離心加速度a也會逐漸增大，螺旋管1內(nèi)油水重力沉 降分離作用相對于離心分離作用逐漸變得不明顯，也就是當(dāng)離心加速度a與重力 加速度g的比值^/i g足夠大，此時螺旋管1內(nèi)油水界面近似呈倒"V"字型(如 圖5所示)。由此可知，無論何種情況本發(fā)明都能實(shí)現(xiàn)將油相液體集中在螺旋管1 管壁的內(nèi)側(cè)，不受限于油水混合液在上部管2的進(jìn)口的流速u。本發(fā)明中"2/i g值 達(dá)到16時油水界面為倒"V"字型。
綜上所述，本發(fā)明主要是通過連接管6將下部管3內(nèi)分離后的油水兩相分開。 在不同工況下，在下部管3管壁內(nèi)側(cè)不同位置開孔以及選擇合理的開孔數(shù)量，會 給螺旋管分離系統(tǒng)的總體分離效率造成影響，開孔位置，以及孔間距越合理，螺 旋管分離效率將會越高。
8
權(quán)利要求
1、一種油水分離方法，其包括以下內(nèi)容1)設(shè)置一螺旋管，所述螺旋管分為一體連通的上部管和下部管，所述下部管內(nèi)側(cè)的管壁上間隔設(shè)置有若干孔洞，所述下部管的中心設(shè)置一集油管，所述集油管的管壁通過若干連接管連接對應(yīng)的所述孔洞；2)利用油水之間的密度差以及油水混合液在螺旋管旋轉(zhuǎn)流動產(chǎn)生的離心力，使密度較大的水相液體向螺旋管管壁外側(cè)移動，使油相液體在水相液體的壓力作用下，向螺旋管管壁內(nèi)側(cè)聚集，分離后的水相液體和油水液體，分別通過螺旋管底部的水相出液口和集油管底部的油相出液口流出。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種油水分離方法，其特征在于所述上部管的長度為<formula>formula see original document page 2</formula>根據(jù)所述上部管的長度得到所述上部管的圈數(shù)為<formula>formula see original document page 2</formula>其中R為所述螺旋管的旋轉(zhuǎn)半徑，D為螺旋管內(nèi)徑，"￡。 ,為油相的動力粘度， d為水相顆粒直徑，/>~為水相顆粒的密度，p自為油相密度，"為油水混合液在 所述上部管進(jìn)口的流速。
3、 如權(quán)利要求2所述的一種油水分離方法，其特征在于所述上部管的長度 采用以下步驟得到1)假設(shè)油水混合液在所述上部管中的流動為理想狀態(tài)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其中"為油水混合液在所述上部管進(jìn)口的流速，g為水相顆粒的重力加速度，i 為所述螺旋管的旋轉(zhuǎn)半徑，/9 為水相顆粒的密度，.V為水相顆粒的體積；由于\所述上部管內(nèi)的流動為層流，將離心加速度的公式帶入斯托克斯重力沉降公式<formula>formula see original document page 2</formula>中，可得水相顆粒的沉降速度為-<formula>formula see original document page 3</formula>其中d為水相顆粒直徑；A。",為油相密度；//^為油相的動力粘度；2) 根據(jù)沉降速度和所述螺旋管的管內(nèi)徑確定水相顆粒在所述上部管內(nèi)的沉降 時間為f = D/v'3) 根據(jù)水相顆粒的沉降時間和油水混合液在進(jìn)口的流速確定所述上部管的長 度為h,…2謂人。",_ o "( -Pc。",)"
4、 如權(quán)利要求2或3所述的一種油水分離方法，其特征在于所述螺旋管的 螺距大于等于所述螺旋管的管外徑的1倍、小于所述螺旋管的管外徑的2倍。
5、 一種如權(quán)利要求1 4所述方法的油水分離裝置，其特征在于它包括一螺旋管，所述螺旋管分為一體連通的上部管和下部管，所述下部管內(nèi)側(cè)的管壁上 間隔設(shè)置有若干孔洞，所述下部管的中心設(shè)置一集油管，所述集油管的管壁通過 若干連接管連接對應(yīng)的所述孔洞。
6、 如權(quán)利要求5所述的一種油水分離裝置，其特征在于所述螺旋管的螺距 大于等于所述螺旋管的管外徑的l倍、小于所述螺旋管的管外徑的2倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種油水分離方法及裝置，其包括以下內(nèi)容設(shè)置一螺旋管，螺旋管分為一體連通的上部管和下部管，下部管內(nèi)側(cè)的管壁上間隔設(shè)置有若干孔洞，下部管的中心設(shè)置一集油管，集油管的管壁通過若干連接管連接對應(yīng)的孔洞；利用油水之間的密度差以及油水混合液在螺旋管旋轉(zhuǎn)流動產(chǎn)生的離心力，使密度較大的水相液體向螺旋管管壁外側(cè)移動，使油相液體在水相液體的壓力作用下，向螺旋管管壁內(nèi)側(cè)聚集，分離后的水相液體和油水液體，分別通過螺旋管底部的水相出液口和集油管底部的油相出液口流出。本發(fā)明采用螺旋管的螺距為大于等于螺旋管管外徑的1倍或小于螺旋管管外徑的2倍，因此能有效地減小分離系統(tǒng)的體積，并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。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用在各種油氣田分離系統(tǒng)中。
文檔編號B01D17/038GK101537266SQ200910080658
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月23日
發(fā)明者吳應(yīng)湘, 喻西崇, 姚海元, 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