氣-液分離的裝置及方法
【專利說明】氣—液分禹的裝置及方法發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明總的涉及多相流體流中的組分分離。更具體地說，其涉及通過流成型裝置的重建流態(tài)，使得流體股中的大多數(shù)特定流體組分位于流體流體流的某一區(qū)域中，這允許各種流體組分有效分尚。
[0002]發(fā)明背景
[0003]氣-液兩相流體流包括具有不同相的不同流體的混合物，諸如空氣和水，蒸汽和水或石油和天然氣。此外，流體流的液相還可包括諸如油和水的不同液體組分。氣-液兩相流采用很多不同的形式并且可分類成液體內(nèi)的不同類型的氣體分布。這些分類通常被稱為流態(tài)或流型并在圖1A-1E中示出。如圖1A所示的氣泡流通常是具有氣泡在液體中的完全均勻分散的液體的連續(xù)分布。如圖1B所示的活塞流或栓塞流是從氣泡流的過渡，其中，氣泡已經(jīng)合并成具有接近管徑的大小的較大氣泡。如圖1C所示的攪動(dòng)流是其中活塞流氣泡已經(jīng)彼此連接的模型。在如圖1D所示的環(huán)狀流中，液體作為薄膜在管壁上流動(dòng)而氣體沿管的中心流動(dòng)。最后，在如圖1E所示的纖細(xì)環(huán)狀流中，隨著增大液體流量，氣體核心中的液滴濃度增大，從而導(dǎo)致液體大塊或大條紋形成。
[0004]通常要求將流體的氣體組分和液體組分彼此分離以使諸如某些類型的液栗的系統(tǒng)能夠正確運(yùn)行。常規(guī)的立式氣-液分離器或臥式氣-液分離器可用于將氣體與液體分離。常規(guī)分離器通常采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中，進(jìn)入流體撞擊啟動(dòng)氣體組分和液體組分之間的初級(jí)分離的導(dǎo)流擋板。網(wǎng)孔墊或除霧墊接著用于進(jìn)一步去除懸浮液體。分離器的大小設(shè)置以及分離器的具體性質(zhì)依賴于很多因素，因素包括液體流量、液體密度、蒸汽密度、蒸汽速度和入口壓力。當(dāng)蒸汽/液體比高或者總流量低時(shí)，選擇立式分離器。臥式分離器通常優(yōu)選地用于低蒸汽/液體比或者用于大總流體量。
[0005]這些類型的分離器的一個(gè)應(yīng)用是在石油和天然氣鉆井作業(yè)中。具體地說，當(dāng)在鉆井作業(yè)過程中經(jīng)歷井涌時(shí)，使用泥漿-氣體分離器。井涌是在鉆井作業(yè)過程中進(jìn)入井眼的流體地層流。如果井涌不能被快速控制，則其可能導(dǎo)致井噴。作為控制井涌的過程的部分，防噴裝置被觸發(fā)以關(guān)閉井眼并且井眼流體緩慢地循環(huán)離開井眼同時(shí)較重的鉆井液被栗入井眼。泥漿氣體分離器用于當(dāng)井眼流體循環(huán)離開井眼時(shí)將天然氣與鉆井液分離開。經(jīng)常地，然而，現(xiàn)有技術(shù)的分離器具有處理具有諸如井眼的那些特性的高容量和/高流量的流體流的有限能力。
[0006]當(dāng)然，分離器還用于石油和天然氣的生產(chǎn)中以將天然氣與正在生產(chǎn)的石油分離。此外，有很多需要使用氣-液分離器的其它應(yīng)用。例如，當(dāng)被稱為船舶加油的給船舶提供燃料時(shí)，空氣通常夾帶在燃料中，從而導(dǎo)致所轉(zhuǎn)移的燃料測(cè)量不準(zhǔn)確。類似地，在石油生產(chǎn)中或者其它液體的生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)移或輸送液體可導(dǎo)致在該過程期間液體獲取所夾帶的氣體。在這方面，所夾帶的氣體可阻礙液體產(chǎn)物的準(zhǔn)確測(cè)量，不管其是在船舶加油過程中的所轉(zhuǎn)移的燃料還是管道中流動(dòng)的液體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一方面涉及在流體組分與流路分離之前使用以多個(gè)環(huán)或圈形成的曲線流管的成型多相混合流。使多相流成形進(jìn)入曲線路徑將允許離心力更容易迫使較重的、較稠的液體到曲線路徑中的流成型管線的外側(cè)壁或外徑壁并允許較輕的、較稀的蒸汽或氣體沿流成型管線的內(nèi)側(cè)壁或內(nèi)徑壁流動(dòng)。在某些實(shí)施例中，一旦流態(tài)已經(jīng)在流管內(nèi)重建，鄰近管線的特定壁的所聚集的流組分就可被移除。例如，在以較大的液體成分為特征的流體流中，液-氣流體流的氣體組分將沿曲線流成型管線的內(nèi)徑壁聚集，其中，氣體可被吸入或被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入位于內(nèi)壁上的離開端口，從而允許若非全部氣體，則大部分氣體連同少量液體被送到常規(guī)氣-液分離器。分離后的流體會(huì)具有比流管中的初級(jí)流體流相對(duì)較高的氣液比，但會(huì)以比流成型管線內(nèi)的總流量低得多的流量進(jìn)入常規(guī)氣體分離器。這允許氣體與液體通過使用比全流體流和/或較高流量所需的更小、更經(jīng)濟(jì)的常規(guī)氣-液分離器有效分離。
[0008]在某些實(shí)施例中，不管是單個(gè)環(huán)還是多個(gè)環(huán)的形式的曲線流管都可與控制可調(diào)節(jié)閥的傳感器結(jié)合使用。在多個(gè)環(huán)的各種情況下，流管中的環(huán)允許通過系統(tǒng)的流體流的停留時(shí)間延長。沿流路設(shè)置的傳感器用于估測(cè)流量12的性質(zhì)，諸如例如流體流的一個(gè)或多個(gè)組分的百分比或“餾分(cut)”。可調(diào)節(jié)閥完全位于下游，使得閥可根據(jù)來自傳感器的測(cè)量結(jié)果及時(shí)調(diào)節(jié)。例如，測(cè)量餾分的傳感器餾分可用于調(diào)節(jié)流體流中的堰板位置，由此增大或減小與流體流分離開的流體量。雖然如本文所述的傳感器將主要被描述為測(cè)量餾分，但也可使用其它類型的傳感器。類似地，餾分傳感器的類型不限于特定類型，但可包括界面計(jì)的非限制性實(shí)例；光學(xué)傳感器或電容傳感器。一旦餾分被確定，多環(huán)系統(tǒng)中的流體流的延長停留時(shí)間允許閥門被調(diào)節(jié)，由此一旦流體流已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明重建，增強(qiáng)流體組分的分離?？烧{(diào)節(jié)閥可以是例如可以用于抽出或分離流體流的一個(gè)組分的堰板、箔或類似結(jié)構(gòu)。還可以使用其它類型的可調(diào)節(jié)閥。
[0009]在多環(huán)系統(tǒng)的某些實(shí)施例中，一般沿軸線設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)環(huán)或圈的主徑可沿軸線的長度變化以控制通過系統(tǒng)的流量。在某些實(shí)施例中，流管將包括沿軸線形成的多個(gè)環(huán)，其中，每個(gè)連續(xù)環(huán)具有比前面環(huán)小的主徑，使得流管內(nèi)的流體流的速度沿軸線增大同時(shí)保持流態(tài)分離。類似地，在某些實(shí)施例中，流管將包括沿軸線形成的多個(gè)環(huán)，其中，每個(gè)具有比前面環(huán)大的主徑，使得流管內(nèi)的流體流的速度沿軸線減小。
[0010]在多環(huán)系統(tǒng)的某些實(shí)施例中，兩組環(huán)或圈可沿流路使用。第一組環(huán)將用于分離諸如氣體的組分，如上所述。第二組環(huán)用于處理留在流體流中的任何氣體。在某些實(shí)施例中，在流體流引入第二組環(huán)之前，流體流可被攪動(dòng)以由此增強(qiáng)如上所述的流態(tài)重塑。
[0011]此外，流體引導(dǎo)面可放置在離開端口處的流成型管線的內(nèi)壁上以進(jìn)一步幫助引導(dǎo)氣體流至常規(guī)氣體分離器。
[0012]此外，來自常規(guī)氣-液分離器的液體回流可布置成在下游緊密接近在流成型管線的內(nèi)壁上的離開端口。液體回流和離開端口的緊密接近允許使用位于鄰近在離開端口的正下游的流成型管線中的液體回流的文丘里管、噴嘴或其它限流裝置。當(dāng)液體流經(jīng)離開端口時(shí)，文丘里管、噴嘴或其它限流裝置加快流成型管線中的液體的速度。這種液體加速有助于將液體從常規(guī)氣-液分離器中拉出。此外，流成型管線內(nèi)的液體加速有助于防止可能存在于氣-液流中的任何固體進(jìn)入出口，并且其有助于降低進(jìn)入出口并因此進(jìn)入常規(guī)分離器的液體量。
[0013]在某些實(shí)施例中，加熱器可在流態(tài)重塑之前沿流體流設(shè)置以引起流體流內(nèi)的至少部分流體相變。例如，流體流中的某些液烴在所施加的熱量下可轉(zhuǎn)化成氣體以增強(qiáng)如上所述的烴從流體流分離。這種加熱器可與具有任一單環(huán)和多環(huán)的曲線流管一起使用。
[0014]類似地，在某些實(shí)施例中，具有任一單環(huán)和多環(huán)的曲線流管可與液-液分相器結(jié)合使用。液-液分相器優(yōu)選地部署在離開端口的下游并且布置成將不同密度的液體彼此分離。在某些實(shí)施例中，液-液分相器可調(diào)節(jié)并與傳感器結(jié)合使用。傳感器沿在氣體出口的下游的流路布置并且用于估測(cè)留在流體流中的各種液體的百分比或“餾分”。分相器可以根據(jù)餾分調(diào)節(jié)。分相器可包括例如可調(diào)節(jié)堰板、可調(diào)節(jié)箔、可調(diào)節(jié)閥或類似的可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，分相器可包括呈具有兩個(gè)從中穿過的流道的可旋轉(zhuǎn)球的形式的可調(diào)節(jié)閥。球的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)流道相對(duì)于液-液流體流的位置，從而將或多或少的特定通道暴露于流體流。還可以使用其它類型的可調(diào)節(jié)閥。
[0015]在特別適于具有高含氣量的流體流、即“濕氣”的本發(fā)明的另一實(shí)施例中，流動(dòng)通路沿曲線流管的內(nèi)徑壁的至少部分形成，如本文所述。濕氣內(nèi)的液體將聚集在流動(dòng)通路中并且可以從主流體流中排出。
[0016]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，氣-液分離器包括保持容器的液位控制并且建立整個(gè)系統(tǒng)的恒定流動(dòng)壓力的可變位置氣體控制閥。
[0017]本發(fā)明因此允許多相流體通過使用比以前能夠采用的分離器更小的常規(guī)分離器有效分離。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)這一目的而沒有使用額外復(fù)雜機(jī)械裝置并且因此將有效且可靠地運(yùn)行。
【附圖說明】
[0018]本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)的更全面理解可以通過參照結(jié)合附圖的下列描述獲得，其中:
[0019]圖1A-1E示出了兩相氣-液流的各種