專(zhuān)利名稱(chēng)：分離低濃度液體和高濃度液體混合物的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分離低濃度液體組分和高濃度液體組分混合物的裝置和方法。本發(fā)明可用于分離任何此類(lèi)混合物，不過(guò)特別適用于分離從油井獲得的流質(zhì)這一領(lǐng)域。
按傳統(tǒng)做法，生產(chǎn)流質(zhì)用三相分離器作初步分離，該三相分離器是一種簡(jiǎn)單的大型壓力容器，在三相分離器中，生產(chǎn)流質(zhì)保持足夠長(zhǎng)的滯留時(shí)間，使油、水和氣在重力作用下分離。三相分離器都大，以保證足夠的滯留時(shí)間以使分離發(fā)生。
隨著向漂浮平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)的增長(zhǎng)，空間比傳統(tǒng)油田鉆機(jī)更受限制。此外，三相分離器必須設(shè)置復(fù)雜的隔板，以便允許液位能以合理的精度確定，并防止漂浮平臺(tái)被海水搖動(dòng)時(shí)分離器內(nèi)的波浪使流質(zhì)再次混合。
作為三相分離器的替代物，曾建議使用水力旋流器(hydrocyclone)進(jìn)行生產(chǎn)流質(zhì)的初步分離。盡管這能使分離器的體積減小，但這樣使用水力旋流器存在兩個(gè)明顯的問(wèn)題。首先，這種裝置是建立來(lái)分離出一定百分比的體積的輸入流，不可能令人滿(mǎn)意地解決油和水的殘留物(slugs)，也不能隨著油井生命期的進(jìn)展不可避免地水增多油減少而調(diào)節(jié)。其次，水力旋流器在混合物既不是水連續(xù)也不是油連續(xù)而是處于相轉(zhuǎn)換(phase inversion)過(guò)程中時(shí)，不能滿(mǎn)意地運(yùn)行。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于分離低濃度液體組分和高濃度液體組分混合物的裝置包括一容器，具有垂直軸線(xiàn)；一混合物環(huán)形入口，設(shè)置在容器底部，向上開(kāi)口，入口處設(shè)置一裝置，以使混合物離開(kāi)出口時(shí)環(huán)繞垂直軸線(xiàn)渦旋；第一出口，設(shè)置在環(huán)形入口的中心，以使低濃度液體組分初出料，該低濃度液體組分已在由渦旋液體所形成的渦流內(nèi)被吸下；和第二出口，面向容器底部，與第一入口相隔一段距離，以使高濃度液體組分初出料，該高濃度液體組分已被渦旋液體離心力強(qiáng)迫其從容器垂直軸線(xiàn)離開(kāi)。
這種裝置有效地提供了三相分離器和水力旋流器的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。借助于混合物在進(jìn)入容器時(shí)的渦旋，兩種液體被強(qiáng)迫分別聚結(jié)從而加速分離。由混合物產(chǎn)生的離心力，使低濃度液體向容器軸心運(yùn)動(dòng)，并被從渦流的中心吸下，而高濃度液體被迫從軸線(xiàn)離開(kāi)，在此，可在重力作用下進(jìn)一步分離，移向容器的底部。發(fā)生分離的時(shí)間因此大大少于三相分離器，從而分離器的尺寸可隨之減小。
本裝置的特征在于，它使低濃度液體層處于高濃度液體層之上，低濃度液體在渦流的中心穿過(guò)高濃度液體被吸下。這樣在容器內(nèi)的滯留時(shí)間短，十分適合于混合物中的任何廢料漿。
此裝置被用于分離生產(chǎn)流質(zhì)時(shí)，流質(zhì)的自然壓力可被利用于生成渦流，因此并不需要泵。在容器入口至出口間產(chǎn)生的壓力降，意味著可設(shè)置節(jié)流閥以保證小的壓力降，此種節(jié)流閥是傳統(tǒng)上需要用于降低生產(chǎn)流質(zhì)的進(jìn)入壓力的。這樣減小了混合物的切變，從而防止混合物的乳化。
控制閥最好設(shè)置在兩出口處，這些閥根據(jù)容器內(nèi)低濃度液體和高濃度液體的量控制，以保持兩種液體組分的液面在預(yù)定的范圍。因此，每一閥既可部分關(guān)閉也可全部關(guān)閉，以響應(yīng)一種液面或其它液面下降至預(yù)定范圍，從而所討論的液面可以升高。這意味著本發(fā)明之裝置可建立成使兩出口流的組分在油井整個(gè)生命期本質(zhì)上保持恒定。本裝置因此可接受一種未知的而且其組分變化的生產(chǎn)流質(zhì)，并生產(chǎn)兩種已知固定組分流，該組分流是液體組分之一連續(xù)相。這些流可容易地被水力旋流器進(jìn)一步分離。
兩種液體組分在容器中的量，可以使用設(shè)置在入口處的多相監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)混合物的組分來(lái)確定。不過(guò)，檢測(cè)兩種液體量的最簡(jiǎn)便方法是用液位檢測(cè)器，檢測(cè)低濃度液體組分的自由表面和兩種液體組分間界面的位置。
如果容器是壓力容器，在容器頂部設(shè)置第三出口，此裝置還可用于分離氣體。在氣體出口處可設(shè)置一去霧裝置，以在氣體離開(kāi)容器時(shí)干燥氣體，并將從氣體中分離出的液體送回容器中液體的主體中。
環(huán)形入口裝置、使混合物離開(kāi)出口時(shí)繞軸線(xiàn)渦旋的裝置、和第一出口，可以用一種已知的管環(huán)裝置設(shè)置，該裝置例如可以如WO96/05128所述。渦旋可以由一種機(jī)動(dòng)槳葉系統(tǒng)產(chǎn)生。不過(guò)，最好利用液體進(jìn)入的壓力，這可通過(guò)使用一種螺旋推運(yùn)器，或斜翼系統(tǒng)，或更推薦在環(huán)形入口設(shè)置切向或漸開(kāi)線(xiàn)進(jìn)料裝置。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果兩切向或漸開(kāi)線(xiàn)形入口設(shè)置在直徑上的相反兩端，流體在入口處的切變可保持最小。
一空心圓柱筒可設(shè)置在容器的底部，環(huán)繞環(huán)形入口。此筒有效地減少必須被進(jìn)入液體旋轉(zhuǎn)的水量，從而減少生成渦流所需的能量。它還可以用于在容器的最底部和最外部提供一較平靜的區(qū)域，從而在此區(qū)域的高濃度液體組分在重力作用下能更容易地分離。
如果需要從生產(chǎn)液中分離出任何固體，可在容器的上游設(shè)置固體收集器，例如像WO95/07325所公開(kāi)的那樣。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種分離由低濃度液體組分和高濃度液體組分組成的混合物的方法包括下列步驟在壓力下從容器底部的環(huán)形入口引入混合物，該環(huán)形入口向上開(kāi)口，繞垂直軸線(xiàn)渦旋，并生成一渦流，其中，低濃度液體組分在高濃度液體組分之上形成一層，并被吸向渦流的中心；從設(shè)置在環(huán)形入口中心的第一出口初排低濃度液體組分；從低濃度液體組分層下的區(qū)域，通過(guò)第二出口初排高濃度液體組分。
此方法還包括下列步驟監(jiān)測(cè)高濃度液體組分在容器中的量；控制從第一出口和第二出口的出口流，以便使兩種液體組分在容器中保持預(yù)定的水平。在此，檢測(cè)容器中液體組分的量的步驟，最好包括檢測(cè)液體自由表面和兩液體組分之間界面的位置。
本發(fā)明的裝置和方法之一實(shí)施例將參考附圖給予說(shuō)明，其中

圖1為該裝置的原理圖；和圖2為橫截面圖，示出了該裝置下部的詳情。
壓力容器1具有圓錐形下部、一圓柱形中部和一曲線(xiàn)形上部。油井流質(zhì)入口2設(shè)置在容器1的底部。如圖2所示，油井流質(zhì)入口2的開(kāi)口與環(huán)形腔3相通，該環(huán)形腔通過(guò)一對(duì)切向入口4與第二環(huán)形室5相通。環(huán)形室5繞壓力容器的中心線(xiàn)向上延伸一段距離與壓力容器相通。筒6A、6B既可設(shè)置在流質(zhì)供給導(dǎo)管7的端部，構(gòu)成進(jìn)口腔5的外壁，如圖中的6A，也可遠(yuǎn)離流質(zhì)供給導(dǎo)管7一段距離處，設(shè)置在容器1的基面上，如圖中的6B。在流質(zhì)供給導(dǎo)管7內(nèi)與之同軸設(shè)置的是排料導(dǎo)管8，該導(dǎo)管通往連續(xù)油相出口9。連續(xù)水相出口10，設(shè)置在容器1的壁上，朝向容器的底部。用于氣體的第三出口11設(shè)置在容器的頂部，作為一個(gè)壓力控制器12。
界面位置檢測(cè)器13為眾所周知的結(jié)構(gòu)，設(shè)置以監(jiān)側(cè)油液界面位置，液位監(jiān)側(cè)器14為眾所周知的結(jié)構(gòu)，設(shè)置以監(jiān)測(cè)油的自由界面位置。
使用中，從生產(chǎn)油井來(lái)的油井流質(zhì)，經(jīng)過(guò)油井流質(zhì)入口以高壓送入容器1。由于流質(zhì)經(jīng)過(guò)切向入口4，流質(zhì)產(chǎn)生渦旋。當(dāng)流質(zhì)離開(kāi)導(dǎo)管時(shí)仍維持渦旋，以便在容器內(nèi)生成一渦流15。離心力使油和水分別聚結(jié)，并在水上形成一油層，也使油從渦流中心被吸下，并從液體排出導(dǎo)管8送出。水在容器下部經(jīng)受進(jìn)一步的重力分離，連續(xù)水相經(jīng)過(guò)連續(xù)水相出口10送出。同時(shí)，氣體從油和水中析出，并收集在容器的頂部，以便從氣體出口11排出。
界面檢測(cè)器13和液面檢測(cè)器14監(jiān)測(cè)容器內(nèi)油和水的量，設(shè)置在連續(xù)油相出口9和連續(xù)水相出口10的控制閥(未示出)保證油位和水位在固定的參數(shù)內(nèi)。因此，如果油井流質(zhì)中的油量減少，油的自由表面的位置將下降，這將被液位檢測(cè)器14檢測(cè)出來(lái)。液位檢測(cè)器14然后產(chǎn)生一信號(hào)，送往控制流經(jīng)連續(xù)油相出口9液流的控制閥，以部分地或全部關(guān)閉此閥，于是，減少?gòu)娜萜髁鞒龅挠?，使油的自由表面上升。如果油井流質(zhì)中的水量減少，類(lèi)似的操作由界面位置檢測(cè)器13和設(shè)置在連續(xù)水相出口10的閥引出。
權(quán)利要求
1.一種用于分離低濃度組分和高濃度組分所組成混合物的裝置，包括容器(1)，其具有一垂直軸線(xiàn)；混合物環(huán)形入口(5)，其設(shè)置在容器底部，向上開(kāi)口，入口處設(shè)有裝置(4)，用以使混合物隨著離開(kāi)入口繞垂直軸線(xiàn)產(chǎn)生渦旋；第一出口(8)，其設(shè)置在環(huán)形入口的中心，以主要排出分離的低濃度液體組分，該低濃度液體組分已被吸下在液體渦旋所產(chǎn)生的渦流內(nèi)；和第二出口(10)，其面向容器底部，與第一入口相距一距離，用以主要排出分離的高濃度液體組分，該高濃度液體組分已被渦旋液體的離心力使其離開(kāi)容器的垂直軸線(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，控制閥設(shè)置在兩出口處，控制閥根據(jù)容器內(nèi)低濃度液體和高濃度液體的量控制，以保持兩種液體組分的水平在預(yù)定范維內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，設(shè)有液位檢測(cè)器(13，14)以檢測(cè)低濃度液體組分的自由表面的高度和兩種液體組分間界面的高度。
4.如上述權(quán)利要求其中之一所述的裝置，其中，容器(1)是壓力容器，氣體出口(11)設(shè)置在容器頂部。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，一去霧裝置設(shè)置在氣體出口(11)，以在氣體離開(kāi)容器(1)時(shí)干燥氣體，并將從氣體中分離的液體送回容器中液體的主體。
6.如上述權(quán)利要求其中之一所述的裝置，其中，渦旋是由設(shè)有切向或漸開(kāi)線(xiàn)送料器的環(huán)形入口(4)所產(chǎn)生。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，兩切向或漸開(kāi)線(xiàn)入口(4)設(shè)置在直徑的相反兩端。
8.如上述權(quán)利要求其中之一所述的裝置，其中，空心圓筒(6A，6B)設(shè)置在容器底部，環(huán)繞環(huán)形入口(5)。
9.一種分離由低濃度液體組分和高濃度液體組分組成的混合物的方法，包括下列步驟在壓力下從容器底部的環(huán)形入口(5)將混合物引入容器(1)，該環(huán)形入口向上開(kāi)口，繞垂直軸線(xiàn)渦旋，并生成一渦流，其中，低濃度液體組分在高濃度液體組分之上形成一層，并被吸向渦流的中心；從設(shè)置在環(huán)形入口中心的第一出口(8)初排低濃度液體組分；從低濃度液體組分層下的區(qū)域，通過(guò)第二出口(10)初排高濃度液體組分。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括下列步驟監(jiān)測(cè)高濃度液體組分在容器中的量；控制從第一出口(8)和第二出口(10)的出口液流，以便使兩種液體組分的高度在容器中保持預(yù)定的高度。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，檢測(cè)容器內(nèi)液體組分量的步驟，包括檢測(cè)自由液面高度和檢測(cè)兩液體組分間界面的高度。
全文摘要
一種用于初步分離生產(chǎn)流質(zhì)的裝置和方法。容器(1)具有一環(huán)形進(jìn)口(5),向上開(kāi)口,設(shè)置在容器底部。環(huán)形進(jìn)口具有裝置(4),用于使混合物渦旋以生成渦流。用于油連續(xù)流的第一出口(8)設(shè)置在環(huán)形入口的中心。用于水連續(xù)流的第二出口(10)設(shè)置成面向容器底部并與第一入口相距一段距離。油和水在由渦旋所產(chǎn)生的離心力作用下,油經(jīng)渦流中心吸下,并從第一出口(8)排出。
文檔編號(hào)B04C5/08GK1265602SQ9880787
公開(kāi)日2000年9月6日 申請(qǐng)日期1998年6月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月27日
發(fā)明者戴維·約翰·帕金森 申請(qǐng)人:莫普羅產(chǎn)品有限公司