專利名稱：油水分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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(tái)、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(xiàng)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(guó)科學(xué)院力學(xué)所的一項(xiàng)實(shí)用新型專利"一種復(fù)合式油水分離裝置"(專
利公開號(hào)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(duì)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 較低的螺旋管入口流速下，重力加速度對(duì)螺旋管內(nèi)油水分布情況起著重要的影響 作用，當(dāng)入口流速較大、重力加速度相對(duì)于離心加速度較小時(shí)，此時(shí)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。通過連接管將螺旋管內(nèi)分離出的油輸 送到中心集液管后，等旋轉(zhuǎn)半徑螺旋管內(nèi)流體流速會(huì)降低，分離效率會(huì)逐漸變差， 并且螺旋管的開孔位置也影響螺旋管的整體分離效率。 發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種將油氣田中油水精確分離的油 水分離裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案 一種油水分離裝置，其特 征在于它包括一螺旋管，所述螺旋管分為一體連通的等旋轉(zhuǎn)半徑的上部管和變 旋轉(zhuǎn)半徑的下部管，所述下部管為倒錐形，在所述下部管的管壁內(nèi)側(cè)間隔設(shè)置若 干孔洞，在所述下部管的中心設(shè)置一集油管，所述集油管通過若干個(gè)連接管連接 對(duì)應(yīng)的所述孔洞。
所述上部管的長(zhǎng)度為"187 。^。"'__一，根據(jù)所述上部管的長(zhǎng)度得到
^ ( _ P贈(zèng))"
所述上部管的圈數(shù)為"=Z/2;ri =——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(dòng)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螺旋管入口的流速。
3x = p0,e—c"".sin廣cos/ 所述下部管的螺旋線方程為"A .e'—* sin廣sin,
，其中p。為螺旋線上
的一點(diǎn)到原點(diǎn)的長(zhǎng)度；t為螺旋線上一點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度，其取值范圍為0</<2w y 為錐面素線與中心線的夾角；"為第m圈螺旋線與錐面素線的夾角。
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。
本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型由于采 用了一螺旋管，并將螺旋管分為一體連通的等旋轉(zhuǎn)半徑的上部管和變旋轉(zhuǎn)半徑的 下部管，當(dāng)油水混合液經(jīng)過上部等旋轉(zhuǎn)半徑螺旋管流動(dòng)后，可以產(chǎn)生離心力，使 密度較大的水相液體向下部管管壁外側(cè)移動(dòng)，同時(shí)油相液體在水相液體的壓力作 用下向下部管管壁內(nèi)側(cè)聚集，因此實(shí)現(xiàn)了油水分離的狀態(tài)。2、本實(shí)用新型由于采 用在下部管的管壁內(nèi)側(cè)間隔設(shè)置若干個(gè)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(gè)連接管與對(duì)應(yīng)的孔洞連接，從而使得聚集在下部管管壁內(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、本實(shí)用 新型由于采用倒錐形的下部管，使下部管的旋轉(zhuǎn)半徑逐漸減小，使得油水混合液 在流速逐步降低的情況下，油水混合液在螺旋管出口處的離心加速度不小于在螺 旋管入口處的離心加速度，提高了油水混合液的分離效果。4、本實(shí)用新型由于較 精確地設(shè)計(jì)了上部等旋轉(zhuǎn)半徑螺旋管的長(zhǎng)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。5、本實(shí) 用新型由于精確地設(shè)計(jì)了下部管的螺旋線參數(shù)方程，因此進(jìn)一步提高了油水混合 液的分離效率。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用在各種油氣田分離系統(tǒng)中。

圖1是本實(shí)用新型的整體示意圖
圖2是圖1的剖面示意圖
圖3是本實(shí)用新型的水相顆粒受力分析
圖4是本實(shí)用新型的下部管段螺旋線示意圖
圖5是本實(shí)用新型在低流速下螺旋管內(nèi)油水界面示意圖
圖6是本實(shí)用新型在高流速下螺旋管內(nèi)油水界面示意圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。
如圖l、圖2所示，本實(shí)用新型包括一螺嗨管l，螺旋管l分為一體連通的圓 筒形等旋轉(zhuǎn)半徑的上部管2和倒錐形變旋轉(zhuǎn)半徑的下部管3。在下部管3的管壁內(nèi) 側(cè)間隔設(shè)置有若干個(gè)孔洞4，并在下部管3的中心設(shè)置一集油管5，集油管5通過 若干個(gè)連接管6與下部管3內(nèi)壁上對(duì)應(yīng)的孔洞4連接。
本實(shí)用新型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(dòng)產(chǎn) 生的離心力，使油水混合液在上部管2內(nèi)逐漸產(chǎn)生分離，并進(jìn)入下部管3中，利 用下部管3的變旋轉(zhuǎn)半徑實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步精確的油水分離。密度較大的水相液體向下 部管3的外側(cè)移動(dòng)，油相液體則在水相液體壓力作用下沿徑向向下部管3的管壁 內(nèi)側(cè)逐漸聚集，并使聚集在下部管3內(nèi)側(cè)管壁的油相液體可通過連接管6流入集 油管5內(nèi)。此時(shí)，由于分離出的油相液體通過連接管6不斷的流入集油管5，導(dǎo)致 了螺旋管1內(nèi)剩余的油水混合液整體流速降低，從而導(dǎo)致了油水混合液的離心加 速度減小，因此本實(shí)用新型采用逐漸減小下部管3的旋轉(zhuǎn)半徑，從而使得油水混 合液的離心加速度不會(huì)逐漸變小。最終實(shí)現(xiàn)了油水的分離，使下部管3內(nèi)為體積 份數(shù)較大的水相液體，并由下部管3底部的水相出液口 7流出；集油管5內(nèi)為體 積份數(shù)較大的油相液體，并由集油管5底部的油相出液口 8流出。
上述實(shí)施例中，可以采用以下步驟求出油水混合液基本分離時(shí)所需要的m-l 圈上部管2的長(zhǎng)度和圈數(shù)
1)假設(shè)油水混合液在上部管2中的流動(dòng)為理想狀態(tài)的層流，水相顆粒直徑為
d,上部管2的螺旋半徑為R，油水混合液的在入口流速為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 /w2 ，而實(shí)際上水相顆^)t的離心加速度a為
4 (2)
從而可得到水相顆粒的離心力F為
上述各公式中，"為油水混合液在螺旋管l的入口流速；g為水相顆粒的重力
5加速度；i 為上部管2的旋轉(zhuǎn)半徑；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(dòng)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 = d"g"邵—P咖t)中，可得出油水混合液在螺旋管1入
口的流速為"時(shí)水相顆粒的沉降速度v'為
v'"2( -P咖,)Vg2 + "4"2 (4)
式中，d為水相顆粒直徑；p，,為油相顆粒密度，即連續(xù)相密度；//，,為油相的動(dòng)力粘度。由公式(4)可以看出，上部管2內(nèi)水相顆粒在油相中的沉降速度v'與水相顆粒直徑d、油水混合液在螺旋管l入口的流速u成二次方關(guān)系，與水相和
油相的兩相液體之間密度差(/ -A?！钩烧?。
2) 根據(jù)沉降速度v'和螺旋管1的管徑D確定沉降時(shí)間t:螺旋管1管徑D的尺寸選擇要綜合考慮油水混合液在螺旋管1入口時(shí)的流速w 、油水混合液的流量g以及系統(tǒng)整體壓降A(chǔ)P等因素，即D^/(g，",AP，…)。在螺旋管1的管徑為D時(shí)，水相顆粒在上部管2內(nèi)的沉降時(shí)間t為
/ = D/v' (5)
3) 根據(jù)沉降時(shí)間t和水相顆粒在螺旋管1入口的流速u確定使油水充分分離所需要的上部管2的長(zhǎng)度L為
丄="『_18一。"' (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(shí)，水相顆粒受
到的重力加速度g可以忽略，則此式可簡(jiǎn)化為
丄=2謂人。",(7)
根據(jù)上部管2的長(zhǎng)度L可確定為達(dá)到油水混合液充分分離所需要的上部管2的圈數(shù)m-l為
m-l"/2;ri = ~——9//咖'"~~^ (8)t(P - A訓(xùn)，)d "
由公式(8)可以計(jì)算出在流體流速與管徑一定時(shí)，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)。
由上述步驟l)中離心加速度a的公式(1)可知，若本實(shí)用新型采用等旋轉(zhuǎn)半徑的螺旋管，油水混合液在螺旋管1出口處的離心加速度f(wàn)l。u,要小于在入口處的離心加速度a,"，即"。,,,< , 。若要保證油水混合液有效地分離，則油水混合液在螺旋管1出口處的離心加速度"。 ,應(yīng)不小于在入口處的離心加速度", ，也就是
6a。 ,^a, ，因此本實(shí)用新型采用了變旋轉(zhuǎn)半徑的下部管3，從而使油水混合液在螺旋管1出口處的離心加速度不會(huì)變小，保證了油水混合液的分離效果不會(huì)變差。上述實(shí)施例中，可以根據(jù)公式(1)對(duì)油水混合液在螺旋管1出口處的離心加
速度"。 ,和在入口處的離心加速度^進(jìn)行求解。當(dāng)油水混合液在第m-1圈上部管2分離后，進(jìn)入第m圈下部管3內(nèi)繼續(xù)不斷的分離。此時(shí)，設(shè)在螺旋管1入口的油水混合液流量為Q，在第m圈下部管3的管壁內(nèi)側(cè)開的孔洞4的數(shù)暈為n，則從每一孔洞4通過連接管6流入集油管5的油相液體流量為A《，螺旋管1的管徑為D，集油管5的管徑為《 ?？傻玫接退旌弦涸诼菪?入口處的流速u為
<formula>formula see original document page 7</formula>(9)
在第m圈末端出口處油水混合液的流速為
<formula>formula see original document page 7</formula> (10)
設(shè)下部管3第m圈的入口處旋轉(zhuǎn)半徑為R。，即m-1圈上部管2的旋轉(zhuǎn)半徑為R。；下部管3第m圈的出口處旋轉(zhuǎn)半徑為Ri，則油水混合液在下部管3入口處的離心加速度為<formula>formula see original document page 7</formula>(11)油水混合液在下部管3末端出口處的離心加速度為
<formula>formula see original document page 7</formula> (12)因此，為保證油水混合液在螺旋管1出口處離心加速度不會(huì)變小，要逐漸減小螺旋管1的旋轉(zhuǎn)半徑。所以本實(shí)用新型采用了下部管3。下部管3第ra圈的入口處旋轉(zhuǎn)半徑R。與第m圈出口處的旋轉(zhuǎn)半徑Ri應(yīng)滿足如下條件
<formula>formula see original document page 7</formula>
(13)
如圖4所示，上述實(shí)施例中，油水混合液從上向下流入第m圈下部管3的管段時(shí)，可根據(jù)下部管3第m圈的入口處旋轉(zhuǎn)半徑R。與第m圈出口處的旋轉(zhuǎn)半徑Rt之間的約束條件(13)確定下部管3的螺旋曲線，即確定變旋轉(zhuǎn)半徑，以進(jìn)一步提高油水分離的效率，其步驟包括
1)假設(shè)下部管3的管距為常數(shù)A/z，并保證A/^D時(shí)，設(shè)在第m圈螺旋線終端處有一點(diǎn)M。， M。沿螺旋線即Z軸正向旋轉(zhuǎn)一角度r后到達(dá)點(diǎn)M:， M,再旋轉(zhuǎn)一角度^:后到達(dá)點(diǎn)M"其中點(diǎn)M。和點(diǎn)A在一條錐面素線上，點(diǎn)M2和點(diǎn)B在一條錐面素線上。如圖4所示，由于在0M2上存在一點(diǎn)N使得il^V丄CM^，則在直角三角形M,鵬2中有MiV = "r，層2 =(9M2—,。則由tarm == . 可知cot" t/r = t^/戶，對(duì)此式兩邊積分有
M2jV
Jcota ■ dr = JW/ // (14)
由公式(14)可求f尋lnp二cota.r + c，艮卩
p = W (15)其中"下部管3第m圈上的螺旋線與錐面素線的夾角；p為(^的長(zhǎng)度，c為積分常數(shù)，r為0M。與0M,的夾角，a為第m圈螺旋線與錐面素線的夾角；
當(dāng)『=0時(shí)，有"A)二djv + ,2.A氣，因此可求出常數(shù)c的公式為
"《2+jL^ (16)將公式(16)帶入公式(15)中可得下部管3的第m圈螺旋線方程為
2)確定下部管3的各圈螺旋線的方程如圖4所示，由弧長(zhǎng)公式可知弧JS = (9^x,， 同日寸弧^5 = 04x(r + dr)=04xr ，貝lj有x / = 04 x 7 ， 又因?yàn)?br> Siny = ^，因此可求得
r = siny" (18)上式式中;k為0A與中心線00i之間的夾角，t為點(diǎn)M。的旋轉(zhuǎn)角度，即0,A與
0iB之間的夾角；
將式(18)帶入式(17)中得_
"i ,2 + ,2,， v訓(xùn)一 (19)
將式(19)轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)方程后，可得到第m圈螺旋線的參數(shù)方程為:
x = /ve'sin"otff-sin;r,cos/
(20)
其中y-arcsin^-arcsin^^; a = arCCOt!; f為點(diǎn)M。旋轉(zhuǎn)角度，其取
值范圍為0"〈2;r; AA為下部管3的管距；
第m圈以后每圈的螺旋線參數(shù)方程依次類推，第m+l圈變螺旋管入口處的旋轉(zhuǎn)半徑為第m圈變螺旋管出口處的旋轉(zhuǎn)半徑，并且第m+l圈螺旋管出口處旋轉(zhuǎn)半徑要滿足公式(13)的約束條件。
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。
8因此這樣設(shè)計(jì)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(tái)的分離系統(tǒng)中使用。
本實(shí)用新型在使用時(shí)，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(dòng)力輸入，沒有可移動(dòng)部件。主要是利用油水之間的密度差以及通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使油水混合液產(chǎn)生分離，使油相液體聚集在下部管3的管壁內(nèi)側(cè)，
當(dāng)油水混合液在螺旋管1入口流速u較低、油水混合物的離心加速度a相對(duì)于重力加速度g不大時(shí)，下部管3管壁內(nèi)側(cè)聚集的油相液體與水想液體之間的界面近
似呈斜"C"型(如圖5所示)；當(dāng)油水混合液在螺旋管1入口流速U增大時(shí)，離
心加速度a也會(huì)逐漸增大，螺旋管1內(nèi)油水重力沉降分離作用相對(duì)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"V及g足夠大，此時(shí)下部管3管壁內(nèi)側(cè)聚集的油相液體與水相液體之間的界面近似呈倒"V"字型(如圖6所示)。由此可知，無論何種情況本實(shí)用新型都能實(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螺旋管1入口的流速u。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(huì)給整個(gè)分離系統(tǒng)的總體分離效率造成影響，螺旋管1的變旋轉(zhuǎn)半徑的選取、開孔位置以及孔間距越合理，螺旋管l分離效率將會(huì)越高。
上述各實(shí)施例中，還可以在結(jié)構(gòu)和連接上有其它變化，例如，集油管5與下部管3的管壁內(nèi)側(cè)上孔洞4的連接是可以變化的，凡是基于本實(shí)用新型技術(shù)方案上的變化和改進(jìn)，不應(yīng)排除在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求1、一種油水分離裝置，其特征在于它包括一螺旋管，所述螺旋管分為一體連通的等旋轉(zhuǎn)半徑的上部管和變旋轉(zhuǎn)半徑的下部管，所述下部管為倒錐形，在所述下部管的管壁內(nèi)側(cè)間隔設(shè)置若干孔洞，在所述下部管的中心設(shè)置一集油管，所述集油管通過若干個(gè)連接管連接對(duì)應(yīng)的所述孔洞。
2、 如權(quán)利要求l所述的油水分離裝置，其特征在于所述上部管的長(zhǎng)度為<formula>formula see original document page 2</formula>根據(jù)所述上部管的長(zhǎng)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；w，,為油相的動(dòng)力粘度； d為水相顆粒直徑；/7#為水相顆粒的密度；A。",為油相密度；"為油水混合液在 所述螺旋管入口的流速。
3、 如權(quán)利要求1所述的油水分離裝置，其特征在于所述下部管的螺旋線方 程為<formula>formula see original document page 2</formula>其中p。為螺旋線上的一點(diǎn)到原點(diǎn)的長(zhǎng)度；t為螺旋線上一點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度，其 取值范圍為0"<2;r; y為錐面素線與中心線的夾角；"為第m圈螺旋線與錐面 素線的夾角。
4、 如權(quán)利要求1或2或3所述的油水分離裝置，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1倍、小于所述螺旋管的管外徑的2倍。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種油水分離裝置，它包括一螺旋管，螺旋管分為一體連通的等旋轉(zhuǎn)半徑的上部管和變旋轉(zhuǎn)半徑的下部管，下部管設(shè)置為倒錐形，在下部管的管壁內(nèi)側(cè)間隔設(shè)置若干孔洞，在下部管的中心設(shè)置一集油管，集油管通過若干個(gè)連接管連接對(duì)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中旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生的離心力，使密度較大的水相液體向下部管管壁外側(cè)移動(dòng)，使油相液體在水相液體的壓力作用下，向下部管管壁內(nèi)側(cè)聚集，同時(shí)利用逐漸減小下部管的旋轉(zhuǎn)半徑，使得油水混合液在流速逐步降低的情況下，離心加速度保持穩(wěn)定，分離后的水相液體和油水液體，分別通過下部管底部的水相出液口和集油管底部的油相出液口流出。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用在各種油氣田分離系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)B01D17/038GK201404712SQ200920106928
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者李清平, 濤 王 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋石油總公司;中海石油研究中心