一种用于从包括重组分、中组分和轻组分的混合物的多相流体中分离重组分的旋风分离器，所述旋风分离器包括细长的旋风分离管，所述旋风分离管包括流体入口、重组分出口和流动孔，所述流动孔在流体入口和重组分出口之间延伸。心轴同心地定位在旋风分离管内并且包括：轻组分出口，所述轻组分出口大体轴向地延伸贯穿所述心轴；和外径表面，所述外径表面与旋风分离管一起限定了用于多相流体的环形流动路径，所述环形流动路径在流体入口和流动孔之间延伸。外径表面包括大体圆筒形区段，所述圆筒形区段从最接近流体入口处延伸到收缩区段，所述收缩区段朝向输出口延伸，所述输出口使轻组分出口和流动孔相连，心轴还包括多个输出孔，所述输出孔延伸贯穿收缩区段并且位于流动路径和轻组分出口之间。
1.一种旋风分离器（10），所述旋风分离器用于从包括重组分、中组分和轻组分的混合物的多相流体中分离所述重组分，所述旋风分离器（10）包括：细长的旋风分离管（36），所述旋风分离管包括流体入口（62）、重组分出口（64）和流动孔（42），所述流动孔在所述流体入口（62）和所述重组分出口（64）之间延伸；
心轴（66），所述心轴同心地定位在所述旋风分离管（36）内，并且包括：轻组分出口（72），所述轻组分出口大体轴向地延伸贯穿所述心轴；和外径表面，所述外径表面与所述旋风分离管（36）一起限定用于所述多相流体的环形流动路径（90），所述环形流动路径在所述流体入口（62）和所述流动孔（42）之间延伸；
所述外径表面包括大体圆筒形区段，所述圆筒形区段从最靠近所述流体入口（62）处延伸到收缩区段，所述收缩区段朝向输出口（74）延伸，所述输出口（74）使所述轻组分出口（72）与所述流动孔（42）相连；
其特征在于，所述心轴（66）还包括多个输出孔（94），所述输出孔（94）延伸贯穿所述收缩区段并且位于所述流动路径和所述轻组分出口（72）之间；
其中，在所述旋风分离器（10）运转期间，所述多相流体流动通过所述流体入口（62）和所述流动路径，并且被分离成轻组分、中组分和重组分，并且所述轻组分流动通过所述输出孔（94）且被通过所述轻组分出口（72）排放，所述中组分流动通过所述输出口并且被通过所述轻组分出口（72）排放，并且所述重组分流动通过所述流动孔（42）并且被通过所述重组分出口（64）排放。
2.一种用于从包括重组分、中组分和轻组分的混合物的多相流体中分离重组分的方法，所述方法包括：
提供旋风分离器（10），所述旋风分离器（10）包括细长的旋风分离管（36），所述旋风分离管（36）包括流体入口（62）、重组分出口（64）和流动孔（42），所述流动孔大致轴向地从所述流体入口（62）延伸到所述重组分出口（64）；将心轴（66）同心地定位在所述旋风分离管（36）内，所述心轴（66）包括：输出口（74），所述输出口（74）轴向地延伸通过所述心轴（66）的远端部；轻组分出口（72），所述轻组分出口（72）从所述输出口（74）大体轴向地延伸贯穿所述心轴；外径表面，该外径表面与旋风分离管（36）一起限定用于所述多相流体的环形流动路径（90），所述环形流动路径在所述流体入口（62）和流动孔（42）之间延伸；所述外径表面包括：大体圆筒形区段（84），所述圆筒形区段定位成与所述心轴（66）的近端部相邻；和收缩区段（88），所述收缩区段（88）在所述圆筒形区段（84）和所述输出口（74）之间延伸；
所述心轴还包括多个输出孔（94），所述输出孔延伸贯穿所述收缩区段并且位于所述流动路径和轻组分出口（72）之间；所述输出口（74）使所述轻组分出口（72）与流动孔（42）相连；
将所述多相流体通过所述流体入口（62）引入到所述流动孔（42）；
旋转所述多相流体，以便使所述多相流体分离成重组分、中组分和轻组分；
通过所述输出孔（94）排放所述轻组分，并且将轻组分排到轻组分出口（72）内。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述轻组分和所述中组分通过轻组分出口（72）排放，所述轻组分出口（72）连接到所述输出口（74）和所述输出孔（94）。
4.一种用于改装现有旋风分离器（10）的方法，所述现有旋风分离器（10）包括旋风分离管（36）和心轴（66），所述心轴（66）同心地定位在所述旋风分离管（36）内，所述旋风分离管（36）包括连接到轴向流动孔（42）的流体入口（62），所述心轴（66）包括轻组分出口（72）和基本实心的外表面，所述外表面从最接近所述流体入口（62）处朝向输出口（74）延伸，所述输出口（74）将所述流动孔（42）连接到所述轻组分出口（72），所述方法包括：从所述旋风分离管（36）移除所述心轴（66）；以及
用改进的心轴替代所述心轴（66），所述改进的心轴包括：轻组分出口（72）；基本实心的外表面，所述外表面从最接近所述流体入口（62）处朝向所述输出口（74）延伸，所述输出口（74）将所述流动孔（42）连接到所述轻组分出口（72）；以及多个输出孔（94），所述输出孔（94）将所述流动孔（42）连接到位于所述输出口（74）和所述流体入口（62）之间的所述轻组分出口（72）。
用于高天然气量组分的流体的旋风分离器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于将多相流体分离成其不同组分的旋风分离器。具体地，本发明涉及一种这样的旋风分离器，所述旋风分离器有效地将包括重组分、中组分、轻组分的多相流体分离成轻组分和中组分的混合物以及重组分。以这种方式，即使当流体包括相对大量的轻组分时，也可以实现相对较高的重组分/轻组分的分离效率。
背景技术
[0002] 通常可以称作旋风分离器的大多数油水分离器和水力旋流器应用于油气开采工业中以将多相流体流分离成它们的不同组分，使得可以单独处理这些组分。例如，旋风分离器通常用于将采自油气井的采出液分离成石油和水的分离流，使得能够将石油运输到处理设备以及能够将水例如重新注回井中。
[0003] 现有技术的旋风分离器通过旋转采出液产生离心力来运转，所述离心力致使更高密度的水朝向流体流的外部部分运动并且更轻密度的石油朝向流体流的中部运动。然后通过重组分出口排出水，并且通过单独的轻组分出口排出石油。
[0004] WO 2007/021181A1公开了一种旋风分离器，用于从包括重组分、中组分和轻组分的多项流体分离重组分。所述旋风分离器包括细长的旋风分离管，所述旋风分离管具有流体入口、重组分出口和流动孔，所述流动孔在所述流体入口和所述重组分出口之间延伸。此外，所述旋风分离器包括心轴，所述心轴同心地定位在所述旋风分离器内并且具有轻组分出口。
[0005] EP14450251A1描述了一种旋风分离器和相关的用于分离具有不同密度的流体混合物的方法。流体被分离成轻组分混合物和重组分混合物。
[0006] 所述旋风分离器包括流动空间中的流动本体。一个或多个旁通通道设置在流动本体的远端部分中，并且流动的多个部分可以被引导到所述通道中。
[0007] RU 2042435C1和DE 2105926A1示出了本发明的技术领域内的分离器的两个另外的示例。
[0008] 尽管这些现有技术的旋风分离器在采出液包括相对较少量的天然气时工作相对良好，但是当采出液中的天然气的量相对较大时，便产生问题。这是由于密度小于石油的天然气朝向旋转的采出液流的中部位移并且因此干涉通过轻组分出口排放石油。结果，超出期望的大量石油被通过重组分出口与水一起排放掉。
发明内容
[0009] 根据本发明，通过提供一种这样的旋风分离器来解决现有技术中的这些和其它限制，所述旋风分离器用于从包括重组分、中组分和轻组分的混合物的多相流体中分离出重组分。所述旋风分离器包括细长的旋风分离管，所述旋风分离管包括流体入口、重组分出口和流动孔，所述流动孔在流体入口和重组分出口之间延伸。旋风分离器还包括心轴，所述心轴同心地定位在旋风分离管内并且包括：轻组分出口，所述轻组分出口大体轴向地延伸贯穿所述心轴；和外径表面，所述外径表面与旋风分离管一起限定了用于多相流体的环形流动路径，所述环形流动路径在流体入口和流动孔之间延伸。外径表面包括大体圆筒形的区段，所述圆筒形的区段从最接近流体入口处延伸到收缩区段，所述收缩区段朝向排出口延伸，所述排出口使轻组分出口和流动孔相连，心轴还包括多个输出孔，所述输出孔延伸贯穿收缩区段并且位于流动路径和轻组分出口之间。在旋风分离器运转期间，多相流体流动通过流体入口和流通路径，并且被分离成轻组分、中组分和重组分，并且轻组分流动通过输出孔且通过轻组分出口排放，中组分流动通过输出口并且通过轻组分出口排放，以及重组分流动通过流动孔并且通过重组分出口排放。
[0010] 本发明还提供了一种用于从包括重组分、中组分和轻组分的混合物的多相流体中分离重组分的方法。所述方法包括：将多相流体引入到包括轴向延伸的流动孔的旋风分离器中；旋转多相流体，以使所述多相流体分离成重组分、中组分和轻组分；通过重组分出口排放重组分，所述重组分出口连接到流动孔；通过输出口排放中组分，所述输出口连接到流动孔；以及通过多个输出孔排放轻组分，所述输出孔连接到流动孔并且位于输出口上游。就这一点而言，可以通过轻组分出口排放轻组分和中组分，所述轻组分出口连接到输出口和输出孔。
[0011] 本发明还提供了一种用于改装现有旋风分离器的方法，所述现有旋风分离器包括旋风分离管和心轴，所述心轴同心定位在旋风分离管内。旋风分离管包括流体入口，所述流体入口连接到轴向流动孔，心轴包括轻组分出口和基本实心的外部表面，所述外部表面从最接近流体入口处朝向输出口延伸，所述输出口将流动孔连接到轻组分出口。改装这种现有旋风分离器的方法包括：从旋风分离管移除心轴；以及用改进的心轴替代上述心轴，所述改进的心轴包括：轻组分出口；基本实心的外部表面，所述外部表面从最接近流体入口处朝向输出口延伸，所述输出口将流动孔连接到轻组分出口；和多个输出孔，所述输出孔将流动孔连接到位于输出口和流体入口之间的轻组分出口。
[0012] 因此，本发明的旋风分离器提供了一种简单但是有效的手段，用于即使在存在大量轻组分的情况下，也使重组分与中组分分离。本发明运转，以便首先在中组分被从重组分中移除之前移除大部分轻组分。因此，轻组分将不干涉通过轻组分出口排放中组分。结果，在流体混合物包括相对大量轻组分的情况下，旋风分离器能够实现相对较高的重组分/中组分分离效率。
[0013] 参照附图，从以下详细描述中本发明的这些和其它目的以及优势将变得显而易见。在附图中，相同的附图标记可以用于指示多种实施例中的相似部件。
附图说明
[0014] 图1是示出为安装在示例性管道组件中的本发明的旋风分离器的剖面表示；
[0015] 图2是图1的旋风分离器的纵向剖视图；
[0016] 图3是图2示出的旋风分离器的左手部分的放大的剖视图；
[0017] 图4是示出了如何在本发明的旋风分离器中分离天然气组分、石油组分和水组分的图示；
[0018] 图5是现有技术的旋风分离器的纵向剖视图；以及
[0019] 图6是示出了如何在现有技术的旋风分离器中分离天然气组分、石油组分和水组分的图示。
具体实施方式
[0020] 本发明针对用于将多相流体分离成其独立组分的旋风分离器。在油气开采工业中，例如，多相流体可以包括采自油气井的采出液。取决于井，采出液可以包括诸如水的重组分、诸如石油的中组分和诸如天然气的轻组分。在这种情况中，通常的目的是将水从石油和天然气中分离出来，以便例如可以将水重新注入井中。
[0021] 本发明的旋风分离器运转，以便首先从流体流中移除大部分天然气，以及然后使水与石油分离。结果，对于包括相对大量的天然气组分的流体混合物，旋风分离器能够实现相对较高的石油/水分离效率。尽管本发明特别用于油气生产应用，其中采出液包括水、石油和天然气的混合物，但是本发明并不局限于这些应用。
[0022] 参照图1，示出了本发明的安装在示例性管道组件12中的旋风分离器的实施例，所述旋风分离器整体用附图标记10表示。管道组件12包括大体T状的接头14，所述T状接头14连接在输入管道16、轻组分排放管道18和重组分排放管道20之间。输入管道16利用例如传统凸缘连接件22连接到T状接头14，并且每个排放管道18、20均利用各自的改进凸缘连接件24、26连接到T状接头。每个改进凸缘连接件24、26包括对应的安装凸缘28、30，所述安装凸缘28、30连接在一对传统管道凸缘32、34之间，并且旋风分离器10的每个端部均安装在对应的安装凸缘中，由此将旋风分离器固定在管道组件12内。
[0023] 此外参照图2，旋风分离器10包括细长的旋风分离管36，所述旋风分离管36包括入口端38、出口端40以及流动孔42，所述流动孔42在入口端和出口端之间轴向地延伸。入口端38被接纳在安装凸缘28中的圆筒形凹陷部44中，并且由多个相似的密封件46密封到所述凹陷部44。出口端40被接纳在安装凸缘30中的圆筒形孔口48中，并且通过多个类似的密封件50密封到所述孔口48中。入口端38抵接径向内部唇缘52，所述唇缘52形成在凹陷部44的基部处，并且出口端40包括环形肩部54，所述环形肩部54抵接毗邻孔口48的安装凸缘30。因此，当安装凸缘28、30连接在它们对应的管道凸缘32、34之间时，旋风分离管36被捕获在安装凸缘之间，并且从而被稳固地固定在管道组件12内。
[0024] 在图2示出的本发明的实施例中，旋风分离管36包括毗邻入口端38的直径增大的部分56，所述直径增大的部分56通过收缩的过渡部分58连接到直径减小的部分60，所述直径减小的部分60延伸到出口端40。位于入口端38和过渡部分58之间的直径增大的部分56中的多个径向孔62限定了流体入口，所述流体入口使输入管道16与流动孔42相连。出口端40中的轴向开口64限定了重组分出口，所述重组分出口使流动孔42与重组分排放管道20相连。
[0025] 此外参照图3，旋风分离器10还包括大体管状的心轴66，所述心轴66同心地定位在旋风分离管36的直径增大的部分56中。心轴66包括第一端部68、第二端部70以及环形通道72，所述环形通道72在第一端部68和第二端部70之间延伸并且限定了轻组分出口，所述轻组分出口经由排放口74连接到流动孔42。心轴66的第一端部68被接纳在旋风分离管36的入口端38内，并且由适当的密封件76密封到所述入口端38。心轴66通过适当的装置（例如，多个固定螺丝78）固定到旋风分离管36，并且心轴的第一端部68可以包括环形唇缘80，所述唇缘80接合旋风分离管的端部，以便由此进一步将心轴保持在适当的位置中。
[0026] 心轴66的第一端部68包括外径表面82，所述外径表面82与旋风分离管36的直径增大的部分56形成滑动配合。外径表面82通过径向肩部86连接到心轴66的直径减小的大体圆筒形区段84，当心轴定位在旋风分离管36中时，所述径向肩部86位于旋风分离管的入口端38和输入孔62之间。圆筒形区段84又连接到环形收缩区段88，所述收缩区段88延伸到心轴66的第二端部70并且大体定位在旋风分离管36的过渡部分58内。
[0027] 心轴66的外表面和旋风分离管36形成环形流动路径90，所述环形流动路径90沿着心轴的圆筒形区段84从输入孔62轴向地延伸，然后朝向流动孔42会聚。旋风分离器10还包括传统的静态涡流元件92，所述静态涡流元件92同心地定位在旋风分离管36和心轴66之间。当流体流动通过从输入孔62到流动孔42的流动路径90时，涡流元件92致使所述流体旋转，所述涡流元件92可以连接到心轴66或与心轴66成一体。
[0028] 根据本发明，心轴66还包括多个排放孔94，所述排放孔94在流动路径90和轻组分出口72之间延伸贯穿收缩区段88。以下将描述排放孔94的用途。
[0029] 现在将参照图1和图4描述旋风分离器10的运转。在运转期间，包括诸如水的重组分、诸如石油的中组分以及诸如天然气的轻组分的多相流体流通过输入管道16和T状接头14输送到旋风分离器10。流体流通过输入孔62进入旋风分离器10，并且当流体流行进通过流动路径90时通过涡流元件92使流体旋转。
[0030] 当旋转的流体行进通过旋风分离管36的收缩过渡部分58时，作用在流体上的离心力将增大并且致使流体分离成其不同的组分。密度最大的重组分将朝向旋风分离管36的内表面运动，密度小于重组分但是大于轻组分的中组分将朝向旋风分离管的中部位移，以及密度小于中组分的轻组分将朝向心轴66的外表面位移。
[0031] 在图4中虚线96和98分别表示了重组分和中组分之间以及中组分和轻组分之间的高度理想化的界线。然而，实际上，这些不同组分之间的界线并不那么明晰。流动孔42的集中有重组分的部分连接到旋风分离管36中的重组分出口64，流动孔的集中有中组分的部分连接到心轴66中的排放口74，并且流动孔中的集中有轻组分的部分连接到心轴中的排放孔94。
[0032] 因此，重组分将继续通过旋风分离管36并且通过重组分出口64排放，而中组分和轻组分将分别流动通过排放口74和排放孔，并且一起通过轻组分出口72排放。然而，在流体进入流动孔42的位于心轴66的下游的部分中之前，绝大部分轻组分将通过排放孔94逸出并且进入到轻组分出口72。结果，轻组分将不会干扰中组分流入到排放口74。因此，在通过重组分出口64排放重组分之前，绝大部分中组分将与重组分分离。
[0033] 为了与本发明的旋风分离器10进行比较，在图5中示出了现有技术的旋风分离器。整体用附图标记100表示的这种现有技术的旋风分离器与旋风分离器10非常相似。然而，与旋风分离器10相比，旋风分离器100包括具有实心收缩区段104的心轴102。换言之，心轴102不包括存在于旋风分离器10的心轴66中的排放孔94。
[0034] 在图6中示出了现有技术的旋风分离器100的运转。正如本发明的旋风分离器10一样，多相流体通过入口62进入旋风分离器100并且通过涡流元件92开始旋转。这致使流体被分离成其不同的组分，其中，重组分朝向旋风分离管36的内表面运动，中组分朝向旋风分离管的中部位移，并且轻组分朝向心轴102的外表面位移。然而，因为心轴102的收缩区段104不包括任何排放孔94（通过所述排放孔94轻组分可以离开流动孔42），所以轻组分将朝向流动孔的中部运动并且阻碍中组分进入排放口74。结果，大部分中组分将随着重组分通过重组分出口64排放。这导致相对较低的重组分/轻组分分离效率。
[0035] 因此，在本发明的旋风分离器10中设置排放孔94允许轻组分在到达心轴66的端部之前逸出而进入到轻组分出口72。这防止了轻组分阻碍中组分流动进入到排放口74中。结果，大部分中组分将从流体中移除并且取代通过重组分出口64而通过轻组分出口72被排放。因此，通过重组分出口64排放的重组分将包括仅仅相对小部分的中组分。这提高了重组分/轻组分分离效率。
[0036] 尽管当多相流体包括相对较小量的轻组分时，对于分离重组分和轻组分而言，现有技术的旋风分离器100有效，但是已经证实当多相流体包括相对较大量的轻组分时，现有技术的分离器不能有效地分离重组分和轻组分。然而，因为现有技术的旋风分离器100在多数方面与旋风分离器10类似，所以如果能够将现有技术的旋风分离器修改成以类似于本发明的旋风分离器的方式发挥作用，则可以获得益处。
[0037] 通过利用旋风分离器10的心轴66改装现有技术的旋风分离器100可以实现这种目的。为此，在首先收回固定螺丝78之后从旋风分离管36上移除心轴102，然后新的心轴66被安装在旋风分离管中并且利用其自身的固定螺丝固定到旋风分离管。所产生的旋风分离器将与本发明的旋风分离器10相似并且功能相同。
[0038] 从以上教导中，本领域的普通技术人员可以轻易地得到旋风分离器10的变型，并且因此这些变型应当被认为均落入在本发明的范围内。例如，本发明的心轴可以用于这样的旋风分离器中，所述旋风分离器不是使用静态涡流元件来旋转流体而是使用切向流体入口来旋转流体，或者除了使用静态涡流元件来旋转流体之外还使用切向流体入口来旋转流体。而且，除了径向地通过输入孔62进入旋风分离器之外，多相流体可以被轴向地输送到旋风分离器中，例如，通过旋风分离管36的入口端38中和/或心轴66的第一端部68中的适当的口。而且，重组分出口64和/或轻组分出口72可以连接到相应的导管，所述导管横向地通过旋风分离器延伸到对应的排放管道。因此，替代通过轻组分出口72以逆向流动方式排放，中组分可以通过中组分出口以前向流动方式排放，所述中组分出口同心地定位在旋风分离管36中并且位于心轴66下游。
[0039] 应当认识到，尽管参照本发明的优选实施例描述了本发明，但是本领域中的那些技术人员可以在不背离本发明的原理的前提下对结构和操作细节进行很多改变。因此，所附权利要求将解释为涵盖所有处于本发明的真实范围和精神内的等同物。
