螺旋式油气分离器的试验及设计.doc

螺旋式油气分离器的试验及设计
许忠亮
（机械工程硕士 学号：25EM019）

摘要：针对现有常规重力式和螺旋式油气分离器应用范围受限和分离效率低的问题，研制出重力分离和离心分离组合的螺旋式油气分离器。通过对不同螺距、不同长度的螺旋式油气分离器的水力阻力损失、分离效率的室内试验，得出优化的结构参数：选择4种不同规格的分离器在某油田13口不同类型的井上进行现场试验。室内和现场试验结果表明，当油气比为250m3/t左右时，采用螺距为0.08m、有效长度为1.5m的螺旋式油气分离器效果最好，能大幅度提高有杆泵采油泵效。
关键词：高油气比原油 螺旋式油气分离器 优化设计

引 言
对于含气量高的有杆泵采油井，在抽油泵的进液口底部一般均连接有井下油气分离器（俗称气锚）。抽吸的含气原油通过井下油气分离器将气体分离后进入抽油泵吸入腔，分离出来的气体则进入油套环形空间上升到井后通过安装在井的套管放气阀放到输油管线中，这样可以提高抽油泵的泵效。
井下油气分离器对原油中的气体分离效率越高，对提高抽油泵泵效越有利。目前常用的井下油气分离主要有2种类型[1]：重力分离式井下油气分离器和螺旋分离式井下油气分离器。重力分离式井油气分离器主要利用气、液流速的变化，使小气泡变成大气泡从原油中逸出，只适合在油气比低、产量低的井中使用；螺旋分离式井下油气分离器，利用螺旋片对油气混合物产生的离心力进行分离，一般采用闭式结构，所有流体均需经过井下螺旋分离器，只适合在产量高、油气比较低的井中使用。
某油田原油为轻质原油，油气比为250m3/t，最高达1500 m3/t，应用常规井下油气分离器效果不好的，我们针对此问题设计一种新型螺旋式油气分离器。

结构及工作原理

新型螺旋式油气分离器采用开式结构，它主要由上接头、外管、螺旋叶片、中心管、下接头等组成。
内中心管通过螺纹与上接头连接，外管下端与下接头连接，上端与上接头连接，螺旋叶片采用表面光滑的非金属材料，中心管外表有2条长凸台，螺旋叶片通过性能良好的耐高温胶粘合在中心管的2条长凸台上，气体可以通过螺旋叶片和中心管的2条半圆环形通道向上运动，从外管的顶部圆孔中流到外管和套管的环形空间中。
其工作原理是：在抽油泵的上冲程中，由于原油和天然气密度有很大的差异，在进入油气分离器进液孔前，原油中的部分大直径气泡与原油在套管环形空间分离，并上升到动液面以上，进入油套环形空间（常规螺旋式井下油气分离器没有这一过程）。当油气混合物从分离器进液孔切向进入螺旋通道，在螺旋通道内又产生了2种分离方式，一是沿重力方向的重力分离，一是沿分离器轴线的离心分离。
重力分离方式是：当油气混合物通过分离器进液孔时，液体是径向流动的，而气体有向上的垂直速度，因此在液流速度低的区域内直径大的气泡上升到油气分离器顶部，再从顶部排气孔排到外管和套管环形空间，直径小的气泡被液流带至螺旋通道内，当抽油泵在下冲程停止吸液时，由于此时液流速度为零，这样残留在分离器内的部分气泡通过外管与螺旋叶片、螺旋叶片与中心管之间的半圆环通道上升至分离器顶部，通过外管顶部排气孔排出到外和套管环形空间中。
离心分离只发生在抽油泵的上冲程中，即当油气混合物从进液孔切向进入螺旋通道后，液体和气泡同时沿着分离器轴线做螺旋运动，密度小的气泡向轴线靠近，并向上运动，通过螺旋叶片与中心管的半圆环通道上升到分离器顶部，然后排出到外管和套管环形空间中。密度大的液体远离轴线而靠近外管，然后向下运动进入内工作筒，再进入泵的吸入腔。在液流螺旋运动过程中，溶解在液体中的气体分子同样会在向心力的作用下，向轴线方向运动、聚集，形成气泡，然后分离开。

结构参数优化试验研究
螺旋式油气分离器的分离效果取决于螺旋的螺距、螺旋叶片的内径和外径、螺旋长度以及通过液体的流量、气液比等，反映分离器的性能参数主要有分离器进出口压差、分离效率。
为了对螺旋式油气分离器的结构参数进行优化，模拟螺旋分离器实际工作介质，对分离器的分离效率进行了试验。试验用的螺旋式油气分离器的螺旋叶片外径为90mm、内径为42mm，中心管内径为35mm，外管内径为93mm， 中心管外凸台的高度为1mm、宽度为5mm。在试验中气体采用空气，由恒流量的空气压缩机提供，通过压缩机自带的阀门调节气体流量液体采用水，由能提供稳定液压源的水泵供液，通过调节阀门，达到试验需要的流量；气体和液体在特制的气液混配器内充分混合，进行螺旋式分离器试验装置进行分离，液体和气体沿不同的流道流出，液体通过流量计返回到储水罐循环利用，气体通过流量计排空。在流该流程中，用挡板流量计测量气体流量，用涡轮流量计液体流量，用电容式差压变送器（差压计）测量分离器进出口压差，各点的压力由精密压力表测量。
1 螺旋式油气分离器水力阻力试验
将螺旋式油气分离器安装在1个特制试验装置内（内径为124.1mm，承压15MPa），在分离器的进出口安装1个电容式差压变送器，用来测量液体通过螺旋式油气分离器的水力阻力，液体由1台2.5MPa，10m3/h的水泵提供。
（1）不同长度对分离器水力阻力的影响：随着排量的增加，分离器水力阻力也增加；随着长度的增加，分离器水力阻力也增加，因此对于螺旋式油气分离器，要设计合适的长度，并使其在合适的处理量下工作。
（2）不同螺距对分离器水力阻力的影响：随着螺距的增加，分离器水力阻力下降，当螺距大于0.1m后，分离器水力阻力下降不明显，随着长度的增加，分离器水力阻力增加，因此需要合理设计螺旋式油气分离器的螺距和长度。
2 螺旋式油气分离器效率试验
通过阀门控制水泵的排量0.5～1.5m3/h，出口压力为2.5MPa，由涡轮式流量计测量液体流量：空气压缩机提供的气体流量为100～150m3/h（在25℃、0.1MPa下）：在分离器的出口测量分离后的液体和气体量。
（1）螺距对分离效率的影响：随着螺距的增加，长度与分离效率下降。
（2）长度对分离器分离效率的影响：随着长度的增加，分离器分离效率提高。
当螺距t=0.08～0.10m，有效长度L=1.5～1.99m时，分离器可以取得最大分离效率，考虑到制作和安装因素，优选了2种类型的螺旋式油气分离器，其结构参数分别为：
l 螺距t=0.08m，长度L=1.50m；
l 螺距t=0.10m，长度L=1.99m。

现场试验情况

通过室内试验，优化设计的螺旋式油气分离器基本尺寸为：螺旋叶外径为90mm，内径42mm，中心管内径35mm，外管内径93mm，中心管外凸台的高度为1mm、宽度为5mm。
按螺距和长度的不同，选择设计的4种分离器的规格为：
l 螺距t=0.08m，长度L=1.99m；
l 螺距t=0.08m，长度L=1.50m；
l 螺距t=0.10m，长度L=1.50m；
l 螺距t=0.10m，长度L=1.99m。
这4种规格的螺旋式油气分离器在某油田13口不同类型的井进行现场试验，试验前这13口井均安装了常规气锚和套管定压放气阀，套管定压放气阀放气压力设定为0.5～0.6MPa。试验中抽油泵泵挂深度保持不变，套管定压放气阀的放气压力保持不变，螺旋式油气分离器安装位置与气锚的安装位置保持不变。
从实验前后效果对比数据可以得出：
（1）对于结构尺寸为螺距t=0.10m，长度L=1.99m的分离器，泵效提高最高为10.9%，最低为8.8%，5口井平均提高9.54%；
（2）对于结构尺寸为螺距t=0.08m，长度L=1.50m的分离器，泵效提高最高为16.7%，最低为11.4%，4口井平均提高13.05%；
（3）对于结构尺寸为螺距t=0.10m，长度L=1.50m的分离器，泵效提高11.2%；
（4）对于结构尺寸为螺距t=0.08m，长度L=1.99m的分离器，泵效提高5.67%。
从试验结果来看，对于某油田这种油气比在250m3/t左右的轻质原油油井，采用螺旋式油气分离器可以明显提高有杆泵的泵效，其中采用螺距t=0.08m，长度L=1.50m的螺旋式油气分离器效果最好，与室内试验结果吻合。

结束语
螺旋式油气分离器采用重力分离与离心分离组合分离方式，具有较高的分离效率，有利于提高有杆抽油泵的泵效。
对于油气比在250m3/t左右的原油，采用螺距t=0.08m，长度L=1.50m的螺旋式油气分离器现场应用效果最好。

参考文献
1 王鸿勋，张琪 采油工艺原理（修订本） 北京：石油工业出版社 1989：118～119

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