毕业设计气液分离器资料

机抽用井下高效气液分离器设计

摘要

现在有杆泵抽油在各大油田的生产中占主导地位，但众所周知，油层除了产出原油同时还会产出大量的伴生天然气。而这些伴生的天然气不可避免的有一部分会进入泵筒，这部分气体会占据泵筒的容积，从而造成泵筒的容液量大大的减小。由此，我们就会想到，把这些伴生的天然气在进入泵筒之前从液体中分离出去，不让它进入泵筒内。这样就有了井下气液分离器即气锚的出现。

现有的气液分离器大多是利用重力作用式和离心作用式。但是由于诸多原因，现在的分离器只能在一定程度上尽量减少气体的进入量，即使气体进入量很小，其对泵效的影响也是不容小觑的。因此设计出效果更好的气锚，仍然是很有必要的。

本设计中的气锚是利用了重力作用式与离心作用式相结合的高效气锚。将重力分离部未能完全分离的气体在离心分离部分分离出去，以保证高效的抽油效率。该新型气液分离器适用于气液比较高的油井。在此分离器内设置了单独的气、液流道，更加有利于气液的分离。该分离器是在泵上冲程抽汲时实现分离，而在泵下冲程时将气体排入油套环空

关键词：气锚；重力式分离；离心式分离

I

Abstract

Now the rod pumping is also the most important method of oil production. But as we know, the reservoir yields not only oil but also a lot of gas. And inevitably, part of the gas will enter the pump and occupy its volume. Therefore the pump’s volume for the oil will reduce seriously. So, we will thought that, separate the gas from the oil before it entering the pump. And the gas/oil separator is invented.

Many separator used now use the gravity separation and centrifugal separation. But, of many reasons, to some extent they could only reduce the volume of gas which will enter the pump. Although the volume of entered gas is lot large, it will affect the pumping efficiency to a extent. So, to design a more efficient anchor is necessary.

The separator I designed used the gravity separation with the centrifugal separation. In the centrifugal separator will separate the gas which is not completely separated in the gravity separator, so that the pump can have a high efficiency. This new separator is suitable for the well which has a high gas-oil ratio. It provides separated passage for the gas and oil, so the separation will be better. In this separator, separation is achieved when the pump stroking upward and exhausting the gas to the casing when the plunger going downward.

Keyword: Separator；Gravity separation；Centrifugal separation

II

机抽用井下高效气液分离器设计

目录

摘要 ............................................................................................................................. I ABSTRACT .............................................................................................................. II 目录 ............................................................................................................................. I 1引言.. (1)

1.1问题的提出与研究意义 (1)

1.2国内外的研究现状 (1)

1.3主要研究内容 (4)

2 分离器的分气机理研究 (5)

2.1现有气液分离器大致分类 (5)

2.2各种分离器的分气机理 (5)

2.2.1利用滑脱效应的气锚 (5)

2.2.2利用离心效应 (7)

2.2.3利用捕集效应 (7)

2.2.4利用气帽排气效应。 (8)

3 新型气液分离器结构方案 (9)

3.1结构 (9)

3.2分气原理介绍 (9)

4 新型气液分离器的结构设计计算 (11)

4.1重力式部分计算 (11)

4.1.1 计算气锚外壳内径D1和吸入管外径D2 (11)

4.1.2 计算气锚分离室长度 (12)

4.1.3 确定进液孔尺寸 (13)

4.2离心式部分计算 (13)

4.2.1 单气泡在螺旋中的运动规律 (14)

4.2.2 液气混合物在螺旋内的流量 (15)

4.2.3分离器储气部分长度以及直径计算 (17)

5 排气阀部分的计算 (19)

I

5.1排气阀直径的选择 (19)

5.2阀座口结构 (19)

5.2.1阀座锥角选择 (19)

5.2.2阀座研合宽度 (20)

5.2.3阀座外形结构的选择 (20)

5.3球阀结构设计计算 (20)

5.3.1研合深度 (20)

5.3.2 阀座孔径 (21)

5.3.3 阀口大径 (21)

5.3.4 阀座端面大径 (21)

5.3.5 心座距 (21)

5.3.6 球室高度 (21)

5.3.7 阀座厚度 (22)

5.4排气阀开启问题分析 (22)

6排气导管密封装置的选择 (24)

7各部分接头的设计 (25)

结论 (28)

致谢 ........................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献. (29)

II

机抽用井下高效气液分离器设计

1引言

1.1问题的提出与研究意义

绝大多数的油田生产时都有伴生气同时产出，不可避免地要有一部分气体进入泵筒，这部分气不但占据了泵筒的有效空间，减少吸入的油量，形成吸入过程的无效冲程，而且这部分游离气在柱塞由上死点下行时受压缩，不能像液体受压缩时那样压力很快上升，达不到柱塞上部液柱压力时，游动阀打不开，不能进行排油，当泵筒中都充满气时，游动阀始终打不开，就形成了气锁。为了降低气体对抽油泵的影响，提高抽油泵泵效和油井产量，通常采用以下几种方法:一是增加泵的沉没度提高抽油泵入口压力，减少自由气对泵的影响;二是采用井下气锚,使进泵流体在进泵前实现气液分离,达到提高泵效的目的，现普遍采用的是第二种方法。而气锚多数是基于重力原理和惯性原理在气锚内分气的气体分离工具。也存在着游离气体不能完全分离出来,气锁问题不能从根本上解决。三是在泵的结构上,减小柱塞在下死点处和固定阀间的余隙容积或使用双游动阀和两级压缩抽油泵。此方法存在泵安全强度差,结构复杂,成本高的弊端。

1.2 国内外的研究现状

（1）国内外的石油工作者对气锚的研究有较长的历史，而且现在已经在大量应用，气锚的类型很多，国外早在60年代以前广泛使用简单气锚、多级简单气锚，到60年代中末期退出螺旋式气锚，70年代出现碗式气锚，80年代对螺旋气锚从理论上有所突破，直径不段减小，效率不断提高。但是气锚大多都是利用重力式作用或者离心式作用。在石油工业方面我们比国外晚，所以在装备上也比国外起步要晚，但是最近这些年我们国内也出现了很多效果很好的井底气锚。现就几种典型的气锚介绍一下。

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图1-1

这种气锚是美国石油工作者于1947年设计的，它利用了重力分离同时还加入了一个迷宫结构，这个迷宫结构可以在液体进入锚筒向下流动的过程中将液流反复地在径向方向甩进甩出。这样就促进了液流在下行过程中气体从中分离出来。

图1-2 旋流式气锚结构原理图 图1-3 外管、衬官、内吸管剖面图 （2）上图是由中原油田采油二厂设计的漩流式气锚，主要由上接头、外管、衬管、内吸管（内吸管是接在气锚主体内吸管接头下部具有相应长度和直径的一根管子）和下接头组成，见图1-2。外管上有很多小孔，孔的方向与外管内表面上相切并向下倾斜，衬管上开有通道，外管与衬管之间形成一个环形空间，见图1-3。油气混合液先经过外管再经过衬管，最后由内吸管进入抽油泵，由于外管上的切线小孔的内表面是粗糙的，混合在液体里的气体经过时受到剪切作用，一部分气体被分离，进入外管与内管环形空间的油气混合液形成漩转，在离心力的作用下，油气混合液进行第二次分离。

气体上升经过外管排出，液体下降经过衬管进入由衬管和内吸管组成的环形空间，未被分离的气体利用重力分离原理进行第三次分离，最后剩余的油液进入泵体。

（3）偏心气锚是根据吐哈油田高气油比特点，在结合国外最新的抽油井防气技术的基础上，由吐哈钻采工艺研究院独立研制开发的一种新型井下油气分离器。该工具是通过特殊的偏心结构，将油套环形空间分成大小不等的两个流道，改变井下流体的速度场，增大气体逃逸速度，改变井下压力场，造成液体特殊的回流

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特性，同时采用特殊的流道设计，使气锚吸入流体为回流液体，增加流体的变向达2700，大大提高了气锚分气效率和对高气液比的适应性。

其技术规格如下：

适用5-1/2″套管的偏心气锚

连接扣型：2-7/8 TBG

最大外径：109mm

工具总长：8130mm

适用产气量范围：<22653m3/d/MPa ；

适用产液量范围：0—70m3/d ，推荐>15m3/d ；

适用气液比范围：（50-3766 m3/m3，推荐小于800m3/m3）

适用7″套管的偏心气锚

连接扣型：2-7/8 TBG

最大外径：127mm

工具总长：8130mm

适用产气量范围：<45307m3/d/MPa ；

适用产液量范围：0—70m3/d ，推荐>15m3/d ；

适用气液比范围：（50-7551m3/m3，推荐小于800m3/m3）

现有的井下重力式分离器差不多都是利用油套环空作为其沉降分离体，而用于有杆泵抽油的螺旋分离器也都是利用螺旋流道，加上泵的抽汲，使得液流自己在流道内产生旋转进而产生较大的离心力，使得密度较大的液体被甩到螺旋空间外部，而气体则在螺旋内半径附近，进入螺旋芯管，从而经过气罩上的排气阀排入油套环空。

1.3主要研究内容

（1）广泛收集国内外关于油气分离器的分离机理以及结构介绍的文献资料。了解现有的各种分离器的优缺点；

（2）根据自己已有的机械设计制造方面的知识以及参考设计手册，计算出各个部件的相关参数；

（3）设计各个流道分隔处的接头；

（4）选择各个联接处的螺纹：

（5）各个零部件设计。

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2 分离器的分气机理研究

2.1 现有气液分离器大致分类

气液分离器按找分离原理可以分为

（1）利用滑脱效应

（2）利用离心效应

（3）利用捕集效应

（4）利用气帽排气效应。

2.2各种分离器的分气机理

2.2.1利用滑脱效应的气锚

图2-1 简单气锚结构示意图

这种气锚以国内最早使用的简单气锚为代表(见图2-1)。

a.上冲程时分气过程可分为四个步骤。

第一步骤,气泡在套管内随液流上升时,由于油气密度差使油气产生滑脱,气泡上行速度Vg等于液体上升速度Vf加上气泡在静止液体中上升速度Vd。因此，气泡上升速度较液体上升速度快一个Vd，进行气泡首次分离。

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根据斯托克公式

()20

1.8d o g d g v ρρμ=- （2-1） 式中 d v —气泡在静止液体中的上浮速度， cm/s ；

d —气泡直径，cm ，一般取0.10.2cm ；

o ρ—原油密度，g/cm 3；

g ρ—气体密度，g/cm 3；

0μ—油的动力粘度，Pa.s ；

g —重力加速度，cm/s 2。

因此，气泡上浮速度与气泡直径平方成正比，与液体粘度成反比。降低泵吸入口压力使气泡直径变大会大大提高分气能力，而高粘原油中气泡不易分离。

第二步骤,当气泡到达气锚进液孔附近时,液流要流向气锚进液孔,流动方向发生改变,气泡上升速度及方向也将改变,气泡垂直分速度为d fv v v +，水平分速度

为流体的水平分速度fh v ，如图2-1所示。

由图可见，液体比气泡更容易进入气锚,而且液体中气泡能否进入气锚将取决与垂直分速度与水平分速度的比值。垂直分速度愈大，水平分速度愈小，则气泡越不容易进入气锚。因此，越靠近气锚的气泡，水平分速度愈大，越容易被液流带入气锚。气泡直径越小,垂直分速度愈小，越容易被液流带入气锚。

第三步骤,进入进液孔的气泡,在进液孔附近进行三次分离。当油气刚进入气锚时，液体流向是近似水平的，而气泡有向上的上浮速度，这时有部分气泡上浮到气帽中，从排气孔排出。

第四步骤,气泡在气锚内环形空间进行四次分离。这时气泡速度是液流下行速度减去气泡上浮速度，气锚环形空间有一部分能分离的最小气泡滞留在环形空间。

b.下冲程时(泵排出阶段)，不吸入,仅排液,此时泵固定阀以下液体流速为零。这时气锚中滞留的气泡在静止状态下上浮至气锚的气帽中,排到套管环形空间。这时分气效率最高的阶段。

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2.2.2利用离心效应

图2-2 螺旋气锚示意图

由于滑脱效应的气锚分离效率较低,对于大产量、高气油比及高粘度油井,往往设计气锚外径过大,大于套管允许的直径。为了解决这个矛盾,利用离心效应设计气锚,以螺旋式气锚为代表,使含气油流在气锚内旋转流动,利用不同密度的流体离心力不同,使被聚集的大气泡沿螺旋内侧流动,带有未被分离的小气泡的液体则沿外侧流动。被聚集的大气泡不断聚集,沿内侧上升至螺旋顶部聚集成气帽,经过排气孔排到油套环形空间;下冲程时,泵停止吸油,油套环形空间和气锚内的液体中含的小气泡滑脱上浮,一部分上浮到泵上油套环空,另上浮进入气帽排入油套环空,液流沿外侧经过液道进泵,如图2-2。这种气锚对产量越高、气油比越大、气泡直径越大,油气分离效果越高,增加螺旋圈数、减小螺旋外径都可以提高分离效率。

2.2.3利用捕集效应

图2-3 盘式气锚示意图

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如前所述,气泡直径越大,分气效率愈高,因此使小气泡聚集成大气泡便会大大地提高分气效率。盘式气锚(如图2-3)所示,其分气原理是以集气盘作为气泡捕集器,将气泡聚集后利用液流的90°转向时的离心效应,使油气分离。气体在盘内聚集溢出时形成大气泡,沿气锚外壳的内壁上浮至气帽,经排气孔排到套管环形空间,而液体从吸入孔进入吸入管进泵。这种气锚效率比简单气锚好,但低于离心效应气锚。

2.2.4利用气帽排气效应。

图2-4 气锚排气效应原理图

为了有效地将进液孔与排气孔分开,设计气锚时往往采用气帽与和排气阀的结构,以确保排气孔不进液,只排气,结构如图2-4所示。其原理是,气锚内分出的气体上浮进入气帽,使其充满气体。设进液孔处压力为P,则排气孔外的压力等于P

减去液柱压力$Pf,而排气孔内的压力等于P减去气柱压力△P g。因为△P f>△P f,所以,排气孔内压力大于排气孔外压力,当这两个压力差值大于克服排气阀质量时,则阀自动打开放气。

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3 新型气液分离器结构方案

3.1 结构

1-上接头 2-排气导管 3-排气阀罩 4-排气阀球 5-阀座6-气罩 7-储气管上接头 8-储气管 9-上锚筒 10-储气管下接头 11-中间接头1 12-螺旋13-螺旋外管14-中间接头2 15-内中心管16-下锚筒17-下接头 18-堵头

图3-1新型井下气液分离器结构原理图

本气锚有上、下两级（见图3-1）。上级为螺旋气锚，由上接头、阀球、阀座、储气部分、上锚筒、螺旋外管以及螺旋组成;下级为沉降气锚，由下锚筒、内中心管、下接头等组成。该型气锚适用于泵的下面不带封隔器进行封下采上的生产管柱。

3.2 分气原理介绍

该气锚的分气过程见图3-2分为四个阶段:

第一阶段是气泡在套管与气锚环形空间进行分离。当气泡随原油流向气锚时，由于液流方向的改变，在油气密度差的作用下，部分气泡直接上浮到油套环形空间。

第二阶段是进入锚筒的气泡在气锚孔眼部分进行分离。当气液混合物刚进入锚筒时，液流为水平方向，而气泡有向上的垂直分速，因此在这一区域内，将有部分气泡上浮到锚筒顶部，经过锚筒孔眼排到油套环形空间。

第三阶段是锚筒内被液流带至孔眼以下的气泡在锚筒环形空间分离。在锚筒

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