涡流式气液分离器 【技术领域】
本发明涉及一种用于地下生产井、特别是在生产石油的含砂井中，与潜油电泵配合使用，从井液中分离油、气的井下涡流式气液分离器。
背景技术
目前，配合潜油电泵进行采油生产的井下油气分离器主要有两种，一种被称为沉淀式，利用气液密度不同，产生自然分离；另一种被称为旋转式，也是利用气液密度不同，但通过分离转子等部件使气液混合物产生旋转，强迫气液进行分离。沉淀式分离器因效率较低，应用较少；旋转式分离器分离效率可以达到30％，可适应约3‰的含砂量，应用较多。然而由于石油开采的持续进行，井液含气、含砂量逐渐增高，旋转式分离器无法提供更高的分离效率，已不能适应含砂量更高的井下生产，常因出现旋转轴断裂等故障造成经济损失。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供分离效率更高，能够适应更大含砂量的井下涡流式气液分离器。该分离器比现有分离器更适应含砂量大的井，可以大大提高气体分离效率的。
为实现上述目的，本发明的涡流式气液分离器，包括固定在腔体内的轴，在所述轴的下段从下至上依次固定大倾角诱导轮、下扶正体及涡流加速器；所述的大倾角诱导轮的轮毂的圆周方向均布形状相同、绕轴向螺旋向上旋转180°的导轮叶片，导轮叶片的入口安放角为25°～35°，出口安放角为20°～30°；所述的下扶正体包括内轮毂及外轮毂，在内、外轮毂之间沿圆周方向均布形状相同的旋转式叶片，旋转式叶片的入口安放角为35°～45°，出口安放角为55°～65°；所述的涡流加速器沿轮毂的圆周方向均布有形状相同的涡流叶片，涡流叶片的入口安放角为35°～45°，出口安放角为75°～85°。
所述的导轮叶片入口安放角为28°～32°，出口安放角为23°～25°；所述的旋转式叶片入口安放角为38°～42°，出口安放角为58°～62°；所述的涡流叶片入口安放角为36°～40°，出口安放角为76°～80°。所述的大倾角诱导轮上的导轮叶片、扶正器上的旋转式叶片及涡流加速器上的涡流叶片分别为2个、3个、3个。
本发明的有益效果是：由于在转动的轴上依次安装了大倾角诱导轮、下扶正体及涡流加速器，而且几个部件上均布的叶片采用最为合理的入口安放角和出口安放角，使得该分离器既提高气液分离的效率，也加大了排量，使得该分离器的分离效率超过30％，适应井液含砂量达到5‰，使潜油电泵应用于高含气及高含砂井采油成为现实。
【附图说明】
附图1为本发明的结构示意图；
附图2为附图1中序号9大倾角诱导轮的结构示意图；
附图3为附图2的A-A剖视图；
附图4为附图2的B向视图；
附图5为附图1中序号7涡流加速器结构示意图；
附图6为附图5的C向视图；
附图7为附图1中序号8下扶正器的结构示意图；
附图8为附图7的D向视图。
图中1-上护盖，2-上连接螺栓，3-上接头总成，4-衬套，5-轴，6-壳体，7-涡流加速器，8-下扶正体，9-大倾角诱导轮，10-下接头总成，11-花键套，12-下连接螺栓，13-下护盖，14-轴孔，15-轮毂，16-诱导叶片，17-叶片出口安放角，18-叶片入口安放角，19-涡流叶片，20-轮毂，21-轴孔，22-叶片出口安放角，23-叶片入口安放角，24-外轮毂，25-内轮毂，26-轴孔，27-旋转式叶片，28-叶片出口安放角，29-叶片入口安放角，30-上扶正体，31-交叉导轮，32-上轴套，33-中轴套，34-内轴套，35-外轴套，36-固定螺钉，37-出气孔，38-进液孔，39-衬套，40-衬套。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由附图1所示，该涡流式气液分离器，主要包括由上接头总成3与内置衬套(4，39，40)的壳体6及下接头总成10组成的腔体，腔体内固定的转动轴5以及轴5上固定的大倾角诱导轮9、下扶正体8及涡流加速器7。其中上接头总成3包括筒形的上接头、上扶正体30、交叉导轮31；下接头总成10包括上大下小带进液孔38的下接头及接头内孔细脖处的内轴套34及外轴套35，内轴套34可在外轴套35中转动；上接头总成3中的上接头、壳体6、下接头总成10中的下接头依次螺纹连接，组成限制井液流动的腔体，创建涡流式气液分离器的基本框架；腔内轴5的上部通过键固定上轴套32，上扶正体30及交叉导轮31的轴孔通过键固定在上轴套32的上部，上扶正体30及交叉导轮31的外径与上接头内孔紧配合，从而对轴5的上端起支撑保护作用，使其有更好的稳定性；而交叉导轮31上有与上接头壁上的出气孔37联通的气体分离通道及与潜游电泵的泵腔相通的通道，使气液通过不同的通道实现分离，且交叉导轮31通过固定螺钉36与上接头相对固定；轴5的下部穿过下接头总成10内细脖处的内轴套34并由键固定，使其形成轴5的下部支撑；轴5的中部通过键固定中轴套33，而中轴套33上通过键与下扶正体8上的轴孔26固定下扶正体8，下扶正体8的外轮毂24与壳体6的内径紧配合，对轴5形成中间支撑，使其保持良好的转动稳定性；下扶正体8的上下端轴段上分别固定涡流加速器7及大倾角诱导轮9。
所述的大倾角诱导轮9是涡流式气液分离器的关键部件，其性能的好坏直接影响涡流式气液分离器的分离效率，由附图2-附图4所示，该大倾角诱导轮9通过轴孔14由键固定在轴5上，沿轮毂15的圆周方向设有2个均布的、形状相同的诱导叶片16，此诱导叶片16绕轴向螺旋向上旋转180°如附图2、3所示，所述的诱导叶片16的两个端部分布在两个不相等的圆周上，诱导叶片16在与轴线垂直断面上的形状为弧形，在该断面上，诱导叶片16在位于较小圆周的表面切线方向与大倾角诱导轮9反旋转方向圆周切线间的夹角为叶片入口安放角18，如附图4所示；诱导叶片16的弧形在位于较大圆周的表面切线方向与大倾角诱导轮9反旋转方向圆周切线间的夹角为叶片出口安放角17，如附图3所示；而所述的诱导叶片16的入口安放角18为25°～35°，出口安放角17为20°～30°；为使大倾角诱导轮9获得最佳的导流效果，所述大倾角诱导轮9的诱导叶片16的入口安放角18可为28°～32°，出口安放角17可为23°～25°；也可进一步确定诱导叶片16的入口安放角18为30°，出口安放角17为24°。大倾角诱导轮9采用上述结构，使得诱导叶片16的入口安放角18及出口安放角17设计合理，即提高涡流式气液分离器的分离效率，也加大了大倾角诱导轮9的排量，解决了普通分离器分离效率不高，携砂能力不强的问题，且整体结构的材料均采用镍铸铁，具有良好的铸造性能、机械性能及较好的耐腐蚀性能。
涡流加速器7是该气液分离器的另一个关键部件，如附图5及附图6所示，涡流加速器7通过轴孔21由键固定在轴5上，在其轮毂20的圆周上均布3个形状相同的单层轴流式涡流叶片19，如附图6所示；在位于涡流叶片19右端部弧线的表面切线与水平面的夹角为叶片入口安放角23，在位于左端部弧线的表面切线与水平面的夹角为叶片出口安放角22，如附图5所示；所述的涡流叶片19出口安放角22为75°～85°，入口安放角23为35°～45；也可设置为另一优选范围，即出口安放角22为76°～80°，入口安放角23为36°～40°；也可进一步地确定涡流叶片19的出口安放角22为78°，入口安放角23为38°。该涡流加速器7通过轴5带动其旋转，含气液体在经过涡流加速器7后具有较高的旋转速度，形成高速旋转的涡流，在旋转运动过程中，气体通过分离器上部的出气孔37排到油套环形空间，使液体进入泵内，整体结构的材料均也采用镍铸铁制造。
所述的下扶正体8如附图7及附图8所示，通过轴孔26固定在中轴套33上，该下扶正体8包括内轮毂25及外轮毂24，内轮毂25固定在中轴套33上，外轮毂24固定在与壳体6上，在内、外轮毂(25，24)之间沿圆周方向均布3个形状相同的旋转式叶片27，如附图8所示，旋转式叶片27的两个端部固定在内外轮毂(25，24)的圆周上，旋转式叶片27在位于右端部弧线的表面切线与水平面的夹角为叶片入口安放角29，旋转式叶片27在位于左端部弧线的表面切线与水平面的夹角为叶片出口安放角28；所述的旋转式叶片27出口安放角28为55°～65°，入口安放角29为35°～45；另一组优选范围可确定为：出口安放角28为58°～62°，入口安放角29为38°～42°；也可确定入口安放角29为60°，出口安放角28为40°。其外轮毂24通过与壳体6螺纹连接的衬套40及衬套39轴向压紧在壳体6内，不随轴5的转动而转动，不仅起到轴向导流及携砂的功能，而且起到扶正轴5的作用。该扶正器由于采用了旋转式叶片27，可与涡流加速器7及大倾角诱导轮9很好的配合，起到液体导向作用，减少了液体漏失量及能量损失。该扶正体8的整体结构的材料均采用镍铸铁。
该气液分离器的上下端分别由螺栓(2，12)固定上护盖1及下护盖13，目的是为了其在储存和运输过程中不落入杂物，不磕碰，保证其在下井前有更好的精度；
工作时，将上护盖1和下护盖13取下，轴5上端的花键轴部分与潜油电泵轴下端的花键套相连接，然后由连接螺栓2将潜油电泵的下端与本分离器的上端固定；轴5下端由花键套11连接下面的电机轴，并由螺栓12固定，动力从地面由电缆传输到电机，电机将电能转化成机械能，带动轴5及其上的零件转动。工作过程中，涡流式气液分离器通过下接头总成10中的进液孔38将含气液体吸入涡流式气液分离器内，通过大倾角诱导轮9的螺旋式诱导叶片16使液体具有一定的初始旋转速度，然后通过扶正体8和涡流加速器7使含气液体具有较高的旋转速度，形成高速旋转的涡流。为了保证完成气液分离，从涡流加速器7到交叉导轮31有一段油气分离腔，气液在这里实现分离。气液旋转运动过程中，由于气液两相密度的不同，其运动轨迹也不同，在离心力作用下，气相汇聚在靠近转动轴5处，液相汇聚在远离转动轴5处，最后在空腔内实现气液分离，气体通过出气孔37排出到油套环形空间，而液体进入泵内。
该涡流气液分离器采用与旋转式分离器相同的连接方式，可直接替代旋转式分离器与潜油电泵配合使用，且分离效率超过30％，适应井液含砂量达到5‰，使潜油电泵应用于高含气及高含砂井采油成为现实。