井环境中的气体处理的制作方法

专利名称：井环境中的气体处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种井环境中的气体处理。
背景技术：
在许多井环境中，气体可能积聚并干扰所需液体的生产。例如，碳氢 化合物基液体可以通过配置在井眼内的电动潜油泵系统生产。这些类型的 泵系统采用具有依赖于叶轮的多级的离心泵来移动生产的液体。然而，液 体中充足气体的存在可能导致气体积聚在叶轮片的吸入表面上，从而造成 个别级离心泵过早停止。此外，具有相对较高的气-液比的流体可能沿泵
系统的外部产生大的气体结构，从而最终干扰井产流体(well fluid)的生产。
此外，系统建模已经表明，井眼中的电动潜油泵系统的操作可能产生 具有基本不同的生产率的多(亚)稳态。可能使流动瞬变(例如，流动不
稳定性或扰动)引起这些高生产率状态和低生产率状态之间的转变。
已经尝试防止过早停止并抑制排量波动(flow oscillation),以便增强 系统性能的稳定性。例如，已经减小了叶轮片的角度，并且已经在多泵级 的潜油泵中钻出穿过叶轮片的孔。然而，这种方法限制了泵系统的性能和 效率。

发明内容
本发明总体上提供了一种有助于抽吸井内具有相对较高的气-液比的 流体的技术。潜油泵与定位于移动井产流体的潜油泵部件的上游的单独的 专用混合器相结合。所述混合器被设计为减少大气体结构，并使流入到潜 油泵中的流体流均质化。


下面将参照

本发明的特定实施例，其中相同的参考符号表示 相同的元件，以及其中
图l是根据本发明的一种实施例的配置在井眼中并具有专用混合器的 泵系统的正视图2是根据本发明的一种实施例的配置在井眼中的泵系统的另一个实 施例的正视图3是当混合器不组装到图1和图2的实例中所说明的设计中时使泵系 统可以在其之间转换的高生产率状态和低生产率状态之间的稳定的图表；
图4说明根据本发明的一种实施例的可以组装到显示在图1和图2中的 泵系统中的混合器的一个实例；以及
图5说明根据本发明的一种实施例的可以组装到显示在图1和图2中的 泵系统中的混合器的另一个实例。
具体实施例方式
在以下说明中，阐述许多细节是为了理解本发明。然而，本领域的普 通技术人员将会理解，没有这些细节也可以实施本发明，并且由说明的实 施例进行的许多变更或修改也是可能的。
本发明涉及一种用于帮助抽吸井中的流体的系统和方法。潜油泵系统 配置在井眼中，并将潜油泵与抽吸井产流体的部件上游的单独的专用混合 器相组合。例如，专用混合器可以位于电动潜油泵系统中所使用的多级离 心泵的上游。专用混合器可以用于通过在专用混合器内产生混合区域使泵 系统内的气孔(gaspocket)(例如，气泡)的尺寸减至最小，其中所述混 合区域能够分裂气孔。可供选择地或另外地，专用混合器可以用于使气体 结构到泵系统的外部。例如，专用混合器可以定位为从积聚在环绕泵系统 的环中的气体结构中抽吸气体。该气体与通过专用混合器到潜油泵的液体 完全混合。
总体参照图l，井系统20的一种实施例显示为安装在井眼22中。在此 实施例中，井系统20包括通过适合的配置系统26配置的泵系统24。根据泵 系统的应用和泵系统24的设计，配置系统26可以包括挠性管、生产油管、电缆或其它适合的配置系统。泵系统24设计为在井眼22中贴近含有理想产 液(例如，石油或其它所需流体)的地质地层28放置。井眼22典型地被钻 出并可以与井眼套管30排成一行。射孔32穿过井眼套管30形成，以使流体 能够在地质地层28和井眼22之间流动。
井眼22从可以为地面或海床地面的表面34向下延伸。虽然井眼22显示 为大致垂直，但井眼也可以根据井环境的类型或使用系统20的井的应用形 成为专用井眼。在所说明的实例中，井系统20从井口36向下延伸到井眼22 中。
在图1的实施例中，泵系统24包括潜油泵38和配置在潜油泵38的上游 侧的单独的专用混合器40。泵系统24根据在规定应用中使用的泵系统的类 型还可以包括额外的部件，例如，部件42。另外，井眼22的区域可以通过 一个或多个封隔器(例如，定位在混合器40上方的封隔器44)被隔离。在 流体的生产操作中，泵系统24向下移动到井眼22内的所需位置，封隔器44 抵靠周围的井眼壁(例如，套管30)设置。
混合器40当在生产具有相对较高的气-液比的流体中使用时特别有 利。例如，在石油的生产中，混合器40非常有助于倾向具有较高的气-油 (GOR)比的流体的生产，较高的气-油(GOR)比可能另外阻碍井眼流 体的有效生产。当潜油泵38操作时，流体通过可以形成作为专用混合器40 的一部分的进入区域46被从井眼22吸入。当流体通过进入区域46移动进入 混合器40时，气孔(例如，气泡)可以随着流体吸入混合器40。
另外， 一部分气相可以随着流体通过进入区域46吸入与液相分离。分 离的气相沿环绕泵系统24的环48上升，并且可以变为收集在例如封隔器44 的下方。当该气体积聚时，相对大的气体结构50形成于封隔器44的下方。 如果该气体结构变得足够大，则所述气体结构可能会干扰液体通过进入区 域46的进入，并进一步降低泵系统24的操作。然而，专用混合器40设计用 于提供可以用于从气体结构50去除气体和/或使通过进入区域46吸入混合 器40的气孔减至最小的简单的便宜工具。
总体参照图2，更详细地说朋了泵系统24的一个实施例。在此实施例 中，泵系统24包括电动潜油泵系统，其中潜油泵38为由潜油式电动机 (submersible motor) 52提供动力的离心式泵。潜油式电动机52可以通过延伸通过例如电动机保护器54和混合器40的驱动轴驱动潜油泵38。电功率 通过沿井系统20从表面34向下延伸的电缆56提供到潜油式电动机52。在此 种形式的实施例中，潜油泵38包括堆叠在彼此顶部上的如图2中的虚线显 示的多个级58。每个级58都包括叶轮60，而多个叶轮60通过潜油式电动机 52旋转，以使井产流体向上移动通过井眼22到达所需的收集位置。井产流 体可以通过例如管道62或通过环绕的环生产。
专用混合器40配置在抽吸部件(例如，叶轮60)的上游，以将很好混 合的均质流体输送到潜油泵38的入口63。专用混合器40的结构和所述专用 混合器在抽吸部件上游的放置能够利用传统的潜油泵，而不用改变叶轮的 角度、不用形成穿过叶轮的孔、或不用使用可能增加整个系统的成本并降 低抽吸效率的其它泵操作技术。在一个实施例中，专用混合器40形成为简 单地栓接到例如潜油泵38和电动机保护器54之间的电动潜油泵系统的可 分离的部件。
没有混合器40，则泵系统24易于受到积聚在叶轮60的吸入侧的气体的 影响，这些气体可能导致个别级58的过早停止。此外，如图3所示，没有 专用混合器40，则井系统能够以多稳态进行操作。状态之间的转变可以通 过流动瞬变(例如，流动不稳定性或扰动)触发。如图3所示，当抽吸具 有相同的GOR额定值(例如，图3中所提供的实例中的为200的GOR额定值) 的流体时，没有混合器40的给定泵系统可以以高液体生产率状态64或低液 体生产率状态66进行操作。混合器40的增加能够使混合器40内和/或环绕 混合器40的气体结构最小化到使整个泵系统24的操作不会经历级的停止 或高生产率状态和低生产率状态之间的瞬变的程度。在液相及气相混合物 进入潜油泵38之前，专用混合器40使液相及气相混合物均质化，因此减轻 潜油泵38的入口处的流量波动。因此，流体的生产可以保持在高液体生产 率比64，且系统20的整个效率显著增加。
专用混合器40的实例显示在图4和图5中。首先参照图4，专用混合器 40被定位于潜油泵38和起动单元68之间，起动单元68可以包括例如电动机 52和电动机保护器54。起动单元68驱动定位在泵38的级中的多个叶轮60。 具体地，叶轮60通过延伸通过专用混合器40的混合器本体72的驱动轴70 旋转。显示在图4中的专用混合器40设计为捕捉积聚在环绕混合器本体72的 环48中的相对较大的气体结构50。气体结构50趋向于在井产流体通过入口 区域46被吸入专用混合器40中且气体与流体分离时形成。气体沿环48向上 流动并被收集在封隔器44的下方。然而，来自环绕混合器本体72的气体结 构50的气体通过一个或多个端口74被吸入到专用混合器40中。端口74延伸 通过混合器本体72，以在混合器本体72的内部和环绕的环48之间产生连通 路径。当流体从入口区域46通过混合器40向上移动时，流动的流体产生从 气体结构50通过端口 74吸入气体的文丘里效应。
通过端口74吸入的气体与快速流动通过混合器本体72的内部的流体 精确地组合，以在通过叶轮60抽吸流体之前提供很好的混合流体。环中的 容积相(volumetric phase)变化通过环48中的可变液位提供，同时相对恒 定速率的气体流量被放到混合器40中。此外，因为当环中的液位下降时， 整个端口74的压降增加，因此增加了通过端口74的气体流量，所以系统本 身稳定。另外，贴近端口74的混合器本体72的内表面的形状(例如，弯曲)
可以调节为产生较多或较少的文丘里效应。通过在气体可能干扰井产流体 通过入口区域46的吸入之前将来自气体结构50的气体以受控方式混合到 所生产的流体流中，去除了对泵系统24的有害冲击，并保持更高的液体生 产率。
专用混合器40的另一个实施例显示在图5中，在此实施例中，专用混 合器40设计为控制大气体结构和小气泡云之间的滑移速度差。已经知道大
气体结构相对于液相以相对较高的速度滑动。大气体结构以高速率沿混合 器本体72的外侧上升。同时，在混合器本体72内的多个混合器元件76可防 止大气体结构的内部形成；使混合器40内的流体流均质化；以及在流体进 入到潜油泵38之前使物相滑移(phase slip)减至最小。
当井产流体进入到专用混合器40时，大气体结构沿混合器本体72的外 侧以高速上升。多个小入口78沿混合器本体72布置，以从大气体结构(例 如，气体结构50)排出气体，并沿混合器本体72的内部分布气体，其中所 述气体在被导至潜油泵38之前被重新均质化。在所说明的实施例中，小入 口78沿混合器本体72的长度分布。这使得当气体块(gas slug)滑移通过 环绕混合器40的环中的液相时，使气体从延伸区域上的气孔/气体块放出。可防止由于在抽吸流体之前相对于液相重新分布气相的液体和气体的混 合在专用混合器40内部造成的物相滑移。
混合器元件76可以为在流体流过专用混合器40的内部时产生混合运
动的固定的混合器元件。流动的流体的能量有效地搅动或混合气相和液相
以产生可以有效产生的均质流体。可供选择地，混合器元件76可以为在混 合器本体72内移动以产生相对于液体重新分布气体的混合作用的动态混 合器元件。作为实例，这种动态混合器元件可以连接到轴70，并通过由起 动单元68提供的动力旋转。元件76的旋转可防止大气泡的形成，并消除了 气相和液相之间的滑移，同时产生用于输送到潜油泵38的均质流体。在此 实例中，混合器元件提供了没有抽吸作用的精确的混合作用，并将混合流 体引入到潜油泵38，用于沿井眼22的向上运动。
用在井系统20中的具体部件可以根据使用该系统的实际的井的应用 来改变。同样地，专用混合器40的具体结构可以从一个井的应用变化到另 一个井的应用。例如， 一个或多个专用混合器40可以组装到各种电动潜油 泵系统或其它易于在高气-液比流体中进行相分离的泵系统中。另外，流 体入口 、流体端口和/或混合器元件可以改变为适用不同的应用或不同的 抽吸设备。
因此，虽然以上只对本发明的一些实施例进行了详细说明，但本领域 的普通技术人员很容易理解，在本质上不脱离本发明的教示的情况下可以 做出许多修改。这种修改都包括在权利要求所限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于抽吸井眼中的流体的系统，包括潜油泵；以及混合器，所述混合器被定位在所述潜油泵的上游，所述混合器具有混合器本体，所述混合器本体具有定位为从井眼内的环绕气体结构排出气体的至少一个端口。
2. 根据权利要求l所述的系统，其中所述混合器本体包括沿所述混合器本体的长度定位的多个端口。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述混合器包括在所述混合器本 体内以使流到所述潜油泵中的流体均质化的混合器元件。
4. 根据权利要求3所述的系统，其中所述混合器元件包括多个混合器元件。
5. 根据权利要求3所述的系统，其中所述混合器元件相对于所述混合 器本体固定。
6. 根据权利要求3所述的系统，其中所述混合器元件在所述混合器本 体内移动。
7. 根据权利要求l所述的系统，还包括连接到所述潜油泵以提供动力给所述潜油泵的潜油式电动机。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中所述混合器被定位于所述潜油泵和所述潜油式电动机之间。
9. 一种用于抽吸流体的系统，包括电动潜油泵系统，所述电动潜油泵系统包括具有多个泵级的潜油泵、 给所述潜油泵提供动力的潜油式电动机、以及定位在所述多个泵级的上游 以使气体结构减至最少的混合器。
10. 根据权利要求9所述的系统，其中所述混合器在所述潜油泵与所述潜油式电动机之间相邻于所述潜油泵定位。
11. 根据权利要求9所述的系统，还包括定位在所述混合器的上方的封隔器。
12. 根据权利要求ll所述的系统，其中所述混合器包括混合器本体，所述混合器本体具有定位为排出积聚在所述封隔器下方的气体的端口。
13. 根据权利要求12所述的系统，其中所述端口包括多个端口。
14. 根据权利要求9所述的系统，其中所述混合器包括混合器本体和在所述混合器本体内以防止有害气泡形成的混合器元件。
15. 根据权利要求14所述的系统，其中所述混合器本体包括用于从环 绕气体结构排出气体的多个端口。
16. —种方法，包括步骤将专用的气-液混合器放置在设计为移动井产流体的所有潜油泵部件的上游；以及将所述专用的气-液混合器和所述潜油泵部件移动到所需的井眼位置。
17. 根据权利要求16所述的方法，还包括步骤操作所述专用的气-液混合器，以在气相和液相进入到所述潜油泵部 件之前混合气相和液相。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述操作步骤包括将气体从环 绕所述专用的气-液混合器的井眼区域吸入所述专用的气-液混合器。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中所述操作步骤包括使用内部混 合元件来减小所述专用的气-液混合器内的气泡尺寸。
20. —种方法，包括步骤 将气-液混合器定位在潜油泵的所有级的上游； 将所述气-液混合器和潜油泵配置在井眼中的所需位置处；以及 通过所述气-液混合器减轻所述潜油泵的入口处的流量波动。
21. 根据权利要求20所述的方法，还包括步骤用潜油式电动机提供给所述潜油泵动力。
22. 根据权利要求21所述的方法，还包括步骤将气体从环绕所述气-液混合器的井眼区域吸入所述气-液混合器。
23. 根据权利要求22所述的方法，还包括步骤减小所述气-液混合器内的气泡的尺寸。
24. 根据权利要求22所述的方法，还包括步骤使所述气-液混合器内的气相及液相流均质化。
全文摘要
本发明提供一种在流体具有相对较高的气-液比的情况下帮助流体在井中运动的技术。潜油泵与单独的专用混合器相结合。专用混合器被定位在设计为移动井产流体的潜油泵的部件的上游。混合器减少了大气体结构并使流入到潜油泵中的流体流均质化。
文档编号E21B43/00GK101538999SQ200810083049
公开日2009年9月23日 申请日期2008年3月18日 优先权日2008年3月18日
发明者阿什利·伯纳德·约翰逊 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司