专利名称：气液分离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于分离液体，尤其是夹带在气流中的水的气液分离器。本发明 还涉及一种包括气液分离器的气井油管结构。
背景技术：
在天然气生产中，从气井生产的天然气经常夹带自由液体，例如液滴形式的水。通 常，液体在气井的水平面上、在液化气体或传输气体之前被从气体中去除。在石油生产领域，为了提高生产率，一般已知在井下分离气体。由美国专利 5431228已知井下气液分离器。分离器包括大体螺旋形的折流板，该大体螺旋形的折流板使 液体和气体的混合物旋转。因此，作用在液_气流动流上的离心力使得液体迁移到流动通 路的径向外部部分，同时允许气体通过大体中心的部分。在分离器的排出端，管道在流动通 路的中心部分收集气体并且将气体传送到生产管和包围生产管的生产套管之间的环状空 间内。液体流动流向上通过生产管以常规方式继续流至井表面。从液体分离出的气体也流 到井表面。类似的井下液_气分离器由美国专利No. 6036749和6755250已知。由于液体会在气井的生产层上施加额外的背压，所以液体在生产层的积聚能 显著地影响井的生产能力。为了去除这样的液体并从而恢复气体流，由美国专利申请 2005/0155769A1已知在井下的生产管中安装喷射泵，该喷射泵由通过生产管流到井的表 面的气体流驱动。喷射泵为文丘里型并且从井的底部经由提升管抽吸液体。提升管在喷 射泵处离开并进入喷嘴中，喷嘴将液体扩散成注入气流内的喷雾，气流因而夹带液体到井 的表面。类似的用在气井或油井中的喷射泵结构由美国专利No. 6250384B1或美国专利 No. 4171016 或专利申请公开 US2004/0129428A1 或 GB 2422159A 已知。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于从气流分离自由液体的气液分离器，该气液分离器 无需移动部件和具有最少的移动部件，或者无需监控或控制分离过程。根据本发明，气液分离器包括管状部分，其具有限定气体入口和距离气体入口 一轴向距离的气体出口的周向 壁；离心分离器，其同轴地布置在轴向地位于气体入口和气体出口之间的管状部分 内；管道，其设在管状部分的外部；至少一个排出通道，其延伸通过邻近离心分离器的气体出口区域的管状部分的周 向壁，其中所述至少一个排出通道将位于离心分离器的气体出口区域处的周向壁的液体收 集内表面与管道的内部连接；以及抽吸装置，其具有至少一个连接至管道的抽吸端口，以便在管道中建立欠压 (underpressure)并且从管道抽吸气体。
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离心分离器使气流流过该管状部分以便绕该管状部分的轴线旋转或涡旋。由于液 滴的密度高于气体的密度，所以液滴被径向向外推动，并且在周向壁的内表面处被收集，同 时流过管状部分的气体在管状部分的中心区内集中。在周向壁上收集的液体流过至少一个 排出通道进入管道，在该管道里液体优选地只在重力的影响下流出。抽吸装置建立欠压，即在离心分离器的气体出口区域处小于管状部分内的气体压 力。欠压使得液体能够有效流动通过该至少一个排出通道进入管道，同时从管道抽吸气体。在一个优选的实施例，抽吸装置是喷射泵，也被称为文丘里型喷射器。喷射泵(可 以是常规设计的喷射泵)被布置在管状部分内，以便由在管状部分中流动的气体驱动。喷 射泵被轴向地布置在至少一个排出通道和管状部分的气体出口之间，并且喷射泵具有至少 一个连接至管道的抽吸端口以在管道中建立欠压，并且从管道抽吸气体。由于在气液分离 器的操作期间不只液体通过至少一个排出通道离开进入管道，而且即使排出通道的横截面 很小，也有一部分气体通过至少一个排出通道离开进入管道，所以喷射泵通过将该气体重 新进入主气流中而避免气体损失。喷射泵可以是常规设计。喷射泵的轴线可以沿竖直和水 平之间的任意方向延伸。气液分离器具有简单设计并且在水平或竖直布置中均从气流去除自由液体。分离 器不具有移动部件并且长度和直径尺寸都小。在操作中，在气体入口和气体出口之间的气 体压力中典型地只有o. 1到0. 2bar的小压降。通过气液分离器的设计，由喷射泵建立的欠 压不得不通过使液体排出通道形成所需的尺寸以及使喷射泵抽吸端口形成所需的尺寸来 平衡。喷射泵的流量和抽吸率可以容易地适应于气体在管状部分中的流量和液体流量。 液体流量能够通过适当地使离心分离器和与之相关联的排出通道形成所需的尺寸进行调 节。测试已经显示实践中不存在气体压力限制。管状部分中的气体压力可以在例如从20 到80bar的范围。相对于现有技术的气液分离器，根据本发明的气液分离器不太依赖气体 密度和液体密度之间的密度差的改变。管状部分、喷射泵和离心分离器优选地安装为形成一个单元。正如能被容易地理 解的那样，喷射泵和离心分离器还可以是独立放置的结构部件，该独立放置的结构部件经 由输气管彼此连接。此外，能够容易理解的是，除了使用喷射泵以外，还可以使用抽吸装置， 例如马达驱动的泵。优选地，管道包括从至少一个排出通道向下延伸以允许分离的液体只由于重力而 流出的管道部分，尤其是如果已经通过至少一个排出通道逃逸至管道内的气体被允许例如 朝向气井的表面向上流动。在优选实施例中，管道是沿径向形成在周向壁和管状套管之间的环状管道，其中 管状套管在距周向壁一径向距离处同轴地包围周向壁。更优选地，多个排出通道设置成至 少一排，排出通道在排内围绕周向壁的圆周彼此间隔开。为了最小化未被排出通道覆盖的 面积，设置多排并且相邻排的排出通道在周向方向上相对于相邻排的排出通道错开。为了 进一步增加收集到的液体的流量，排出通道优选地形成为细长的狭缝，该细长狭缝的纵向 方向横向于由离心分离器的至少一个螺旋形折流板限定的螺旋线。细长狭缝的长度和细长 狭缝的纵向方向相对于螺旋线的倾斜度依据管道中的气体压力和管状部分的入口压力之 间的差进行选择。
离心分离器优选地包括至少一个固定的螺旋形折流板。螺旋形折流板沿其螺旋线 可以被分段，但是优选地沿该线是连续的折流板。优选地，多个螺旋形折流板布置成沿轴向 方向错开以增强气流的涡旋运动。螺旋形折流板可以从管状部分的中心向上延伸到其周向壁。在优选实施例中，至 少一个螺旋形折流板包围延伸穿过离心分离器并且从管状部分的气体入口和气体出口可 接近的中心自由空间。这允许工具等的引入，即使气液分离器被安装在管柱内且无需将分 离器从油管柱卸下。如上所述的气液分离器主要用于气井，尤其是不产生或产生至少少际量冷凝物的 气井。应该清楚的是，气液分离器可以被用在其它存在从受压流动的气流中分离自由液体 的需求的技术领域。液体可以是水，其被去除以使气流脱水，但是也可以是任何其它种类的 液体。在第二方面，本发明涉及一种气井油管结构，尤其是不产生冷凝物或只产生少际 量冷凝物的气井的油管结构。为了提供针对自由水的安全措施，气井油管结构包括生产套管；生产管，其设置在生产套管内；以及至少管状部分、离心分离器和与上述至少一个气液分离器的离心分离器相关联的 至少一个排出通道，其中，所述至少一个气液分离器布置成分离由向上流动通过生产管的气体夹带的 水，并且管状部分被布置在井下的生产管中。水可以被泵送到井的水平面，但是优选地被重新向下注入到井的储水层中。水能 够被重新注入到井的分离部分中，例如产气层之下的定位洞，使得气液分离器的出水端口 经由跨越导管(crossover conduit)被连接至重新注入区，但是也有可能通过从生产套管 向下延伸至生产层的带孔尾管重新注入水。优选地，为了不限制生产管的直径，气液分离器的管状部分是一串生产管的结构 部件，同时管道被放置在生产管和生产套管之间的环状空间内。为了使更换更容易，在另一 个优选实施例中，气液分离器能够形成所需的尺寸以在生产管内可移动并且沿生产管可移 动。因此，气液分离器能够被更换而无需去除生产管。另外，能够为现有气井设置根据本发 明的气液分离器。至少管状部分和离心分离器以及与离心分离器相关联的至少一个排出通道设置 在井下的油管结构。抽吸装置可以结合到井下单元内，但是也能利用生产尾管和生产管之 间的环状空间作为管道将抽吸装置设置在水平面上，已经通过排出通道或多个排出通道逃 逸的气体通过该管道能够流到气井的水平面。气液分离器的水_分离部分优选地放置在气井的生产层之上20m以上的高度处， 例如气井的生产层之上40到50m的高度处。将气液分离器放置得高于生产层之上将赋予 储水层深度处的水高压以用于重新注入。优选地，气液分离器靠近气井的安全阀放置，即在 井中的高处以便相当大程度上增加水压用于重新注入。在优选实施例中，多个气液分离器在生产管中一个位于另一个后面地布置以便增 强水的分离率。气液分离器可以在它们安装在生产管中的位置处单独适应于压力和流动条 件。
现在将参考
根据本发明的气液分离器和气井油管结构的优选实施例。在附图中图1是具有气液分离器的气井油管结构的剖面图；图2是示出图1中的气液分离器的更多细节的剖面图；以及图3是气井油管结构的另一个实施例的剖面图。
具体实施例方式图1示出了井眼(例如海底井眼)内的气井油管结构，其从产气层3向上延伸至 水平面5。油管结构包括常规的生产套管7和生产管9，该生产管9以管柱形式从位于产气 层3的带孔生产尾管10向上延伸至水平面5之上的井口 11。生产尾管10设有穿孔13以 允许产生气体的进入并且生产尾管10借助于悬挂器14被安装到生产套管7的井下端。生 产层3下面具有储水层15。生产管9借助于生产封隔器17相对于生产套管7密封。在图1的实施例中，气体在自然压力下产生。而且，假定气体不产生冷凝物，因此 不需要冷凝水的分离。向上行进的气流夹带小液滴形式的自由水。为了从气流分离水，气液分离器19被 定位在井下的生产管9内、生产层3之上一距离L处。气液分离器19至少部分地从气流分 离水并且经由液体返回管21将水重新注回到生产层3下面的储水层15内。液体返回管21 被布置在生产管9和生产尾管7之间的环状空间内，并且通过下方的生产封隔器17和带孔 生产尾管10向下延伸到储水层5。如21’处所示，液体返回管还能够越过生产管10以便重 新将分离出的水注入井的分离部分，例如位于储水层15的深度处的定位孔中(未示出)。图2示出了气液分离器19的细节。气液分离器19包括管状部分23，其周向壁25 具有圆形横截面并且限定了气体入口 27和位于气体入口 27之上一轴向距离处的气体出口 29。同轴地包围周向壁25的管状套管31形成在环状空间和管道33之间，并且在其下端处 具有连接至液体返回管21的出口端口 35，所述管道33的两轴向端都被端壁34封闭。在气体入口 27之上，壁25包围离心分离器37，离心分离器将气体入口 27处的轴 向气流(箭头39)引导为分离器23的气体出口区域41处的旋转的气流，如箭头43所示。 由于旋转的气流，夹带在气流中的自由水滴朝向壁25的内表面45离心，同时气流中密度较 小的气体部分在管状部分23的中心区域中继续向上行进。在分离器37的出口区域41之 上的一短距离处，周向壁25的内表面45设有多个细长狭缝或孔47，该细长狭缝或孔47延 伸穿过壁25并且形成导引水的排出通道，其中水被气流的旋转运动推到内表面45，穿过壁 25进入环状管道33。如49处所示，收集到的水流动通过管道33的一大体竖直的部分，并 由于重力向下到达出口端口 35。在孔47之上一限定距离处，文丘里型喷射器或喷射泵51被布置在管状部分23 内。喷射泵51具有常规结构并且在其入口处具有喷嘴部分53，该喷嘴部分53加速颈部55 处的气流，所述颈部55设有多个在周向方向上彼此间隔开的抽吸端口 57。喷射泵51的扩 散器在59示出。抽吸端口 57通向环状管道33以相对于分离器23的出口区域41处的压 力在管道33内提供负压(欠压)。喷射泵51因而将已经经由孔47进入环状管道33的气体抽回到管状套管23内以传输到井口 11，如箭头61所示。由于喷射泵51将通过孔47逃 逸的气体重新引入，因而气体损失很低。而且，气体入口 27和气体出口 29之间的气压差也很小。离心分离器37包括两个与周向壁25的内表面45相邻的固定的螺旋形折流板。折 流板63具有的径向宽度小于管状部分23的内半径，使得折流板63绕中心自由空间旋绕， 折流板63的直径大约等于喷射泵51的颈部55的内直径。因此，分离器19具有贯穿通道， 工具等能够通过该贯穿通道穿过，即使分离器19安装在生产管9内。螺旋形折流板63的螺距和宽度以及孔47和出口区域41之间的轴向距离调节为 确保夹带在气流中的自由水到达孔47的位置处的内表面45。孔47被布置在周向排中，彼此间隔等距离。为了有效地收集被推到表面45的水， 邻近排的孔47相对于彼此错开大约它们周向间距的一半。而且，细长孔47的纵向被布置 成横向于由螺旋形折流板63限定的螺旋线。图2示出了三排孔47。当然，孔47的数量和 排数可以改变，因为理论上只要一个孔就足够了。图2的实施例示出了两个在轴向上错开半个螺旋形折流板63的螺距的螺旋形折 流板63。螺旋形折流板63的数量可以改变。理论上，一个折流板就足够了。虽然螺旋形折 流板63在轴向上具有恒定的螺距，但是螺距也可以在轴向上变化以便使螺距适应气体流 动速度和流动的平均方向。沿轴向在孔47的区域和抽吸端口 57的区域之间，多个折流板65设置在周向壁25 的外表面上。折流板65防止通过孔47排入环状管道33的水向上蔓延至抽吸端口 57。气液分离器19形成带有离心分离器37、喷射泵51和固定安装在管状部分23的管 状套管31的结构单元。管状部分23和生产管9大约具有相同的直径，同时套管31的外直 径小于生产套管7的内直径。而且，气液分离器19形成生产管9的结构部件并且装配在生 产套管7内，以便气液分离器19能够与生产管9 一起取回。如图1标记19’处所示，多个气液分离器能够一个位于另一个后面地布置在生产 管9中，以便提高去除水的效率。在图2示出的实施例中，喷射泵51放置在离心分离器23的附近并且管道33由管 状套管31和端壁34封闭。如果生产套管7和包括管状部分23的生产管9之间的环状空 间被用来形成管道33，则这些部件是不需要的。由于形成管道的环状空间向上延伸至井的 水平面5，所以泵还能够设置在水平面5处，如图1中标记51’处所示。泵51’具有连接至 生产尾管7和生产管9之间的环状空间的抽吸端口以建立环状空间中的欠压并且从中抽吸 气体。气体可以在井口 11被加入产生的气体。如果使用水平面泵51’，则喷射泵51是不必 要的。水平面泵51’能够与多个沿生产管9布置的气液分离器相关联。图3示出了气井油管结构的另一个实施例。类似结构和/或类似功能的部件参考 图1和图2中使用的附图标记标明，后面加上字母“a”以示区别。参考图1和图2的说明。气井油管结构Ia与结构1的主要区别在于气液分离器19a的外部尺寸，气液分离 器19a的管状套管31a具有的外直径小于生产管9的内直径。因此，气液分离器19能够沿 生产管插入和去除而无需卸下或取回生产管9。回水管21a优选地在生产管9和带孔生产 尾管IOa内向下延伸至储水层15a。图1和图3示出了竖直井眼。如能够被容易地理解的那样，只要水能够通过重力
8经过环状管道和液体返回管排出，井眼也能够相对于竖直方向倾斜。在图1的实施例中，液 体返回管21还能够定位于生产管9的内。 虽然气液分离器的结构和操作是根据气井说明的，但是很清楚气液分离器也可以 被用于从气流分离除水以外的其它液体并且还可以被用于其它工业应用。
权利要求
一种气液分离器，该气液分离器包括a)管状部分(23)，其具有限定气体入口(27)和气体出口(29)的周向壁(25)，所述气体出口(29)与所述气体入口(27)相距一轴向距离；b)离心分离器(37)，其同轴地布置在轴向地位于所述气体入口(27)和所述气体出口(29)之间的所述管状部分(23)内；c)管道(33)，其设置在所述管状部分(23)的外部；以及d)至少一个排出通道(47)，其延伸通过邻近所述离心分离器(37)的气体出口区域(41)的所述管状部分(23)的所述周向壁(25)，其中，所述至少一个排出通道(47)将位于所述离心分离器(37)的所述气体出口区域(41)处的所述周向壁(25)的液体收集内表面(45)与所述管道(33)的内部连接；以及e)抽吸装置(51)，其具有至少一个抽吸端口(57)，所述抽吸端口连接至所述管道(33)，以便在所述管道(33)中建立欠压并且从所述管道(33)抽吸气体。
2.根据权利要求1所述的气液分离器，其中，所述抽吸装置为喷射泵(51)，所述喷射泵 布置在所述管状部分(23)内，以便由在所述管状部分(23)中流动的气体驱动，所述喷射泵 (51)被轴向地布置在所述至少一个排出通道(47)和所述管状部分(23)的所述气体出口 (29)之间，并且所述喷射泵(51)具有至少一个连接至所述管道(33)的抽吸端口(57)，以 便在所述管道(33)中建立欠压，并且从所述管道(33)抽吸气体。
3.根据权利要求1或2所述的气液分离器，其中，所述管道(33)包括管道部分，所述管 道部分从所述至少一个排出通道(47)向下延伸，以便允许分离的液体由于重力流出。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的气液分离器，其中，所述喷射泵(51)的所述至 少一个抽吸端口(57)在位于所述至少一个排出通道(47)之上的位置处连接至所述管道 (33)。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的气液分离器，还包括至少一个折流板(65)，所 述至少一个折流板(65)在所述管道(33)内轴向地位于所述至少一个排出通道(47)和所 述抽吸装置(51)的所述至少一个抽吸端口(57)之间。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的气液分离器，其中，所述管道(33)为环状管道， 所述环状管道径向地形成在所述周向壁(25)和管状套管(31)之间，所述管状套管(31)在 距所述周向壁(25) —径向距离处同轴地包围所述周向壁(25)。
7.根据权利要求6所述的气液分离器，其中，多个排出通道(47)设置成至少一排，并且 所述排出通道(47)在所述排内绕所述周向壁(25)的圆周彼此间隔开。
8.根据权利要求7所述的气液分离器，其中，所述排出通道(47)设置成多排并且相邻 排的所述排出通道(47)在周向方向上相对于相邻排的所述排出通道(47)错开。
9.根据权利要求6到8中任一项所述的气液分离器，其中，所述至少一个排出通道 (47)是细长的孔，所述细长的孔的纵向方向横向于由所述离心分离器(37)的至少一个螺 旋形折流板(63)限定的螺旋线。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的气液分离器，其中，所述离心分离器(37)包括 以固定方式布置在所述管状部分(23)内的所述至少一个螺旋形折流板(63)，所述至少一 个螺旋形折流板(63)的螺旋轴线与所述管状部分(23)的轴线同轴。
11.根据权利要求10所述的气液分离器，其中，所述至少一个螺旋形折流板(63)包围延伸通过所述离心分离器(37)的中心自由空间，所述中心自由空间能从所述管状部分 (23)的所述气体入口(27)和所述气体出口(29)接近。
12.根据权利要求11所述的气液分离器，其中，所述离心分离器(37)包括多个在轴向 上错开的所述螺旋形折流板(63)。
13.一种气井油管结构，该气井油管结构包括生产套管(7)；设置在所述生产套管(7)内的生产管(9)；以及至少管状部分(23)，离心分离器(37)和与如权利要求1到12中任一项所述的至少一 个气液分离器(19)的离心分离器(37)相关联的至少一个排出通道(47)，其中，所述至少一 个气液分离器(19)布置成分离由向上流动通过所述生产管(9)的气体夹带的水，并且所述 管状部分(23)被布置在井下的所述生产管(9)中。
14.根据权利要求13所述的气井油管结构，其中，所述气液分离器(19)形成所需的尺 寸以在所述生产管(9)内可移动并且沿所述生产管(9)可移动。
15.根据权利要求13所述的气井油管结构，其中，所述管道(33)布置在所述生产管 (9)和所述生产套管(7)之间。
16.根据权利要求15所述的气井油管结构，其中，所述管道向上延伸至气井的水平面 (5)，并且抽吸装置(51’ )布置在所述水平面(5)处。
17.根据权利要求13到15中任一项所述的气井油管结构，其中，所述抽吸装置是设置 在所述管状部分(23)内的喷射泵(51)。
18.根据权利要求13到17中任一项所述的气井油管结构，其中，所述气液分离器(19) 位于井的产气层(3)之上40m以上的高度(L)处，优选地靠近井的安全阀。
19.根据权利要求13到18中任一项所述的气井油管结构，其中，多个气液分离器(19， 19’ ) 一个位于另一个后面地布置在所述生产管(9)中。
全文摘要
本发明公开了尤其是用于分离位于气井的井下位置处的自由水的气液分离器(19)。分离器(19)包括位于管状部分(23)内的离心分离器(37)，该管状部分(23)限定气体入口(27)和气体出口(29)。在离心分离器(37)的上游，管状部分(23)设有多个排出孔(47)，被离心到管状部分(23)的自由水通过该排出孔(47)进入环状管道(33)，该环状管道(33)允许收集到的水由于重力而流出。在排出孔(47)的上游，布置有喷射泵(51)。喷射泵(51)由气流驱动以在管道(33)中建立欠压并且将已经通过排出孔(47)进入环状管道(33)的气体抽回。气液分离器(19)不具有移动部件并且避免了对分离过程的监控或控制。
文档编号E21B43/12GK101939505SQ200880126343
公开日2011年1月5日 申请日期2008年2月6日 优先权日2008年2月6日
发明者S·T·霍尔特 申请人:斯塔特石油公开有限公司