双筒式两级轴流井下脱气装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种双筒式两级轴流井下脱气装置，安装于抽油泵和筛管之间，首次用于油气井产出液进泵前的气液两相分离。该脱气装置依据其双筒式特殊结构和两级轴流技术，实现产出液气液分离，从而提高机采系统效率；进液器使筛管与内液筒保持联通，并实现进泵产出液提速；轴流管总成实施两级轴流气液分离且轴流管采用标准化和组块化设计，保证产出液得到高效而彻底的脱气处理；内液筒保证产出液以较高的初速度射进轴流管，并与外液筒一起形成双筒环形空间，输送轴流管脱气后的液体；脱气后的液体先经整流器反向整合成平稳流，再由排液器排入外液筒，最后通过导流器提速后送至抽油泵，而气体经可避免回流的排气器减速升压后排进井筒。
【专利说明】双筒式两级轴流井下脱气装置
【技术领域】
[0001]本发明适用于油气井和非常规气井的井下脱气装置，特别是涉及一种产出液进泵前气油、气油水或气水分离用的装置。
【背景技术】
[0002]油气井的抽油系统中，井下抽油泵效率的高低对整个系统的效率起到关键性作用。在油气井的生产作业期间，不可避免地存在井下产出液中气体伴随液体一起进泵的现象，这些气体的存在直接导致抽油系统效率偏低；另外，对于高气液比油气井的抽油过程，如果没有采用必要的脱气措施，容易导致气液两相产出液在没有得到充分分离前，大量气体即进入抽油泵，从而造成气锁现象的发生。为此，如何减小产出液中气体的影响，提高机采系统效率，同时防止气锁现象发生，是油气井正常生产作业和高效开采中亟待解决的问题。
[0003]由于产出液中气体的存在是抽油泵泵效降低的主要影响因素，为此最为直接而有效的措施是采用井下脱气装置保证产出液在进入抽油泵之前即实现气液两相分离，最大限度地降低进泵井液中的气体含量。目前，加拿大C一FER(The Centre for EngineeringResearch Inc.)正在与设备制造商REDA、Vortoil共同合作,推进一种螺旋分离器进行井下气液两相分离系统的工业化，该螺旋分离器技术是采用类似螺纹的固定不动的整块螺旋叶片，螺旋叶片使气流受力旋转而实现分离，实现了气液分离和采出水同时注入地层的设想；然而，该分离器的工作性能取决于螺旋叶片的螺距、头数、直径、以及气流的流量，不适用于处理大体积流量的含液气流，同时螺旋叶片加工制造存在一定的难度，而且螺旋叶片与罐体间焊接的技术难度较大且焊缝质量难以保证。国内以大庆石油学院为主设计了井下气液分离设备，并进行了相关工艺研究，将井下气液分离后的水流回注到注水层，气体经由排气装置进入开采层，但目前还主要处于地面分离试验的阶段，尚未见到其在井下气液分离方面进行实际应用。
[0004]综上所述，国外的井下气液分离和回注技术存在工作性能受限和加工制造较难等诸多问题，而国内的研究也只是处于地面试验阶段。为此，在依托现有可行性技术的基础上，采用抽油泵内气液两相流动仿真分析结果并结合胜利油田油气井和鄂尔多斯盆地非常规气井现场试验结果，研究不同气体含量对抽油泵正常运行和泵效的影响，为脱气装置的优化设计提供重要依据；同时采用新技术、新材料及加工工艺，研制出新型两级轴流井下脱气装置，对提高机采系统抽油效率以及油气井节能降耗和提升综合开发效益均具有重要意义。
【发明内容】
[0005]为了克服现有井下气液分离技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是研制一种适用于油气井产出液气液分离用的新型双筒式两级轴流井下脱气装置。该井下脱气装置与常规井下机采系统结合后，首次实现产出液在进泵前的气液两相分离，同时依据其双筒式特殊结构和两级轴流技术，达到提高机采系统效率，防止气锁现象发生，以及保证油气井高效开采的目标。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种双筒式两级轴流井下脱气装置，主要由进液器、内液筒、轴流管总成、整流器、排液器、排气器、外液筒和导流器几部分组成。井下脱气装置是通过油管柱和辅助井下工具随抽油泵和防砂筛管直接悬挂于井内产液层位的上部，其脱气机理是，经筛管除砂后的油气井产出液通过进液器流入井下脱气装置，而使内液筒充满具有井底流动压力的气液两相液体，产出液经轴流管总成上部进液口切向进入轴流管内进行两级轴流气液分离处理，首先产出液在上直管段内形成两股同轴向流动和同旋向的旋转流，流进上锥段后，增加的角动量使产出液与锥壁间的摩擦系数较小，产出液高速旋转，气体运移至轴流管中央形成反向上升的气柱，而初步气液分离后的产出液逐步甩向管壁，由此实现第一级轴流气液分离，此后产出液继续流入下直管段，在轴流场中停留一段时间后，流入下锥段，管道截面迅速收缩，获得大角加速度的产出液在轴向流动的过程中不断加速旋转，产出液中剩余的气体运移至轴流管中央形成气柱并与第一级轴流的气柱汇合后，经排气器升压后排出脱气装置并进入井下油管和套管的环形空间，而液体被甩向管壁并向下轴流至整流器反向整合成平稳流后，经排液器流入内液筒和外液筒的环形空间，最终由导流器进入抽油泵，进而举升至地面，自此实现第二级轴流气液分离。
[0007]进液器位于井下脱气装置的最下部，使筛管与内液筒保持联通而具有相同的井底流动压力，同时依据其不断缩小的流道截面，实现产出液提速，避免产出液所携带的少量细砂粒在内液筒的腔室中发生沉积。进液器包括进液罩、进液体、隔板和支撑筋，各部件材质均选用双向不锈钢。进液罩外形呈现“喇叭口”形，自上而下依次由壳体、锥体和垫板组合而成，垫板采用环形板状结构，其外环面与隔板凹槽间采用间隙配合，垫板四周加工有均匀布置的螺纹孔；锥体采用筒形倒圆锥体结构，产出液流经锥体截面收缩后进入壳体，锥体大端圆面直径等于垫板内环面的直径，而其小端圆面直径则等于壳体外径；壳体的外表面采用倒圆锥体和圆柱体组合的结构，而其内表面则采用变截面的流线形结构，其轴向剖面轮廓线的上部和下部均为与进液器轴线平行的直线段，中上部呈下凹式的圆弧段，而中下部呈上凸式的圆弧段，直线段与圆弧段之间相切，同时圆弧段结合处的法线重合，保证进液罩内流动产出液的连续性和稳定性。进液体采用变截面的梭体结构，其上部为圆锥体，避免产出液在进液器出口处产生涡流；进液体剖面的轮廓线与进液罩剖面相配合，由上而下依次为直线段、上凸式和下凹式的圆弧段，保证进液器内的流道呈面积逐渐缩小的变截面环形结构，使得流道内轴向流动产出液的流速不断提升。隔板采用环形板状结构，通过过盈配合实现进液器与外液筒间的固定，隔板内环面上部设计有矩形全环凹槽，凹槽下面均布的螺钉孔配合螺钉紧固件后实现隔板与进液罩间的联接。支撑筋采用截面为菱形的条状结构，数量为四个且均匀布置于进液罩顶部实现进液体与进液罩间的定位。
[0008]内液筒用来容纳进入井下脱气装置中尚处于气液两相的产出液，同时维持大小为井底压力的内压，以保证产出液以较高的初速度射进轴流管内形成高速旋转流。内液筒包括管盖、内液筒体和撑板，各部件材质均选用双向不锈钢。内液筒体采用圆柱筒体与倒圆锥体组合的结构，其上端的盲盖中央加工有内螺纹孔，而四周均匀布置三个螺纹通孔；中部的圆柱筒体外径等于进液罩垫板外环面的直径；下部的倒圆锥体小端圆面直径等于进液罩壳体的外径，并与进液罩的锥体间通过圆周焊的方式实现内液筒的固定，同时倒圆锥体的中部加工有三个与轴流管位置相对应的圆形孔眼。管盖采用环形柱体，其上部端盖的中央加工有圆孔，而下部柱体外环面上的外螺纹与内液筒体盲盖联接后实现轴流管在内液筒中的定位。撑板采用柱形圆板，其中央内环面采用锥度为20°的倒圆锥面，与进液罩的壳体相配合而实现定位，以保证撑板的水平度以及轴流管和整流器的垂直度；撑板四周均匀布置三个与整流器位置相对应的倒圆锥形孔眼。
[0009]轴流管总成用来实施两级轴流气液分离，保证产出液得到高效而彻底的脱气处理。轴流管在内液筒中沿圆周方向垂向均匀布置，且轴流管总成的轴线与脱气装置的中轴线重合。为保证产出液得到高效脱气处理同时考虑产出液量和井筒内空间限制，轴流管总成最终优选为三个轴流管并联的方式。轴流管上部通过溢气段与排气器保持贯通，溢气段与内液筒的管盖间采用间隙配合；同时轴流管下部通过下锥段、整流器和排液器与外液筒保持联通，并且下锥段通过圆周焊实现轴流管与整流器间的固定。
[0010]三个轴流管均采用相同的结构和尺寸，以实现其标准化和组块化设计，轴流管采用锥体和柱体相结合的特殊构造，整体呈现上粗下细的倒锥形，包括溢气段、上下直管段和上下锥段，各部件材质均选用双向不锈钢，同时内衬环氧树脂。
[0011]产出液在上直管段和上锥段内实施第一级轴流气液分离，上直管段的外环面采用柱形和倒圆锥形相结合的结构，而其内环面为圆柱形，上直管段的上部加工有沿圆周方向对称布置的进液口，进液口的出口沿顺时针排列，保证产出液在轴流管内产生相同旋向的旋转流。每个进液口为具有一定直径的柱形孔道，孔道水平剖面的外端线与上直管段所在位置的圆周相切，保证产出液切向进入轴流管内并形成两股同轴向流动的旋转流。上锥段的大端圆面直径等于上直管段的内径，而小端圆面直径等于下直管段的内径，旋转流由上直管段进入上锥段后，角动量增加，其与锥壁间的摩擦系数变小，由此高速旋转。
[0012]产出液在下直管段和下锥段内实施第二级轴流气液分离，下直管段实现两级轴流气液分离管段间的联接，并且轴流管的上直管段和下直管段沿轴向的间距依次减小，保证旋转流在下直管段中停留较短的时间。下锥段大端圆面的直径等于上锥段小端圆面的直径，同时轴流管的上锥段和下锥段沿轴向的间距依次减小，而锥面的锥度依次增大，分别优化设计为10°和20°，保证旋转流进入下锥段后管道截面迅速收缩，角加速度变大，旋转速度不断提升，实现剩余气液最佳的分离效果。
[0013]溢气段位于轴流管的上端，用来保证两级轴流气液分离后的气体顺利收缩并溢出轴流管。溢气段的上部依次采用法兰盘和弯头，并通过螺栓紧固件实现轴流管总成与排气器间的联接；其下部外环面上加工有等间距分层布置的全环矩形凹槽，每层凹槽与内液筒管盖配合的部位放置〇形密封圈，以实现内液筒与轴流管间的密封；同时溢气段通过上直管段的上端面实现其与内液筒间的定位。溢气段内环面采用圆锥面与弯曲柱面相结合的结构，保证气体溢出时体积不断减小同时流压逐渐提升，以便顺利排出。溢气段入口轴线与轴流管的轴线相重合，而出口轴线则与水平面成45°，以减小气流变向带来的管阻损失。
[0014]整流器上接轴流管而下接排液器，产出液脱气后的液体向下轴流至整流器，进行反向整合并变成平稳流，使得流压得以恢复和提升。三个整流器均布的位置与轴流管相对应，每个整流器包括整流筒、整流叶片、整流杆和整流轮，除整流叶片外其他部件均采用双向不锈钢材质。整流筒采用圆筒结构，其外环面下部采用锥度为20°的倒圆锥形结构，与内液筒撑板的孔眼相配合而实现定位，而其内环面直径等于轴流管下锥段小端圆面的直径。整流杆与整流器同轴布置，采用锥体和杆体相结合的构造，其上部锥体用来将液体顺利导流至整流叶片上，而其下部锥体用来将反向整合后的液体顺利引至整流轮并避免液体离开导流叶片后局部发生涡流。整流轮用来将液体变成平稳流，为保持液体的流通性，其轮轴采用薄壁圆管，八个轮片沿轮轴外环面垂向均匀排列，每个轮片的上部采用截面为等腰三角形的尖端结构，以减小液体切入时的摩阻。
[0015]整流叶片用来将脱气后的液体反向整合，其材料选用60Si2Mn，调质处理布氏硬度大于230。每个整流器包含两个整流叶片并沿圆周方向均匀排列，且通过焊接而固定于整流杆上。整流叶片的齿线为沿整流杆外环面展开的螺旋线，螺旋线的高度等于整流杆杆体的高度，而螺距逐渐增大。整流叶片在垂直于齿线的法面端面为等腰梯形，并且里宽外窄，以保证整流叶片刚度和强度，同时保持叶片上连续而稳定的液膜。上部二分之一螺距的法面端面高度沿齿线保持不变，法面端面外侧面所在圆柱面的直径等于整流筒内环面的直径，并与整流筒之间采用过盈配合而实现整流叶片和整流杆的固定；而下部四分之一螺距的法面端面高度沿齿线不断降低，为此液体在整流叶片上的接触面积逐渐缩小，以保证液体在反向整合的过程中流压逐步回升并且最终平稳流出整流叶片。
[0016]排液器用来将产出液脱气后的液体顺利排入外液筒，它包括排液管和排液轮，材质均采用双向不锈钢。排液管入口段采用弯头，实现液体由整流器至排液器45°方向的改变；此后液体流进增压段，增压段截面的面积逐渐增大，使得液体的动能转变为焓增，液体的流压得以提高；排液管外环面采用锥面和柱面结合的结构，其中柱面与内液筒体下部的圆形孔眼通过间隙配合进行联接。排液轮位于排液管的出口段，其构造类似整流器中的整流轮，保证脱气后的液体最终平稳的射入外液筒。
[0017]外液筒位于井下脱气装置的最外层，与内液筒一起形成液体流动的双筒环形空间，用来将轴流管脱气后的液体向上输送至导流器。外液筒材料采用45钢，其外表面喷焊处理，而内壁表面化学镀处理，镀层厚度大于0.08毫米，喷焊层和镀层与基体金属牢固结合。外液筒上下两端均加工有外螺纹，上端通过接箍与抽油泵联接，而下端通过接箍与筛管联接。外液筒上部加工有三个沿圆周方向均匀排列的圆形孔眼，孔眼轴线与水平面成45°。
[0018]排气器用来将产出液脱出的气体减速升压后排进井下油管和套管的环形空间，同时避免作业中井底压力波动而变低时引发井筒中的流体通过排气器反串至脱气装置中。三个排气器均布的位置与轴流管相对应，每个排气器包括压力控制阀和扩压管，排气器轴线与轴流管溢气段出口轴线相重合且与水平面成45°。扩压管依次采用法兰盘、锥体和柱体相结合的构造，其内环面锥面的锥度小于外环面的锥度，锥体处流道的截面逐渐收缩，向上流动的气体在此被压缩后，减速而压力提升。扩压管出口处连接有压力控制阀，保证气体升压后顺利排入井筒的同时，避免井底压力波动工况中井筒中的流体发生回流。
[0019]导流器位于井下脱气装置的最上部，将外液筒内的液体经提速后送入抽油泵，避免液体携带砂粒工况时在外液筒中发生沉积。导流器包括导流罩和导流锥，导流罩和导流锥的轴线与脱气装置的中轴线重合，上端面均与外液筒的上端面相平齐，以实现导流器的定位。导液罩的材质选择35CrMo，罩表面采用氧化处理且调质处理布氏硬度不低于220 ；而导流锥的材质选择60Si2Mn，调质处理布氏硬度大于230。导液罩采用变截面回转体结构，其下端高于排气器压力控制阀出口所在的位置，而外环面直径等于外液筒内径，并与外液筒间采用过盈配合进行固定；导液罩内壁采用流线形，其轴向剖面轮廓线的上部呈上凸式的圆弧段，圆弧段出口处所在的切线与导流器轴线相平行，而其下部呈下凹式的圆弧段，圆弧段入口处所在的切线与导流器轴线相平行。导流锥采用两端细中间粗的变截面锥形结构，其最下部的柱面上加工有外螺纹，与内液筒体联接后而实现导流锥的固定；导流锥与导流罩配合使用后保证液体流动的通道呈横截面面积逐渐缩小的圆环形构造，以实现液体流速不断增大。导流锥轴向剖面外轮廓线与导流罩剖面的轮廓线相配合，其上部呈下凹式的圆弧段，圆弧段出口处所在的切线与导流器轴线相平行，保证液体沿轴向均匀流出；中部呈上凸式的圆弧段，圆弧段两端结合处的法线均重合，保证导流器流道内液体的连续性；下部呈下凹式的圆弧段，圆弧段入口处所在的切线与导流器轴线相平行，保证外液筒中的液体沿轴向平稳流入导流器。
[0020]本发明所能达到的技术效果是，该井下脱气装置依据其双筒式特殊结构和两级轴流技术，实现产出液在进泵前的气液两相分离，从而提高机采系统效率，防止气锁现象发生，保证油气井高效开采；进液器使筛管与内液筒保持联通，并依据其不断缩小的流道截面，实现产出液提速，避免细砂粒发生沉积；内液筒用来维持大小为井底压力的内压，保证产出液以较高的初速度射进轴流管内形成高速旋转流；外液筒与内液筒一起形成液体流动的双筒环形空间，用来输送轴流管脱气后的液体；轴流管总成实现井下产出液的两级轴流气液分离，保证产出液得到高效而彻底的脱气处理；整流器上设置整流叶片，将产出液脱气后的液体进行反向整合并变成平稳流，流压得以恢复和提升；导流器将外液筒内的液体经提速后送入抽油泵，避免砂粒发生沉积；排液器用来将脱气后的液体顺利排入外液筒，而排气器用来将产出液脱出的气体减速升压后排进井筒，同时避免井筒中的流体经排气器产生回流。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是根据本发明所提出的双筒式两级轴流井下脱气装置的典型结构简图。
[0022]图2是图1的A— A剖视图。
[0023]图3是双筒式两级轴流井下脱气装置中进液器的结构简图。
[0024]图4是双筒式两级轴流井下脱气装置中内液筒的结构简图。
[0025]图5是双筒式两级轴流井下脱气装置中轴流管的结构简图。
[0026]图6是双筒式两级轴流井下脱气装置中整流器的结构简图。
[0027]图7是双筒式两级轴流井下脱气装置中排液器的结构简图。
[0028]图8是双筒式两级轴流井下脱气装置中排气器的结构简图。
[0029]图9是双筒式两级轴流井下脱气装置中导流器的结构简图。
[0030]图10是双筒式两级轴流井下脱气装置的气液分离流程简图。
[0031]图中I 一导流器,2 —排气器,3 —外液筒,4 一内液筒,5 —轴流管总成,6 —整流器，7 —排液器,8 —进液器,9 一支撑筋,10 一进液体,11 一进液罩，12 一隔板,13 一管盖，14 一内液筒体，15 一撑板，16 一溢气段，17 一上直管段，18 一上锥段，19 一下直管段，20 一下锥段，21 一整流筒，22 一整流叶片，23 —整流杆，24 一整流轮，25 一排液轮，26 一排液管，27 一压力控制阀,28 —扩压管，29 —导流罩，30 —导流锥。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。
[0033]在图1和图2中，双筒式两级轴流井下脱气装置依次由导流器1、排气器2、外液筒
3、内液筒4、轴流管总成5、整流器6、排液器7和进液器8组成，作业时，该井下脱气装置通过接箍上接抽油泵而下接防砂筛管，并随油管柱和辅助井下工具顺着套管柱直接下井，最终悬挂于井内产液层位的上部。装配时，首先将进液器8固定于外液筒3底部，然后分别将各轴流管总成5的轴流管、整流器6和排液器7焊接成三个单体，并依次与内液筒4联接后插入进液器8，接着将各排气器2固定于外液筒3上部，并通过紧固件与轴流管总成5的各轴流管联接，最后将导流器I的导流锥接于内液筒4顶部，并将导流器I的导流罩嵌入外液筒3顶部，井下脱气装置装配完成后，外液筒3最后进行喷漆处理。
[0034]在图1和图2中，双筒式两级轴流井下脱气装置调试时，首先对整个装置进行液压试验和气密性试验；然后，依次检查各焊缝是否合格，各接头是否接好；最后，检查各联接螺纹紧固件是否松动，有无锈蚀。修井作业期间维护时，需对各部件分别进行检修，首先依次检查内液筒4、轴流管总成5的轴流管进液口、排液器7和外液筒3是否有异物堆积，然后检查整流器6的整流叶片表面是否有锈蚀，必要时进行更换，接着检查轴流管总成5各轴流管、导流器I和进液器8上的污垢，必要时可用碱洗或者清洗液进行清洗。
[0035]在图3中，进液器8通过隔板12固定于外液筒3底部，进液罩11的壳体与内液筒4撑板中央的内环面配合而使得筛管与内液筒4相互间保持联通。进液体10通过支撑筋9接于进液罩11的顶部，进液体10配合进液罩11使得进液器8内的流道截面逐渐缩小，由此实现油气井产出液的流速不断提升。
[0036]在图4中，内液筒4通过撑板15和内液筒体14下部倒圆锥体的共同作用而接于进液器8上，同时内液筒4由内液筒体14来容纳已经过滤砂处理而尚未脱气处理的油气井产出液，并通过管盖13来封隔外液筒3中已脱气处理的液体和内液筒4中未脱气的产出液，最终保证内液筒4内的产出液始终维持井底压力的内压。
[0037]在图5中，轴流管总成5位于内液筒4内，依据三个垂向均匀布置的轴流管完成产出液两级轴流气液分离，其中产出液先在上直管段17和上锥段18内高速旋转，完成第一级轴流气液分离，然后在下直管段19和下锥段20内旋转速度再次不断提升，完成第二级轴流气液分离，两级轴流气液分离后的气体通过轴流管上端的溢气段16顺利收缩并溢出轴流管，而气液分离后的液体经下锥段20出口继续向下轴流至整流器6，由此使得产出液得到高效而彻底的脱气处理。
[0038]在图6中，整流器6通过焊接与轴流管和排液器7合为一体，使轴流管与外液筒3保持联通，整流筒21下部嵌入撑板15的孔眼内实现轴流管在内液筒4中的定位，脱气后的液体经整流杆23的上部锥体顺利导流至整流叶片22上，进行反向整合后由整流杆23的下部锥体引至整流轮24形成平稳流。
[0039]在图7中，排液器7嵌入内液筒4倒圆锥体中部的圆孔内，整流轮24出口的平稳流继续向下轴流至排液管26，流压得以提升后，再通过排液轮25将轴流管脱气后的液体平稳地射入外液筒3与内液筒4所构成的双筒环形空间内。
[0040]在图8中，排气器2的上部嵌入外液筒3上部的圆形孔眼内，而其下部通过螺栓联接与轴流管合为一体并保持贯通，产出液脱气后的气体经轴流管的溢气段16进入排气器2的扩压管28，气体被压缩而减速升压，再通过压力控制阀27排进井下油管和套管的环形空间。在气体减速升压后的压力低于油管和套管的环形空间内流压的情况下，压力控制阀27自动关闭，待气体压力再次高于环形空间内流压时，压力控制阀27自行开启。
[0041]在图9中，导流器I的导流罩29嵌入外液筒3的顶部，而导流锥30通过螺纹接于内液筒4的顶端后与导流罩29配合，使得导流器I内的环形通道截面不断缩小，由此实现外液筒3内的液体进入导流器I后流速得以提升后进入抽油泵。
[0042]在图10中，油气井产出液气液分离的具体流程为，产出液经筛管除砂后流入井下脱气装置，首先通过进液器8使得其流速得以提升，然后经进液体10和进液罩11进入内液筒4，产出液在筛管、进液器8和内液筒4内的压力均等于井底流动压力；接着产出液经轴流管总成5各轴流管上部的进液口切向射入上直管段17，并形成两股同轴向流动和同旋向的旋转流后加速轴流至上锥段18，在此产出液的角动量增加进而高速旋转，上直管段17及上锥段18内的高速轴流使得产出液中的气体运移至轴流管中央形成反向上升的气柱，而初步气液分离后的产出液则逐步甩向管壁；此后产出液继续向下轴流至下直管段19的轴流场中停留一段时间后，流入下锥段20，在此获得更大的角加速度进而在高速状态下不断加速旋转，下直管段19及下锥段20内的进一步加速轴流使得产出液中剩余的气体再次运移至轴流管中央形成气柱,并反向上升与第一级轴流的气柱汇合形成同一气柱，由溢气段16进入排气器2，最后通过扩压管28升压后经压力控制阀27送至井下油管和套管的环形空间，此时排气器2内气体的压力高于油管和套管环形空间内的流压；而脱气后的液体被甩向管壁并在下锥段20内汇集后向下轴流至整流器6，通过整流叶片22反向整合后流至整流轮24形成平稳流，然后经排液器7的排液管26提升流压后由排液轮25平稳射入外液筒3内，最终流经外液筒3与内液筒4的双筒环形空间输送至导流器1，并通过导流罩29和导流锥30提速后进入抽油泵，此时液体在排液器7出口、双筒环形空间、导流器I和抽油泵入口处的压力均相等。
【权利要求】
1.一种双筒式两级轴流井下脱气装置，与常规井下机采系统结合后，依据其双筒式特殊结构和两级轴流技术，实现产出液在进泵前的气液两相分离，其特征在于: 一进液器；所述进液器的进液罩外形呈现“喇叭口”形，产出液流经锥体截面收缩后进入壳体，壳体的外表面采用倒圆锥体和圆柱体组合的结构，而其内表面则采用变截面的流线形结构；进液体采用变截面的梭体结构，其剖面的轮廓线与进液罩剖面相配合，进液器内流道呈面积逐渐缩小的变截面环形结构，隔板通过过盈配合实现进液器与外液筒间的固定; 一内液筒；所述内液筒的内液筒体采用圆柱筒体与倒圆锥体组合的结构，撑板中央内环面采用锥度为20°的倒圆锥面，与进液罩的壳体相配合而实现定位； 一轴流管总成；所述轴流管总成的轴流管在内液筒中沿圆周方向垂向均匀布置，三个轴流管均采用相同的结构和尺寸，轴流管采用锥体和柱体相结合的特殊构造，整体呈现上粗下细的倒锥形；产出液在上直管段和上锥段内实施第一级轴流气液分离，并在下直管段和下锥段内实施第二级轴流气液分离；轴流管的上直管段和下直管段沿轴向的间距依次减小，且上锥段和下锥段沿轴向的间距依次减小，而锥面的锥度依次增大；溢气段外环面上加工有等间距分层布置的全环矩形凹槽，而其内环面采用圆锥面与弯曲柱面相结合的结构；一整流器；所述整流器均布的位置与轴流管相对应，整流筒外环面下部采用锥度为20°的倒圆锥形结构，整流杆与整流器同轴布置，采用锥体和杆体相结合的构造，整流轮的八个轮片沿轮轴外环面垂向均匀排列；每个整流器包含两个整流叶片并沿圆周方向均匀排列，整流叶片的螺距逐渐增大，整流叶片在垂直于齿线的法面端面为等腰梯形，并且里宽外窄，上部二分之一螺距的法面端面高度沿齿线保持不变，而下部四分之一螺距的法面端面高度沿齿线不断降低，液体在整流叶片上的接触面积逐渐缩小； 一排液器；所述排液器的排液管增压段截面的面积逐渐增大，使得液体的动能转变为焓增，流压得以提高，排液轮构造类似整流器中的整流轮； 一外液筒；所述外液筒与内液筒一起形成液体流动的双筒环形空间； 一排气器；所述排气器轴线与轴流管溢气段出口轴线相重合，扩压管内环面锥面的锥度小于外环面的锥度，锥体处流道的截面逐渐收缩，扩压管出口处连接有压力控制阀； 一导流器；所述导流器的导流罩和导流锥的轴线与脱气装置的中轴线重合，上端面均与外液筒的上端面相平齐；导液罩采用变截面回转体结构，其下端高于排气器压力控制阀出口所在的位置，而内壁采用流线形；导流锥采用两端细中间粗的变截面锥形结构，导流锥与导流罩配合使用后保证液体流动的通道呈横截面面积逐渐缩小的圆环形构造，且导流锥轴向剖面外轮廓线与导流罩剖面的轮廓线相配合。
2.根据权利要求1所述的双筒式两级轴流井下脱气装置，其特征在于:所述进液罩的垫板外环面与隔板凹槽间采用间隙配合，锥体大端圆面直径等于垫板内环面的直径，而其小端圆面直径则等于壳体外径； 所述进液罩的壳体内表面的轴向剖面轮廓线的上部和下部均为与进液器轴线平行的直线段，中上部呈下凹式的圆弧段，而中下部呈上凸式的圆弧段。
3.根据权利要求1或2所述的双筒式两级轴流井下脱气装置，其特征在于:所述进液器的进液体上部为圆锥体，其剖面的轮廓线由上而下依次为直线段、上凸式和下凹式的圆弧段； 所述进液器的隔板采用环形板状结构，其内环面上部设计有矩形全环凹槽； 所述进液器的支撑筋采用截面为菱形的条状结构，数量为四个且均匀布置于进液罩顶部。
4.根据权利要求1所述的双筒式两级轴流井下脱气装置，其特征在于:所述内液筒体中部的圆柱筒体外径等于进液罩垫板外环面的直径，而下部的倒圆锥体小端圆面直径等于进液罩壳体的外径，同时倒圆锥体的中部加工有三个与轴流管位置相对应的圆形孔眼； 所述内液筒的管盖下部柱体外环面上的外螺纹与内液筒体盲盖联接后实现轴流管在内液筒中的定位； 所述内液筒的撑板四周均匀布置三个与整流器位置相对应的倒圆锥形孔眼； 所述外液筒上端通过接箍与抽油泵联接，而下端通过接箍与筛管联接；外液筒上部加工有三个沿圆周方向均匀排列的圆形孔眼，孔眼轴线与水平面成45°。
5.根据权利要求1所述的双筒式两级轴流井下脱气装置，其特征在于:所述轴流管总成的轴线与脱气装置的中轴线重合，轴流管上部通过溢气段与排气器保持贯通，溢气段与内液筒的管盖间采用间隙配合，同时轴流管下部通过下锥段、整流器和排液器与外液筒保持联通。
6.根据权利要求1或5所述的双筒式两级轴流井下脱气装置，其特征在于:所述轴流管上直管段的上部加工有沿圆周方向对称布置的进液口，进液口的出口沿顺时针排列，每个进液口孔道水平剖面的外端线与上直管段所在位置的圆周相切； 所述轴流管上锥段的大端圆面直径等于上直管段的内径，而小端圆面直径等于下直管段的内径； 所述轴流管下直管段实现两级轴流气液分离管段间的联接，下锥段大端圆面的直径等于上锥段小端圆面的直径； 所述轴流管溢气段通过上直管段的上端面实现其与内液筒间的定位，溢气段入口轴线与轴流管的轴线相重合，而出口轴线则与水平面成45°。
7.根据权利要求1所述的双筒式两级轴流井下脱气装置，其特征在于:所述整流器的整流筒外环面与内液筒撑板的孔眼相配合而实现定位，而其内环面直径等于轴流管下锥段小端圆面的直径； 所述整流器的整流杆上部锥体用来将液体顺利导流至整流叶片上，而其下部锥体用来将反向整合后的液体顺利引至整流轮； 所述整流器的整流轮轮轴采用薄壁圆管，每个轮片的上部采用截面为等腰三角形的尖端结构。
8.根据权利要求1或7所述的双筒式两级轴流井下脱气装置，其特征在于:所述整流叶片的齿线为沿整流杆外环面展开的螺旋线，螺旋线的高度等于整流杆杆体的高度； 所述整流叶片上部二分之一螺距的法面端面外侧面所在圆柱面的直径等于整流筒内环面的直径，并与整流筒之间采用过盈配合而实现整流叶片和整流杆的固定。
9.根据权利要求1所述的双筒式两级轴流井下脱气装置，其特征在于:所述排液器的排液管入口段采用弯头，实现液体由整流器至排液器45°方向的改变；排液管外环面采用锥面和柱面结合的结构，其中柱面与内液筒体下部的圆形孔眼通过间隙配合进行联接； 所述三个排气器均布的位置与轴流管相对应，扩压管依次采用法兰盘、锥体和柱体相结合的构造。
10.根据权利要求1所述的双筒式两级轴流井下脱气装置，其特征在于:所述导流器的导液罩外环面直径等于外液筒内径，并与外液筒间采用过盈配合进行固定； 所述导流器的导液罩轴向剖面轮廓线的上部呈上凸式的圆弧段，圆弧段出口处所在的切线与导流器轴线相平行，而其下部呈下凹式的圆弧段，圆弧段入口处所在的切线与导流器轴线相平行； 所述导流器的导流锥轴向剖面外轮廓线的上部呈下凹式的圆弧段，圆弧段出口处所在的切线与导流器轴线相平行，中部呈上凸式的圆弧段，圆弧段两端结合处的法线均重合，下部呈下凹式的圆弧段，圆弧段入口处所在的切线与导流器轴线相平行。
【文档编号】E21B43/38GK104196516SQ201410480040
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】刘春花, 刘新福, 张明 申请人:中国石油大学(华东)