用于井下水分离的系统、装置和方法与流程

优先权要求

本申请要求于2017年7月27日提交的美国临时申请号62/537,582和于2018年7月20日提交的美国发明申请号16/041,510的优先权，它们的内容通过引用结合于此。

本文涉及用于油井作业中的水和石油的井下分离的系统和技术。

背景

具有油和气的废水采出是石油和天然气行业的难题。在石油和天然气的生产过程中，石油和天然气有时还包含水(例如，含水率(water-cut))。通过井采出的水可能源自含烃带、靠近含烃带的含水层或注入井下的水。可以将水注入井下以提高储层波及系数以维持压力。有时还将多种化学品与注入水混合以提高储层波及系数。当在地面处采出时，水、油和气的这种混合物从环境角度看可能产生问题。在钻入到成熟储层中的井中，含水率可能增加，从而降低了井的经济可行性并且因此有时会导致井废弃。

在先前的方案中，烃和水在地面采出并分离。先前的方案还包括通过机械手段、化学品、受控采出或这些方法的某种组合来阻止水侵蚀。这样的方案通常不利地损害井的石油生产能力。

概述

总体上，本文描述了用于油井作业中的水和油的井下分离的系统和技术。

一个方面涉及一种用于石油生产和井下水分离的油井系统，该油井系统包括井眼，其被形成为穿过地表进入到地表下方的烃地层中。井眼包括限定管状腔的套管。井眼包括在套管和烃地层之间的环空中的水泥。井眼还包括射孔，其穿过套管和水泥进入到烃地层中以将来自烃地层的液体烃和水的乳液接收到管状腔中。射孔与套管相切以促使乳液变为管状腔中的旋转涡流，从而将液体烃与水分离。射孔可以与套管的内表面相切并且处于协作取向。内表面的曲率可以将乳液的流动导向为绕着管状腔的中心轴线的旋转流。套管可以是限定管状腔并且具有内表面的圆柱形壁。管状腔通过射孔与烃地层流体连通。在示例中，射孔不包括径向射孔。旋转流和旋转涡流可以包括水力旋流(hydrocyclonicflow)。

油井系统可以包括提取管(extractiontubing)以将分离出的液体烃从井眼输送到地表，其中液体烃可以包括石油。此外，井眼包括在井眼的下部部分处的腔室以积聚与液体烃分离的水。另外，油井系统可以包括设置在腔室中的螺旋桨以搅动腔室中的水，从而使腔室中的碎屑变为悬浮在腔室中的水中。地面泵可以通过出水管将水从腔室中抽到地表。井眼中的管道可以将水从地表输送至螺旋桨以驱动螺旋桨，其中螺旋桨是液压螺旋桨。

另一个方面涉及一种操作油井系统的方法，该方法包括井下水分离。该方法包括通过射孔将来自烃地层的液体烃和水的乳液接收到井眼中。射孔穿过井眼的套管并且与套管的内表面相切，从而促使乳液变为旋转涡流以在套管中将水与液体烃分离。该方法包括将分离出的水收集到在井眼的下部部分处的腔室中并将分离出的水输送到井眼的地面端。将分离出的水收集在井眼的下部中可以包括通过在井眼中的封隔器处的单向阀将分离出的水接收到井眼的下部部分。封隔器和在井眼的下部部分处的套管的内壁可以至少部分地限定作为井眼的下部部分的腔室。该方法还可以包括通过在井眼的下部部分中的螺旋桨搅动在井眼的下部部分中的水。示例性方法还可以包括处理输送到井眼的地面端的分离出的水以从分离出的水去除固体。

又一个方面涉及一种用于石油生产和井下水分离的油井系统，其包括在具有液体水和液体烃的乳液的地质地层中的井眼。井眼具有射孔以接收来自地质地层的乳液。该油井系统包括设置在井眼中的水分离器(例如，水力旋流器)以接收乳液并将液体水与液体烃分离。水分离器包括多个窗孔(aperture)以将乳液接收到水分离器中。多个窗孔(例如，切向狭槽)可以布置成协作以提供乳液进入到水分离器中的切向入口。此外，油井系统可以包括管道如油管，以将所分离的液体烃从水分离器运送到地表。

此外，油井系统包括在井眼中的封隔器处的单向阀，以所分离的液体水排放到在封隔器下方的井眼的底部部分。油井系统还包括在井眼的底部部分中的螺旋桨以搅动底部部分中的水，从而使底部部分中的固体悬浮在水中。地面泵和管道如油管可以向螺旋桨提供水以驱动螺旋桨，其中螺旋桨是液压螺旋桨。该系统还可以包括地面泵，以将具有悬浮固体的水从底部部分通过管道泵送到地表。水处理单元可以被配置成接收具有悬浮固体的水并且从水中去除固体。另一个井眼可以从水处理单元接收经处理的水以注入到地质地层中。

又一个方面包括一种操作用于石油生产和井下水分离的油井系统的方法，该方法包括通过井眼射孔将来自地质地层的乳液接收到井眼中的水分离器(例如水力旋流器)中，所述乳液具有液体水和液体烃。将乳液接收到水分离器中可以包括通过水分离器的多个窗孔(例如，切向狭槽)接收乳液。多个窗孔可以协作，从而提供乳液进入到水分离器中的切向入口。

所述方法包括通过水分离器将液体水与液体烃分离。该方法包括将液体水从水分离器向下朝向在井眼封隔器处的单向阀排放，并且使液体水流过单向阀到达在井眼封隔器下方的井眼的底部部分。另外，该方法包括通过螺旋桨搅动在底部部分中的水以使底部部分中的固体悬浮在水中。在一些示例中，该方法包括将水从地表注入至螺旋桨以驱动螺旋桨，其中该螺旋桨是液压螺旋桨。

所述方法可以包括凭借地面泵将具有悬浮固体的水从井眼的底部部分通过管道泵送到地表。此外，该方法可以包括通过水处理单元从具有悬浮固体的水去除固体。此外，该方法可以包括将水从水处理单元泵送到另一个井眼并且通过另一个井眼中的射孔将水注入到地质地层中。

在第一方面，一种用于井下水分离的系统包括：包括管状壁的井眼，该管状壁限定：(1)在地壳内的油储层地层内的井眼的内表面；和(2)第一通道，该第一通道在径向上延伸穿过管状壁和内表面，并且限定第一纵向通道轴线，该第一纵向通道轴线与经过内表面上的第一点的第一切线平行或基本上平行。

在一些实施方案中，管状壁可以进一步限定在径向上从由管状壁限定的中心轴线延伸至第一点的第一半径，并且第一纵向通道轴线和第一半径形成在约45°至约135°的第一范围或约225°至约315°的第二范围内的第一角度。

在一些实施方案中，所述系统还包括第二通道，该第二通道在径向上延伸穿过管状壁和内表面，并且限定与经过内表面上的与第一点间隔开的第二点的第二切线平行或基本上平行的第二纵向通道轴线，其中管状壁还限定在径向上从纵向壁轴线(或中心轴线)延伸至第二点的第二半径，并且第二纵向通道轴线和第二半径形成在与第一角度的第一范围或第二范围中的一个相同的范围内的第二角度。在一些实施方案中，管状壁包括套管和与油储层地层接触的绕套管径向布置的水泥层，其中第一通道延伸穿过套管和水泥层。在一些实施方案中，第一通道可以延伸到沿着或基本上沿着第一纵向通道轴线在油储层地层中形成的射孔中并且部分地由所述射孔限定。在一些实施方案中，该系统还可以包括设置在井眼内靠近第一通道的水分离装置。水分离装置可以包括管状壳体和布置在管状壳体内的提取管，并且被配置成在该管状壳体内产生水力旋流。

在第二方面，一种用于形成井下水分离器的方法可以包括：(1)将井下工具放置在油储层地层中形成的井眼中，其中井眼由限定中心轴线的管状壁和内表面限定；和(2)对管状壁打孔以限定在径向上延伸穿过管状壁和内表面的第一通道，该第一通道限定与经过内表面上的第一点的第一切线平行或基本上平行的第一纵向通道轴线。

在一些实施方案中，管状壁还限定在径向上从由管状壁限定的中心轴线延伸至第一点的第一半径，并且第一纵向通道轴线和第一半径形成在约45°至约135°的第一范围或约225°至约315°的第二范围内的第一角度。在一些实施方案中，井眼还包括第二通道，该第二通道在径向上延伸穿过管状壁和内表面，并且限定与第二切线平行或基本上平行的第二纵向通道轴线，该第二切线经过内表面上的与第一点间隔开的第二点，其中管状壁还限定在径向上从中心轴线延伸至第二点的第二半径，并且第二纵向通道轴线和第二半径形成在与第一角度的第一范围或第二范围中的一个相同的范围内的第二角度。在一些实施方案中，管状壁包括套管和与油储层地层接触的绕套管径向布置的水泥层，其中第一通道延伸穿过套管和水泥层。在一些实施方案中，第一通道延伸到沿着或基本上沿着第一纵向通道轴线在油储层地层中形成的射孔中并且部分地由所述射孔限定。

在第三方面，一种用于井下水分离的方法包括：(1)通过第一通道接收包含液体水和液体烃的流体混合物，该第一通道限定与经过在油储层地层中形成的井眼的内表面上的第一点的第一切线平行或基本上平行的第一纵向通道轴线，并且在径向上延伸穿过管状壁和井眼的内表面，该流体混合物沿着第一纵向通道轴线以线性流动或基本上线性流动从油储层地层移动到井眼；(2)使内表面与流体混合物接触；(3)通过内表面使流动改变方向为离开第一纵轴线并变为绕着内表面的水力旋流；(4)通过水力旋流将液体水与液体烃分离；(5)将分离出的液体烃抽吸到设置在管状壁内靠近中心轴线的管中；(6)将分离出的液体烃通过所述管泵送到井眼的地面端。

在一些实施方案中，通过水力旋流将液体水与液体烃分离包括：(1)使流体混合物以旋转流流动，其中液体烃的浮力与液体水的浮力相比相对不同；(2)通过旋转流对流体混合物提供加速度；(3)通过加速度促使液体水在径向上离开中心轴线并朝向内表面；和(4)通过浮力和加速度促使液体烃在径向上离开内表面并朝向中心轴线。在一些实施方案中，管状壁还限定在径向上从由管状壁限定的中心轴线延伸至第一点的第一半径，并且第一纵向通道轴线和第一半径形成在约45°至约135°的第一范围或约225°至约315°的第二范围内的第一角度。在一些实施方案中，井眼还包括第二通道，该第二通道在径向上延伸穿过管状壁和内表面，并且限定与经过在内表面上的与第一点间隔开的第二点的第二切线平行或基本上平行的第二纵向通道轴线，其中管状壁还限定在径向上从中心轴线延伸至第二点的第二半径，并且第二纵向通道轴线和第二半径形成在与第一角度的第一范围或第二范围中的一个相同的范围内的第二角度。在一些实施方案中，管状壁包括套管和与油储层地层接触的绕套管径向布置的水泥层，其中第一通道延伸穿过套管和水泥层。在一些实施方案中，第一通道延伸到沿着或基本上沿着第一纵向通道轴线在油储层地层中形成的射孔中并部分地由所述射孔限定。

在一些实施方案中，所述方法包括将水分离装置靠近第一通道放置在井眼内，其中水分离装置包括：(1)管状壳体，其沿着中心轴线从封闭的第一纵向壳体端部延伸至封闭的第二纵向壳体端部并且限定管状腔的壳体内表面；(2)提取管，其布置在管状壳体内并且穿过第一纵向壳体端部从靠近第一纵向壳体端部的第一开口端延伸至在管状腔内的第二开口端；和(3)至少一个窗孔，其在径向上被限定为穿过管状壳体和壳体内表面，在纵向上被限定为在第一纵向壳体端部和第二开口端之间的位置处，并且被形成为当液体通过窗孔流入到管状腔中时产生绕着管状腔的第二水力旋流。将液体水与液体烃分离还可以包括：(a)通过窗孔抽吸流体混合物的液流；(b)使壳体内表面与流体混合物接触；(c)通过壳体内表面使液流改变方向为绕着壳体内表面的第二水力旋流；(d)通过第二水力旋流将液体水与液体烃分离；其中将分离出的液体烃抽吸到设置在管状壁内靠近中心轴线的管中还包括将分离出的液体烃抽吸到提取管中，并且其中通过该管将分离出的液体烃泵送至井眼的地面端还包括通过提取管将分离出的液体烃泵送至地面。

在第四方面，一种水分离装置包括：(1)管状壳体，其沿着中心轴线从封闭的第一纵向壳体端部延伸至封闭的第二纵向壳体端部，并且限定管状腔的内表面；(2)提取管，其布置在管状壳体内并且穿过第一纵向壳体端部从靠近第一纵向壳体端部的第一开口端延伸至在管状腔内的第二开口端；和(3)至少一个窗孔，其在径向上被限定为穿过管状壳体和内表面，在纵向上被限定为在第一纵向壳体端部和第二开口端之间的位置处，并且被形成为当液体通过窗孔流入到管状腔中时产生绕着管状腔的水力旋流。

在一些实施方案中，窗孔可以形成为切向狭槽，该切向狭槽在径向上延伸穿过管状壳体和内表面，并且限定与经过内表面上的一个点的切线平行或基本上平行的纵向通道轴线。在一些实施方案中，窗孔形成为穿过管状壳体和内表面的螺旋槽。在一些实施方案中，第一开口端被配置成用于连接至泵，该泵被配置成将液体烃抽吸到第二开口端中并通过提取管。在一些实施方案中，第二纵向壳体端部通过阀门封闭。在一些实施方案中，阀门是挡板阀，该挡板阀被配置成当管状腔内的流体压力小于管状壳体外部的流体压力时封闭第二纵向壳体端部，并且当管状腔内的流体压力等于或大于管状壳体外部的流体压力时打开第二纵向壳体端部。

在第五方面，一种用于井下水分离的系统包括：(1)在具有液体水和液体烃的乳液的地质地层中的井眼；(2)位于井眼内的分离装置；和(3)泵，其液压地连接至分离器并被配置成通过提取管抽吸液体烃。分离装置包括：(i)管状壳体，其沿着中心轴线从封闭的第一纵向壳体端部延伸至封闭的第二纵向壳体端部并限定管状腔的内表面；(ii)提取管，其布置在管状壳体内并且穿过第一纵向壳体端部从靠近第一纵向壳体端部的第一开口端延伸至在管状腔内的第二开口端；以及(iii)至少一个窗孔，其在径向上被限定为穿过管状壳体和内表面，在纵向上被限定为在第一纵向壳体端部和第二开口端之间的位置处，并且被形成为当液体通过窗孔流入到管状腔中时产生绕着管状腔的水力旋流。

在一些实施方案中，窗孔形成为切向狭槽，该切向狭槽在径向上延伸穿过管状壳体和内表面，并且限定与经过内表面上的一个点的切线平行或基本上平行的纵向通道轴线。在一些实施方案中，窗孔形成为穿过管状壳体和内表面的螺旋槽。在一些实施方案中，第一开口端被配置成用于连接至泵，该泵被配置成将液体烃抽吸到第二开口端中并通过提取管。在一些实施方案中，第二纵向壳体端部通过阀门封闭。在一些实施方案中，阀门是挡板阀，该挡板阀被配置成当管状腔内的流体压力小于管状壳体外部的流体压力时封闭第二纵向壳体端部，并且当管状腔内的流体压力等于或大于管状壳体外部的流体压力时打开第二纵向壳体端部。

在一些实施方案中，所述系统还包括：(1)螺旋桨，其垂直地设置在分离装置下方并且被配置成搅动井眼中的液体和悬浮固体；(2)第二泵；和(3)流体管道，其被配置成通过第二泵的泵送作用提取由螺旋桨搅动的液体和悬浮固体。在一些实施方案中，井眼包括管状壁，该管状壁限定：地壳内的油储层地层中的井眼的内表面；和第一通道，该第一通道在径向上延伸穿过管状壁和内表面，并且限定与经过内表面上的第一点的第一切线平行或基本上平行的第一纵向通道轴线。

在第六方面，一种用于井下水分离的方法包括：(1)提供一种分离装置，该分离装置包括：(a)管状壳体，其沿着中心轴线从封闭的第一纵向壳体端部延伸至封闭的第二纵向壳体端部并限定管状腔的内表面；(b)提取管，其布置在管状壳体内并且穿过第一纵向壳体端部从靠近第一纵向壳体端部的第一开口端延伸至在管状腔内的第二开口端；以及(c)至少一个窗孔，其在径向上被限定为穿过管状壳体和内表面，在纵向上被限定为在第一纵向壳体端部和第二开口端之间的位置处，并且被形成为当液体通过窗孔流入到管状腔中时产生绕着管状腔的水力旋流。该方法还包括：(2)在地表的下方将分离装置井下放置在具有液体水和液体烃的乳液的地质地层中形成的井眼中；(3)使乳液从地质地层流入到井眼中；(4)通过窗孔抽吸乳液的液流；(5)使内表面与乳液接触；(6)通过内表面使液流改变方向为绕着内表面的水力旋流；(7)通过水力旋流将液体水与液体烃分离；(8)将分离出的液体烃通过提取管泵送至地面。

在一些实施方案中，窗孔形成为切向狭槽，该切向狭槽在径向上延伸穿过管状壳体和内表面，并且限定与经过内表面上的一个点的切线平行或基本上平行的纵向通道轴线。在一些实施方案中，窗孔被形成为穿过管状壳体和内表面的螺旋槽。在一些实施方案中，将分离出的液体烃通过提取管泵送至地面包括将液体烃抽吸到第二开口端中并通过提取管。

在一些实施方案中，所述方法还包括：(a)通过泵送降低分离装置内的压力；(b)通过阀门封闭第二纵向壳体端部，该阀门被配置成当管状腔内的流体压力小于管状壳体外部的流体压力时封闭第二纵向壳体端部；(c)收集靠近第二纵向壳体端部的液体水；(d)通过停止泵送来使分离装置内的压力均衡；(e)当管状腔内的流体压力等于或大于管状壳体外部的流体压力时打开第二纵向壳体端部；和(f)使收集的液体水通过阀门从第二纵向壳体端部流出。

在一些实施方案中，所述方法还包括：(g)通过第一通道接收乳液，该第一通道限定与经过在油储层地层中形成的井眼的井眼内表面上的第一点的第一切线平行或基本上平行的第一纵向通道轴线，并且在径向上延伸穿过管状壁和井眼的内表面，该乳液沿着第一纵向通道轴线以线性流动或基本上线性流动从油储层地层移动至井眼；(h)使井眼内表面与乳液接触；(i)通过井眼内表面使流动改变方向为离开第一纵向轴线并变为绕着井眼内表面的第二水力旋流；(j)通过第二水力旋流将液体水与液体烃分离；和(k)将分离出的液体烃朝向管状壳体抽吸。

在第七方面，一种水分离装置包括：(1)管状壳体，其沿着中心轴线从封闭的第一纵向壳体端部延伸至封闭的第二纵向壳体端部，并且限定管状腔的内表面；(2)提取管，其布置在管状壳体内并且穿过第一纵向壳体端部从靠近第一纵向壳体端部的第一开口端延伸至在管状腔内的第二开口端；(3)至少一个窗孔，其被限定为穿过管状壳体和内表面；和(4)螺旋桨，其配置成被驱动以促使在管状腔内的水力旋流。

在第八方面，一种用于井下水分离的方法包括：(1)提供分离装置；(2)在地表下方将分离装置井下放置在具有液体水和液体烃的乳液的地质地层中形成的井眼中；(3)使乳液从地质地层流过窗孔并流入到管状腔中；(4)驱动螺旋桨；(5)通过螺旋桨促使乳液在管状腔内的水力旋流；(6)通过水力旋流将液体水与液体烃分离；(7)将分离出的液体烃通过提取管泵送到地面。分离装置包括：(a)管状壳体，其沿着中心轴线从封闭的第一纵向壳体端部延伸至封闭的第二纵向壳体端部，并且限定管状腔的内表面；(b)提取管，其布置在管状壳体内并且穿过第一纵向壳体端部从靠近第一纵向壳体端部的第一开口端延伸至在管状腔内的第二开口端；(c)至少一个窗孔，其在径向上被限定为穿过管状壳体和内表面；和(d)在管状腔内的螺旋桨。

这里描述的系统和技术可以提供一种或多种优点。首先，本文中描述的系统和方法的某些实施方案可以提供实现油井中的石油与水分离的有效或易于实现的方式。其次，本文中描述的系统和方法可以提供石油的连续流，并且不受限于与设计用于减少或停止油井中的水采出的井相关的限制。第三，本文中描述的系统和方法可以保护井下人造举升设备和地面设施免受腐蚀性环境的影响。第四，本文中描述的多种实施方式可以提供环境友好的废水处置方案。

一种或多种实施方式的细节在附图和以下的描述中阐述。根据该描述和附图以及根据权利要求书，其他特征和优点将是明显的。

附图简述

专利或申请文件含有至少一个彩色附图。本专利或专利申请公开的带有彩色附图的副本将在请求并支付必要的费用后由专利商标局提供。

图1是示出了一种利用采用切向射孔的井下水分离的示例性油井系统的示意图。

图2是一种具有径向射孔的套管井眼的横截面图。

图3是一种具有径向射孔的套管井眼的横截面图。

图4是一种用于水分离的水力旋流器的概念性图示。

图5a和5b是一种井下水分离器的局部剖视图。

图6是示出了一种利用井下水分离的示例性油井系统的示意图，所述井下水分离采用与排放管连接的具有窗孔的分离器如开槽分离器。

图7是一种井下井清洁系统的示意图。

图8是示出了一种利用采用与图6的分离器相同或相似的分离器的井下水分离的示例性水平油井系统的示意图。

图9是一种用于井下水分离的示例性方法的流程图。

图10是另一种用于井下水分离的示例性方法的流程图。

详述

本文描述了用于将水与油井系统中产生的石油或其他烃井下分离的系统和技术。如所讨论的，井中可能存在水。而且如所指出的，一些先前的方案阻碍进入井中的水产生，并且因此通常不利地损害了这样的井的石油生产能力。

一般而言，本文中描述的系统和技术采用通过在井下产生旋流或水力旋流以将水与液体烃如石油分离的不同方法。在一些实施方式中，在将石油泵送到地面的同时，分离出的水可以留在井下。在一些实施方式中，分离出的水可以被泵送到地面，在那里可以对其进行处理并将其重新注入到地下地层中。

一些示例包括井下离心操作，以将水与从烃地层或储层进入井眼的液体烃(油和气)分离。在井眼内，可以通过产生螺旋或旋流流型来进行离心分离。如下所讨论的，可以通过井眼切向射孔来诱导、促使或产生这样的流型。在其他示例中，除了井眼切向射孔之外或代替井眼切向射孔，还可以通过旋流分离装置(旋流分离器)来产生螺旋或旋流流型。

井眼内的螺旋流型可以提供作为较重组分的水以在井眼内向外流动并且在井眼套管的内侧附近或沿着井眼套管的内侧向下流动。作为较轻组分的油或气可能会滞留在井眼的中间或中心部分，并且向上流动，例如，凭借动力如利用泵而通过提取管。分离出的水可以沿井眼向下流动，经过例如排放斜槽和单向挡板阀，从而在井眼中的深处积聚。

分离出的水可以具有乳液、油泥、沥青质、细粒子或细粒、其他固体粒子等。细粒可以是从多种类型的储层岩石地层如砂岩和碳酸盐中侵蚀出来的相对微小的粒子。细粒子的尺寸可以在几纳米如10纳米到几微米如1000微米的范围内。如所讨论的，这些细粒可以在产生乳液和油泥(其可以从井底去除)方面发挥作用。

在注入未处理的分离水的情况下，具有这些固体杂质和其他杂质的分离出的水的重新注入可能堵塞或污染地层。为了避免这种潜在的不利情况，除水系统可以使分离出的水从井眼流出，并在地表处收集该分离水。在地面处，可以对采出水进行过滤，并且如果需要，进行化学处理以去除杂质，然后将经处理的分离水重新注入到另一井如附近的处置井中。

在井眼中积聚的分离水可以例如通过地面泵从井眼去除。此外，如下面所讨论的，如果采用的话，液压操作的螺旋桨系统可以促进通过去除的分离水去除积聚的油泥或细粒。在某些示例中，螺旋桨可以通过将另外的水从地面经由流入管泵送至螺旋桨并经过螺旋桨而驱动螺旋桨。积聚的油泥和细粒可以与水(分离出的水和另外的水)一起通过穿过隔离封隔器的另一个管(流出管)流动至地表。在地面处，可以将这种采出的水处理，并重新注入回含水带中以进行处置或压力维持。在示例中，如所提到的，可以采用单独的注入井进行重新注入。

总之，本公开内容提供了离心水分离、通过地面泵的水去除、通过液压操作的螺旋桨去除油泥或细粒以及经处理的水的重新注入等的创新技术。在正文和附图中描述了具有这种井下水分离，水、油泥、细粒(或其他固体)的去除，以及水处理和重新注入系统的方面的示例性技术。

图1是示出了一种具有井下水分离特征的示例性油井系统100的示意图。系统100包括井眼4，如套管井眼4(其形成为穿过盖岩层1、烃地层2(例如，油储层)和水层3(例如，含水层))。井眼4可以用于石油生产井。井眼4包括具有管状壁的套管7，该管状壁被水泥层6包围或部分包围，并且从在地面处的井口5向下延伸至地下的烃地层2。

井眼4限定具有内表面或内部表面102的管状腔101。内部表面102可以是套管7的内部表面，如套管7的管状壁的内部表面。管状腔101可以具有以套管7或其管状壁为特征的管状壁，或者套管7或其管状壁与水泥层6的组合。

油管8、进水管16和出水管9设置在管状腔101内。管状腔101通过多个切向射孔11与烃地层2流体连通。在一些实施方式中，切向射孔11可以通过工具(未示出)形成，该工具被放置在井下并且被配置成对套管7、水泥6以及一部分地层2打孔并且形成与套管7或内部表面102相切或基本相切的通道。基本相切可以与相切偏离小于5°，或者所述通道以相对于表面102小于5°的角度与切点相交。

在操作中，当石油和水乳液从烃地层4流动通过切向射孔11时，射孔11的切向取向促使乳液在管状腔101中变为旋转涡流，其将石油与水分离。如下所讨论的，分离出的石油31被泵送至地面，而分离出的水32向下流动。

现在参考图2，示出了一种具有多个径向射孔202的套管井眼200的横截面图，用于将井眼射孔的常规构造与图1的示例性切向射孔11进行比较和对比。套管井眼200具有孔或井眼，该孔或井眼是进入地球中的管状腔204。

径向射孔202形成为穿过套管206、水泥208并进入到烃地层210中。径向射孔202限定流体通道，该流体通道为烃从烃地层210流入到由套管206限定的管状腔204中提供流体路径。径向射孔202与井眼200的中心轴线212在径向上对齐。

现在参考图3，其为一种示例性套管井眼300的横截面图。与图2的径向射孔202不同，井眼300包括多个切向射孔302。在一些实施方案中，井眼300可以是图1的示例性井眼4，并且切向射孔302可以是示例性切向射孔11。

井眼300包括被水泥306包围的套管304。套管304提供管状壁，该管状壁限定具有中心轴线310的管状腔308，并且具有内表面312。各个切向射孔302限定通道，该通道切向地延伸穿过套管304、内表面312并且部分地进入到烃地层314中。各个切向射孔302限定纵向通道轴线316，该纵向通道轴线316与经过内表面312上的点320的切线318平行或基本上平行。基本上平行可以是指与平行偏离小于5°，或者该纵向通道轴线316以小于5°的角度与切线318相交。点320和中心轴线310限定径向线322。

在一些实施方案中，切向射孔302和纵向通道轴线316可以各自与它们相应的切线318偏离+/-45°成角。例如，纵向通道轴线316可以与径向线322以在约45°至约135°(例如，参照图3指向“顺时针方向”)或约225°至约315°(例如，参考图3指向“逆时针方向”)范围内的角度相交。

切向射孔302被形成为具有协作取向(例如，全部为顺时针方向或全部为逆时针方向)。例如，第二切向射孔302可以限定在径向上延伸穿过管状壁和内表面312的第二通道。第二通道可以限定第二纵向通道轴线，该第二纵向通道轴线与经过内表面312上的与点320间隔开的第二点的第二切线平行或基本上平行。管状壁还可以限定在径向上从中心轴线310延伸到第二点的第二半径，并且第二纵向通道轴线和第二半径可以形成第二角度，该第二角度在与第一角度的约45°至约135°(例如，参照图3指向“顺时针方向”)或约225°至约315°(例如，参考图3指向“逆时针方向”)相同的范围内。

包含水和石油(或其他液体烃)的乳液的液体被圈闭在烃地层314中。烃地层314内的压力促使乳液进入到切向射孔302中，并导致沿纵向通道轴线316朝向管状腔308的横向流体流。当横向流体流进入管状腔308时，该液流将会遇到套管304的内表面312。内表面312的曲率将线性流动改变方向为绕中心轴线310的旋转流(例如，轨道流、旋流、水力旋流)。

图4是一种用于水分离的水力旋流器400的概念图。在一些实施方案中，水力旋流器400可以是图1的示例性井眼4和图3的井眼300的一部分，或者可以是井下分离器，或井下放置于井眼4、300中的井下装置的一部分。

通常，由于混合物中液体的不同密度或浮力，液体的乳液将分离。重力可以提供可以使乳液分离的加速力。例如，如果保持不受干扰，则石油和水的乳液可以分离，其中石油浮到顶部而水沉到底部。然而，在井下环境中，进入管状腔308(图3)中的流体的液流提供了搅动，该搅动可以减慢或防止仅仅由于重力导致的流体的分离。通常，水力旋流器400产生旋转流(例如，轨道流、旋流、水力旋流)401，该旋转流401向乳液提供向心加速度，这可以使流体混合物分离。

在所示出的示例中，水力旋流器400包括限定具有中心轴线406的管状腔404的管状壁402，并具有内表面408。切向通道410延伸穿过管状壁402和内表面408。乳液414(例如，至少石油和水)的线性流412由线412表示。当乳液414线性流动412到管状腔404中时，液流412接触内表面408并且被改变方向为绕着中心轴线406的涡流(例如，旋转流、轨道流、旋流、水力旋流)401流型416。

由涡流流型416引起的向心加速度促使乳液414分离，其中密度较大的一种或多种流体在径向上迁移离开中心轴线406，而密度较小的一种或多种流体在径向上朝向中心轴线406向内迁移。利用取向为使得中心轴线406相对于重力垂直的水力旋流器400，分离出的密度较大的一种或多种流体将在重力的作用下朝向在水力旋流器400的下端420处的底流出口418下沉。分离出的密度较大的一种或多种流体421可以通过出口418排出。分离出的较轻的一种或多种流体将朝向靠近中心轴线406位于在水力旋流器400的上端422处的溢流出口460上升。在油井应用中，水力旋流器400可以分离或基本上分离石油和水的乳液，其中分离出的水将流出底流出口418，并且分离出的石油424将流出溢流出口426。

关于井下水去除和井清洁，如所示的分离出的水可以在井眼的底部或底部部分处积聚。参见例如图1和图6。如以下所讨论的，可以通过基于地面的泵送系统来去除积聚的水。在一些实施方式中，可以响应于井下积聚的水的体积达到预设阈值而手动或自动地操作地面泵。

在某些示例中，由于油泥、细粒或乳液的积聚混合，井眼的底部部分可以受益于清洁。因此，如所讨论的，可以实施液压操作的螺旋桨系统(参见，例如，图1、6和7)。螺旋桨可以安装在井或井眼的底部附近的扶正器上，在那里油泥、细粒或溶液可以间歇或大体上连续地积聚。扶正器可以将螺旋桨保持在井眼的中间或中心部分，并在螺旋桨旋转期间提供刚度。可以通过从地面经由进水管道或管向螺旋桨泵送相对高压的水来激活螺旋桨旋转。这种从地面注入的水可以通过流入管进入到螺旋桨的顶部以使螺旋桨旋转，并从螺旋桨的底部部分离开。离开螺旋桨的注入水可以在井眼的下部处与积聚的油泥、乳液和细粒混合，并且有利于将油泥、乳液和细粒通过流出管道或管携带至地表。参见，例如，图1、6和7。

现在返回到图1，沿井眼4的一部分的切向射孔11在操作中形成水力旋流器110。水力旋流器110具有作为组件的套管7或套管7的一部分。当石油和水乳液从烃地层4经由切向射孔11流入到管状腔101中时，水力旋流器110促使乳液变为旋转涡流，其将石油与水分离。将分离出的石油31经由油管8从井眼4送出到在地面处的出口20。分离出的石油可以凭借自然储层压力、泵或两者等通过油管8输送到地面。分离出的水32向下朝向封隔器10下沉，通过具有单向阀13(例如，挡板阀或翻转阀)的底流出口12(例如，排放斜槽)流出到下部腔室120中。在示例中，下部腔室可以是从下部封隔器10开始到井底的井段。

下部腔室120包括被配置为将螺旋桨15居中定位在井眼4内的扶正器14。螺旋桨15是液压致动的。特别地，将来自储水容器17的水如净水24通过进水管16泵入井下以驱动螺旋桨15、使其旋转或为其提供动力。流过螺旋桨15以驱动螺旋桨15的这种水28以及分离出的水32两者都可以在下部腔室120中积聚。操作液压螺旋桨15以搅动下部腔室120中的这种水33，并使下部腔室120中的碎屑(例如，泥浆、细粒)变为悬浮在水33中。这种水33可以包括例如分离出的水32加上由螺旋桨15排出的水28。通过一个或多个地面泵18将悬浮液经由出水管9向上泵送到在地面22处的水处理单元。螺旋桨15和相关的泵送的注入水24还可以提供另外的动力，以使悬浮液向上流过出水管9。关于将水从腔室举升到地面，参见关于图6的类似讨论，其也适用于图1中的系统100。这种送到处理单元22的水可以标记为采出水21。在水或其他流体的处理和运送中，阀门19可以与管道相关联。

水处理单元22处理采出水21以分离悬浮的固体，并去除任何残留的石油、烃或其他污染物。底部排放物29可以包括从水处理单元22中移除并送至废物处置系统23的固体、油泥和其他污染物。来自处理单元22的净水24被泵送至注水井25或螺旋桨15。提供至注水井25的净水24被注入回到水层3中，例如以补充含水层从而维持水层3或烃地层2或其组合内的静水压力。例如，水27可以通过射孔26注入到水层3中。最后，水锥进30可以与水层3相关联。

在从井的底部的除水循环期间，保持单向挡板阀关闭(针对向上流动)通常是有利的。这可以用作为机械或电气控制阀门的单向挡板阀来实施。类似地，在井清洁期间，在示例中，挡板阀通常应以机械或电气方式关闭。此外，为了在某些实施方式中进行井清洁，可以通过将井眼中底部封隔器下方的注水压力保持为高于在底部封隔器与上部封隔器之间的生产压力来液压地使挡板关闭。换句话说，在底部封隔器上向上的压差可以在清洁周期期间关闭挡板阀。在具体实施方式中，通过调节注水压力和安装在流出管出口端处的背压调节器来控制在底部封隔器上的这种压差。

基于积水速率和井清洁频率，可以打开/关闭泵送至螺旋桨以驱动螺旋桨的水，并且可以通过远程控制系统手动或自动调节注水速率(到螺旋桨15)。为了处理增加的或连续的水采出场景，通过地面泵18的吸水系统可以保持连续或半连续地运行。然而，在低含水率井的情况下可能不经历增加或连续的水采出21。如所指出的，可以在将采出的水21重新注入回到含水层3中之前在地面处对其进行处理。再一次，在一些示例中，在位于附近的另一口井处实施重新注入。

在示例中，井眼位于相对高压的储层2中。当流体经过切向射孔(或进入如图6所示的离心分离器中)时，该高压通常促进产生旋流流型和分离。此外，在具有较高储层压力的一些实施方式中，可以避免用于将分离出的石油推送到地面的泵。石油可以凭借自然储层压力流到地面。然而，当自然储层压力较低时，则可以安装额外的井下泵如电动潜水泵(esp)，以帮助采出分离出的油。通常将这样的泵安装(或悬挂)在油管柱8的端部处。类似地，在图6中，如果压力低，则可以在出口提取管上添加esp。

图5a和图5b是井下水分离器或分离装置500的局部剖视图。通常，分离器或装置500是便携式的(例如，可放置的，可移动的)装置，其可以安装在井下并且是旋流分离器以处理作为进料的流体的乳化混合物。例如，装置500可以用于在井下应用中将石油与水分离。

装置500包括管状壳体510。管状壳体510从封闭或部分封闭的上部(例如，相对于重力)纵向壳体端部512延伸至封闭或部分封闭的下部纵向壳体端部514。管状壳体510限定中心轴线520并沿其延伸，并且限定管状腔524的内表面522。提取管530布置在管状壳体510内。提取管530穿过纵向壳体端部512从靠近纵向壳体端部512的开口端532延伸至在管状腔524内的开口端534。

多个窗孔540在径向上被限定为穿过管状壳体510和内表面522。窗孔540在纵向上被限定在纵向壳体端部512和开口端534之间的位置处。窗孔540被形成为当液体(例如，乳化的石油和水)通过窗孔540流入到管状腔524中时形成或产生绕着管状腔524的水力旋流542。

在所示的示例中，窗孔540形成为在管状壳体510中的螺旋端口。在操作中，当液体流入管状腔524中时，螺旋形状促使液流在预定方向544上绕着轴线520旋转。液流通过内表面522的曲率进一步导向为旋流或水力旋流(方向544)。在其他示例中，窗孔540可以形成为在径向上延伸穿过管状壳体510和内表面522的切向狭槽，其中每个切向狭槽限定相应的纵向通道轴线，该纵向通道轴线与经过内表面522上的一个点的切线平行或基本平行。例如，窗孔540可以类似于图1和图3的示例性切向射孔11或302或者图4的示例性切向通道410形成。窗孔540可以是其他类型的切向狭槽或孔口。

在操作中，乳化的石油和水以旋流或水力旋流涡流绕轴线520流动。由旋转流引起的向心加速度使石油朝向轴线520迁移，同时促使水迁移离开轴线520。开口端532定位为靠近轴线，例如，在分离出的石油533排放的地方。在一些示例中，自然储层压力提供动力以将分离出的石油533通过开口端532和管道或油管如提取管530输送到地表。在某些示例中，开口端532液压地连接至被配置成将石油或其他液体烃抽吸到开口端534中并通过提取管530(例如，向上到达地面)的泵(未示出)的吸入部。泵可以依靠自然储层压力来增加泵的气蚀余量(npsh)。在使用中，从管状腔524中提取流体导致通过窗孔540将另外的液体抽吸到液流中，并且该液流可以与窗孔540相互作用而产生进一步的旋流或水力旋流作用。例如，泵送可以为水力旋流器提供动力。

纵向壳体端部514被挡板阀550封闭，该挡板阀550可以是连接至分离器500的阀或作为分离器500的组件的阀。挡板阀550被配置成当管状腔524内的流体压力小于管状壳体510外部的流体压力时封闭纵向壳体端部514(例如，通过吸力将阀抽吸关闭)。参考图5b，挡板阀550还被配置成在管状腔524内的流体压力等于或大于管状壳体510外部的流体压力时打开纵向壳体端部514。在使用中，在泵处于活动状态的同时，分离出的水(和固体)收集在装置500靠近挡板阀550的下端中(例如，如图5a中所示)。在示例中，当泵停止或关闭时，挡板阀550打开并允许分离出的水和固体流出，从而沉入井下。

在一些实施方式中，装置500可以被配置成主动地产生或增强水力旋流。例如，管状壳体510可以旋转以促使在管状腔524内的乳化流体的旋转。在另一个示例中，可以在腔524内包括螺旋桨或叶轮以促使在管状腔524内的乳化流体的旋转。然而，如果螺旋桨或叶轮抑制或干扰管状腔524中的旋流或旋流分离，则分离装置500可以不包括这样的螺旋桨或叶轮。

除了(或代替)图1的示例性水力旋流器110(切向射孔11)，可以使用水分离装置500。例如，装置500可以靠近图1的示例性切向射孔11或图3的示例性切向射孔302放置在井下，以形成两阶段水力旋流流体分离器(例如，在水力旋流器内的水力旋流器)。在其他示例中，装置500可以放置在具有非切向射孔的井眼(例如，图2的具有径向射孔210的示例性井眼200)内，以促使井下流体的水力旋流。切向射孔11或302可以产生进行水与石油的第一阶段分离的第一水力旋流。然而，在这个示例中，在这个阶段的石油可能仍然包含一定量的水。水分离装置500可以放置在分离出的石油内，以使分离出的石油流入到装置500中并在装置500内变为第二水力旋流以进行剩余的水与石油的第二阶段分离。然后，可以将经两次分离的石油经由提取管530抽出并泵送到地面。

图6是示出了一种具有井下水分离特征的示例性油井系统600的示意图。在一些实施方案中，油井系统600可以是图1的示例性系统100的变形，其中水力旋流器110(射孔11)被井下水分离器或分离装置602代替或是除其以外的装置。实际上，图1的包括地面设备和操作的许多不同特征在油井系统600中。

分离器602提供水与烃如油和气的水力旋流分离。分离器602可以是水力旋流器。在一些实施方案中，分离器或分离装置602可以是图5a-5b的示例性井下水分离装置500。在其他实施方案中，分离装置602可以是具有与水分离装置500不同的构造或操作的分离器602。

在所示的示例中，分离器或装置602在井下邻近或靠近多个射孔606放置在井眼604内，这些射孔(径向或切向)形成为穿过套管608和水泥610并且部分地进入到烃地层612中。地层612内的压力促使石油和水的乳液614流过射孔606到达装置602。然后乳液614通过装置602中的多个窗孔616(例如，图5a的示例性窗孔540)流入到分离装置602的管状腔中。装置602可以包括或连接至用于分离出的石油的提取管或排放管618。

为了清楚，将多个窗孔616表示为虚线。窗孔616可以在分离器602的外壁中并且提供乳液进入到分离器602中的切向入口。窗孔616可以处于协作取向以促进所接收的乳液的径向流动。窗孔616可以具有作为到分离器602中的切向入口的几何形状和取向，以在分离器602的管状腔中提供旋流和分离。在示例中，分离器602是具有多于一个用于进料的切向入口的水力旋流器。实际上，多个窗孔616可以包括至少六个窗孔616。窗孔的数量可以为4、6、8、10、12、15、20或更多个。窗孔616可以是狭槽或切向狭槽、端口、螺旋端口、孔口、椭圆形孔口、旋流筛等。

在装置602的操作方面的某些实施方式中，来自乳液614的水628可以向下流动，如在装置602的管状腔的内壁附近的径向区域中。如箭头624所示，油和气可以向上流动通过管状腔并流入到排放管618中。

如所指出的，装置602促使乳液的旋流或水力旋流，其使石油和水分离。水力旋流可以定义为液体的旋流，并且其中液体可以包含固体或气体。分离出的石油通过作为提取管的油管618被送至地面。如箭头628所示，分离出的水通过阀门626流出装置602的底部，并在井下下沉至下部腔室630。在示例中，下部腔室可以是从下部封隔器644到井眼604的底部的井眼604段。水可以在下部腔室630中积聚。阀门626可以例如是单向翻转阀或挡板阀。

下部腔室630包括被配置成将螺旋桨634居中定位在井眼604内的扶正器632。螺旋桨634是液压致动的。在所示的实施方案中，水636在井下被泵送通过进水管638以驱动螺旋桨634，为其提供动力，或使其旋转。操作(旋转)螺旋桨634以搅动下部腔室630中的水并使下部腔室630中的碎屑637(例如泥浆，细粒，其他固体)变为悬浮在水中。碎屑637可以变为悬浮在井眼的腔室630或下部部分中的水中。腔室630中的水可以是例如分离出的水628以及由螺旋桨634排放的水636。下部腔室630可以包括用于水和悬浮液的循环(出口)流639。提供注入水636的地面泵18可以在需要时在腔室630中提供背压以维持阀门626。

如箭头640所示，悬浮液(固体或碎屑637在水中的悬浮液)从下部腔室630通过出水管642向上泵送至地面。在某些示例中，这种通过螺旋桨634系统和地面泵18进行的水去除和井清洁可以与上部区域上方的采油同时进行，在水去除期间通常不停止采油。在所示的实施方案中，地面泵18设置在出口流管642上或与其连接以抽水。通过螺旋桨634提供注入水636的另一地面泵18可以为下游地面泵18抽吸提供npsh。在其他示例中，不采用从腔室630抽吸的第二地面泵18。而是，第一地面泵18将注入水636泵送通过螺旋桨634，并且还将水从下部腔室通过出水管642泵送到地面。其他配置是适用的。

井眼604可以包括封隔器644如上部封隔器和下部封隔器。在一些实施方式中，装置602或油井系统包括一个或多个支撑件如用于装置602的支撑悬挂器646。在某些实施方案中，装置602可以放置为穿过盖岩层648，并进入气储层650和含水层652中。在该示例中，气储层650是烃地层612。最后，可能经历与含水层652相关的水锥进654。

图7是一种示例性井下井清洁系统700的示意图。该系统包括被配置成将螺旋桨704居中定位在井眼706内的扶正器702。螺旋桨704是液压致动的，并且水在井下被泵送通过进水管708以接收水710，从而驱动螺旋桨704或为其提供动力。操作(旋转712)螺旋桨704以搅动下部腔室714中的水，并使下部腔室714中的碎屑(例如，泥浆，细粒)变为悬浮在水716(例如，分离出的水和由螺旋桨704排放的水710)中。在一些实施方案中，悬浮液可以被泵出下部腔室714。例如，水716可以被泵送到地面而回收用于为螺旋桨704提供动力，或者在其他地方被重新注入到地层718中，等等。在一些实施方案中，系统700中的一些或全部可以与图1和6的示例性系统100或600一起使用。例如，螺旋桨704可以是螺旋桨15或634。下部腔室630和内部可以类似于下部腔室714和内部。

此外，鉴于例如油泥积聚和去除的数量或频率，可以采用与图7中所示的示例性液压螺旋桨不同的液压螺旋桨。例如，为了解决螺旋桨翼腐蚀，螺旋桨可以是长的中空厚壁、液压操作的螺杆型螺旋桨，以提高井清洁系统的使用寿命。可以采用多种类型的螺旋桨，包括非液压操作的螺旋桨。

图8是示出了一种具有井下水分离特征的示例性水平油井系统800的示意图。在一些实施方案中，油井系统800可以是图6的示例性系统600的变形，其中一些或全部示例性射孔606被形成在烃地层804中的一个或多个水平井眼802替代。地层804内的压力促使石油和水的乳液806流过水平井眼802到达竖直井眼808和示例性装置809(其可以类似于图6的装置602)，该装置在竖直井眼808内将石油与水在井下分离。在所示的实施方案中，系统800设置为穿过盖岩层810而进入油储层812和含水层814。在该示例中，油储层812是烃地层804。可能经历与含水层814相关的水锥进816。

与前述附图的系统一样，系统800和竖直井眼808可以包括套管818，其被在套管818和地层804之间的环空中的水泥820包围。井眼808可以包括封隔器822。系统800可以包括作为具有外壁的水分离器的水分离装置809，所述外壁限定用于分离的管状腔。分离器809的外壁可以包括多个窗孔824如切向狭槽、椭圆形孔口、开槽旋流筛等。悬挂器支撑件826或其他支撑件可以将装置809定位并保持在适当位置。

油管828如提取管道可以延伸到地表。油管828可以将分离出的石油运送到地表。在一些示例中，油管828的入口端延伸到分离器809的管状腔中，用于将油和气与水分离。

进水管830可以将泵水845提供给螺旋桨836以驱动螺旋桨836。水845可以以注入水为特征，并且将水泵送至并通过螺旋桨836可以以将水845注入到螺旋桨836中为特征。系统800可以包括单向翻转阀832，用于将分离出的水朝向在操作中水在其中积聚的下部腔室834排放。还包括液压螺旋桨836、用于进水管830和螺旋桨836的扶正器838，以及从螺旋桨836到用于水和油泥的流出管842中的水循环出口。在操作中，分离出的水可以向下流动通过如靠近或邻近外壁或管状腔的内表面的体积或区域中。此外，如上所提及的，注入水845可以通过进水管830泵入以驱动液压螺旋桨836。如所指出的，水846(和油泥)可以通过流出管842流出到地面。

图9是一种用于井下水分离的示例性方法900的流程图。在一些实施方式中，方法900可以利用图1的示例性油井系统100来实施。

在905处，将井下工具放置在油储层地层中形成的井眼中，其中井眼由限定纵向壁轴线或中心轴线的管状壁与内表面限定。例如，切向射孔11可以由井下放置在示例性井眼4内的射孔工具形成。

在910处，对管状壁打孔以限定在径向上延伸穿过管状壁和内表面的第一通道，该第一通道限定与经过内表面上的第一点的第一切线平行或基本平行的第一纵向通道轴线。例如，可以启动打孔工具以对套管6、水泥7和一部分地层2打孔，从而形成切向射孔11，其限定在切向上延伸穿过套管7、内表面102并且部分地进入烃地层4中的通道。

在915处，在井眼内接收包含液体水和液体烃的流体混合物。该流体混合物沿第一纵向通道轴线以大体上线性流动从油储层地层移动到井眼。例如，烃地层4内的压力可以促使石油和水的乳液进入到图3的示例性切向射孔302中，并导致沿着纵向通道轴线316朝向管状腔308的横向流体流。

在920处，使内表面与流体混合物接触。例如，流体可以进入管状腔308以接触内表面312。

在925处，内表面将流动改变方向为离开第一纵向通道轴线，并变为绕着内表面的旋流或水力旋流。例如，内表面312的曲率可以将线性流动改变方向为绕着中心轴线310的旋转流(例如，轨道流，水力旋流)。

在930处，通过水力旋流将液体水与液体烃分离。例如，图4的示例性水力旋流器400可以产生旋转流(例如，轨道流，水力旋流)，其向石油和水的乳液提供向心加速度，所述向心加速度可以使流体混合物分离。

用于将液体水与液体烃分离的水力旋流可以包括使流体混合物以旋转流流动而将加速度赋予流体混合物，从而促使水在径向上离开分离器的纵向壁轴线或中心轴线并且朝向内表面。加速度和相对浮力可以促使液体烃在径向上离开内表面并朝向中心轴线。例如，由涡流流型416引起的向心加速度可以促使乳液分离。密度较大的一种或多种流体在径向上迁移离开中心轴线406。密度较小的一种或多种流体在径向上向内朝向中心轴线406向内迁移。在水力旋流器400取向为使得中心轴线406相对于重力垂直的情况下，在重力的作用下，分离出的密度较大的一种或多种流体将在水力旋流器400的下端420处朝向底流出口418下沉。分离出的较轻的一种或多种流体将朝向靠近中心轴线406位于水力旋流器400的上端422处的溢流出口426上升。

在一些实施方式中，所述方法还可以包括将分离出的液体烃抽吸到管中，该管设置在由管状壁形成的管状腔的上部部分内并延伸到该管状腔的上部部分中。所述方法可以包括将分离出的液体烃通过管运送或泵送至井眼的地面端。在一个示例中，分离出的液体烃凭借作为动力的储层压力通过油管8被输送或泵送至地面处的出口20。实际上，分离出的石油可以凭借储层压力或泵或者两者通过油管8从井眼4中泵出到在地面处的出口20。

图10是另一种用于井下水分离的示例性方法1000的流程图。在一些实施方式中，方法1000可以与图5a-5b、6或8的井下水分离装置500、602或809一起使用。

在1005处，提供分离装置。分离装置包括管状壳体，该管状壳体沿纵向壁轴线或中心轴线从第一纵向壳体端部延伸至第二纵向壳体端部并且限定管状腔的内表面。除了用于入口或出口开口或者阀门(如果采用的话)等之外，可以将壳体端部封闭。安装在一个或多个壳体端部处的阀门可以提供将壳体端部封闭。

布置在管状壳体内的提取管穿过第一纵向壳体端部从靠近第一纵向壳体端部的提取管的第一开口端延伸到管状腔内的提取管的第二开口端。至少一个窗孔在径向上被限定为穿过管状壳体和内表面，并且在纵向上被限定为在第一纵向外壳端部和第二开口端之间的位置处。该至少一个窗孔被形成为当液体通过窗孔流入到管状腔中时产生绕着管状腔的水力旋流。例如，可以提供井下水分离装置500。在示例中，窗孔是在操作中可以协作以产生或促进进入流体或乳液的切向入口和旋流的多个窗孔。

在一些实施方案中，窗孔可以被形成为穿过管状壳体和内表面的螺旋槽。例如，窗孔540被形成为在管状壳体510中的螺旋端口。在一些实施方案中，窗孔可以被形成为切向狭槽，该切向狭槽在径向上延伸穿过管状壳体和内表面，并限定与经过内表面上的一个点的切线平行或基本平行的纵向通道轴线。例如，窗孔540可以被形成为在径向上延伸穿过管状壳体510和内表面522的切向狭槽。每个切向狭槽限定相应的与经过内表面522上的一个点的切线平行或基本平行的纵向通道轴线。

在1010处，在地表下方将分离装置井下放置在具有液体水和液体烃的乳液的地质地层中形成的井眼中。例如，装置500可以放置在地层2中形成的井眼4内。

在1015处，使乳液从地质地层流入到井眼中。例如，石油和水的混合物可以通过示例性射孔602流入到井眼4中。

在1020处，将乳液流抽吸通过窗孔。例如，从管状腔524提取流体可以导致另外的液体通过窗孔540以液流吸入。

在1025处，使内表面与乳液接触。在1030处，内表面将液流改变方向为绕着内表面的水力旋流。例如，可以通过内表面522的曲率将液流导向为水力旋流。

在1035处，水力旋流将液体水与液体烃分离。例如，当乳化的石油和水以水力旋流涡流绕着轴线520流动时，由旋转流引起的向心加速度使石油朝向轴线520迁移，同时促使水迁移离开轴线520。

在1040处，将分离出的液体烃通过提取管泵送到地面。例如，开口端532可以定位为靠近轴线(例如，在操作中分离出的石油流动的地方)。开口端532可以液压地连接至泵，该泵被配置成将分离出的石油或其他液体烃抽吸到开口端534中并通过提取管530，例如向上到达地面。

在一些实施方式中，将分离出的液体烃通过提取管泵送至地面可以包括将液体烃抽吸到第二开口端中并通过提取管。例如，开口端532可以液压地连接到泵，该泵被配置成将石油或其他液体烃抽吸到开口端534中并通过提取管530，例如向上到达地面。

在一些实施方式中，方法1000还可以包括通过泵送来降低分离装置内的压力，并通过阀将第二纵向壳体端部封闭，该阀被配置成当管状腔内的流体压力小于管状壳体外部的流体压力时封闭第二纵向壳体端部。所述方法可以包括收集靠近第二纵向壳体端部的液体水，通过停止泵送来使分离装置内的压力均衡，当管状腔内的流体压力等于或大于管状壳体外部的流体压力时打开第二纵向壳体端部，以及使收集的液体水通过阀门从第二纵向壳体端部流出。例如，挡板阀550被配置成当管状腔524内的流体压力小于管状壳体510外部的流体压力时封闭纵向壳体端部514(例如，通过吸力将阀门抽吸关闭)。挡板阀550被配置成当管状腔524内的流体压力等于或大于管状外壳510外部的流体压力时打开纵向壳体端部514。在使用中，在泵处于活动状态的同时，分离出的水(和固体)可以收集在挡板阀550附近的装置500的下端中(例如，如图5a中所示)。当泵关闭时，挡板阀可以打开并且使分离出的水和固体流出(例如，沉入井下)。

一个实施方案包括一种具有管状壳体的水分离装置，该管状壳体沿着中心轴线从封闭或部分封闭的第一纵向壳体端部延伸到封闭或部分封闭的第二纵向壳体端部，并限定管状腔的内表面。提取管布置在管状壳体内并且穿过第一纵向壳体端部从靠近第一纵向壳体端部的第一开口端延伸至在管状腔内的第二开口端；至少一个窗孔被限定为穿过管状壳体和内表面；以及螺旋桨被配置成被驱动以促使管状腔内的水力旋流。

另一个实施方案是一种用于井下水分离的方法，其包括：提供分离装置，该分离装置包括：管状壳体，其沿着纵向中心轴线从封闭的第一纵向壳体端部延伸到封闭的第二纵向壳体端部并且限定管状腔的内表面；提取管，其布置在管状壳体内并穿过第一纵向壳体端部从靠近第一纵向壳体端部的第一开口端延伸至在管状腔内的第二开口端；至少一个窗孔，其被限定为在径向上穿过管状壳体和内表面；和在管状腔内的螺旋桨。所述方法可以包括：在地表下方将分离装置井下放置在具有液体水和液体烃的乳液的地质地层中形成的井眼中；使乳液从地质地层流过窗孔并流入到管状腔中；驱动螺旋桨以促成乳液在管状腔内的水力旋流；通过水力旋流将液体水与液体烃分离；以及将分离出的液体烃通过提取管抽吸到地面。

尽管以上已经详细描述了一些实施方式，但是其他变形也是可能的。例如，附图中描绘的逻辑流程不需要所示特定顺序或者依次的顺序来实现期望的结果。另外，可以提供其他步骤，或者可以从所描述的流程移除一些步骤，并且可以将其他组件添加到所描述的系统中或从所描述的系统中移除。因此，其他实施方式在所附权利要求书的范围内。