在井下和地面生产多相井流体的组合式泵和压缩机及方法
【专利说明】在井下和地面生产多相井流体的组合式泵和压缩机及方法
[0001]相关申请的交叉参照
[0002]本申请依据35 U.S.C.119，120要求申请人2013年6月24日提交的美国临时申请N0.61/838，761的优先权，所述美国临时申请通过引用结合到本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及一种采用人工举升方法在井下或地面生产多相流体(即，油、气和水)的系统和方法，所述人工举升方法例如是使用电潜栗(ESP)、湿气压缩机(WGC)以及多相栗(MPP)。
【背景技术】
[0004]人们常需要井下人工举升或表面增压用于增加烃类的生产和回收。产出流体通常为气、油和水的混合物。在油井的情况下，井下工作压力可能低于泡点压力，否则油井会具有与油一道从气顶产出的气体。对气井而言，气体常与冷凝物和水一起产出。
[0005]电潜栗(ESP)是用于高产油井的人工举升方法。ESP是具有密闭联接到栗体上的电动机的装置。整个组件浸没在待栗送的流体中。ESP栗通常是可以有数百级的多级离心栗，每一级由叶轮和扩散器组成。叶轮将轴的机械能转化为流体的动能，扩散器将流体的动能转化为流体压头或压力。栗的性能取决于流体类型、密度和粘度。当游离气与油和水一道产出时，气体作为气泡会积聚在叶轮叶片的低压侧。气体的存在降低了由栗产生的压头。此外，由于气体磨琢叶轮叶片，栗的容积效率降低。当游离气量超过一定限度时，会发生气锁，并且栗将不会产生任何压头/压力。
[0006]为了改善ESP性能，已经开发了许多技术。可将这些解决方案分为气体分离/避免方案和气体处理方案。分离和避免涉及分离游离气并且阻止其进入栗中。分离可通过重力结合特殊的完井设计(如使用套罩)完成，或者由安装并且附接到栗的吸入部的气体分离器完成。通常通过套管环带将分离的气体产出到地面上。然而，在需要通过用深置封隔器将环带与游动烃隔开来进行防腐保护的井中，这可能并不总是可行的选择。在这样的情况下，井将需要借助用于气体的单独导管来完成。为了利用气举效益，可在管道和气体导管之间达到压力平衡后将气体引回到与栗的排出口相隔一定距离的管道。为了缩短距离，喷射栗可以安装在ESP之上以方便“吸”入气体。所有这些选项增加了完井和井控的复杂度。
[0007]气体处理是改变栗级设计，从而可承受较高比例的游离气。基于叶轮叶片的设计，栗可分为以下三种类型:径向流栗、混流栗和轴向流栗。径向流栗的几何形状更可能捕集多个级叶片中的气体并且其通常可以处理气体体积百分率(GVF)高达10%的情况。在混流栗级中，由于流体混合物要行经更复杂的流动路径，因此混流栗通常可以处理高达25%的游离气，据称有些混流栗能处理高达45 %的游离气。在轴向流栗中，流动方向平行于栗的轴。该几何形状减小了气体在多个级中受困从而形成气锁的可能性。轴向流栗级可以处理高达75%的游离气，但效率比混流栗级差。
[0008]对气井而言，随着气田成熟和压力下降，将需要人工举升来维持产气。采用ESP、螺杆栗(PCP)和杆式栗的传统人工举升都要求将气体与液体分离。液体将由栗处理，气体将自然流动到地面。井下湿气压缩机(WGC)是被设计成以便处理气液混合物的新技术。然而，在目前的阶段，它处理液体的能力仍然有限。
[0009]在地面上，传统方法是将产出产品分成气体和液体，并且将栗用于液体而将压缩机用于气体。该方法需要两台电动机，这导致系统复杂。地面MPP和WGC昂贵、复杂并且很多时候还有可靠性问题。
[0010]目前需要开发一种用于井下人工举升或表面增压的紧凑系统，其可良好地在较宽范围的气体体积百分率(GVF)的情况下工作。我们发明了在井下和地面生产所述多相流体的系统和方法，并且提高了总效率。
【发明内容】
[0011]本发明公开了一种处理油、气和水组成的多相流体的生产的组合系统。采出流首先分成两股流:液基流(例如GVF〈5% )和气基流(例如GVF>95% )。分离可通过重力、套罩、或圆柱形旋风分离技术来完成。两股流然后分别取径至液体栗和气体压缩机，并随后重组。可替代地，对井下应用情况而言，必要时可以将分离的流动流分别带到地面。系统可用于在井下或地面上实现人工举升或表面增压。
[0012]栗和压缩机都由单一电动机轴驱动，该轴包括内部通道，该通道与接收来自另一机器的流体的机器中的一者相关联，从而提供更好的冷却效果，并且提高与其相关联的所有系统的效率。
[0013]栗和压缩机均被设计成以便最佳地单独处理液体和气体，因此该组合系统可以具有更高的总效率。本发明紧凑并可实现井下人工举升和表面增压，特别可以用于海上油气田的应用情况。此外，基于所采用的具体分离技术，可以将产出流体布置成以便直接冷却所述电动机，如在传统的ESP应用情况中那样。
[0014]本发明的显著特征是，栗和压缩机共享由同一电动机驱动的共用轴。对地面应用情况而言，驱动装置也可为同一柴油发动机或汽油发动机。在一个实施例中，轴的压缩机部分是中空的，以便为从栗排出的液体提供流动路径。在另一实施例中，轴的栗部分是中空的，以便为从压缩机排出的气体提供流动路径。可选地，可将变速箱加在压缩机或栗之间，这样二者可以不同速度运行。
[0015]本发明的混合型同轴式栗和压缩机系统紧凑，特别适用于瓦斯油井或湿天然气生产井的井下人工举升。它还可用于地面增压，尤其是在空间总是有限并且成本高的海上平台上使用。
[0016]本发明将成熟的栗及压缩机技术结合，并以创新的方式将它们组合，用于多相生产应用，在多相生产应用中，单一装置在被用于处理油、气和水的混合物时是不适用的。
[0017]本发明不需要特定类型的栗或压缩机。将现有的成熟的栗和压缩机的技术组合到所述结构和顺序布置中是有效的，由此有助于在宽范围的游离气百分率的情况下进行独特的多相生产。栗和压缩机被联接到同一轴上，使得单一电动机可用于驱动两台设备。在一个实施例中，压缩机轴的一部分是中空的，以允许流体通过。
[0018]在另一个实施例中，与栗相关联的轴的一部分可以是中空的以便接收气体，为从压缩机排出的气体提供流动路径。
[0019]在任一实施例中，会发生一定量的有益并且稳定的热传递。
[0020]本发明利用单一电动机同时驱动栗和压缩机，具有沿不同方向引导液体和气体的特定特征。如上所述，栗和压缩机可以是本发明范围内的任何设计，并且每个实施例可在其关于气体或液体容差的效率最佳的工况下操作。去除了第二个电动机、以及本发明的独特结构布置，使本系统对于井下和井场地面应用而言十分理想。
[0021]从下文的描述可以看到，总产出流首先分为液基流和气基流。如所述的，分离可以以数种方式实现，例如利用重力、离心式气体分离器或旋转式气体分离器、气液圆柱形旋风分离器、联机分离器实现。栗用于为液基流提供人工举升或增压，而压缩机用于为气基流提供增压。栗和压缩机可为径向流型、混流型或轴向流型。两个装置在同一轴上，该轴由同一电动机或燃料发动机驱动，如地面应用的情况那样。
[0022]本发明还公开了一种用于在井下或地面上生产多相流体(油、气和水)的方法。所述系统将用于处理液基流的栗与处理气基流的压缩机组合起来。栗和压缩机共享共用轴，在地面应用的情况下所述轴由同一电动机或燃料发动机驱动。所述轴用于压缩机的部分是中空的，其充当从栗排出的液体的流动路径。可使产出流体穿过冷却套以使电动机冷却，并且分离的液体也使压缩机冷却，这提高了压缩机的效率。基于单一系统的组件的优选顺序布置，压缩气体和栗送的液体在压