专利名称：用于段塞流控制的系统和方法
技术领域：
本发明涉及管线中的段塞流(slugging)的控制，例如存在于立管(riser)中严重的段塞流，所述立管将采出流体从位于海底的烃类井输送至位于海面的顶部设施。
背景技术：
立管通常在烃类工业的离岸管道系统中使用，将采出流体从位于海底的井头输送至位于海面的设施，例如位于海上平台的顶部分离器和处理设施。由井提供并通过立管输送的采出流体通常为多相流体，例如液体和气体的混合物，例如油、水和天然气的混合物。 流体中气体的存在能够有助于通过减少立管中液体的流体静压头而经立管提升流体。负面的作用为立管中气体的存在导致更高的流体静压力，并且增大井中的背压。因此，人们通常希望避免阻止气体流向立管。当流入立管中的流体堵塞管线并且立管中堵塞处的流体静压头比立管上游的截留气体压力更快地增大时，在离岸立管中会产生称作段塞流的不稳定现象。例如，图1显示了将采出流体输送至立管4的采油管线2。采油管线2位于海底6并且朝向立管4稍微向下倾斜延伸，立管4从海底6向上延伸至位于海面10的设施8。采油管线2和立管4在其连接处具有角度或者尖点12。如图1所示，流体的段塞流14在尖点12处形成并且堵塞立管4，使得采油管线2中的气体不能流入立管4中。尖点12上游的采油管线2中的气体压力增大，直至气体压力超过液体的流体静压头为止，气体随后进入立管4中，使液体段塞流 14通过立管4向上流动并且从立管4流出到顶部设施8中。提供给设施8的流体压力能够大范围变化，典型地随着液面升高而减小，并且随着段塞流14随后通过立管4输送至设施 8而快速升高。术语"严重段塞流"是指严重类型的不稳定段塞流，其中，液体段塞流14充满整个立管4。当发生严重段塞流时，上游气体压力必须增大到足够的程度以克服充满立管4的液体的流体静压头。如果立管4向上延伸非常大的竖直距离的话，例如，从海底到海面，则与严重段塞流相关的流体静压头会相当大。严重的段塞流在液体段塞流堵塞出现在作为立管上游的管线的向上倾斜部中时称作"超严重段塞流"，使得立管和位于立管上游的一段管线(有时候为数英里的管线)在气体压力变得足够大以克服液体的流体静压头并且使液体通过立管流动之前充满液体。与流过立管的流体的平均流量相比，严重段塞流循环中的交替气体和液体的瞬时流量会变得更高，有时会成数量级增加。流量方面的巨大变化会导致一级分离器或由立管4 供给的其它设施中液面高度的剧烈变化，并且会干扰设施中的正常分离和流体处理。另外， 提供给设施的流体的大压力变化对设备和生产作业有害。已经提出了用于控制或其他方式处理段塞流的各种系统和方法。例如，在一些传统系统中使用下列方法(1)增大用于接收来自立管的采出流体的一级分离器的尺寸，使得分离器可以处理段塞流，(2)利用顶侧控制阀增大立管上的背压，( 通过顶侧自动控制阀实施压力控制策略，(4)利用上述方法的各种组合，(5)例如通过在井中使用井下泵增大立管中的压力，(6)例如通过加入或增大立管或井中的气体来增大立管中的气体流量，或者 (7)在立管的底部分离气体和液体并且允许气体通过第一立管提升，同时将液体在分离的第二立管中泵送到表面。尽管上述方法可用于减小段塞流的影响，但是每种方法通常产生额外的问题和/ 或成本。例如，增大分离器尺寸会减少一些段塞流；然而，对于越来越深和越来越长的立管来说，分离器所需的尺寸增大会变得不切实际。上面的方法(2)-(5)通常通过增大立管的压力减小了气体的压缩性，这继而增大了气体压力能够达到并克服流体静压头增大的流量。上面的方法(幻_(4)通常导致增大的背压和无法接受的产量损失。上面的方法 _(7) 需要额外的能量和/或系统，取决于充足能量和/或气体的利用率。因此，始终需要用于段塞流控制的改进的系统和方法。该系统和方法应当能够利用采出流体中的气体以提供输送流体通过立管所需的至少一部分提升力，该系统和方法应当与长距离延伸的立管兼容。
发明内容
本发明的实施例通常提供基于立管的段塞流控制系统和控制段塞流的方法。该系统包括气液分离器，例如气液圆柱形旋流分离器(GLCC)，其能够接收采出流体，将采出流体分离成液相和气相，并且为气体提供通向立管(在立管中，它能与液体混合并有助于在立管中提升)的无阻碍路径。入口和出口的布置降低了流体形成液体堵塞并阻止气体流向立管的性能。当气体无阻碍地流向立管时，不易发生严重的段塞流，并且立管中的液体有效地提升到表面。根据本发明的一个实施例，气液分离器包括限定了内部容积的外壳。分离器还限定了倾斜入口，其连接至外壳并且配置为接收多相流体流并引导流体流进入外壳，使得流体在容积中成螺旋形流动并分离，其中，流体中的气体聚集在容积上部，流体中的液体聚集在容积下部。所述下部可以限定在分离器中的气体和液体分界面(即，气体/液体分界面) 和/或入口的下方，所述上部可以限定在所述分界面和/或入口的上方。管状出口通道至少部分地延伸穿过外壳的内部容积。管状通道限定了容积中的多个孔口并且通过外壳壁部延伸到出口。因流过上部孔口的气体引起的压降在管状通道中产生低压，将液体从所述下部吸起。管状通道和孔口配置为接收来自容积下部的液体和来自容积上部的气体，并且将液体和气体的混合物通过出口输送并离开外壳，例如，输送至立管。例如，由管状通道限定的孔口可以沿着该管状通道的长度布置在多个位置，至少一部分孔口可以布置在外壳容积的下部，使得孔口配置为接收位于所述下部中的液体。孔口沿着管状通道设置尺寸并隔开以提供容器中液面的粗控制并且避免分离器溢流。因为从容器入口到立管入口的压降对流过上部孔口的气体与对于流过下部孔口的液体相同，液面必须改变以平衡用于每条流动路径的压力损失。适当地设置尺寸和间隔，孔口提供自我调节的液位控制。容器容积允许系统接收适当尺寸的段塞流，其可以在不阻碍通向立管的气体路径的情况下进入立管。根据一个实施例，分离器紧靠海底定位。立管从分离器出口向上延伸，使得立管配置为将液体和气体的混合物从位于海底的分离器向上输送，例如输送至顶侧分离器或其他设施。外壳的内部容积可以为大致圆柱形状并且可以限定竖向延伸的纵向轴线。管状通道可以平行于纵向轴线从位于所述容积下部中的位置穿过外壳的顶侧延伸至出口。在一些情况下，管状通道沿着外壳内部容积的纵向轴线延伸，并且管状通道具有小于外壳直径的直径。在一些情况下，系统可以配置为提供用于输送流体的额外能量。该系统抑制了提升立管中的液体所需外部能量的初始条件，例如，气体提升或电动潜水泵，并且在需要提升系统时易于整合。例如，外壳可以限定附加入口，例如气体入口，其配置为接收进入容积上部的加压气体，从而提供从分离器到立管的更多气体。另外或者可替换地，泵可以配置为泵送流体。例如，泵适合于将液体从外壳容积的下部泵送通过管状通道，管状通道可以限定位于外壳容积上部的多个孔口，使得孔口配置为接收位于上部的气体并且气体与通过管状通道泵送的液体混合。泵可以位于外壳下部和/或管状通道中。在一些情况下，喷嘴布置在管状通道内并配置为在管状通道接收来自外壳上部的气体的位置处降低通过管状通道泵送的液体的压力。根据本发明用于控制流过立管的流体中的段塞流的一个方法，多相流体流通过连接至分离器外壳的倾斜入口提供给分离器(例如，GLCC)，使得流体在外壳的内部容积中成螺旋形流动并分离。液体和气体分离，使得流体中的液体聚集在容积下部(例如，入口下方)，流体中的气体聚集在容积上部(例如，入口上方)。来自容积下部的液体和来自容积上部的气体接收到管状通道中，所述管状通道经过由容积中的管状通道限定的多个孔口至少部分地延伸穿过外壳的内部容积，使得管状通道将液体和气体的混合物输送至立管入口。例如，由管状通道限定的孔口可以设置在沿着管状通道的多个位置处，液体可以经由布置在外壳容积下部的至少一部分孔口接收。混合物通过立管输送，典型地输送至高于分离器的位置。例如，分离器可以紧靠海底设置，立管可以从分离器向上延伸，使得液体和气体的混合物从位于海底的分离器向上输送至位于海面的顶部设施。在一些情况下，可以为输送流体提供额外的能量。例如，加压气体流能够输送至容积上部中，以增大分离器中的气体压力。气体可以由紧靠分离器定位的，或位于紧靠立管顶部的顶部设施处或其他位置处的气体源提供。另外或可替换地，液体可以从外壳容积下部泵送通过管状通道，例如，通过位于外壳下部和管状通道中的泵实现，气体可以经由限定在外壳容积上部中的多个孔口接收到管状通道中，使得气体与通过管状通道泵送的液体混合。在一些情况下，液体可以通过设置在管状通道中的喷嘴泵送，从而在接收来自外壳上部的气体的位置处降低通过管状通道泵送的液体的压力。
上文已经对本发明进行了概述，现在将参考不必按比例绘制的附图进行描述，其中图1是显示了用于将烃类从海底输送至海面的传统立管中的典型段塞流形成的示意图；图2是显示了根据本发明的一个实施例的段塞流控制系统的示意图；图3是显示了沿图2所示直线3-3观察的段塞流控制系统的剖视图；图4和5是显示了图2所示段塞流控制系统的示意图，显示了由采出流体的液相部分地充满；
图6是显示了根据本发明的另一个实施例的段塞流控制系统的示意图，包括用于接收加压提升气体的气体入口；图7是显示了根据本发明的另一个实施例的段塞流控制系统的示意图，包括泵； 和图8是显示了根据本发明的另一个实施例的段塞流控制系统的示意图，包括泵和用于在接收气体的位置处减小泵送液体压力的喷嘴；图9和10是根据本发明的其它实施例的段塞流控制系统的一部分的示意性、局部剖视图，均包括配置为可调节地打开或关闭管状通道中的孔口的套筒。
具体实施例方式现在将参考附图(其中显示了本发明的一部分但非全部实施例)更充分地描述本发明。实际上，本发明可以按照许多不同的方式实施，不应局限于这里所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了满足适用的法律要求。相同的数字表示相同的元件。现在将参考附图，尤其是图2，其显示了根据本发明的一个实施例的段塞流控制系统20。系统20通常包括气液分离器22，其配置为分离多相采出流体(例如含有液烃、 水、天然气和/或其它液体或气体的流体)，随后使流体的液相和气相重新组合以形成通过立管M输送的混合物。更特别地，分离器22可以是如图2所示的气液圆柱形旋流分离器 (GLCC)，包括外壳沈和连接至外壳沈的倾斜入口观。与传统的气液圆柱形旋流分离器类似，外壳沈可以包括圆柱形侧壁30，其与顶侧32和底侧34共同限定了圆柱形内部容积 36。应当认识到，可以使用其它构造，例如，具有半球形、椭圆形或其他形状的构造的顶侧和 /或底侧。与传统气液圆柱形旋流分离器的入口观类似，入口观配置为接收多相采出流体流并且将流体流引入外壳沈中，使得流体在容积36内螺旋流动并分离成液相和气相。如图2所示，分离器22配置为接收来自采油管线38的采出流体，所述采油管线布置在海基或海底40上或附近并且连接至烃井42的出口。如图3所示，入口观通常与外壳沈的纵向轴线偏心设置，例如，使得入口观沿着与外壳沈的圆柱形侧壁30相切的路径引导流体流。外壳沈的容积36限定了上部44和下部46。来自流体的气体聚集在上部44，来自流体的液体聚集在下部46。上部44典型地限定在气/液分界面45上方并且典型地位于入口观上方，下部46典型地限定在气/液分界面45下方并且典型地位于入口观下方， 外壳26的容积36可以足够大以接收从采出流体进入下部46的液体段塞流，不会阻塞入口 28或者妨碍气体向立管的流动。应当认识到，气体的分离可能不完全，使得聚集在容积36 的下部46中的液体可能含有少量气体(例如，小于10%，典型地小于5%，按液体重量计) 并且聚集在容积36的上部44中的气体可能含有少量液体(例如，小于50加仑液体/百万标准立方英尺(MMscf)气体，典型地小于10加仑液体/百万标准立方英尺气体)。与分别通过两个单独的出口输送气体和液体的传统气液圆柱形旋流分离器不同， 图2所示系统20配置为例如通过单个出口输送混合物形式的气体和液体。特别地，管状通道50延伸穿过外壳沈的壁部并且至少部分地穿过外壳沈的内部容积36，例如，从内部容积36的下部46中的第一端部52穿过外壳沈的顶侧32延伸到位于布置在外壳沈外侧上方的第二端部M处的出口。管状通道50可以形成为立管M的整体部分，例如，作为立管 24的一个连续构件，或者管状通道50可以是例如通过连接器56连接到立管M上的单独形成的构件。管状通道50可以具有圆柱形构造，如图3所示，并且能够例如平行于由分离器22的外壳沈限定的容积36的纵向轴线，使得管状通道50沿着外壳沈的纵向轴线竖向延伸。管状通道50限定了布置在外壳沈的容积36中的多个孔口 60。为了清楚说明的目的，孔口 60在图2中比孔口 60的典型实际尺寸大。可以认识到，例如根据系统20的期望操作条件，孔口 60能够以任何数量和尺寸提供。在这方面，人们注意到，在一种典型的稳定操作条件下，，通过孔口(即，从管状通道50的外部到管状通道50的内部)的压降近似等于由管状通道50中的液体(受系统20中的摩擦损失的影响)产生的压头。在一个实施例中，每个孔口 60的直径为大约0. 1英寸到2英寸，管状通道50限定2到100个孔口 60。孔口 60典型地限定在沿着管状通道50的长度的多个位置处，例如；一些或全部孔口 60限定在外壳沈的容积36的下部46中。当外壳沈的下部46充满液体，外壳沈的上部44充满气体时，位于外壳沈的下部46中的孔口 60配置为接收液体，位于外壳沈的上部 44中的孔口 60配置为接收气体。因此，通常在分离器22中分离的液体和气体可以在管状通道50中自由流动并重新组合。另外，液体和气体的重新组合提供了液体和气体的混合物流，其由管状通道50输送至位于第二端部M处的出口和立管24。这样，系统20能够提高液体和气体的混合并且提供比进入分离器22的采出流体更为均质的混合物。特别地，如果进入分离器22的采出流体包含其后为气泡的液体段塞流，液体和气体都能进入分离器22 中并且在管状通道50中混合，使得通过位于通道50的第二端部M处的出口提供给立管M 的混合物含有更为均质的混合物，其中，较小的气泡分布在立管中的液体中。尽管本发明不局限于任何特定的工作原理，人们相信给立管提供分布成较小气泡的连续气体流降低了液体阻挡气体流向立管的概率，有助于混合物流过立管M并且可以更好地利用气体的提升势能。也就是说，代替阻挡气体向上游流动直至上游压力增大以克服液体流体静压头的液体段塞流，分离器能够在不阻碍气体流向立管的情况下容纳段塞流；气体流过管道中的孔口产生迫使液体在管道中向上推动到位于气体孔口上方高度的压降，因此液体与气体混合并且以连续方式提升至表面M。这样，能够减少流体中段塞流的产生，使得采出流体以更为均勻的流量和压力输送流过立管24。应该认识到，混合的性质和程度会影响气体提升混合物的效率。例如，在一些情况下，较大的、未混合的气泡比较小的、混合较好的气泡更有效率。 图2所示系统20配置为基于立管的段塞流控制系统，即，分离器22连接至立管M 的下端的系统，所述立管提供用于从段塞流控制系统20输送至顶部设施50的采出流体的通道。例如，系统20能够分离多相采出流体，混合液体和气体，并且将混合物通过立管M 输送至分离器62和/或顶部设施58中的其它处理设备64。在这种构造中，传统系统中限定在采油管线和立管之间的尖点(例如，图1所示尖点12)能够被分离器22所替代。由于尖点以这样的方式消除，正常的流量波动或液体段塞流不会在尖点处形成堵塞。另外，分离器22自动控制注入到立管M中的液体和气体的量，从而避免段塞流。在这方面，人们注意到，图2所示段塞流控制系统20通常防止液体堵塞形成在采油管线38和立管M之间并且提供通向立管M的连续通路，即即使液体段塞流穿过采油管线38输送并且接收到分离器 22中，气体也能沿其流动的通路。 尽管图2显示了基于立管的控制系统20，但是在其它实施例中，段塞流控制系统 20能够配置为接收位于其他位置的多相流体流和/或将混合流体输送至立管或其它管线。另外，应当认识到，控制系统20能够位于海底40，如图2所示，或者位于其它位置，例如，位于立管或将混合流体输送至典型地位于比分离器22更高的位置处的设施的其它管线的入口处。例如，尽管图2所示分离器22是气液圆柱形旋流分离器，分离器22的容积36能够替代为由另一结构，例如水下沉箱限定。图4和5进一步显示了系统20的操作，显示了内部具有不同量的液体和气体的分离器22。在图4中，液体的顶面在分离器22中较高，例如，在分离器22接收通过入口观来自采油管线38的流体段塞流之后立即发生。在这种情况下，由管状通道50限定的大部分孔口 60与位于分离器22的容积36的下部46中的液体连通并且配置为接收液体，而较少数量的孔口 60配置为接收容积36的上部44或下部46中的气体。分离器22的上部44中的气体压力给液体提供推动液体进入孔口 60的作用力。同样，在管状通道50中上升的气体的提升力给液体提供了使液体在管状通道50中上升并且吸引更多液体通过孔口 60进入管状通道50的作用力。在图5中，液体的顶面66在分离器22中相对较低，例如，可能在液体段塞流已经与气体混合并且通过管状通道50输送之后和/或在分离器22接收来自采油管线38的气泡之后立即发生。在这种情况下，较少数量的孔口 60与位于分离器22的容积36的下部46 中的液体连通并且配置为接收液体。相对于图4所示情况，大量孔口 60在图5中配置为接收位于容积36的上部44中的气体。如上文参考图4所解释的那样，分离器22中的液体通过由分离器22的上部44中的气体施加的压力推入管状通道50中，并且液体利用在管状通道50中上升的气体进行提升。管状通道50在暴露给气体的孔口 60的数量增大时会接收更多的气体，并且管状通道50在暴露给液体的孔口 60的数量增大时会接收更多的液体。因此，系统20能够通过在液体的顶面66较高时输送更多的液体以及在液体的顶面66较低时输送更少的液体进行自动调节；然而，即使当液面较高时，如图4所示，气体不会堵塞管状通道50，而是相反，其连续流动并且有助于液体的连续流动。在图2-5所示系统20的一种典型操作方法期间，分离器22中的液面以及液体和气体从分离器22流入立管M中的流量能够自动调节。换句话说，液面和流量能够根据系统20的工作参数(例如进入分离器22的采出流体的容量和流动条件)进行改变，无需用户干涉。例如，如果进入分离器22的采出流体分层，使得采出流体流包括流入分离器22中的连续液体流和气体流，随后气体聚集在分离器22的容积36的上部44，液体聚集在下部 46。上部44中的加压气体对液体施加作用力并且推动下部46中的液体流过孔口 60并流入管状通道50和立管M。如果分离器22中的液面较高，液体流过大量孔口 60，使得进入管状通道50中的液体流较多，进入管状通道50中的气体流较少。当分离器22中的液面降低时，液体流过少量孔口 60并且气体流过较多孔口 60，使得流入管状通道50中的液体较少，进入管状通道50中的气体较多。代替液体和气体的分层流，如果采出流体包括流入分离器22的液体段塞流，分离器22中的液面在液体聚集在分离器22中时将上升。分离器22中液体的增加导致较少的气体流过孔口 60。如果气泡通过采油管线38提供到分离器22中，流入分离器22中的气体流超过从分离器22流出的气体流，使得分离器22中的液面降低。因此，不管进入分离器22 中的流体是分层流还是一系列段塞流和气泡，系统20能够提供流入立管M中的流体，其特征在于气体和液体的泡状混合物，或者，可替换地，通过立管M中的气体提升并且小到足以避免立管M中的严重段塞流的一系列段塞流。这样，液体和气体的流量能够调节并且自动实现分离器22中的特定液面。分离器 22的尺寸、孔口 60的构造以及系统20的其它特征能够配置为适应特定尺寸的液体段塞流和气泡，使得当气泡位于液体段塞流后面时，气体在另一段塞流进入分离器22之前将大部分或全部聚集液体从分离器22提升到立管M中。例如，在一些实施例中，分离器22的高度能够为大约10英尺到300英尺，分离器22的直径能够为大约1英尺到5英尺。管状通道50的直径典型地明显小于外壳沈的直径。例如，分离器22的外壳沈的直径能够为大约3英尺，管状通道50的直径能够为大约1英尺。在一个实施例中，外壳沈的直径为采油管线38的直径的2-3倍。如果系统20布置在水中，分离器22能够至少部分地位于海底40 的泥线以下。孔口 60的尺寸能够如上所述地改变并且能够在尺寸和数量上配置为在管状通道50的外部和内部之间提供预定压降，从而有助于保持分离器22中的特定液面。在一些情况下，可将额外能量提供给系统20以有助于采出流体通过立管M进行提升。例如，如图6所示，分离器22能够限定连接到分离器22的容积36的上部44，即穿过上部32的气体入口 70。气体入口 70能够通过管线、软管或者其它管状通道72连接到加压气体源74。加压气体源74包括位于顶部设施58中的压缩机，位于顶部设施58或海底40 上的充满加压气体的容器，或者另一加压气体源。在任一情况下，加压气体能够输送给容积 36的上部44，从而增大容积36和/或流体分离器22的气体压力。这样，加压气体能够有助于采出流体通过立管M进行提升。应当认识到，如果来自井42的采出流体包含极少气体的话，提供加压气体会更为有利。在一些情况下，加压气体只在采出流体的气体含量不足以提升采出流体和/或当气体含量降至特定阈值以下时提供。例如，在井42的操作早期，采出流体会包含足够的气体， 使得无需额外的加压气体。在井42的操作后期，气体含量会变低，额外的加压气体是有利的或者为提升采出流体所必需。在一些情况下，系统20能够配置为在不使用额外的加压气体的情况下操作，随后改型以提供加压气体。还可以按照其它方式提供用于提升采出流体的额外能量。例如，图7显示了另一实施例，其中，提供泵80以有助于提升采出流体穿过立管M。泵80可以是电动潜水泵 (ESP)，泵80可以位于分离器22的容积36中，例如位于下部46中并且位于管状通道50内， 如图7所示。在其它情况下，泵80可以位于管状通道50的外面和/或分离器22的容积36 的外面。如果泵80是电气装置，例如电动潜水泵，电能可以通过从泵80延伸至位于顶部设施58或者延伸至位于海底40或其他位置的另一电源的电气连接部82提供。还可以为控制给泵80供电和/或其他方式控制泵80的速度或其它操作设置控制器86。注意，图7和 8未显示分离器22的全部高度。在一些情况下，海底气液圆柱形旋流分离器或其它分离器 22能够连接到沉箱上，其可以沉到海底作为假井，形成非常高例如300英尺的分离器。在图7所示实施例中，管状通道50的第一下端52敞开以限定较大的孔口或入口 60a，用于接收来自分离器22的容积36的下部46的液体。管状通道50还限定了位于容积 36的上部44中用于接收气体的多个较小孔口 60b。泵80适合于将液体从外壳沈的容积 36的下部46穿过管状通道50进行泵送。更特别地，在操作期间，泵80将液体吸入位于管状通道50的底部处的入口 60a，并且将液体向上朝位于通道50的第二端部M处的出口泵送并且泵入立管M中。分离器22的容积36的上部44中的气体能够通过位于容积36的上部44中的孔口 60b进入管状通道50。在图7所示实施例中，位于管状通道50底部的大孔口或入口 60a是限定在容积36的下部46中的唯一孔口。其它较小孔口 60b单独限定在容积36的上部44中，用于接收来自上部44的气体。通过孔口 60b进入管状通道50的气体与液体混合并且能够提供用于使采出流体通过立管M提升的额外提升力。来自容积36 的上部44的气体典型地在上部44中的气体压力大于立管M中的压力时流入管状通道50 中。如上所述，在操作的所有时间或者井42的寿命的全部阶段可能不需要额外提升。 因此，在一些情况下，泵80能够仅在特定时间有选择地操作，例如，当采出流体包含较少量的气体时，和/或系统20能够在没有泵80的情况下工作并且随后改型以包括泵80，例如， 在采出流体提供较少气体或压力时的井42的操作后期期间。图8显示了另一实施例，其中，提供所述泵80以有助于通过立管提升采出流体。另外，图8所示构造包括布置在管状通道50中的喷嘴88。布置在图8所示泵80的下游的喷嘴88配置为增大液体流过管状通道50的速度，从而减小位于孔口 60b限定在上部44中的位置90，S卩，管状通道50配置为接收来自外壳沈的上部44的气体的位置90处的喷嘴88 的下游的液体压力。通过减小位于孔口 60b的位置处的管状通道50中的液体压力，气体会方便地流入管状通道50。因此，如果通过管状通道50输送的液体压力增大，例如，通过增加泵80的工作速度，喷嘴88下游的压力会减小，使得气体接收到管状通道50中。这样，通过在泵80的速度增大时增加经由立管M输送的气体量，系统20会具有自动调节作用。可以为控制流入和流出分离器22的流体流提供阀(未显示)。另外或者可替换地，管状通道50能够在操作之前或操作期间按照一种或更多种方式调节。例如，管状通道 50能够可调节地连接到分离器22的外壳沈上，使得管状通道50及孔口 60能够在分离器 22中可调。孔口 60的尺寸和/或数量也能够调节，例如通过提供可沿着管状通道50的轴线可滑动调节地位于管状通道50内部或外部的套筒实现，套筒限定可调节地与管状通道 50的孔口 60对准的孔口 60以有效调节孔口 60的尺寸，液体和气体能够通过所述孔口 60 流入管状通道50中。例如，如图9所示，管状通道50固定地位于外壳沈中，套筒92可沿着管状通道50的轴线可滑动地调节并且配置为通过致动器94沿方向96进行调节，使得套筒92能够有选择地定位以盖住或露出各种数量的孔口 60，从而改变通过孔口 60的流动阻力，从而改变穿过孔口 60的压降。在另一个实施例中，如图10所示，套筒92可围绕管状通道50的轴线旋转调节并且配置为通过致动器94沿方向98旋转。进一步地，套筒92限定孔口 100，其位置与管状通道50的孔口 60相对应，使得套筒92能够旋转以有选择地盖住或露出孔口 100的任何部分，从而改变通过孔口 60的流动阻力。根据上文和附图所给出的教导，本发明所属领域的技术人员可以想到本发明的许多改进和其他实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例，改进和其他实施例落入所附权利要求的范围之内。尽管这里使用专用术语，但它们只用于一般性描述而非用于限制。
权利要求
1.一种基于立管的段塞流控制系统，包括气液分离器，其包括限定内部容积的外壳，和连接至所述外壳并且配置为接收多相流体流并引导流体流进入所述外壳的倾斜入口，使得流体在所述容积中成螺旋形流动并分离，其中，流体中的气体聚集在所述容积的上部，流体中的液体聚集在所述容积的下部；和至少部分地延伸穿过所述外壳的内部容积的管状通道，所述管状通道限定了位于所述容积中的多个孔口，并且所述管状通道穿过所述外壳的壁延伸至出口，使得所述管状通道配置为接收来自所述容积下部的液体和来自所述容积上部的气体并且将液体和气体的混合物通过所述出口输送。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述分离器是配置为接收多相流体中的段塞流的气液圆柱形旋流分离器。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述分离器紧靠海底定位，并且进一步包括从所述出口向上延伸的立管，使得所述立管配置为将液体和气体的混合物从位于海底的分离器向上输送。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述外壳的内部容积通常为圆柱形并限定了竖直延伸的纵向轴线，并且所述管状通道沿着所述外壳的内部容积的纵向轴线延伸。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述管状通道平行于所述纵向轴线从位于所述容积下部的位置穿过所述外壳的顶侧延伸至出口。
6.如权利要求1所述的系统，其中，由所述管状通道限定的孔口沿着该管状通道布置在多个位置，至少一部分孔口布置在所述外壳的容积下部，使得该孔口配置为接收位于所述下部中的液体。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述外壳进一步限定气体入口，其配置为接收进入所述容积上部的加压气体，从而增大分离器中的气体压力。
8.如权利要求1所述的系统，进一步包括适于接收来自所述外壳的容积下部的液体并且将该液体通过管状通道泵送的泵，并且其中，所述管状通道限定了位于所述外壳的容积上部中的多个孔口，所述孔口配置为接收位于上部的气体，使得气体与通过管状通道泵送的液体混合。
9.如权利要求8所述的系统，进一步包括喷嘴，其布置在所述管状通道内并配置为在接收来自所述外壳上部的气体的位置处降低通过所述管状通道泵送的液体的压力。
10.一种控制流过立管的流体中的段塞流的方法，该方法包括经由连接至分离器外壳的倾斜入口提供进入分离器的多相流体流，使得所述流体在所述外壳的内部容积中成螺旋形流动并且分离，其中，流体中的气体聚集在所述容积的上部， 流体中的液体聚集在所述容积的下部；经由所述容积中的管状通道限定的多个孔口，将液体从所述容积的下部且将气体从所述容积的上部接收进入所述管状通道，并因而使管状通道中的液体和气体混合以形成液体和气体的混合物，该管状通道至少部分地延伸穿过所述外壳的内部容积；和将混合物从管状通道通过立管输送至高于分离器的位置。
11.如权利要求10所述的方法，其中，提供多相流体流的步骤包括提供多相流中的段塞流，并且其中，接收液体和输送混合物的步骤增强了流体的液体和气体的混合，从而减少流体中的段塞流。
12.如权利要求10所述的方法，进一步包括紧靠海底提供所述分离器，和将立管提供为从分离器向上延伸，其中，通过立管输送混合物包括将液体和气体的混合物从位于海底的分离器向上输送至紧靠海面的位置。
13.如权利要求10所述的方法，进一步包括将加压气体流输送到容积上部，从而增大分离器中的气体压力。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包括将液体从所述外壳的容积下部通过管状通道进行泵送，并且其中，接收步骤包括将气体经由限定在所述外壳的容积上部中的多个孔口接收进入管状通道，从而使气体和通过管状通道泵送的液体混合。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述泵送步骤包括通过布置在管状通道中的喷嘴泵送液体，从而在配置为接收来自所述外壳上部的气体的位置处降低通过管状通道泵送的液体的压力。
全文摘要
本发明公开了基于立管的段塞流控制系统和控制通过立管流动的流体中的段塞流的方法。该系统包括气液分离器，其具有限定了内部容积的外壳。倾斜入口连接至外壳并且配置为接收多相流体流并引导流体流进入外壳，使得流体在容积中成螺旋形流动并分离，其中，来自流体的气体聚集在容积上部，来自流体的液体聚集在容积下部。至少部分地延伸穿过外壳的内部容积的管状通道限定了多个孔口。管状通道配置为接收来自容积下部的液体和来自容积上部的气体，并且将液体和气体的混合物通过出口输送。
文档编号E21B43/36GK102301091SQ200980155448
公开日2011年12月28日 申请日期2009年12月14日 优先权日2008年12月15日
发明者G·E·库巴, S·王 申请人:雪佛龙美国公司