在井下和地面生產(chǎn)多相井流體的組合式泵和壓縮機(jī)及方法
【專利說明】在井下和地面生產(chǎn)多相井流體的組合式泵和壓縮機(jī)及方法
[0001]相關(guān)申請的交叉參照
[0002]本申請依據(jù)35 U.S.C.119，120要求申請人2013年6月24日提交的美國臨時(shí)申請N0.61/838，761的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時(shí)申請通過引用結(jié)合到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種采用人工舉升方法在井下或地面生產(chǎn)多相流體(即，油、氣和水)的系統(tǒng)和方法，所述人工舉升方法例如是使用電潛栗(ESP)、濕氣壓縮機(jī)(WGC)以及多相栗(MPP)。
【背景技術(shù)】
[0004]人們常需要井下人工舉升或表面增壓用于增加烴類的生產(chǎn)和回收。產(chǎn)出流體通常為氣、油和水的混合物。在油井的情況下，井下工作壓力可能低于泡點(diǎn)壓力，否則油井會(huì)具有與油一道從氣頂產(chǎn)出的氣體。對氣井而言，氣體常與冷凝物和水一起產(chǎn)出。
[0005]電潛栗(ESP)是用于高產(chǎn)油井的人工舉升方法。ESP是具有密閉聯(lián)接到栗體上的電動(dòng)機(jī)的裝置。整個(gè)組件浸沒在待栗送的流體中。ESP栗通常是可以有數(shù)百級(jí)的多級(jí)離心栗，每一級(jí)由葉輪和擴(kuò)散器組成。葉輪將軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體的動(dòng)能，擴(kuò)散器將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為流體壓頭或壓力。栗的性能取決于流體類型、密度和粘度。當(dāng)游離氣與油和水一道產(chǎn)出時(shí)，氣體作為氣泡會(huì)積聚在葉輪葉片的低壓側(cè)。氣體的存在降低了由栗產(chǎn)生的壓頭。此外，由于氣體磨琢葉輪葉片，栗的容積效率降低。當(dāng)游離氣量超過一定限度時(shí)，會(huì)發(fā)生氣鎖，并且栗將不會(huì)產(chǎn)生任何壓頭/壓力。
[0006]為了改善ESP性能，已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)?？蓪⑦@些解決方案分為氣體分離/避免方案和氣體處理方案。分離和避免涉及分離游離氣并且阻止其進(jìn)入栗中。分離可通過重力結(jié)合特殊的完井設(shè)計(jì)(如使用套罩)完成，或者由安裝并且附接到栗的吸入部的氣體分離器完成。通常通過套管環(huán)帶將分離的氣體產(chǎn)出到地面上。然而，在需要通過用深置封隔器將環(huán)帶與游動(dòng)烴隔開來進(jìn)行防腐保護(hù)的井中，這可能并不總是可行的選擇。在這樣的情況下，井將需要借助用于氣體的單獨(dú)導(dǎo)管來完成。為了利用氣舉效益，可在管道和氣體導(dǎo)管之間達(dá)到壓力平衡后將氣體引回到與栗的排出口相隔一定距離的管道。為了縮短距離，噴射栗可以安裝在ESP之上以方便“吸”入氣體。所有這些選項(xiàng)增加了完井和井控的復(fù)雜度。
[0007]氣體處理是改變栗級(jí)設(shè)計(jì)，從而可承受較高比例的游離氣?；谌~輪葉片的設(shè)計(jì)，栗可分為以下三種類型:徑向流栗、混流栗和軸向流栗。徑向流栗的幾何形狀更可能捕集多個(gè)級(jí)葉片中的氣體并且其通?？梢蕴幚須怏w體積百分率(GVF)高達(dá)10%的情況。在混流栗級(jí)中，由于流體混合物要行經(jīng)更復(fù)雜的流動(dòng)路徑，因此混流栗通?？梢蕴幚砀哌_(dá)25%的游離氣，據(jù)稱有些混流栗能處理高達(dá)45 %的游離氣。在軸向流栗中，流動(dòng)方向平行于栗的軸。該幾何形狀減小了氣體在多個(gè)級(jí)中受困從而形成氣鎖的可能性。軸向流栗級(jí)可以處理高達(dá)75%的游離氣，但效率比混流栗級(jí)差。
[0008]對氣井而言，隨著氣田成熟和壓力下降，將需要人工舉升來維持產(chǎn)氣。采用ESP、螺桿栗(PCP)和桿式栗的傳統(tǒng)人工舉升都要求將氣體與液體分離。液體將由栗處理，氣體將自然流動(dòng)到地面。井下濕氣壓縮機(jī)(WGC)是被設(shè)計(jì)成以便處理氣液混合物的新技術(shù)。然而，在目前的階段，它處理液體的能力仍然有限。
[0009]在地面上，傳統(tǒng)方法是將產(chǎn)出產(chǎn)品分成氣體和液體，并且將栗用于液體而將壓縮機(jī)用于氣體。該方法需要兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，這導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜。地面MPP和WGC昂貴、復(fù)雜并且很多時(shí)候還有可靠性問題。
[0010]目前需要開發(fā)一種用于井下人工舉升或表面增壓的緊湊系統(tǒng)，其可良好地在較寬范圍的氣體體積百分率(GVF)的情況下工作。我們發(fā)明了在井下和地面生產(chǎn)所述多相流體的系統(tǒng)和方法，并且提高了總效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明公開了一種處理油、氣和水組成的多相流體的生產(chǎn)的組合系統(tǒng)。采出流首先分成兩股流:液基流(例如GVF〈5% )和氣基流(例如GVF>95% )。分離可通過重力、套罩、或圓柱形旋風(fēng)分離技術(shù)來完成。兩股流然后分別取徑至液體栗和氣體壓縮機(jī)，并隨后重組。可替代地，對井下應(yīng)用情況而言，必要時(shí)可以將分離的流動(dòng)流分別帶到地面。系統(tǒng)可用于在井下或地面上實(shí)現(xiàn)人工舉升或表面增壓。
[0012]栗和壓縮機(jī)都由單一電動(dòng)機(jī)軸驅(qū)動(dòng)，該軸包括內(nèi)部通道，該通道與接收來自另一機(jī)器的流體的機(jī)器中的一者相關(guān)聯(lián)，從而提供更好的冷卻效果，并且提高與其相關(guān)聯(lián)的所有系統(tǒng)的效率。
[0013]栗和壓縮機(jī)均被設(shè)計(jì)成以便最佳地單獨(dú)處理液體和氣體，因此該組合系統(tǒng)可以具有更高的總效率。本發(fā)明緊湊并可實(shí)現(xiàn)井下人工舉升和表面增壓，特別可以用于海上油氣田的應(yīng)用情況。此外，基于所采用的具體分離技術(shù)，可以將產(chǎn)出流體布置成以便直接冷卻所述電動(dòng)機(jī)，如在傳統(tǒng)的ESP應(yīng)用情況中那樣。
[0014]本發(fā)明的顯著特征是，栗和壓縮機(jī)共享由同一電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的共用軸。對地面應(yīng)用情況而言，驅(qū)動(dòng)裝置也可為同一柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。在一個(gè)實(shí)施例中，軸的壓縮機(jī)部分是中空的，以便為從栗排出的液體提供流動(dòng)路徑。在另一實(shí)施例中，軸的栗部分是中空的，以便為從壓縮機(jī)排出的氣體提供流動(dòng)路徑。可選地，可將變速箱加在壓縮機(jī)或栗之間，這樣二者可以不同速度運(yùn)行。
[0015]本發(fā)明的混合型同軸式栗和壓縮機(jī)系統(tǒng)緊湊，特別適用于瓦斯油井或濕天然氣生產(chǎn)井的井下人工舉升。它還可用于地面增壓，尤其是在空間總是有限并且成本高的海上平臺(tái)上使用。
[0016]本發(fā)明將成熟的栗及壓縮機(jī)技術(shù)結(jié)合，并以創(chuàng)新的方式將它們組合，用于多相生產(chǎn)應(yīng)用，在多相生產(chǎn)應(yīng)用中，單一裝置在被用于處理油、氣和水的混合物時(shí)是不適用的。
[0017]本發(fā)明不需要特定類型的栗或壓縮機(jī)。將現(xiàn)有的成熟的栗和壓縮機(jī)的技術(shù)組合到所述結(jié)構(gòu)和順序布置中是有效的，由此有助于在寬范圍的游離氣百分率的情況下進(jìn)行獨(dú)特的多相生產(chǎn)。栗和壓縮機(jī)被聯(lián)接到同一軸上，使得單一電動(dòng)機(jī)可用于驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，壓縮機(jī)軸的一部分是中空的，以允許流體通過。
[0018]在另一個(gè)實(shí)施例中，與栗相關(guān)聯(lián)的軸的一部分可以是中空的以便接收氣體，為從壓縮機(jī)排出的氣體提供流動(dòng)路徑。
[0019]在任一實(shí)施例中，會(huì)發(fā)生一定量的有益并且穩(wěn)定的熱傳遞。
[0020]本發(fā)明利用單一電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)栗和壓縮機(jī)，具有沿不同方向引導(dǎo)液體和氣體的特定特征。如上所述，栗和壓縮機(jī)可以是本發(fā)明范圍內(nèi)的任何設(shè)計(jì)，并且每個(gè)實(shí)施例可在其關(guān)于氣體或液體容差的效率最佳的工況下操作。去除了第二個(gè)電動(dòng)機(jī)、以及本發(fā)明的獨(dú)特結(jié)構(gòu)布置，使本系統(tǒng)對于井下和井場地面應(yīng)用而言十分理想。
[0021]從下文的描述可以看到，總產(chǎn)出流首先分為液基流和氣基流。如所述的，分離可以以數(shù)種方式實(shí)現(xiàn)，例如利用重力、離心式氣體分離器或旋轉(zhuǎn)式氣體分離器、氣液圓柱形旋風(fēng)分離器、聯(lián)機(jī)分離器實(shí)現(xiàn)。栗用于為液基流提供人工舉升或增壓，而壓縮機(jī)用于為氣基流提供增壓。栗和壓縮機(jī)可為徑向流型、混流型或軸向流型。兩個(gè)裝置在同一軸上，該軸由同一電動(dòng)機(jī)或燃料發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，如地面應(yīng)用的情況那樣。
[0022]本發(fā)明還公開了一種用于在井下或地面上生產(chǎn)多相流體(油、氣和水)的方法。所述系統(tǒng)將用于處理液基流的栗與處理氣基流的壓縮機(jī)組合起來。栗和壓縮機(jī)共享共用軸，在地面應(yīng)用的情況下所述軸由同一電動(dòng)機(jī)或燃料發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。所述軸用于壓縮機(jī)的部分是中空的，其充當(dāng)從栗排出的液體的流動(dòng)路徑?？墒巩a(chǎn)出流體穿過冷卻套以使電動(dòng)機(jī)冷卻，并且分離的液體也使壓縮機(jī)冷卻，這提高了壓縮機(jī)的效率?；趩我幌到y(tǒng)的組件的優(yōu)選順序布置，壓縮氣體和栗送的液體在壓