CN102430354B

CN102430354B - 用于多相流体的均质化的装置及方法

Info

Publication number: CN102430354B
Application number: CN201110270263.0A
Authority: CN
Inventors: 伯恩特·黑尔格·托基尔德森
Original assignee: Framo Engineering AS
Current assignee: Framo Engineering AS
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2031-09-06
Also published as: CN102430354A; GB201014765D0; EP2425890A1; AU2011218628A1; AU2011218628B2; US20120057427A1; US8777476B2; GB2483438A; EP2425890B1; BRPI1104642A2

Abstract

提供一种用于多相流体的均质化的装置及方法；该流体至少包括第一相和第二相即气相和液相；该装置包括流体连通的内部贮罐和外部容器；该内部贮罐包括用于多相流体的入口、具有比本体更小的用于流出第一相的截面积的出口、及进入外部容器以使第二相流出的至少一个开口，该开口与第一相出口隔开，其中该外部容器具有设有颈部的入口管路，该颈部至少部分地围绕该内部贮罐的出口。本发明能够使得多相流体良好地混合。

Description

用于多相流体的均质化的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种流动调节装置，尤其涉及一种在烃(石油和天然气)的勘探和生产领域中使用的流动调节装置和用于多相流体的均质化的装置及方法。该流动调节装置在多种流体，尤其是多种多相流体的均质化(homogenization)和混合中有特别的应用。

背景技术

多相流体既包括气体也包括液体成分，而其中一个例子便是从包含天然气和石油的混合物的陆上井(onshore)或海底井中提取的井内油气流(well stream)。这样的混合物可在气体和液体的成分方面实质变化，其可包括被主要的气体部分分隔开的实质未混合的液体的段塞(slug)，以及或多或少均质化的部分。这种提取物的自然本质的不一致性使其难以处理，特别是在通过抽吸设备时难以处理(抽吸设备可以更有效率并且更可靠地处理均质化的混合物)。

由EP-A-0379319和WO90/13859可得知用于均质化多相流体的装置；其中多相流体被供应到贮罐中，该多相流体在该贮罐中趋向于分成主要由气相流体构成的本体和主要由液相流体构成的液池，本体邻近液池。该液相流体经由出口管路流出贮罐，并且有管道穿过液相流体将气相流体与出口连通。设在出口管路中的文丘里式限流管(venturirestriction)产生吸力，以将气相流体吸入在出口处流动的液相流体。沿着上述管道的长度设有穿孔，这些穿孔将液相流体吸入气相流体并且有助于均质化进程。

在未加工的井内油气流含有砂粒或其他固体时，这些已知的多相流体均质化装置会发生问题。该装置因此而必须设计有大流动面积，以免固体在狭窄的部分积聚并阻止流动或阻塞装置。这种积聚严重降低已知装置的效率，并能完全阻止已知装置的工作。

在这些已知的均质化装置中，混合物中的气液相对比值即气体体积分数(GVF)直接与贮罐中液体的液位相关，其中GVF越高，则液体液位越低。此关系决定了装置的最佳操作包线(operating envelope)。通过选择出口中分别用于液流和气流的合适流动面积，可使得装置适于与合适的数量和穿孔尺寸的管道结合。对于高GVF应用而言，需要使液体流出率(且因此还有出口管的截面积)很小，并使得管道中的穿孔的尺寸减少或数量减少、或者尺寸与数量同时减少。然而如果液体流动面积过小，则更容易因固体而发生堵塞。因此，取决于流体中固体颗粒的尺寸和数量，存在实际的限制值；在该限制值以下，即不能减小液体流动面积而不严重损坏装置的性能。在用于液流清除的天然气和石油的应用中，典型的下限值是大约5mm，而若使用大约5-30mm直径的穿孔管，则这等同于90-98％的最大GVF，相当于10-50的最大气液比(GLR)。结果，基本上很难为GLR在10-50以上的最佳操作设计出已知的均质化装置。这点示于在图2中。

具有非常高的气体体积分数(GVF)的多相混合物被称为凝析油(condensate)或“湿气(Wet Gas)”；湿气是一个地质学术语，用于指烃的气体混合物，该混合物包含大量的分子量大于甲烷的化合物。这种湿气流体典型地拥有接近95％以上的GVF，相当于气液比(GLR)在20以上。典型地，这种流体也包含其他的非烃化合物如二氧化碳、硫化氢、氮、氧和水。

提供如下装置将是有益的：该装置能够有效地处理高GVF的多相流体流如湿气流，而不易因在流动中的固体颗粒而阻塞。

发明内容

根据本发明的一个方案，提供一种用于多相流体的均质化的装置；该流体至少包括第一相和第二相，气相和液相；该装置包括与外部容器流体连通的内部贮罐；该内部贮罐包括入口、出口以及至少一个开口，其中入口用于多相流体，用于流出第一相的出口具有比本体更小的截面积，至少一个开口进入外部容器以使第二相流出，该开口与第一相的出口隔开，其中该外部容器具有出口管路，出口管路具有颈部，该颈部至少部分地围绕该内部贮罐的出口。

根据本发明的另一方案，提供一种用于将多相流体均质化的方法，包括以下步骤：通过入口将多相流体提供至内部贮罐，该内部贮罐至少部分地被外部容器包围；允许多相流体的各相在内部贮罐中至少部分地被分隔；并且经由包括文丘里管的出口使流体的出口流从内部贮罐排出，使得流体通过外部容器进入出口流。

可从气体本体通过位于贮罐顶部的一个或多个开口来抽取气体成分，该贮罐与外部容器连通，该外部容器可至少部分地包围内部贮罐。也可包括有内部的分隔部。

也可将一些液体设置成与来自贮罐的气体一起流入外部容器以实现文丘里效应。从气体本体抽取的气体成分的量或比例与液体液位成反比，并且因此作为液体液位的函数随液体液位升高、更多的穿孔浸没在液体中而减少。这起到自动调节气体体积分数的作用。

附图说明

以下将参考附图，以示例方式进一步描述本发明，附图中：

图1是根据本发明的混合均质化装置的一个实施例的示意性剖视图；

图2以图形方式示出现有技术的装置中的液体液位与在流体输出中的气体体积分数(GVF)之间的典型关系；

图3以图形方式示出本发明相对于现有技术的优点；而

图4是根据本发明的装置的第二实施例的示意性剖视图。

具体实施方式

图1的装置包括外部的容器10；容器10呈基本上竖直的圆柱形，除了将要描述的流体入口和出口之外，该容器的内部是封闭的。内部的贮槽20被置于容器10之内并且(在示出的实施例中)与容器10同轴。

在容器10和贮槽20的圆柱形侧壁的上部区域，设有轴向的入口12；入口12将多相流体以(气体与液体的)总流速QT从流体源(未示出)带入内部贮槽20之内。贮槽20内的液体趋向于分离成不同的相，其中液体聚集在深度为h的液池30中，而气体聚集在与液池30邻近且位于液池30之上的本体40中。在这种具有圆柱形的内部贮槽20和径向或轴向的入口的结构中，分离是由重力引起的。一种替代的结构设有圆锥形的内部贮槽20和正切的入口，并在此情况下通过重力之外的产生旋流分离效果(cyclonic separation)的离心力而分离。对于这两种结构而言，竖直向下穿过贮槽的流动(其中出口位于低端)是常规的方向。然而，如图4所示的在上端设有出口的“上下颠倒”方向也是可能的并且将在之后描述。

在贮槽20的顶部22设有多个气体出口21；这些气体出口21与外部容器10连通，并且允许气体从贮槽20中的气体本体40以流速QG流到容器10的上部。气体和液体也分别以流速QPG和QPL穿过内部贮槽20的侧面的穿孔23流出，进入容器10中。

所述均质化装置包括流体喷射器27；液体和气体在流体喷射器27处混合，此喷射器包括处于内部贮槽20的底部中心的液体出口15和容器10的出口管路的颈部25。颈部25通常稍处于液体出口15的下游，但这不是必须的。液体出口15的直径为DL，其以流速QL将液体L排放到颈部25中的气流QG内。颈部25被挤压成其最窄处的直径为DG，直径DG小于下游的出口管路26的直径DT。

优选的DG/DL比值取决于应用，并被选定用以获得合适的流动混合器特性，如参照图2更详细地说明的。

喷射器27的尺寸的典型例子可以是：颈部25的直径DG为150mm，而液体出口15的直径为10mm，因此比值DG/DL为15。通常，对于石油和天然气的生产应用而言，直径DG可在20-300mm之间，而直径DL可在5mm和(DG-10)mm之间，这样给出的比值DG/DL在1.03和60之间。典型地，高于2.5的DG/DL比值对于湿气(高GVF)应用是最合适的。

由于出口管路26的颈部25比出口管路26窄，在气体与液体汇合的喷射器27中产生文丘里效应。这造成流体流量更大和压力减小，由此在文丘里管延伸的下游形成湍流剪切层(turbulent shear layer)，并提供了一种气液相混合从而形成均质化多相流体的有效方式，该均质化多相流体以流速QT流出出口管路26。

不同的下游装置如多相泵(multiphase pump)或者多相流量计(multiphase flowmeter)得益于上述的混合过程，因为通常需要混合良好的流体以实现多相装置的最佳性能。例如，除非上游的流体混合良好，否则即使设置用于将多相流分成两股或多股同等流体的管道也非常不可能正常地工作。

如果进入装置的多相流体已经均质化或者接近于均质化，则混合流体将随后通过出口管路26，经由内部贮槽出口15和外部容器出口被排出。

采集流由高于下游压力的储层压力(reservoir pressure)来驱动。

采样口的目的是分别采集富液流体和富气流体的样本。这些流体样本被小心地采样到保持操作压力和温度的采样瓶。采样操作通常使用远程操作贮槽(Remotely OperatedVessel，ROV)来执行，并且采样瓶(一种采样瓶装有富液流体而另一种采样瓶装有富气流体)将被带到地面并进而带到实验室，在实验室中对流体就其成分和特性，特别是水油比或者液相的含水率(water cut)进行分析。

这在多种井内油气流在海底结合并经由单一的管线被发送到顶层(topside)时特别有用。顶层样本(topside sample)因此将仅代表全部结合后的流体，而不能提供来自个别的井内油气流的信息。相反，位于管汇(manifold)上游的海底采样单元将能够提供来自个别的井的有代表性的流体样本。

对于不但获得水的含盐量，并且还获得其他流体成分如硫等(这些成分影响流量计的校准系数)而言，与多相流量计进行组合可能是特别有用的。

精确的多相流测量值取决于对油、水和气各相特性的非常精准的描述。通常需要各相的密度、质量衰减和/或个别相的电特性，并且这些特性将会受不同成分如水的盐含量及油的硫含量之类的影响。湿气测量值对于气体的特性也将是特别敏感的。

作为对多相流量计的补充或者在某些情况下作为多相流量计的替换，可使用海底采样装置，以特别在湿气条件下(在此条件下难以由多相流量计获得精确的测量值)探测水突破(water break through)和获得含水率。

在某些情况下，可单独使用海底采样来探测标识出有效生产区段(activeproduction zone)的化学示踪剂(chemical tracer)或者简单地获得(流速之外的)流体特性以更好的描述储层及其流体。

海底采样过程涉及大量设备、资源和成本。由于多相流的混乱和不可预测性，获得不同流体相的有代表性的样本因缺乏适当的采样装置而失败的风险过去通常很高。

由阀60控制的采样出口50被设置用于对外部容器中的流体的富气流SG进行采样。为了对贮槽20内的液池30中的富液流SL进行采样，设置由阀61控制的采样出口51。以这种方式对流体的各相进行采样，允许紧密地监控该过程，并能够进行更好和更精确的控制。例如，可针对特殊的条件调整流动以取得最佳特性。

图4示出本发明的另一实施例，其中装置被实质上“上下颠倒”。为便于参照，相同特征的附图标记以“4”作为开头。

因此，外部的容器410设有内部的贮槽420、用于多相流体的入口412、及流体喷射器427，在喷射器427中液相和气相混合。如同图1的第一实施例中那样，多相流体分成不同的相，其中液体在液池430中聚集至深度h，而气体处于在液池430之上的本体440中。在本实施例中，出口421在贮槽420的底部并允许液体从液池430以流速QL流入容器410。内部贮槽430的侧表面中的穿孔423允许气体和液体流出内部贮槽420。

喷射器427包括内部出口415，内部出口415进入容器410的颈部425之内。可看出本实施例中气体和液体流实质上颠倒了；其中，气体主要从内部贮槽420通过内部出口415流动；而液体流出出口421和穿孔423，并经由颈部425穿过喷射器427。

在本实施例中由阀461控制的液体采样出口451从外部容器410伸出，而由阀460控制的气体采样出口450从内部贮槽420伸出。

本发明通过将单元设计成具有小的液气面积比，而不损害液体流路径中用以避免颗粒阻塞的最小空隙的需求，来取得能够对应于相对高的气体体积分数(GVF)设计均质化装置的效果。

为了证明本发明相比于已知的均质化装置的额外益处，将通过气液比(GLR)而不是气体体积分数(GVF)来表达体积气体流量(volumetric gas flow rate)的相对量。然而这两个术语是相关的，如以下公式所描述的。在下列公式中应注意，直径DG和DL取自相同的平面。

公式1

GLR = \frac{GVF}{1 - GVF}

对于EP0379319所描述的现有技术的没有穿孔的均质化装置来说，已经得出用于出口GVF的如下关系：

公式2

GVF = \frac{L \cdot ρ_{L} - \sqrt{L \cdot ρ_{L} \cdot G \cdot ρ_{G} + F \cdot (L \cdot ρ_{L} - G \cdot ρ_{G})}}{L \cdot ρ_{L} - G \cdot ρ_{G}}

其中L和G是几何参数，F是流动参数，而ρ_L和ρ_G分别是液相密度和气相密度。流动参数F表示为：

公式3

F = \frac{2 \cdot g \cdot h}{Q_{T}^{2}} \cdot (ρ_{L} - ρ_{G})

引入喷射器27中的液气面积比A_R，其定义为：

公式4

A_{R} = (\frac{A_{L}}{A_{G}})

其中A_L和A_G分别是液体和气体在喷射器中的流动面积，并做了较小的假设如忽略摩擦损失；通过引入液气面积比A_R，可为没有穿孔的均质化装置的出口GVF或出口GLR导出近似的表达式，该表达式如下：

公式5

GLR = \frac{U_{G}}{A_{R} \cdot \sqrt{2 \cdot g \cdot h}}

穿孔23的影响在此处未描述，因为任何穿孔都将趋于减小出口GLR，而本发明的目的是增大出口GLR。然而，对于本发明，任何穿孔的功能将与其对于已知均质化装置的功能类似。

如公式5所表达的，出口GLR的关系对本发明和已知均质化装置都有效。然而，液气面积比的表达将如下所述有所不同。

在已知的混合器中，假设中央贮槽20的侧壁相对较薄，并且对于高GLR的应用而言，环形间隙较小，因此在喷射器27中，此环形间隙的液压平均直径(hydraulic meandiameter)接近于中央贮槽20的内径，因此有：

公式6

A_{R} \approx \frac{4 \cdot C}{DG}

对于本发明，为了显示与已知均质化装置的关系，将喷射器27中的液流区域DL的直径称为间隙(C)。另外，假设对于高GLR应用，DL或C将比气流区域的直径小得多，因此在计算气流面积时被液体占据的面积可忽略，因此有：

公式7

A_{R} \approx \frac{C^{2}}{{DG}^{2}}

将本发明的液气面积比A_R与现有技术的液气面积比相比较，可得：

公式8

由公式8可看到，对于典型的尺寸，与已知均质化装置的出口GLR相比，本发明的出口GLR可增大至高达100倍的数量级。

借助本发明可获得的典型的最大出口GLR以及与现有技术的比较示于图3，其中假设液体液位为0.5m，而气体流速为12m/s。对于更高的液体液位，如果需要增加本装置GLR的范围，可通过引入穿孔来减小特征曲线的负梯度。

易于理解，除了明确地文字描述和附图示出的方式外，本发明能够以多种方式实施。

Claims

1.一种用于至少包括第一相和不同的第二相的多相流体的均质化的装置，所述第一相和所述第二相包括气相和液相，所述装置包括：

外部容器；以及

内部贮罐，与所述外部容器流体连通，并且其中，所述第一相和所述第二相分隔开；

所述内部贮罐包括：用于所述多相流体的入口、至少一个用于所述第一相的第一出口、以及至少一个用于所述第二相的第二出口，所述第一出口具有比本体更小的用于流出第一相的截面积，所述第一出口和所述第二出口与所述外部容器流体流通，且所述第一出口与所述第二出口隔开；

其中，所述外部容器包括出口管路，所述出口管路具有颈部，并且其中，所述颈部与所述第二出口隔开并且至少部分地围绕所述第一出口。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述内部贮罐包括圆锥形的贮槽。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一出口和所述出口管路在使用中处于所述装置的底部；并且其中，所述第一相是液相而所述第二相是气相。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一出口和所述出口管路在使用中处于所述装置的顶部；并且其中，所述第一相是气相而所述第二相是液相。

5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述内部贮罐中的所述多相流体的入口相对于圆锥形的所述贮槽沿径向被定向。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多相流体的入口与所述第一出口隔开。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述颈部的直径DG与所述第一出口的直径DL的比值高于2.5。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述比值DG/DL介于5与60之间。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述比值DG/DL介于10与30之间。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述比值DG/DL为15。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述内部贮罐包括用于使所述多相流体从所述内部贮罐进入所述外部容器的多个穿孔。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，至少一个所述穿孔处于所述内部贮罐的与所述第一出口相对的端部。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，至少一个所述穿孔处于所述内部贮罐的介于所述内部贮罐的两端之间的侧面上。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，在使用中，所述颈部在所述出口管路的喷射器区域中产生文丘里效应。

15.根据权利要求1所述的装置，包括用以对所述外部容器中的流体进行采样的装置。

16.根据权利要求1所述的装置，包括用以对所述内部贮罐中的流体进行采样的装置。

17.一种用于将至少包括第一相和不同的第二相的多相流体均质化的方法，所述方法包括以下步骤：

通过入口将所述多相流体提供至内部贮罐，所述内部贮罐至少部分地被外部容器包围，所述外部容器包括出口，所述出口具有在使用中形成文丘里管的颈部；

允许所述多相流体的至少第一相和第二相在所述内部贮罐中被分隔；并且

经由所述内部贮罐的第一出口和所述文丘里管使第一流体的出口流从所述内部贮罐排出，使得流体进入所述外部容器的出口，且经由第二出口使第二流体从所述内部贮罐流出；并且

允许所述第一流体和所述第二流体在经过所述外部容器的所述出口时，在由所述颈部形成的文丘里管中混合。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述内部贮罐包括圆锥形的贮槽，并且通过相对于所述贮罐沿径向被定向的所述入口来提供所述多相流体。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述外部容器的出口的颈部的直径DG对所述第一出口的直径DL的比值介于10与30之间。

20.根据权利要求17所述的方法，包括对所述外部容器中的流体进行采样。

21.根据权利要求17所述的方法，包括对所述内部贮罐中的流体进行采样。