CN105308259A - 耐磨气体分离器 - Google Patents

Abstract

一种气体分离器构造成使气体与两相流体分离。气体分离器包括可旋转轴和一个或更多个分离级。一个或更多个分离级中的至少一个包括连接到可旋转轴上的转子和导送压缩管，其中导送压缩管包括压缩管套节和多个通道。通道构造成将磨损固体颗粒与气体分离器内的旋转构件分离。气体分离器可可选地包括分离级上游的流转化器，其减少转子上游的旋转流。

Description

耐磨气体分离器

技术领域

本发明大体上涉及井下泵送系统的领域，并且更具体地涉及用于在泵送之前使气体与井流体分离的气体分离器。

背景技术

水下泵送系统通常配置在井中以从地下储藏回收石油流体。通常，水下泵送系统包括一定数目的构件，包括联接到一个或更多个泵组件上的电动机。开采管路连接到泵组件上，以将井孔流体从地下储藏输送至地面上的储存设备。

井孔流体通常含有液体和气体的组合。由于大多数井下泵送设备主要设计成回收液体，故井孔流体中的过量气体可向钻井设备提出问题。例如，由井下涡轮机施加的离心力趋于使气体与液体分离，从而增大空化或汽封的机会。

气体分离器已经用于在井孔流体进入泵之前除去气体。在操作中，井孔流体被经由进入口吸入气体分离器中。升力发生器提供附加升力来将井孔流体移动到搅拌器中。搅拌器典型地构造作为旋转桨，其将离心力给予至井孔流体。在井孔流体穿过搅拌器时，较重的成分如油和水传送至搅拌器桨叶的外缘，而较轻的成分如气体仍接近搅拌器的中心。以此方式，现代气体分离器利用两相井孔流体的各种成分之间的具体重力的相对差异来使气体与液体分离。一旦分离，则液体可被引导至泵组件，且气体从气体分离器排出。

在出砂油井中，携带在井流体内的固体颗粒可传送到气体分离器中。这些固体颗粒可引起对气体分离器和下游泵送系统内的各种构件的显著的磨损。精确加工的构件的磨损可显著地降低气体分离器的效率和服务寿命。

过去，制造商使用硬化材料来减小磨损固体颗粒的冲击。碳化钨、镍硼和其它涂层已经应用于延长暴露于磨损颗粒的构件的寿命。然而，在极端的出砂油井中，甚至硬涂布的部分可能不足以延长在气体分离器内的构件的服务寿命。因此，持续需要对磨损固体颗粒有更大抵抗力的改进的气体分离器设计。其在于本发明针对的现有技术的这些及其它不足。

发明内容

在优选实施例中，本发明包括构造成使气体与两相流体分离的气体分离器。气体分离器包括可旋转轴和一个或更多个分离级。一个或更多个分离级中的至少一个包括连接到可旋转轴上的转子和导送压缩管，其中导送压缩管包括压缩管套节和多个通道。通道构造成将磨损固体颗粒与气体分离器内的旋转构件隔离。气体分离器可选地包括分离级上游的流转化器，其减少转子上游的旋转流。

附图说明

图1为根据优选实施例构造的井下泵送系统的侧立面视图。

图2为根据优选实施例构造的气体分离器的局部截面视图。

图3为图2的导送压缩管的上游侧的透视图。

图4为图2的导送压缩管的备选实施例的上游侧的透视图。

图5为图2的气体分离器的流转化器的透视图。

图6为图2的气体分离器的转子的透视图。

图7为图2的气体分离器的扩散器的上游侧的透视图。

图8为图2的气体分离器的交叉组件的上游侧的透视图。

具体实施方式

如本文使用的，用语"石油"宽泛地指所有矿物碳氢化合物，如，粗油、气体以及油和气体的组合。此外，如本文使用的用语"两相"是指包括气体和液体的混合物的流体。本领域的技术人员将认识到，在井下环境中，两相流体还可传送固体和悬液。因此，如本文使用的用语"两相"未排除包含液体、气体、固体或其它物质中间形式的流体。

根据本发明的优选实施例，图1示出了附接到开采管路102上的泵送系统100的立面视图。泵送系统100和开采管路102设置在井孔104中，其被钻取来用于开采流体如水或石油。开采管路102将泵送系统100连接到位于地面上的井口106上。尽管泵送系统100主要设计成泵送石油产品，但将理解的是，本发明还可用于移动其它流体。还将理解的是，尽管泵送系统100的各个构件主要在水下应用中公开，但一些或所有这些构件还可用于表面泵送操作。

泵送系统100优选地包括泵组件108、电机组件110、密封区段112和气体分离器114的一些组合。密封区段112使电机组件110免受泵组件108产生的机械推力，且在操作期间提供了电机润滑剂的膨胀。气体分离器114优选在密封区段112与泵组件108之间连接。

在使用期间，井孔流体被吸入气体分离器114，在该处，气体成分的一部分分离且回到井孔104。脱气井孔流体然后从气体分离器114穿至泵组件108来经由开采管路102输送至地面。尽管仅示出了各个构件中的一个，但将理解的是，在适合时可连接更多个。例如，在许多应用中，期望的是使用串接的电机组合、多个密封区段和多个泵组件。还将理解的是，泵送系统100可包括本描述中不需要的附加构件。

为了本公开内容的目的，用语"上游"和"下游"应当用于表示构件或构件部分相对于从井孔10开采生的总体流体流的相对位置。"上游"是指在流体从井孔104中开采时比"下游"位置或构件更早经过的位置或构件。用语"上游"和"下游"不一定取决于构件或位置的相对垂直定向。将认识到的是，泵送系统100中的许多构件为大体圆柱形，且具有延伸穿过长形缸的中心的共同的纵轴线，以及从纵轴线延伸至外周的半径。可按照泵送系统100中的分离构件内的径向位置来描述物体和运动。

现在转到图2，其中示出了气体分离器114的局部截面视图。在优选实施例中，气体分离器114优选包括外壳116、流转化器120、底座122和头部124。气体分离器114还包括轴126，其从底座122延伸至头部124。底座122包括进入端口128，流体经由其引入气体分离器114中。外壳116优选为圆柱形，且大致为整体构造。

气体分离器114优选具有一个或更多个分离级130("级130")。在图2中所示的特别优选的实施例中，气体分离器114包括第一级130a和第二级130b。本领域的技术人员将认识到的是，附加或较少的级130可用于解决特定气体分离应用的要求。各个级130优选包括转子132、扩散器134和交叉点136。各个级130还优选包括导送压缩管138和常规的未导送压缩管140。导送压缩管138和未导送压缩管140位于外壳116内，且包绕转子132和扩散器134。尽管图2中示出了导送压缩管138和未导送压缩管140两者，但将认识到的是，备选实施例包括仅使用导送压缩管138或仅使用未导送压缩管140。

如图3和4中更清楚所示，导送压缩管138包括压缩管套节142和沿压缩管套节142的内壁定位的一系列通道144。不同于现有技术的压缩管，导送压缩管138内的通道144捕集携带在穿过级130的流体内的固体颗粒。穿过级130的流体的旋转引起较重的液体和固体被压靠到导送压缩管138，在该处，固体颗粒由通道144捕集。然后防止固体颗粒磨损级130内的构件。通道144可为平直的(如图3中所示)或螺旋的(如图4中所示)。此外，将注意到的是，导送压缩管138可穿过大致所有级130(如级130a中所示)，或仅级的一部分(如级130b中所示)。

转到图5，其中示出了流转化器120的当前优选实施例的透视图。流转化器120优选包括流转化器套节146和多个流转化器导叶148。流转化器导叶148从流转化器套节146向内延伸，且终止于允许轴126穿过流转化器120的中心的长度处。流转化器导叶148优选轴向上是平直的，且沿气体分离器114的纵轴线对准。尽管图5中示出了七个流转化器导叶148，但将认识到的是，也可使用更多或更少数目的流转化器导叶148。流转化器120在壳体116中保持静止，且平直流转化器导叶148阻挡由转子132引起的回流的旋转移动。消除导流器的入口处的旋转回流减小了上游构件上的磨损。

转到图6，其中示出了转子132的透视图。转子132优选地包括导流器150、叶轮152和转子毂154。转子毂154构造成连接到轴126上以引起转子132与轴126一起旋转。转子毂154可利用任何适合的手段来装固到轴126上，包括压配合、键或扣环。转子132优选装固到各级130的上游端中的轴126上。

在当前优选的实施例中，导流器150构造为螺杆类型的泵，其使井孔流体从进入端口128移动至叶轮152。叶轮152优选具有多个桨叶156，其设计成在转子132自旋时搅拌穿过气体分离器114的流体。叶轮152的旋转作用将能量给予至穿过转子132的流体，且引起气泡从井孔流体沉淀。在图6中所示的特别优选的实施例中，转子132包括六个桨叶156，其中各个交错的桨叶156连接到导流器150的单独的螺杆上。

现在转到图7，其中示出了扩散器134的透视图。扩散器134包括扩散器边沿158、多个弯曲的扩散器导叶160，以及单独的环162。扩散器边沿158尺寸确定和构造成静止地装固在处于转子132下游的位置的导送压缩管138或未导送压缩管140内。多个弯曲的扩散器导叶160设计有弯曲面，以调节离开转子132的流体的圆形流。流出扩散器134的流剖面在较少旋转的情况下湍流显著地少。在改变穿过流体的流剖面中，扩散器134将由转子132给予至流体的动态能的一部分转化成压头。各个弯曲的扩散器导叶160的第一端连接到扩散器边沿158上，而各个弯曲的扩散器导叶160的第二端未附接，且在邻近可旋转轴126的位置终止。以此方式，弯曲扩散器导叶160的第二端"自由浮动"。在没有弯曲的扩散器导叶160另外可终止于其上的毂的情况下，分离环162用于稳定弯曲的扩散器导叶160。

接下来转到图8，其中示出了交叉点136的透视图。交叉点136优选定位成与扩散器134的下游侧紧邻。交叉点136包括外壁164、内室166、多个气体端口168和轴支承件170。外壁164尺寸确定和构造成配合在导送压缩管138或未导送压缩管140的内径内。内室166与外壁164之间的环形空间限定液体通路172。轴126(图8中未示出)穿过内室166且穿过轴支承件170。在当前优选的实施例中，轴126的外部以紧公差与轴支承件170配合。除稳定轴126之外，轴支承件170与轴126一起作用来闭合内室166的下游端。

内室166优选从上游端174处的较大直径渐缩至下游端176处的较小直径。当液体通路172沿交叉点136的长度逐渐扩大时，流体速度减小，且压力增大以促进形成较大尺寸的气泡，其更容易在下游级130中分离。

气体端口168优选制造为开口端管，其从内室166穿过液体通路172。气体端口168优选从内室166相对于穿过交叉点136的纵轴线成向前的角沿径向延伸。气体端口168的成角配置改善了移动穿过交叉点136的气体的除去。尽管四个气体端口168目前是优选的，但将理解的是，备选的实施例构想出了使用附加或较少的气体端口168。

交叉点136收集来自气体分离器114的外径向部分的液体，且将液体引导穿过液体通路172至下游级130或其它下游设备，如，泵组件108。气体分离器114的中心径向部分中的气体由交叉点136捕集，且暂时捕集在内室166中。捕集的气体从内室166引导穿过气体端口168至外壁164的外部。

如图2中所示，在沿交叉点136所处的气体分离器114的点处，外壳116包括与气体端口168对准的排出端口178。排出端口178将气体从交叉点136经由外壳116引导至外部环境。如果使用多个级130，则外壳116将包括沿外壳116的长度邻近各组气体端口168的单独组的排出端口178。

转回图2，显著的是，气体分离器114构造为模块设计，其中多个级130可容易地安装在气体分离器114内。多个级130可使用，而不需要相邻区段之间的突出的联接件。各个级130的转子132可连接到公共轴126上。在很优选的实施例中，使用分别具有转子132、扩散器134和交叉点136的多个级130改善了气体从进入气体分离器114的混合流除去的总体程度。

在使用期间，两相井孔流体经由进入端口128由转子132吸入气体分离器114中。在一些应用中，下游的泵组件108还可有助于用于将井孔流体吸入气体分离器114中的吸力。

两相井孔流体穿过进入端口128且穿过流转化器120。流转化器120限制两相流体的旋转，同时向两相流体的轴向移动提供有限阻力。两相流体进入第一级130a，且通过导流器150向下游移动，并然后由叶轮152搅拌和激励。自旋的叶轮152将旋转流剖面给予至两相流体，其中在稠密的流体由离心力向外吸时较重的成分与较轻的成分分离。较轻的气体和两相流体保持在转子132的中心。

旋转流体继续其穿过第一级130a的通路，且穿过扩散器134。扩散器134上的弯曲的扩散器导叶160在流体进入交叉点136时减少流体旋转。在交叉点136中，气体和两相流体的较轻组分经由气体端口168从气体分离器114除去。液体和较重的两相流体穿过液体通路172至相邻的级130b。

通过从两相流体连续地分离和除去其余量的气体，第二级130b以与第一级130a相同的方式操作。在沿气体分离器114的多个点处的气体的除去极大改善了分离的效率。

将理解的是，尽管本发明的各种实施例的许多特征和优点在前述描述中连同本发明的各种实施例的结构和功能的细节被阐明，但本公开内容仅为示范性的，且将进行详细改变，尤其是本发明的原理内的部分的结构和布置的主题，达到由表示所附权利要求的用意的宽泛总体意义指出的完整程度。本领域的技术人员将认识到的是，本发明的教导内容可应用于其它系统，而不会脱离本发明的范围和精神。

Claims (21)

1.一种构造成将气体与两相流体分离的气体分离器，所述气体分离器包括：

可旋转轴；以及

一个或更多个分离级，其中所述一个或更多个分离级中的至少一个包括：

连接到所述可旋转轴上的转子；以及

导送压缩管，其中所述导送压缩管包括：

压缩管套节；以及

多个通道。

2.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于，所述多个通道为平直的，且与所述气体分离器的纵轴线轴向地对准。

3.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于，所述多个通道为螺旋的。

4.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于，所述气体分离器还包括定位在所述一个或更多个分离级中的至少一个上游的流转化器。

5.根据权利要求4所述的气体分离器，其特征在于，所述流转化器包括：

流转化器套节；以及

从所述流转化器套节向内延伸的多个流转化器导叶。

6.根据权利要求5所述的气体分离器，其特征在于，所述多个流转化器导叶为平直的，且与所述气体分离器的纵轴线轴向地对准。

7.根据权利要求1所述的气体分离器，其特征在于，所述气体分离器还包括：

所述转子下游的扩散器；以及

所述扩散器下游的交叉点，其中各个交叉点构造成从其相应的分离级除去气体。

8.根据权利要求7所述的气体分离器，其特征在于，所述气体分离器还包括外壳，其中所述外壳包括用于各个分离级的单独组排出端口，以允许气体从各个分离级的除去。

9.一种构造成将气体与两相流体分离的气体分离器，所述气体分离器包括：

可旋转轴；

一个或更多个分离级；以及

定位在所述一个或更多个分离级中的至少一个的上游的流转化器。

10.根据权利要求9所述的气体分离器，其特征在于，所述流转化器包括：

流转化器套节；以及

从所述流转化器套节向内延伸的多个流转化器导叶。

11.根据权利要求10所述的气体分离器，其特征在于，所述多个流转化器导叶为平直的，且与所述气体分离器的纵轴线轴向地对准。

12.根据权利要求9所述的气体分离器，其特征在于，所述一个或更多个分离级中的至少一个包括：

连接到所述可旋转轴上的转子；以及

导送压缩管，其中所述导送压缩管包括：

压缩管套节；以及

多个通道。

13.根据权利要求12所述的气体分离器，其特征在于，所述多个通道为平直的，且与所述气体分离器的纵轴线轴向地对准。

14.根据权利要求12所述的气体分离器，其特征在于，所述多个通道为螺旋的。

15.根据权利要求9所述的气体分离器，其特征在于，所述气体分离器还包括：

所述转子下游的扩散器；以及

所述扩散器下游的交叉点，其中各个交叉点构造成从其相应的分离级除去气体。

16.根据权利要求9所述的气体分离器，其特征在于，所述气体分离器还包括外壳，其中所述外壳包括用于各个分离级的单独组排出端口，以允许所述气体从各个分离级的除去。

17.一种用于具有两相流体的井口中的水下泵送系统，所述泵送系统包括：

泵组件；

电机组件；以及

设置在所述泵组件与所述电机组件之间的气体分离器，

其中所述气体分离器包括：

可旋转轴；以及

一个或更多个分离级，其中所述一个或更多个分离级中的至少一个包括：

连接到所述可旋转轴上的转子；以及

导送压缩管。

18.根据权利要求17所述的水下泵送系统，其特征在于，所述导送压缩管包括：

压缩管套节；以及

多个通道。

19.根据权利要求18所述的水下泵送系统，其特征在于，所述多个通道为平直的，且与所述气体分离器的纵轴线轴向地对准。

20.根据权利要求18所述的水下泵送系统，其特征在于，所述多个通道为螺旋的。

21.根据权利要求16所述的水下泵送系统，其特征在于，所述气体分离器还包括定位在所述一个或更多个分离级中的至少一个上游的流转化器。