CN110662881A - 用于电动潜油式气体分离器的分流器系统和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于电动潜油泵(ESP)气体分离器的分流器系统、方法和设备。ESP气体分离器的分流器包括：第一螺旋路径，供较高密度的流体从水平面以10°至40°的角度延伸穿过所述分流器，所述第一螺旋路径流体地联接到星形轮轴承，所述星形轮轴承包括新月形叶片，所述新月形叶片消除所述较高密度的流体中的旋转动量；第二螺旋路径，供较低密度的流体与分流器护套切向相交，所述第一螺旋路径和所述第二螺旋路径由通道限定，所述通道具有所述分流器护套中的限定通向套管环空的通道出口的泪滴形开口和分流器裙板中的限定通道入口的泪滴形开口，其中所述第一螺旋路径围绕所述通道并且所述第二螺旋路径穿过所述通道的内部。

Description

用于电动潜油式气体分离器的分流器系统和设备

背景技术

1.技术领域

本文描述的本发明的实施方案涉及用于电动潜油泵的气体分离器的领域。更具体地但非限制性地，本发明的一个或多个实施方案使得能够实现用于电动潜油式气体分离器的分流器系统、方法和设备。

2.相关技术描述

流体诸如气体、油或水通常位于地下地层中。在这种情况下，必须将流体泵送到地面，以便可以对其进行收集、分离、精炼、分配和/或出售。离心泵通常用于电动潜油泵(ESP)应用中，用于将井产流体提升到地面。离心泵通过使流体加速通过与固定扩散器配对的旋转叶轮来将能量传递给流体，这些叶轮与固定扩散器一起称为“级”。多级离心泵使用叶轮和扩散器对的若干级来进一步提高压力提升。

经济有效的ESP操作面临的一项挑战是泵送带有气体的流体。在泵送带有气体的流体时，由于在泵操作时产生的压差，气体可能与其他流体分离。如果存在充分高的气体体积分数(GVF)，通常为约10％至15％，则泵的效率可能会降低，且容量或扬程(滑移)也会降低。如果气体继续聚积在叶轮的吸入侧，则可能会完全阻止其他流体通过离心泵。发生这种情况时，由于气体的聚积阻碍了泵的正常操作，因此该泵据称“气锁”。

常规的ESP通常包括附接在离心泵下方的气体分离器，其试图在气体到达泵之前将气体从多相流体中分离出来。两种最常见类型的气体分离器类型为涡旋式分离器和旋转式分离器。在流体进入泵之前，涡旋式分离器和旋转式分离器两者都因为旋转惯性而将气体从井产流体中分离出来。这种离心分离迫使较高密度的贫气体的流体向外排出，而较低密度的富气体的流体在轴附近保持向内。接下来，流体进入分流器，所述分流器将两个流体流分隔开。较低密度的富气体的流体排入ESP组件与井套管之间的套管环空，而较高密度的贫气体的流体被引导到离心泵。

由于气体分离器使用旋转运动的惯性来分离流体，因此进入分流器的流体正在旋转。由于分流器沿不同方向引导富气体的流体和贫气体的流体，因此旋转的流体在常规分流器内部突然改变方向。方向的突然变化会导致破坏性的湍流，从而降低气体分离器的效率。湍流阻碍了流体的流动，导致气体在常规分流器内部聚积并聚结为气泡。气泡会被截留在进入泵的流体中，从而引起气锁。另外，朝向套管环空引导的较低密度的富气体的流体容易失去动量，这通常会阻止气体到达套管环空。

常规地，随着较高密度的流体围绕较低密度的流体的排气口绕行，流向离心泵的较高密度的贫气体的流体的轨迹还包括急转弯。所引起的湍流导致在较高密度的流体与分流器通路的壁之间发生碰撞。由于较高密度的流体通常充满磨料固体，因此导致在常规分流器内部出现内部压力变化、侵蚀性破坏和垢堵。

常规分流器的另一个问题是，离开分流器的较高密度的流体保持了剩余的旋转动量，有时称为“预旋转”。泵入口处的流体预旋转将限制泵叶轮叶片切穿生产流体并向下游递送流体。因此，井产流体的预旋转将降低泵的效率和整体性能，这可能会限制ESP组件的生产率。

从上面可以明显看出，在气体分离器中采用的常规分流器有几个缺陷。因此，需要用于电动潜油式气体分离器的改进的分流器设备、方法和系统。

发明内容

本发明的一个或多个实施方案使得能够实现用于电动潜油式气体分离器的分流器设备、方法和系统。

描述了用于电动潜油式气体分离器的分流器设备、方法和系统。一种电动潜油泵(ESP)气体分离器的分流器的例示性实施方案包括：泪滴形通道，所述泪滴形通道在以下项之间并穿过以下项螺旋地延伸：分流器裙板，所述分流器裙板位于所述通道的入口处，所述分流器裙板位于分流器护套的内侧；所述分流器护套，所述分流器护套位于所述通道的出口处，所述通道的所述出口高于所述通道的所述入口；并且所述通道的所述泪滴形状具有：与尖侧相对的圆形侧和在它们之间延伸的顶部通道表面，其中所述顶部通道表面从所述尖侧向上延伸十度与四十度之间的角度；并且所述通道限定：第一螺旋通路，所述第一螺旋通路位于所述通道内部，供较低密度的富气体的流体在所述通路内部流动，其中所述第一螺旋通路与所述分流器护套切向相交；以及第二螺旋通路，所述第二螺旋通路围绕所述通道，供较高密度的贫气体的流体在所述通路外部流动；以及星形轮轴承，所述星形轮轴承在所述第二螺旋通路的下游流体地联接到所述较高密度的贫气体的流体，所述星形轮轴承包括：多个新月形星形轮叶片，所述多个新月形星形轮叶片从星形轮轴承毂径向向外延伸，所述新月形星形轮叶片具有凹入表面，所述凹入表面接收进入的较高密度的贫气体的流体。在一些实施方案中，所述分流器护套在旋转发生器或涡旋发生器中的一者的下游固定在气体分离器壳体内部。在某些实施方案中，所述通道出口通过所述气体分离器壳体与壳体端口对齐，使得所述通道出口流体地联接到套管环空。在一些实施方案中，所述通道入口位于所述分流器裙板的凹入顶部部分上。在某些实施方案中，所述分流器裙板的所述凹入顶部部分上的所述通道入口的位置使所述通道入口弯曲，以与进入所述通道入口的所述较低密度的富气体的流体的曲率切向对齐。在一些实施方案中，每个通道入口比能与之相比的常规气体分离器设计中的常规入口大10％至70％。在某些实施方案中，所述通道的顶壁的上表面从水平位置延伸十度至四十度并以相同的轨迹引导较高密度的贫气体的流体。在一些实施方案中，每个通道随着所述通道从所述分流器裙板向上延伸到所述分流器护套而弯曲。在某些实施方案中，通道与护套切向地相交。在一些实施方案中，所述切向相交将流体与所述分流器护套的内壁切向地引导出所述分流器出口。在某些实施方案中，所述星形轮轴承将轴向动量施加到围绕所述通路流动离开的较高密度的贫气体的流体中。在一些实施方案中，所述星形轮轴承向在中心延伸穿过所述分流器的轴提供径向支撑。在某些实施方案中，所述较高密度的富气体的流体在较低的GVF和减小的预旋转的情况下被递送到离心泵。

一种电动潜油泵(ESP)气体分离器的分流器的例示性实施方案包括：第一螺旋路径，所述第一螺旋路径随着贫气体的较高密度的流体行进穿过所述分流器而以与水平面成10度至40度的角度引导所述贫气体的较高密度的流体，所述第一螺旋路径流体地联接到星形轮轴承，所述星形轮轴承包括新月形叶片，所述新月形叶片随着所述贫气体的较高密度的流体离开所述分流器而消除所述贫气体的较高密度的流体的旋转动量；以及第二螺旋路径，所述第二螺旋路径引导富气体的较低密度的流体切向地穿过所述分流器的出口，所述出口通向套管环空；并且所述第一螺旋路径和所述第二螺旋路径由通道限定，所述通道具有所述分流器护套中的限定所述出口的泪滴形开口和所述分流器裙板中的限定所述通道的入口的泪滴形开口，其中所述第一螺旋路径围绕所述通道并且所述第二螺旋路径穿过所述通道的内部。在一些实施方案中，所述分流器裙板中的所述泪滴形开口位于所述裙板的凹入顶部部分上。在某些实施方案中，所述泪滴形开口围绕所述裙板的所述凹入顶部部分延伸的弯曲定向为所述较低密度的富气体的流体提供了所述贫气体的流体螺旋通路的切向定向的入口。在一些实施方案中，所述分流器裙板上的每个泪滴形开口的表面积比常规的分流器裙板开口大10％至70％。在某些实施方案中，所述通道的顶表面从水平位置向上延伸十度至四十度并以相同的轨迹向上引导所述较高密度的贫气体的流体。在一些实施方案中，所述通道与所述护套切向相交。在某些实施方案中，所述星形轮轴承将轴向动量施加到所述较高密度的贫气体的流体，所述较高密度的贫气体的流体围绕所述通路行进并继续经过所述星形轮轴承。在一些实施方案中，所述星形轮轴承为延伸穿过所述分流器的驱动轴提供径向支撑。在某些实施方案中，所述ESP气体分离器的分流器包括多个通道。

一种在用来由于旋转惯性分离多相流体的气体分离器中将较高密度的贫气体的流体与较低密度的富气体的流体分离的方法的例示性实施方案包括：通过穿过通向套管环空的螺旋形延伸的泪滴形通道的内部输送所述较低密度的富气体流体来维持较低密度的富气体的流体的螺旋轨迹；通过围绕所述螺旋通道输送所述较高密度的贫气体的流体来保持较高密度的贫气体的流体的螺旋轨迹；以及通过引导所述较高密度的贫气体的流体通过星形轮轴承来在所述较高密度的贫气体的流体绕过所述螺旋通道后消除所述较高密度的贫气体的流体中的旋转动量，所述星形轮轴承具有新月形叶片和凹入表面，所述凹入表面沿与所述较高密度的贫气体的流体的所述旋转方向相反的方向弯曲。在某些实施方案中，所述方法还包括在比进入所述气体分离器的流体更低的旋转动量和GVF的情况下，将所述较高密度的贫气体的流体递送到泵进口。

在其他实施方案中，来自特定实施方案的特征可以与来自其他实施方案的特征组合。例如，来自一个实施方案的特征可以与来自任何其他实施方案的特征组合。在其他实施方案中，可以将附加特征添加到本文描述的特定实施方案中。

附图说明

受益于以下详细描述并参考附图，本发明的优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见，其中：

图1是例示性实施方案的电动潜油泵(ESP)组件的透视图。

图2是例示性实施方案的气体分离器的剖视图。

图3A至图3B是例示性实施方案的分离室和分流器的剖视图。

图4是例示性实施方案的示例性分流器的侧正视图。

图5是例示性实施方案的示例性裙板的侧正视图。

图6A是例示性实施方案的示例性分流器的底部平面视图。

图6B是例示性实施方案的示例性分流器的剖视图。

图6C是例示性实施方案的示例性裙板的透视图。

图6D是例示性实施方案的示例性分流器的透视图。

图6E是例示性实施方案的具有可调护套的示例性分流器的透视图。

图6F是例示性实施方案的具有可调护套的示例性分流器的另一透视图。

图6G是例示性实施方案的具有可调护套的示例性分流器的又一透视图。

图7A是例示性实施方案的示例性星形轮轴承的透视图。

图7B是例示性实施方案的示例性星形轮轴承的侧正视图。

图7C是例示性实施方案的示例性星形轮轴承的顶部平面视图。

虽然本发明容许各种修改和替代形式，但通过举例方式在附图中示出了本发明的具体实施方案并可能在本文中对其作出详细的描述。附图可能未按比例绘制。然而，应当理解，本文描述的和附图中示出的实施方案并不旨在将本发明限制于所公开的特定形式，相反其意图在于涵盖落入如所附权利要求所限定的本发明的范围内的所有修改、等同物和替代方案。

具体实施方式

描述了电动潜油式气体分离器的分流器系统、方法和设备。在以下示例性描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的实施方案的更透彻的了解。然而，对于普通技术人员来说显而易见的是，可以在不结合本文描述的具体细节的所有方面的情况下实施本发明。在其他情况下，没有详细描述本领域普通技术人员熟知的特定特征、数量或测量，以免混淆本发明。读者应该注意到，尽管本文阐述了本发明的实例，但是权利要求书和任何等同物的全部范围限定了本发明的边界和范围。

如本说明书以及所附权利要求书中所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物。因此，例如，对“开口”的引用包括一个或多个开口。

“联接”指的是一个或多个物体或部件之间的直接连接或间接连接(例如，至少一个中间连接)。短语“直接附接”是指物体或部件之间的直接连接。

如本文所用，术语“外部”、“外侧”或“向外”是指远离ESP组件元件诸如气体分离器的轴的中心和/或远离轴将延伸穿过的部件的开口的径向方向。

如本文所用，术语“内部”、“内侧”或“向内”是指朝向ESP组件元件诸如气体分离器的轴的中心和/或朝向轴将延伸穿过的部件的开口的径向方向。

如本文所用，术语“轴向”、“轴向地”、“纵向”和“纵向地”可互换地指沿着ESP组件部件诸如ESP入口、多级离心泵、密封部分、气体分离器或供给泵的轴的长度延伸的方向。

“下游”是指当泵组件在操作时基本上随主要工作流体流的方向。作为实例而非限制，在垂直井下ESP组件中，下游方向可以朝向井的表面。元件的“顶部”是指元件的最下游侧。

“上游”是指在泵组件在操作时与主要工作流体流基本上相反的方向。作为实例而非限制，在垂直井下ESP组件中，上游方向可以与井的表面相反。元件的“底部”是指元件的最上游侧。

“泪滴”是指具有与锥形的和/或尖的侧或端部相对的较宽的圆形侧或端部的形状。

为了便于描述并且避免混淆本发明，主要参考以60Hz或约60Hz操作的马达来描述例示性实施方案，其理论上对应于约3600转/分钟(RPM)的驱动轴旋转。因此，例示性实施方案可以包括基于在操作期间在井产流体上施加约3550RPM的能量的几何形状，这考虑到旋转流体中的使旋转减慢的滑移和其他能量损失。然而，例示性实施方案并不限于此，并且可以等同地应用于以30Hz至70Hz的任何频率操作的ESP，以及所得的驱动轴和/或流体的旋转速度。

例示性实施方案可以通过改善分流器的通路的几何形状来减少流过气体分离器的分流器的流体中的湍流。例示性实施方案的一项或多项改善可以提高分流器的效率以及气体分离器的整体性能，从而提高离心泵效率。例示性实施方案可以将较低密度的富气体的流体朝向套管环空引导以便通风，从而改善动量并降低气体重新夹带以及由此导致的气锁的可能性。例示性实施方案可以将较高密度的贫气体的流体递送到离心泵，从而减少预旋转，这可以提高泵的效率和整体性能。例示性实施方案可以减少由于较高密度的贫气体的流体携带沙子进入气体分离器而引起的垢堵、侵蚀和磨料损坏。

例示性实施方案可以提供：(1)特定的角度或轨迹，供较高密度的贫气体的流体流过例示性实施方案的分流器，从而在流中产生较小的阻力和湍流；(2)切向连通的出口，这些出口位于分流器的较低密度的富气体的流体室的流动路径中，也可以提供较低的阻力和湍流；以及(3)星形轮轴承支撑件，该星形轮轴承支撑件在分流器内，被设计来向离开分流器的较高密度的贫气体的流体注入非旋转分量，这可能会提高下游泵的效率。

例示性实施方案可以包括多个泪滴形通道，这些通道在每个通道内部针对较低密度的富气体的流体限定第一螺旋通路，以及在每个通道的外部针对较高密度的贫气体的流体限定第二螺旋通路。第一螺旋通路和第二螺旋通路可以通过切向分量引导对应的流体流进出通路，该切向分量为流体提供平缓的入口角和出口角，这可以减少湍流、重新夹带、侵蚀和/或磨料磨损。通道的顶部上表面可以用作较高密度的贫气体的流体的支撑壁，与传统分流器的较陡角度(通常为45°)相比，该支撑壁可以倾斜以将贫气体的流体从水平面以10°至40°的角度平缓地向上引导。通道内部的第一螺旋通路的入口(在每个通道与分流器裙板之间的相交处形成)可以沿着裙板的凹入的顶部区段延伸并且其表面积可以比能与之相比的常规分流器设计中的常规开口大10％至70％，这些入口可以将具有富气体的流体以平缓的入口角引导到第一螺旋通路中。第一螺旋通路出口可以形成在每个通道与分流器护套之间的切向相交处，该切向相交处可以允许通路出口将富气体的流体以平缓的出口角引导出第一螺旋通路。例示性实施方案可以包括改进的星形轮轴承，该星形轮轴承流体地联接到离开第二螺旋通路的较高密度的贫气体的流体。例示性实施方案的星形轮轴承可以包括具有凹入表面的新月形叶片，该凹入表面接收进入的流体并且通过使流体沿渐增的轴向方向向上倾斜来消除贫气体的流体的旋转动量。星形轮轴承叶片可以向较高密度的贫气体的流体提供轴向动量，这可以防止下游离心泵中的预旋转。例示性实施方案的星形轮轴承可以向驱动轴提供径向支撑，这可以防止对ESP组件的限制操作的损坏。

例示性实施方案可以包括人工举升组件诸如ESP组件，该人工举升组件可以位于地面下方的井下。图1示出了示例性ESP组件100。ESP组件100可以位于井套管105内，该井套管可以将ESP组件100与地下地层分开。井产流体可以通过穿孔110进入套管105，并在套管环空155内向下游行进至进气口115。进气口115可以用作ESP泵120的进气口，并且可以位于ESP进气区段上，也可以与气体分离器125成一整体。气体分离器125可以是涡旋分离器或旋转分离器，并且可以用于在气体进入ESP泵120之前将其与井产流体分离。马达130可以是用来使ESP泵120转动的电动潜油式马达，并且例如可以是双极三相鼠笼式感应马达。密封区段135可以是马达保护器，用于均衡压力并使马达油与井产流体分开。ESP泵120可以是多级离心泵，并且可以将流体提升到地面140。生产油管145可以将泵送的流体运送到地面140，然后运送到管道、储罐、运输车辆和/或其他储存、分配或运输工具中。在高含气井中，可以在初级泵120和气体分离器125之间采用供给泵150，用作下部串联泵，用于在流体进入生产泵120之前对其进行增压。

图2示出了例示性实施方案的示例性气体分离器。气体分离器125可以从上游到下游包括进气区段200、分离室205和分流器210。进气口115可以围绕进气区段200沿周向间隔开，并且可以用作流体进入ESP组件100的进气口。多相井产流体可以从套管环空155进入入口115，并且可以通过分离室205向下游流动。当位于分离室205内部时，井产流体可以由于旋转惯性而分离成较高密度的贫气体的流体和较低密度的富气体的流体。壳体225可以将分离室205和/或气体分离器125与套管环空155分开，并且可以用作跨气体分离器125传送轴向载荷的支撑结构。壳体端口220可以围绕壳体225间隔开，并且可以允许较低密度的富气体的流体离开气体分离器125并排放到套管环空155中。轴215可以由ESP马达130旋转(经由密封区段135的介于其间的轴)，并且可以纵向地且在中心延伸穿过气体分离器125。

螺旋输送机230可以键接到气体分离器轴215，并且可以向行进穿过分离室205的多相井产流体施加轴向动量。螺旋输送机230可以是高角叶片式螺旋输送机或类似的流体运动元件。在一些实施方案中，可以使用叶轮和/或级代替螺旋输送机230。在涡旋式气体分离器125中，可以在螺旋输送机230的下游包括一个或多个涡旋发生器235。涡旋发生器235可以键接到轴215，并且可以随轴215旋转。发生器235可以通过分离室205为多相井产流体施加涡旋形轨迹，该分离室可以由于旋转惯性而将多相流体分离成相应的较高密度的贫气体的流体305和较低密度的富气体的流体300。在一些实施方案中，气体分离器125可以为旋转式分离器，并且可以包括旋转发生器而不是涡旋发生器235。

多相流体可以从分离室205进入分流器210，在那里较低密度的富气体的流体300可以被排放到套管环空155中，而较高密度的贫气体的流体305可以继续到达泵120。如图3A至图3B所示，由于旋转惯性，较低密度的富气体的流体流300可能被吸引到轴215附近，在分流器210的裙板315的内部流动。较高密度的贫气体的流体305可能向外吸引并进入护套310与裙板315之间的空间。

为了例示的目的，在图3A至图3B中，流体流300、305被示出为沿直的下游方向流动，然而由于涡旋发生器235或旋转发生器，这两种流体也都在向下游流动的同时旋转，因此可以采用穿过分流器210的螺旋的、螺杆形的和/或螺旋形的轨迹。此螺旋轨迹可以由轴向下游分量与围绕中心纵向轴线和/或轴215的旋转分量组合而成。取决于轴215的旋转方向，旋转分量可以遵循顺时针方向或逆时针方向。在图6A至图6G中示出了用于较高密度的贫气体的流体305和较低密度的富气体的流体流300的螺旋定向流轨迹的示例。在该示例中，这两个螺旋流体流300、305的旋转分量可以沿逆时针方向定向，例如，遵循图6A中的逆时针旋转方向615。另外，流体流300、305的旋转速度可以通过轴215和/或ESP马达130的旋转速度来确定。图6A至图6D中的流体流300、305可以以3550RPM或约3550RPM旋转，这由于ESP组件100在60Hz下的操作而引起。然而，例示性实施方案可以等同地应用于ESP组件，该ESP组件以30Hz至70Hz的任何频率操作并且以比3550RPM更高或更低的旋转速度驱动井产流体的旋转。

转到图6C至图6D，例示性实施方案的分流器210可以包括多个泪滴形通道600，该多个泪滴形通道定向成遵循流体流300、305的螺旋流轨迹，以有益地减少和/或防止效率降低的湍流和/或气体积聚。第一螺旋通路630可以延伸穿过每个通道600的内部，并且可以引导来自裙板315内部的较低密度的富气体的流体300流过通道600并排放到套管环空155中。可以围绕每个通道600的外部形成第二螺旋通路620，可以将较高密度的贫气体的流体305通过该第二螺旋通路向下游引导向泵120的进口。与常规设计相比，例示性实施方案的通道600的几何形状，以及因此第一螺旋路径630和第二螺旋路径620的几何形状可以以改善的分离效率和降低的重新夹带气体的风险引导井产流体。

多个泪滴形通道600可以在分流器裙板315与分流器护套310之间延伸并穿过它们。或许最好如图4和图5所示，每个通道600的形状可以像泪滴、叶子或锥形椭圆形，从而导致封闭在通道600内部的第一螺旋通路630具有相似的形状。通道600可以包括与尖侧605相对的圆形侧610。圆形侧610可以以圆形、弯曲或半椭圆形的形状从裙板315延伸到护套310，而尖侧605可以以尖的、尖锐的或锥形的形状从裙板315延伸到护套310。每个通道600的泪滴形状可以限定上部通道表面635，该上部通道表面635形成每个通道600的顶部支撑壁并封闭每个第一螺旋通路630的顶部。上部通道表面635可以从尖边缘605延伸到通道600的顶侧上的圆形边缘610，其中圆形边缘610从尖边缘605向上倾斜10°至40°。上部通道表面635的倾斜定向可以以10°至40°的角度向上引导较高密度的贫气体的流体305，从而向第二螺旋通路620提供平缓的入口角和出口角。在图6A至图6D中示出了三个通道600，然而，在其他实施方案中可以采用多于或少于三个通道600，例如两个、四个或六个通道600。

多个泪滴形通道600中的每一个可以延伸穿过裙板315以形成通道入口510，该通道入口510可以将第一螺旋通路630流体地联接到由裙板315封闭的内室325内部的较低密度的富气体的流体300。图5示出了例示性实施方案的示例性分流器210的裙板315。如图5所示，裙板315包括管状主体和凹入顶部部分，该凹入部分随着裙板315向下游延伸而向内延伸。在一些实施方案中，裙板315可以比护套310向下游(上游)延伸更远，以便稍微延伸到分离室205的顶部，如图3B所示。轴孔500可以延伸穿过裙板315的顶部，该轴孔500允许轴215在中心延伸穿过分流器210。

如图5所示，通路入口510可以围绕裙板315的凹入的(弯曲的)顶端间隔开。通道600与裙板315的相交可以使每个入口510具有与通道600的形状相似的泪滴形状。由于裙板315的凹入顶端，入口510可以沿着裙板315弯曲，这可以导致入口510定向成切向指向较低密度的富气体的流300的螺旋流动路径，如图6B所示。将入口510定位在裙板315的顶部弯曲部分处可以减少湍流和气泡聚结。每个通路入口510的表面积可以大于旨在在传统分流器中起到类似作用的常规孔，诸如大10％至70％。

多个泪滴形通道600中的每一个可以延伸穿过护套310以形成出口400，这些出口400将第一螺旋通路630内部的较低密度的富气体的流体300流体地联接到套管环空155以便通风。图4示出了例示性实施方案的示例性分流器210的护套310。分流器210可以包括周向围绕裙板315的管状护套310，在它们之间具有空间。护套310可以从分流器210的顶部和/或泵120的底座轴向向下延伸到分离室205的顶部。护套310可以直接安装在壳体225内部，并且可以通过螺栓连接、螺纹连接、摩擦配合和/或类似的连接方式联接到壳体225，从而将分流器210固定在壳体225内部。如图3B所示，每个出口400可以在对应的壳体端口220的内部轴向对齐，这些壳体端口220可以允许通风进入套管环空155中。壳体端口220的形状、尺寸和/或方向可以与出口400的形状、尺寸和/或方向类似，以允许在通风期间为富气体的流体300提供连续无阻碍的流动路径。在一些实施方案中，壳体端口220可以大于出口400，以扩大在通风期间暴露于较低密度的富气体的流300的表面积。

如图4所示，出口400可以围绕护套310间隔开。每个出口400可以位于护套310的轴向中心点附近，例如沿着护套310的中间四分之一或中间三分之一延伸。在其他实施方案中，出口400可以在护套310的中心上方或下方，和/或可以延伸更长或更短的轴向距离。由于出口400形成在通道600和护套310的相交处，因此每个出口400可以具有通道600的倾斜泪滴形状。这样，通道600和/或第一螺旋通路630的泪滴形状的几何益处可以在其从泪滴形入口510移动到泪滴形出口400的整个长度上得到保持。

代替从裙板315延伸并头朝前(垂直地)接近护套310，每个通道600可以弯曲以与护套310切向相交并形成切向相交处640。参考图6A和图6D，切向相交处640可以由通道600形成，该通道遵循护套310的管状曲线形而卷曲，从而切向地接近并与通道600相交。切向相交处640可以以类似于通道600的曲线形的弯曲轨迹，而不是可能迫使突然转向并引起流体湍流的垂直出口路径，将较低密度的富气体的流体300引出出口400。如图6A所示，富气体的流体300的此弯曲路径可以以富气体的出口角α离开第一螺旋通路630进入套管环空155，该富气体的出口角α为富气体的流体300在通过出口离开时与护套310相交的角度。富气体的出口角α可以反映通道600的切向相交处640的切向方向并且可以用作较低密度的富气体的流体300的平缓出口角，当富气体的流体300离开第一螺旋通路630时，该平缓出口角减少了湍流。

在操作期间，入口510和出口400可以通过切向方向分量将较低密度的富气体的流体300平缓地引导进出第一螺旋通路630，这些切向方向分量引起平缓的入口角和出口角。沿着裙板310的入口510的弯曲定向(其由裙板310的凹入顶部区段引起)可以形成切向分量，该切向分量以平缓的入口角将较低密度的富气体的流体300引导到第一螺旋通路630中，该平缓的入口角最小化湍流和流动中断。类似地，通道600的切向相交处640可以允许出口400以富气体的出口角α引导较低密度的富气体的流体300，该出口角α可以防止和/或减少流动湍流。第一螺旋通路630可以在入口510与出口400之间弯曲，并且因此可以将较低密度的富气体的流体300从裙板315平缓地引导到套管环空155，这可以有利地减少富气体的流体300中的湍流。通过使流动湍流和/或扰动最小化，例示性实施方案的第一螺旋通路630可以提高气体分离器125内部的分离效率和/或降低气体重新夹带以及由此导致的气锁的可能性。

类似地，通道600可以围绕通道600限定第二螺旋通路620，这些第二螺旋通路620围绕通道600的泪滴形状的外部引导较高密度的贫气体的流体305。与第一螺旋通路630类似，第二螺旋通路620可以在几何上构造成将贫气体的流体305以平缓的角切向地切向引导进出第二螺旋通路620，这些平缓的角最小化分流器210内部的流体湍流和/或磨料磨损。参考图6D，较高密度的贫气体的流体305可以被螺旋地引导，从而围绕裙板315旋转，同时向下游流动。一旦到达通道600，较高密度的贫气体的流体305即可以10°至40°的角度，围绕通道600的顶部，遵循支撑臂635被引导到第二螺旋通路620中。较高密度的贫气体的流体305可以接触尖侧605，通道600的该尖侧605可以将贫气体的流体305通过通道600上方的空间平缓地引导到第二螺旋通路620中。尖侧605的小表面积可以最小化通道600与贫气体的流体305之间的接触面积，从而减少引起湍流和/或磨料磨损的流体碰撞。

如本文所述，随着支撑壁635从尖侧605延伸到通道600的顶侧上的圆形边缘610，上部通道表面635可以向上倾斜10°至40°。此外，上部通道表面635可以遵循裙板315的凹入表面的弯曲形状而围绕裙板315弯曲。在操作期间，较高密度的贫气体的流体305可以以10°至40°的角度向上引导，同时围绕裙板315自然地弯曲，如图6C至图6D所示。较高密度的贫气体的流体305可以沿裙板315向上并围绕裙板遵循上部通道表面635和/或第二螺旋通路620，此时贫气体的流体305可以通过圆形侧610上方的空间离开第二螺旋通路620。通过同时向上倾斜并以螺旋方式围绕裙板315弯曲，第二螺旋通路620可以通过切向分量定向，该切向分量反映出在离心分离期间引起的较高密度的、贫气体的流体305的自然流动路径。这样，可以以平缓的入口角和出口角引导较高密度的贫气体的流体305穿过第二螺旋通路620，这些平缓的入口角和出口角使得贫气体的流体305的流动的中断减少，从而减少和/或防止了湍流和磨料磨损。

较高密度的、贫气体的流体305的螺旋轨迹虽然有利于分离，但可能会包括预旋转分量，如果将流体递送到泵120时，预旋转分量保持旋转，则可能会降低泵120的效率和生产率。例示性实施方案可以包括改进的星形轮轴承700，该星形轮轴承700用于减少和/或防止流体的预旋转，同时向轴215提供径向支撑。

可以调整护套310相对于裙板315的位置。护套310可以围绕裙板315旋转，以控制通过出口400的流体的体积。在一些应用中，泵120的流速可以导致流体通过出口400进入分离器125。这样，调整护套310以控制通过出口400的流体体积的能力可以改善分流器210的整体功能。该设计还适用于在分离器125的流体移动能力远大于泵需求的应用中作为流量控制，因此打开以便更大的流量在到达泵120之前离开分离器125。图6E至图6G示出：处于第一位置的护套310(图6E)，以允许最大流量通过出口400；处于第二位置的护套(图6F)，以允许部分流量通过出口400；以及处于第三位置的护套(图6G)，以允许最小流量通过出口400。分流器210的护套310可以由诸如不锈钢的经验证的粘结材料制成，该粘结材料具有承受钻井的苛刻操作条件的强度。

返回图3B和图5，轴向管505可以从裙板315向下游延伸并且可以封闭轴215。一个或多个隔离套515可以围绕轴215堆叠，并将轴向管505与轴215分开。若干隔离套515可以围绕轴215堆叠并且可以向轴215提供径向支撑。可以在通路出口400和/或裙板315下游在护套310内包括例示性实施方案的星形轮轴承700。在图7A至图7C中示出了示例性星形轮轴承700。星形轮轴承700可以包括轴承毂705，该毂705可以围绕轴向管505上方的一个或多个隔离套515配合。在某些实施方案中，轴承毂705可以与轴向管505成一整体，或者在其他实施方案中，可以同轴地堆叠在轴向管505上方。在一些实施方案中，可以在隔离套515与星形轮轴承毂705之间包括衬套330，如图3B和图7C所示。在一个示例中，可以在隔离套515与轴承毂705之间挤压衬套330并使其保持静止。隔离套515可以联接到轴215，以便与轴215一起旋转，这可以提供径向支撑和磨损保护。

在操作期间，可以将离开第二螺旋通路620的较高密度的贫气体的流体305通过导流斜槽625向下游引导。参考图6B和图6D，导流斜槽625可以在裙板315上方向上延伸。斜槽625的形状可以像倒置漏斗一样，随着斜槽625向下游延伸而向内倾斜和/或变窄。斜槽625可以限定供流体围绕轴向管505流动的空间。导流斜槽625可以接收离开第二螺旋通路620的较高密度的贫气体的流体305，并将流体朝向轴向管505引导。较高密度的贫气体的流体305可以通过导流斜槽625向下游朝向星形轮轴承700前进，如图6D所示。

星形轮轴承700可以从第二螺旋通路620接收正在旋转的较高密度的贫气体的流体305，并消除较高密度的贫气体的流体中的旋转动量。可以将较高密度的贫气体的流体通过轴向分量重定向，该轴向分量防止和/或减少贫气体的流体305在流体进入泵120时的预旋转。参考图7A至图7C，星形轮轴承700可以包括多个星形轮叶片710，该多个星形轮叶片从轴承毂705朝向护套310径向地延伸。在一些实施方案中，星形轮叶片710可以接触护套310的内径，以便维持径向强度和/或向轴215提供径向支撑。在图7A至图7C中示出了三个星形轮叶片710，然而在其他实施方案中可以采用两个、五个或六个星形轮叶片710。每个星形轮轴承叶片710可以是新月形的或与水平切割的“C”形的下半部类似形状的。叶片710的顶部部分可以沿着毂705的外径垂直地或基本上垂直地延伸。叶片710的下部部分可以向水平弯曲以形成斜坡，该斜坡随着叶片710从底部延伸到顶部而从近水平弯曲成垂直的。

星形轮轴承700的叶片710可以弯曲成具有凹入表面，该凹入表面接收即将到来的较高密度的贫气体的流体305，该流体流305的螺旋轨迹可以包括逆时针定向的旋转分量，例如遵循图6B中的逆时针旋转方向615。因此，流向星形轮轴承700的较高密度的贫气体的流体305可能会接触轴承叶片710的弯曲面715。较高密度的贫气体的流体流305可以被强制向上，遵循叶片710的逐渐变直的形状。这样，星形轮轴承700可以将旋转动量转换成轴向动量，从而减少和/或防止进入泵120的流体发生预旋转并且提高泵120的效率和性能。此外，星形轮轴承700可以在操作期间提供径向强度，从而防止对ESP组件100的限制操作的损坏。

例示性实施方案可以通过改善分流器的通路的几何形状来减少流过气体分离器的分流器的流体中的湍流。例示性实施方案可以包括多个通道，该多个通道在通道内部针对较低密度的富气体的流体限定第一螺旋通路，并且围绕通道的外侧针对较高密度的贫气体的流体限定第二螺旋通路。第一螺旋通路和第二螺旋通路可以通过切向分量引导对应的流体流进出通路，该切向分量为流体提供平缓的入口角和出口角，这可以减少湍流、重新夹带、侵蚀和/或磨料磨损。例示性实施方案可以将较低密度的富气体的流体通过第一螺旋通路朝向套管环空引导以便通风，从而改善动量并降低气体重新夹带以及由此导致的气锁的可能性。例示性实施方案可以将较高密度的贫气体的流体通过第二螺旋通路递送到离心泵，从而减少预旋转，这提高了泵的效率和整体性能。例示性实施方案可以减少由于较高密度的贫气体的流体携带沙子进入气体分离器而引起的垢堵、侵蚀和磨料损坏。例示性实施方案可以包括具有改进的叶片的星形轮轴承，这些改进的叶片消除了较高密度的贫气体的流体中的旋转动量，这可以减少离心泵中的预旋转。例示性实施方案可以提高分流器的效率并改善气体分离器和离心泵的整体性能。

鉴于本说明书，本发明的各种方面的进一步修改和替代实施方案对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，该说明书应被解释为仅是说明性的，并且是为了教导本领域技术人员实施本发明的一般方式。应当理解，本文示出和描述的本发明的形式将被视为当前优选的实施方案。本文中描述和说明的元件和材料可以被替换，部件和工艺可以颠倒，并且可独立地利用本发明的某些特征，所有这些在本领域技术人员受益于本发明的描述之后都是显而易见的。可在不脱离如以下权利要求中描述的等同物的范围的情况下对元件进行变化。另外，应当理解，在某些实施方案中，本文所述的特征可以独立地组合。

Claims (25)

1.一种电动潜油泵(ESP)气体分离器的分流器，所述分流器包括：泪滴形通道，所述泪滴形通道在以下项之间并穿过以下项螺旋地延伸：

分流器裙板，所述分流器裙板位于所述通道的入口处，所述分流器裙板位于分流器护套的内侧；

所述分流器护套，所述分流器护套位于所述通道的出口处，所述通道的所述出口高于所述通道的所述入口；并且

所述通道的所述泪滴形状具有：

与尖侧相对的圆形侧和在它们之间延伸的顶部通道表面，其中所述顶部通道表面从所述尖侧向上延伸十度与四十度之间的角度；并且

所述通道限定：

第一螺旋通路，所述第一螺旋通路位于所述通道内部，供较低密度的富气体的流体在所述通路内部流动，其中所述第一螺旋通路与所述分流器护套切向相交；以及

第二螺旋通路，所述第二螺旋通路围绕所述通道，供较高密度的贫气体的流体在所述通路外部流动；以及

星形轮轴承，所述星形轮轴承在所述第二螺旋通路的下游流体地联接到所述较高密度的贫气体的流体，所述星形轮轴承包括：

多个新月形星形轮叶片，所述多个新月形星形轮叶片从星形轮轴承毂径向向外延伸，所述新月形星形轮叶片具有凹入表面，所述凹入表面接收进入的较高密度的贫气体的流体。

2.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述分流器护套在旋转发生器或涡旋发生器中的一者的下游固定在气体分离器壳体内部。

3.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述通道出口通过所述气体分离器壳体与壳体端口对齐，使得所述通道出口流体地联接到套管环空。

4.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述通道入口位于所述分流器裙板的凹入顶部部分上。

5.如权利要求4所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述分流器裙板的所述凹入顶部部分上的所述通道入口的位置使所述通道入口弯曲，以与进入所述通道入口的所述较低密度的富气体的流体的曲率切向对齐。

6.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中每个通道入口比能与之相比的常规气体分离器设计中的常规入口大10％至70％。

7.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述通道的顶壁的上表面从水平位置延伸十度至四十度并以相同的轨迹引导较高密度的贫气体的流体。

8.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中每个通道随着所述通道从所述分流器裙板向上延伸到所述分流器护套而弯曲。

9.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述通道与所述护套切向相交。

10.如权利要求9所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述切向相交将流体与所述分流器护套的内壁切向地引导出所述分流器出口。

11.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述星形轮轴承将轴向动量施加到围绕所述通路流动离开的所述较高密度的贫气体的流体中。

12.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述星形轮轴承向在中心延伸穿过所述分流器的轴提供径向支撑。

13.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述较高密度的富气体的流体在较低的GVF和减小的预旋转的情况下被递送到离心泵。

14.如权利要求1所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述分流器护套可围绕所述分流器裙板旋转。

15.一种电动潜油泵(ESP)气体分离器的分流器，所述分流器包括：

第一螺旋路径，所述第一螺旋路径随着贫气体的较高密度的流体行进穿过所述分流器而以与水平面成10度至40度的角度引导所述贫气体的较高密度的流体，所述第一螺旋路径流体地联接到星形轮轴承，所述星形轮轴承包括新月形叶片，所述新月形叶片随着所述贫气体的较高密度的流体离开所述分流器而消除所述贫气体的较高密度的流体的旋转动量；以及

第二螺旋路径，所述第二螺旋路径引导富气体的较低密度的流体切向地穿过所述分流器的出口，所述出口通向套管环空；并且

所述第一螺旋路径和所述第二螺旋路径由通道限定，所述通道具有所述分流器护套中的限定所述出口的泪滴形开口和所述分流器裙板中的限定所述通道的入口的泪滴形开口，其中所述第一螺旋路径围绕所述通道并且所述第二螺旋路径穿过所述通道的内部。

16.如权利要求15所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述分流器裙板中的所述泪滴形开口位于所述裙板的凹入顶部部分上。

17.如权利要求16所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述泪滴形开口围绕所述裙板的所述凹入顶部部分延伸的弯曲定向为所述较低密度的富气体的流体提供了所述贫气体的流体螺旋通路的切向定向的入口。

18.如权利要求15所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述分流器裙板上的每个泪滴形开口的表面积比常规的分流器裙板开口大10％至70％。

19.如权利要求15所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述通道的顶表面从水平位置向上延伸十度至四十度并以相同的轨迹向上引导所述较高密度的贫气体的流体。

20.如权利要求15所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述通道与所述护套切向相交。

21.如权利要求15所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述星形轮轴承将轴向动量施加到所述较高密度的贫气体的流体，所述较高密度的贫气体的流体围绕所述通路行进并继续经过所述星形轮轴承。

22.如权利要求15所述的ESP气体分离器的分流器，其中所述星形轮轴承为延伸穿过所述分流器的驱动轴提供径向支撑。

23.如权利要求15所述的ESP气体分离器的分流器，所述分流器包括多个所述通道。

24.一种在用来由于旋转惯性分离多相流体的气体分离器中将较高密度的贫气体的流体与较低密度的富气体的流体分离的方法，所述方法包括：

通过穿过通向套管环空的螺旋形延伸的泪滴形通道的内部输送所述较低密度的富气体流体来维持较低密度的富气体的流体的螺旋轨迹；

通过围绕所述螺旋通道输送所述较高密度的贫气体的流体来保持较高密度的贫气体的流体的螺旋轨迹；以及

通过引导所述较高密度的贫气体的流体通过星形轮轴承来在所述较高密度的贫气体的流体绕过所述螺旋通道后消除所述较高密度的贫气体的流体中的旋转动量，所述星形轮轴承具有新月形叶片和凹入表面，所述凹入表面沿与所述较高密度的贫气体的流体的所述旋转方向相反的方向弯曲。

25.如权利要求24所述的方法，还包括在比进入所述气体分离器的流体更低的旋转动量和GVF的情况下，将所述较高密度的贫气体的流体递送到泵进口。

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