CN112682022A - 一种气井井下可调超音速气体分离液体回注装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，包括流量调控短节、旋转式气液分离器和气液分离短节；所述流量调控短节的气液出口与旋转式气液分离器连通，所述旋转式气液分离器的液体出口与气液分离短节的回注腔连通，旋转气液分离器的气体出口与气液分离短节的中心腔体连通；结构简单、体积小、效率高，可以根据气井产量和井底压力，调节开度达到最优气液分离目的；可以将旋流管分离液体排出至环空并注入地层，达到井下分离并回注液体。

Description

一种气井井下可调超音速气体分离液体回注装置

技术领域

本发明涉及气井采气技术领域，具体的是涉及一种气井井下可调超音速气体分离液体回注装置。

背景技术

在天然气开采中，随着气藏压力和天然气流动速度的逐步降低，致使气藏中的产出水或凝析液不能随天然气流携带出井筒，从而滞留在井筒中。这些液体在一段时间内聚集于井底，形成液柱，对藏造成额外的静水回压，导致气井自喷能量持续下降。通常，如果这种情况持续下去，井筒中聚集的液柱终将会把气压死，导致气井停产。这种现象称之为“气井积液”。针对于气井积液问题，从单一工艺发展到多种工艺，形成了以优选管柱排水采气、泡沫排水采气、气举排水采气、游梁式机抽排水采气、电潜泵排水采气、射流泵排水采气、柱塞气举排水采气为主要内容的工艺及其配套技术。这些工艺方法的技术共同点是将井下积液采至地面,经输液管线将分离的液体汇聚起来,然后回注地层,存在着地面设备多、投资大、污染环境等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种结构简单、体积小、效率高,能够实现井下气液分离、产出水同井回注功能的气井井下可调超音速气体分离液体回注装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，一种气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，包括流量调控短节、旋转式气液分离器和气液分离短节；所述流量调控短节的气液出口与旋转式气液分离器连通，所述旋转式气液分离器的液体出口与气液分离短节的回注腔连通，旋转气液分离器的气体出口与气液分离短节的中心腔体连通；

采集到的气体通过流量调节短节进行流量调节后加速后进入到旋转式气液分离器中进行气液分离，气液分离后的液体进入到气液分离短节中的回注腔中，回注到井内，气液分离后的气体通过中心腔体排出到井外。

所述流量调控短节包括调控上接头，固定连接在调控上接头端部的电机内筒，套设在该电机内筒外且与该电机内筒固定连接的电机外筒，且所述电机外筒和电机内筒之间设有缠绕在内机内筒上的电磁线圈，所述电机外筒的端部固定连接有拉瓦尔喷管，所述电机内筒内设有一调节套筒，该调节套筒与电机内筒密封滑动连接，所述调节套筒的端部固定连接有调节锥头，该调节锥头位于拉瓦尔喷管内的稳流段中，该调节锥头的侧部设有将调节锥头内部与拉瓦尔喷管连通的通孔，所述电磁线圈在通电时，电磁线圈产生的磁力推动调节套筒在所述电机内筒内进行移动，驱动所述调节锥头的端面与拉瓦尔喷管稳流段的内壁形成的通道宽度进行改变。

所述旋转式气液分离器包括固定连接在拉瓦尔喷管端部的分离器接头，固定设在分离器接头内且与拉瓦尔喷管的分离段连通的旋转分离套筒，所述旋转分离套筒内设有螺旋凹槽或螺旋凸起。

所述气液分离短节包括回注器外套管，该回注器外套管与分离器接头端部通过回注器上接头固定连接，所述回注器外套管内设有分离套筒，该分离套筒的中心线与回注器外套管的中心线位于同一条直线上，所述分离套筒的端部穿过回注器上接头延伸到分离器接头内；

所述回注器外套管内套设有开关套筒，该开关套管与回注器外套管的内壁密封滑动连接，所述开关套管远离回注上接头的端部与固定连接在分离套筒上的连接头固定连接；

所述开关套筒内设有回注器内套管，该回注器内套管的端部与回注器上接头固定连接，且穿过回注器上接头与分离器接头连通；

所述分离套筒包括小孔径段、下孔径段和过渡段，所述下孔径段与小孔径段通过过渡段连通，所述分离套筒的小孔径段与回注器内套管之间设有环形通道，该环形通道将分离器接头与回注器套管和开关套筒之间形成的腔体连通；

所述分离套筒远离回注上接头的端部穿过设在回注器外套管内的线性电机与回注器外套管端部固定设有的回注器下接头，该线性电机驱动所述分离套筒和开关套筒在回注器外套筒内前后移动；

当所述线性电机驱动分离套筒和开关套筒向回注上接头端部运动时，设在开关套筒上的内排孔与设在回注器外套筒上的外排孔对齐连通，固定设在回注器内套管内壁上的第一O形密封圈对环形通道进行密封；回注器套管和开关套筒形成腔体内的液体通过内排孔和外排孔排出，当所述线性电机驱动分离套筒和开关套筒向远离回注上接头端部运动时，设在开关套筒上的内排孔与设在回注器外套筒上的外排孔错开封闭，环形通道开启，分离器接头分离出的液体通过该环形通道进入到回注器套管和开关套筒形成腔体内。

所述回注器外套筒与线性电机设有用于安装电池的电机电池仓。

所述线性电机至少包括套设在分离套筒上的回注器电机内筒，缠绕在分离套筒上且位于回注器电机内筒内的回注器电磁线圈，固定设在回注器电机内筒端部的回注器电机接头，该回注器电机接头与回注器外套筒的端部固定连接，所述回注器下接头与回注器电机接头固定连接。

所述拉瓦尔喷管稳流段的内腔为锥形腔，所述调节锥头的形状与锥形腔的形状匹配。

所述回注器外套筒与开关套筒之间多个第二O形密封圈。

所述所述分离套筒的过渡段上设有排气孔。

所述电机内筒和电机外筒之间设有密封圈。

本发明的有益效果是：结构简单、体积小、效率高，可以根据气井产量和井底压力，调节开度达到最优气液分离目的；可以将旋流管分离液体排出至环空并注入地层，达到井下分离并回注液体。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中气液分离短节的结构示意图；

图3是本发明中流量调控短节的结构示意图；

图4是本发明中旋转分离套筒的结构示意图；

图5是本发明中拉瓦尔喷管的结构示意图；

图6是本发明中分离器接头的结构示意图；

图7是图2中的A部放大结构示意图；

图8是图2中B部放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例1

如图1所示一种气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，包括流量调控短节100、旋转式气液分离器200和气液分离短节300；所述流量调控短节100的气液出口与旋转式气液分离器200连通，所述旋转式气液分离器200的液体出口与气液分离短节300的回注腔连通，旋转气液分离器200的气体出口与气液分离短节300的中心腔体连通；所述流量流量调控短100节用于调节采集的气体和液体的流量，调节后气液进入到旋转时气液分离器200中进行气液分离，分离后气体通过气液分离短节300的中心腔排出的井外，分离后的液体通过气液分离短节300中液体分离腔回注到井内；

具体在使用时，所述根据井下测量得到的压力流量值，调节流量调控短节100中的开合度，确保经过调整后的气液达到最优分离效果，调节并且超音速加速后的气液进入到旋转式气液分离器200中进行气液分离，完成气液分离后经过旋流后得到的液体，流动至气液分离短节300储液仓中，等待液位指示器信号进行推拉排液至环空，同时利用压差挤排液体至废弃地层或目标地层。

随着产气产量降低，地层压力减小，将采集压力产量信号经过无线传输短节发送至井口运算终端，计算调节信号，传输至井下气液分离短节，调节入口开度至合适位置，继续最优分离。

实施例2

在实施例1的基础上，如图3所述流量调控短节包括调控上接头1，固定连接在调控上接头1端部的电机内筒2，套设在该电机内筒2外且与该电机内筒2固定连接的电机外筒3，且所述电机外筒3和电机内筒2之间设有缠绕在内机内筒2上的电磁线圈4，所述电机外筒3和电机内筒2和电磁线圈4形成线性电机，所述调节套筒6设在电机内筒2内能够通过该形成的线性电机带动其进行前后运动；

所述电机外筒3的端部固定连接有拉瓦尔喷管8，所述拉瓦尔喷管8如图5所示具体包括稳流段、收缩段、扩张段和分离段，稳流段的作用是降低上游来的气体的湍动程度，使从井底进气管来气流趋于稳定流动；收缩段为拉乌尔喷管的关键部分，上游稳流段来的气流在收缩段速度会有大幅度提高，但是其湍动程度却不会加大，整个流体被稳定加速，收缩段出口的气流也是均匀的；扩张段是超音速分离装置中超音速气流形成的关键部位，喉部出来的气流在此处加速，速度从音速增加到超音速；

在一定的压力下，天然气和水蒸气混合气流通过拉乌尔喷管，速度从小于音速被加速至音速，再被加速到超音速，从而实现混合气流的超音速流动，当混合物气流通过拉乌尔喷管的横截面积最小处的喉管时，气流的温度、压力急速下降，在喉管部位形成低温低压区域，低温低压会使气流中水汽发生冷凝；

调节套筒6设在电机内筒2内，该调节套筒6与电机内筒2密封滑动连接，所述调节套筒6的端部固定连接有调节锥头7，该调节锥头7位于拉瓦尔喷管8内的稳流段中，该调节锥头7的侧部设有将调节锥头7内部与拉瓦尔喷管8连通的通孔；

所述电机内筒2和电机外筒3之间设有密封圈5；能够对电机内筒和电机外筒形成的线性电机进行密封，避免液体进入。

所述拉瓦尔喷管8稳流段的内腔为锥形腔，所述调节锥头7的形状与锥形腔的形状匹配。所述拉瓦尔喷管的内腔与调节锥头形成流体通道，当调节锥头向拉瓦尔喷管推进时，所述调节锥头与锥形腔之间的流体通道变窄，当调节锥头向拉瓦尔喷管推出时，所述调节锥头与拉瓦尔喷管的锥形腔之间的流体通道变宽；具体在使用时，天然气和时水蒸气通过进入到调节套筒中的天然气和水蒸气通过上接头进入到调节套筒6中，然后进入到调节锥头中，通过电机外筒3和电机内筒2和电磁线圈4形成线性电机带动调节锥头7进入到拉瓦尔喷管的深度，改变环形通道的宽窄，改变拉乌尔喷管管段入口处过流面积，从而改变入口处流体压力，在经过拉乌尔喷管前达到最佳压力值，从而在来源气压力不稳定的条件下，始终保持稳定的、最佳的分离效果。

进入到拉瓦尔喷管中的天然气和水蒸气气流由入口进入拉瓦尔喷管的渐缩段，由于收缩段截面逐渐变小，气流速度会逐渐升高，在到达喉部位置时，其速度将会达到或接近当地环境下的音速，通过喉部后进入扩张段，此时气流速度继续升高，且随着截面半径的增大气流速度越来越大，在扩张段的出口截面处流速最大，而此时气体压强和温度降到最低。气流中液滴凝结核心的形成以及液滴的生长是在扩张段完成的，因此，对喷管结构进行合理的设计，决定着能否得到理想的温降和分离效果。

所述旋转式气液分离器如图4和图6所示包括固定连接在拉瓦尔喷管8端部的分离器接头10，固定设在分离器接头10内且与拉瓦尔喷管8的分离段连通的旋转分离套筒9，所述旋转分离套筒9内设有螺旋凹槽或螺旋凸起。在安装时，将旋转分离套筒9安装在拉瓦尔喷管的端部，然后将分离器接头10固定安装在拉瓦尔喷管8的端部，完成旋转分离套筒9和分离器接头10的固定安装；在进行分离时通过拉瓦尔喷管完成超音速的加速分离后；气液混合物经过旋流段的旋流发生器时产生旋流，液滴会被甩到内壁上，通过在旋转分离套筒9内设有的螺旋凹槽或螺旋凸起进行凝合后，最终进入除液口流出，从而实现气液的分离；气体通过旋转分离套管9的中部进入到气液分离短节中的中心管排出到井外，完成天然气的采集，分离后的液体储存到储液腔中，当储液腔中的液压完成设定的压力后，储液腔开启将分离后的液体回注到井内。

实施例3

在实施例1的基础上，如图2所述气液分离短节包括回注器外套管12，该回注器外套管12与分离器接头10端部通过回注器上接头11固定连接，所述回注器外套管12内设有分离套筒16，该分离套筒16的中心线与回注器外套管12的中心线位于同一条直线上，所述分离套筒16的端部穿过回注器上接头11延伸到分离器接头10内；所述分离套筒16用于将分离后的气体排出到井外，

所述回注器外套管12内套设有开关套筒17，该开关套管17与回注器外套管12的内壁密封滑动连接，所述开关套管17远离回注上接头11的端部与固定连接在分离套筒16上的连接头18固定连接；

所述开关套筒17内设有回注器内套管15，该回注器内套管15的端部与回注器上接头11固定连接，且穿过回注器上接头11与分离器接头10连通；

所述分离套筒16包括小孔径段、下孔径段和过渡段，所述下孔径段与小孔径段通过过渡段连通，所述分离套筒16的小孔径段与回注器内套管15之间设有环形通道，该环形通道将分离器接头10与回注器套管15和开关套筒17之间形成的腔体连通；该分离套筒16端部与回注器内套管之间形成的环形腔体通道从外到内截面依次增大，确保分离后液体能够进入到该环形通道并进入到腔体中进行储存；

所述分离套筒16远离回注上接头11的端部穿过设在回注器外套管12内的线性电机21与回注器外套管12端部固定设有的回注器下接头23，该线性电机21驱动所述分离套筒16和开关套筒17在回注器外套筒12内前后移动；

所述回注器外套筒12与线性电机21设有用于安装电池的电机电池仓19，该电机电池仓19内可以安装充电电池，该充电电池能够为线性电机提供电源；

所述线性电机21至少包括套设在分离套筒16上的回注器电机内筒20，缠绕在分离套筒16上且位于回注器电机内筒20内的回注器电磁线圈，固定设在回注器电机内筒20端部的回注器电机接头22，该回注器电机接头22与回注器外套筒12的端部固定连接，所述回注器下接头23与回注器电机接头22固定连接。

所述回注器外套筒12与开关套筒17之间多个第二O形密封圈14。该第二O形密封圈14能够对回注器太套筒12和开关套筒17进行封堵，避免储存的液体发生泄漏的情况；

具体在使用时，经过气液后的气体通过分离套管16排出到井外，分离的液体进入到回注上接头11中，然后通过分离套管和回注器内套管之间形成的环形通道中，然后进入到开关套筒和回注器内套筒形成的腔体中进行储存，当检测到高腔体内储存的液体的压力达到回注的要求是，线性电机21驱动分离套筒16和开关套筒17向回注上接头11端部运动时，如图7所示设在开关套筒17上的内排孔25与设在回注器外套筒12上的外排孔26对齐连通，同时固定设在回注器内套管15内壁上的第一O形密封圈13对环形通道进行密封；回注器套管15和开关套筒17形成腔体内的液体通过内排孔25和外排孔26排出，进行分离的液体回注；当完成回注后，线性电机21驱动分离套筒16和开关套筒17向远离回注上接头11端部运动时，设在开关套筒17上的内排孔25与设在回注器外套筒12上的外排孔26错开封闭，腔体完成关闭，此时所述第一O形密封圈13来到分离套管16的过渡段位置，环形通道打开，分离器接头10分离出的液体通过该环形通道进入到回注器套管15和开关套筒17形成腔体内从新进行储存，完成整个分离液体的循环回注。

在分离后的液体通过环形通道进入到腔体中时，内部还有的气体会对环形通道形成封堵，在如图6所述分离套筒16的过渡段上设有排气孔24，该排气孔24能够对液体中的气体进行排出，避免发生封堵的情况。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，其特征在于，包括流量调控短节(100)、旋转式气液分离器(200)和气液分离短节(300)；所述流量调控短节(100)的气液出口与旋转式气液分离器(200)连通，所述旋转式气液分离器(200)的液体出口与气液分离短节(300)的回注腔连通，旋转气液分离器(200)的气体出口与气液分离短节(300)的中心腔体连通；

采集到的气体通过流量调节短节(100)进行流量调节后加速后进入到旋转式气液分离器(200)中进行气液分离，气液分离后的液体进入到气液分离短节(300)中的回注腔中，回注到井内，气液分离后的气体通过中心腔体排出到井外。

2.根据权利要求1所述的气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，其特征在于，所述流量调控短节(100)包括调控上接头(1)，固定连接在调控上接头(1)端部的电机内筒(2)，套设在该电机内筒(2)外且与该电机内筒(2)固定连接的电机外筒(3)，且所述电机外筒(3)和电机内筒(2)之间设有缠绕在内机内筒(2)上的电磁线圈(4)，所述电机外筒(3)的端部固定连接有拉瓦尔喷管(8)，所述电机内筒(2)内设有一调节套筒(6)，该调节套筒(6)与电机内筒(2)密封滑动连接，所述调节套筒(6)的端部固定连接有调节锥头(7)，该调节锥头(7)位于拉瓦尔喷管(8)内的稳流段中，该调节锥头(7)的侧部设有将调节锥头(7)内部与拉瓦尔喷管(8)连通的通孔，所述电磁线圈(4)在通电时，电磁线圈(4)产生的磁力推动调节套筒(6)在所述电机内筒(2)内进行移动，驱动所述调节锥头(7)的端面与拉瓦尔喷管(8)稳流段的内壁形成的通道宽度进行改变。

3.根据权利要求2所述的气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，其特征在于，所述旋转式气液分离器(200)包括固定连接在拉瓦尔喷管(8)端部的分离器接头(10)，固定设在分离器接头(10)内且与拉瓦尔喷管(8)的分离段连通的旋转分离套筒(9)，所述旋转分离套筒(9)内设有螺旋凹槽或螺旋凸起。

4.根据权利要求3所述的气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，其特征在于，所述气液分离短节(300)包括回注器外套管(12)，该回注器外套管(12)与分离器接头(10)端部通过回注器上接头(11)固定连接，所述回注器外套管(12)内设有分离套筒(16)，该分离套筒(16)的中心线与回注器外套管(12)的中心线位于同一条直线上，所述分离套筒(16)的端部穿过回注器上接头(11)延伸到分离器接头(10)内；

所述回注器外套管(12)内套设有开关套筒(17)，该开关套管(17)与回注器外套管(12)的内壁密封滑动连接，所述开关套管(17)远离回注上接头(11)的端部与固定连接在分离套筒(16)上的连接头(18)固定连接；

所述开关套筒(17)内设有回注器内套管(15)，该回注器内套管(15)的端部与回注器上接头(11)固定连接，且穿过回注器上接头(11)与分离器接头(10)连通；

所述分离套筒(16)包括小孔径段、下孔径段和过渡段，所述下孔径段与小孔径段通过过渡段连通，所述分离套筒(16)的小孔径段与回注器内套管(15)之间设有环形通道，该环形通道将分离器接头(10)与回注器套管(15)和开关套筒(17)之间形成的腔体连通；

所述分离套筒(16)远离回注上接头(11)的端部穿过设在回注器外套管(12)内的线性电机(21)与回注器外套管(12)端部固定设有的回注器下接头(23)，该线性电机(21)驱动所述分离套筒(16)和开关套筒(17)在回注器外套筒(12)内前后移动；

当所述线性电机(21)驱动分离套筒(16)和开关套筒(17)向回注上接头(11)端部运动时，设在开关套筒(17)上的内排孔(25)与设在回注器外套筒(12)上的外排孔(26)对齐连通，固定设在回注器内套管(15)内壁上的第一O形密封圈(13)对环形通道进行密封；回注器套管(15)和开关套筒(17)形成腔体内的液体通过内排孔(25)和外排孔(26)排出，当所述线性电机(21)驱动分离套筒(16)和开关套筒(17)向远离回注上接头(11)端部运动时，设在开关套筒(17)上的内排孔(25)与设在回注器外套筒(12)上的外排孔(26)错开封闭，环形通道开启，分离器接头(10)分离出的液体通过该环形通道进入到回注器套管(15)和开关套筒(17)形成腔体内。

5.根据权利要求4所述的气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，其特征在于，所述回注器外套筒(12)与线性电机(21)设有用于安装电池的电机电池仓(19)。

6.根据权利要求5所述的气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，其特征在于，所述线性电机(21)至少包括套设在分离套筒(16)上的回注器电机内筒(20)，缠绕在分离套筒(16)上且位于回注器电机内筒(20)内的回注器电磁线圈，固定设在回注器电机内筒(20)端部的回注器电机接头(22)，该回注器电机接头(22)与回注器外套筒(12)的端部固定连接，所述回注器下接头(23)与回注器电机接头(22)固定连接。

7.根据权利要求2所述的气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，其特征在于，所述拉瓦尔喷管(8)稳流段的内腔为锥形腔，所述调节锥头(7)的形状与锥形腔的形状匹配。

8.根据权利要求4所述的气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，其特征在于，所述回注器外套筒(12)与开关套筒(17)之间多个第二O形密封圈(14)。

9.根据权利要求4所述的气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，其特征在于，所述所述分离套筒(16)的过渡段上设有排气孔(24)。

10.根据权利要求2所述的气井井下可调超音速气体分离液体回注装置，其特征在于，所述电机内筒(2)和电机外筒(3)之间设有密封圈(5)。

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