CN112915831A - 两相流均匀混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相流均匀混合装置，包括：导流本体部，包括空心圆柱本体及其外侧面的混合扰流单元；导流外套，呈空心圆柱体状，同轴套设于所述空心圆柱本体导流本体部的外侧，所述导流外套和所述混合扰流单元之间形成扰流流道。本发明的装置实现了原油进入AICD之前将分层的水和油进行充分混合，使处于不同位置的AICD都发挥作用。

Description

两相流均匀混合装置

技术领域

本发明涉及一种流体混合装置，尤其是一种两相流均匀混合装置。

背景技术

石油的开采过程中，由于“跟趾效应”、储层非均匀质、储层各向异性和天然裂缝等因素的影响，长水平井的生产剖面很难水平均匀推进。一旦在油井中形成水(气)锥，由于水(气)的粘度小于油的粘度，水(气)会在形成锥形的地方快速形成通道并且进入输油管道。这种现象称之为油田见水(气)。见水油井抑制自身产油量的同时，也会抑制其他油井的产量。

为了解决油田见水(气)的问题，国内外的科学家经过多年的研究，采取了在水平完井的水平剖面上安装流入控制装置(以下称ICD)的方法。ICD的核心原理就是由于水、气和油拥有不同物理特性(粘度和密度)，所以流过设计好的特定装置后会产生不同的附加压降，通过控制水、气和油三者的流量大小来保证水平完井的入流平面沿整个水平面的均匀性。

ICD根据流动阻力等级(FRR)是否恒定又可分为被动式流入控制装置(PICD)和自适应式流入控制装置(AICD)两种。由于PICD的FRR是定值，一旦水平完井中产生水(气)锥，黏度较低的水(气)将会迅速占满整个井筒，使油井的产油量急剧下降。

但水平井生产时，由于跟端趾端压降不同，会发生跟趾效应。跟趾效应逐渐发展，导致底水脊进。为了减轻底水脊进，采取了许多措施，如传统的变密度筛管完井、中心管完井、ICD(Inflow Control Device，流入控制装置)完井和最新的智能化AICD(AutonomousInflow Control Device，自动流入控制装置)完井。

上述措施均能在一定程度上控制底水脊进。但是由于变密度筛管完井和中心管完井等都不能根据井下状况实时调整各参数，而ICD完井不能智能识别油和水，所以应用受到局限。

新型的智能化AICD控水装置能根据水油粘度差来实现智能化控水。但是，水平井AICD控水装置智能控水还处于初始阶段。

传统结构的AICD的流道包括进口，主流道，支流道，圆盘和出口五个部分，拥有一定流速的流体由AICD的进口进入主流道，流体流经主流道与支流道的交接处时，会出现以下不同的情况：

(1)由于粘度较小和密度较大，石油会在惯性力的主导作用下大部分流入主流道，同时由于经主流道切向进入AICD圆盘的流体由于拥有较高的切向流速，所以会在AICD圆盘内部沿着切向关于出口中心做回旋转动并随着逐渐逼近中心出口而迅速加速，造成AICD圆盘内部的压力损失增加。在进口压力不变情况下，导致AICD出口处的流量会减小。

(2)同理，见水程度较轻或者没有见水的石油由于粘度较大和密度较小，大部分石油会在粘滞力的主导作用下流入支流道。经支流道径向流入AICD圆盘的流体由于对出口中心没有转动惯量，因此很容易从出口流出，因此使流经AICD的压力损失较小。在同等进口出口压差的情况下，AICD出口处的流量会增加。

以上就是AICD的工作原理。通过抑制水的流量和保证石油的通流稳定来达到抑水增油的作用，从而抑制油井见水。

AICD主要应用于水平井，做为原油从地层进入油管的唯一通道。为了满足原油产量需求，往往会在水平段安装多个AICD短节。

请参见图1(1)～(3)所示现有AICD短节结构及其C-C、D-D剖视图。其中箭头为流体方向，在该示例短节的横截面设置了三个AICD 800。

图示中AICD短节的水平段套管801和基管802之间通常会形成环形空间，一旦原油进入该环形空间，极易出现油水分层现象，如图1(3)的D-D剖视图，密度小体积大的油将分层于密度大体积小的水之上，这就造成处于不同位置的AICD 800面对不同性状的流体，如图1(2)的C-C剖视图中，处于12点钟位置的AICD 800处于打开状态，而处于4点钟和8点钟位置的AICD 800处于关闭状态，故，不能发挥所有AICD的正常功能。

针对以上问题，迫切需要一种混流装置在原油进入AICD之前将分层的水和油进行充分混合，使处于不同位置的AICD都能发挥作用。

发明内容

应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本公开提供进一步的解释。

针对以上问题，本发明设计了一种两相流均匀混合装置，通过进液部和混流部的螺旋流道对已分层的混合液进行充分混合，在混流段实现二者均匀的混合。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种两相流均匀混合装置，其特征在于，包括：

导流本体部，包括空心圆柱本体及其外侧面的混合扰流单元；

导流外套，呈空心圆柱体状，同轴套设于所述空心圆柱本体导流本体部的外侧，所述导流外套和所述混合扰流单元之间形成扰流流道。

比较好的是，本发明进一步提供了一种两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述混合扰流单元包括若干螺旋形凸起。

比较好的是，本发明进一步提供了一种两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述混合扰流单元进一步包括若干螺旋形凹槽，所述螺旋形凹槽与所述螺旋形凸起呈连续或间断方式间隔排列。

比较好的是，本发明进一步提供了一种两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述导流本体部进一步包括进液部和混流部，所述进液部包括所述装置进口的多个流道入口。

比较好的是，本发明进一步提供了一种两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述混流部的过流面积100～150平方毫米。

比较好的是，本发明进一步提供了一种两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述导流本体部进一步包括初混部，位于所述进液部和所述混流部之间，所述初混部由所述空心圆柱本体与所述混合导流外套的空间构成。

比较好的是，本发明进一步提供了一种两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述混合扰流单元进一步包括所述空心圆柱本体圆周面上平行排列的多个凹环状体和凸环状体组成，所述凸环状体上开设至少一流道出口，与所述凹环状体之间的本体流道共同构成所述扰流流道。

比较好的是，本发明进一步提供了一种两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述本体流道内进一步设置若干扰流凸柱体。

比较好的是，本发明进一步提供了一种两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述扰流凸柱体的截面包括矩形、椭圆形和三角形中任一种。

比较好的是，本发明进一步提供了一种两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述导流外套和所述导流本体部为一体结构。

应用本发明的装置，解决了油水在环形空间里的分层问题，促使油水在整个环形空间里充分混合，由此大大提高了整个水平井的采油效率并降低成本。

附图说明

现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1(1)～(3)分别是现有AICD短节结构示意图及其C-C、D-D剖视图；

图2(1)和(2)分别是本发明装置第一较佳实施例的导流本体部和导流外套结构示意图；

图2(3)是图2(1)的立体示意图；

图3是将本发明的装置应用在AICD流道系统的剖视图；

图4是本发明装置第二较佳实施例中混合扰流单元的结构示意图；

图5是本发明装置第三较佳实施例中混合扰流单元的结构示意图；

图6是本发明装置第四较佳实施例中混合扰流单元的结构示意图；

图7是本发明装置第五较佳实施例中混合扰流单元的结构示意图；

图8是本发明装置第六较佳实施例中混合扰流单元的结构示意图。

附图标记

800――AICD

801――套管

802――基管

803――筛管

101――进口

102――出口

103――主流道

104――支流道

105――圆盘

11――导流外套

12――导流本体部

120――空心圆柱本体

121――进液部

122――混流部

123――流道入口

124――初混部

125――混合扰流单元

126――流道出口

127――本体流道

128――扰流凸柱体

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

实施例1

请参见图2(1)和2(2)，分别为本发明装置第一较佳实施例中混合导流本体部12和导流外套11的结构示意图，图2(3)是导流本体部12的立体结构示意图。

本发明的两相流均匀混合装置包括导流本体部12，混合扰流单元如图2(1)所示；图2(2)示意了导流外套11，呈空心圆柱体状，同轴套设在导流本体部12的外侧，二者可以分离为两个独立部件，也可以呈一体结构。

请进一步参见图2(1)中示意的导流本体部混合扰流单元12的结构。

其中，混合扰流单元导流本体部12包括空心圆柱本体120，在其外圆周面上的混合扰流单元125，本实施例中的混合扰流单元125包括上、下两段类似外螺纹的连续凸起，由此形成前后两段流道，分别称为进液部121和混流部122。

使用时，两相液体例如油和水，轴向进入由导流本体部12和导流外套11围设形成端的流道，由进液部121进入，然后进入混流部122，该混流部122位于进液部121后端的流道上。

在上述实施例中的进液部121和混流部122的流道采用外螺纹的形式。但并不限于该结构形式，只要能形成流道即可，能与混合导流外套11之间形成封闭流道。

需要注意的是，进液部121的流道在其进口端设置多个流道入口123，通常该流道入口的数量N大于等于3，这样便于更多的两相液体，例如油和水的进入，流道入口123越多，取样越均匀。

请参见图示，混流部122的过流面积为：a×b，该过流面积为100～150平方毫米。满足这样的条件下，能产生足够的剪切力，油水充分混合，从而形成油水混合液。

此外，在较佳实施例的设计中，还可以在进液部121和混流部122之间设置一初混部124，该初混部124用于自进液部121进入的两相液体进行初步的混合过渡，然后再进入后端的混流部122。该初混部124由空心圆柱本体120与导流外套11的空间构成。

图3是将图2所示的装置应用于AICD流道系统的剖视结构图。

本发明的两相流均匀混合装置套设在AICD阀座21和AICD外护套22之间，A、B分别代表两相流，对应两种不同物理性能的流体。应用在油田上的情况是，A为较轻的油层、B为密度较大的水层，在进入本装置之前，两种液体明显分层。

当油和水分层通过进液部121进入本均衡混合装置，由于进液部121在进口设有若干流道入口123，满足更多的流体进入装置。

之后，油A和水B进入初混部124，在此独立空间内进行初步混合。

然后，再进入混流部122的流道内，由于该混合流道的过流面积满足一定条件，即该面积在100～150平方毫米之间，因而能形成足够大的剪切力，足以实现两相流的充分混合，这样通过本装置后的油水完成了充分混合。

油水的混合液流出本两相流均匀混合装置后，通过图示中的AICD入口23重新回到AICD装置内，为避免混合液再次分离，混合液出口到AICD入口23之间的流径尽可能较小。

本发明装置通常采用316L不锈钢，但可以根据不同液体的性能改用其他材质。

实施例2

图4是本发明装置第二较佳实施例中混合扰流单元的结构示意图。

该实施例的导流本体部12同样包括空心圆柱本体120，在其外圆周面上设置若干流道。

不同于实施例1的是，混合扰流单元125由若干间断螺旋形凸起组成，两两相邻螺旋形凸起之间形成流道出口126，与两两间隔螺旋形凸起之间形成的本体流道127共同构成本装置的扰流流道。

当两相流根据箭头方向A进入本装置后，通过扰流单元125之间的流道实现油水充分混合后，从箭头方向A’流出本装置，并由图3的AICD入口23重新回到AICD系统。

实施例3

图5是本发明装置第三较佳实施例中混合扰流单元的结构示意图。

与实施例2类似，导流本体部12同样包括空心圆柱本体120，在其外圆周面上设置若干流道。

本实施例中，混合扰流单元125由空心圆柱本体120圆周面上平行排列的多个凹环状体和凸环状体组成，在凸环状体上至少开设一流道出口126，与凹状体之间形成的本体流道127共同构成本装置的扰流流道。

当两相流根据箭头方向A进入本装置后，通过扰流单元125之间的流道实现油水充分混合后，从箭头方向A’流出本装置，并由图3的AICD入口23重新回到AICD系统。

实施例4

图6是本发明装置第四较佳实施例中混合扰流单元的结构示意图。

本实施例中，围设形成流道的混合扰流单元125较之前结构更复杂，由相隔一定间距的多个凸环状体和沿轴向设置的凸线段组合形成。这些组合设计应用到的相同思想是：在导流本体部120的圆周面上设计混合扰流单元125，并开设流道出口，与本体流道共同构成整个装置的扰流流道。

实施例5

图7是本发明装置第五较佳实施例中混合扰流单元的结构示意图。

在图示中，混合扰流单元125与空心圆柱本体120呈分离式结构，同轴套设在空心圆柱本体120的外圆周面，混合扰流单元125上同方向开设若干凹槽形成本体流道127，本体流道127和两两混合扰流单元125之间的空间构成整个装置的扰流流道。

需要说明的是，在本发明的改进思想之下，还可以采用在导流本体部120外圆周面填充扰流器的做法，同样起到对两相流进行均匀混合的效果。

实施例6

图8是本发明装置第六较佳实施例中混合扰流单元的结构示意图。

该实施例的结构类似于实施例2，形成该流道的混合扰流单元125由若干间断螺旋线段组成，在两两相邻扰流单元125之间的流道出口126之间还设置若干扰流凸柱体128，与两两相邻的混合扰流单元125之间形成的本体流道127一并构成本装置的扰流流道。

根据试验室测试数据和模拟计算对比，本发明的两相流均匀混合装置达到了设计时预想的效果，在一定流量的前提下，油水充分混合，混合率达到85％以上，完全满足AICD在井下使用要求，同时还具有如下优点：

第一，解决了油水在环形空间里的分层问题，促使油水在整个环形空间里充分混合；

第二，确保处于不同位置的AICD均能够发挥控水增油的作用，不会出现处于低位的AICD长期关闭的现象，增加AICD的使用效率；

第三，提高了整个水平井的采油效率；

第四，减少了AICD的安装数量，降低成本。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.两相流均匀混合装置，其特征在于，包括：

导流本体部，包括空心圆柱本体及其外侧面的混合扰流单元；

导流外套，呈空心圆柱体状，同轴套设于所述空心圆柱本体导流本体部的外侧，所述导流外套和所述混合扰流单元之间形成扰流流道。

2.根据权利要求1所述的两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述混合扰流单元包括若干螺旋形凸起。

3.根据权利要求2所述的两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述混合扰流单元进一步包括若干螺旋形凹槽，所述螺旋形凹槽与所述螺旋形凸起呈连续或间断方式间隔排列。

4.根据权利要求2或3所述的两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述导流本体部进一步包括进液部和混流部，所述进液部包括所述装置进口的多个流道入口。

5.根据权利要求4所述的两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述混流部的过流面积100～150平方毫米。

6.根据权利要求5所述的两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述导流本体部进一步包括初混部，位于所述进液部和所述混流部之间，所述初混部由所述空心圆柱本体与所述混合导流外套的空间构成。

7.根据权利要求2所述的两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述混合扰流单元进一步包括所述空心圆柱本体圆周面上平行排列的多个凹环状体和凸环状体组成，所述凸环状体上开设至少一流道出口，与所述凹环状体之间的本体流道共同构成所述扰流流道。

8.根据权利要求7所述的两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述本体流道内进一步设置若干扰流凸柱体。

9.根据权利要求所述的两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述扰流凸柱体的截面包括矩形、椭圆形和三角形中任一种。

10.根据权利要求5～9中任一项所述的两相流均匀混合装置，其特征在于，

所述导流外套和所述导流本体部为一体结构。

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