CN113187460B - 页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置 - Google Patents

Abstract

一种页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置。主要用于页岩油生产过程中，实现对井下液相和气相的分离。其特征在于：该装置内含有外层管道模块、螺杆泵模块和旋流器模块；气液混合物依次通过套管入口、油管入口和入流口流入旋流器内部，经过螺旋流道旋流旋心分离后，轻质相的气相依附在内部旋流腔外壁经过气相分离口进入气相分离腔，再通过气相出口排出到油管外的环空内，重质相的液相通过旋流器后重力沉降至底部的蓄流槽，借助螺杆泵将蓄流槽内的液体进行充分抽取。本种旋流分离装置可以在井下实现气体和液体的分离，并将气体回注到油管环空内，消除了气相的存在对旋流分离装置所产生不利影响。

Description

页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置

技术领域

本发明涉及石油化工领域、井下石油开采领域中的一种气液分离装置。

背景技术

随着页岩气油田的不断开采，井下情况日益复杂，采出液含气的比例越来越高，其复杂的含气情况对油井的采出造成了较大的困难。高含气的采出液直接通过螺杆泵时，由于其自身的特性会致使其内部机械损坏，使用期会大大缩短。气体举升后也不能直接使用，提升了举升用的成本，同时也不利于井下的回注，开采效率大大降低，经济成本也随之增加。因此，在举升前实现气体的分离及排出是十分必要的。现有的一些井下举升前的气液分离装置，例如专利号：201920941312.0的气液旋流分离器，虽然能够实现气液的部分分离，但仍有许多不足，首先是气结构过于简单，气液分离效果一般，其次是不能在井下直接使用，不适用于油田的开采。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置，该装置的排气机构是由气液分离器、旋流外桶壁、内部旋流腔和二次滤液板组成的，在实现精准脱气的同时还可以将气体重新回注到油管环空内，减少了气体举升到地面的成本，同时省去了回注的麻烦。除去气相的液体通过螺杆泵的抽吸，依次经过中心管道、气液分离器和封隔器，最后被举升到地面进行油水分离。

本发明的技术方案是：该种页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置，其独特之处在于：所述装置具有外层管道模块1、螺杆泵模块2和旋流器模块3。

所述外层管道模块1包括套管4和油管5；所述套管4为井下外层防护管，套管4上有用于进液的套管入口401；所述油管5为内层管，位于套管4内部，油管5上开有入流孔501和气相出口孔502，入流孔501和气相出口孔502分别和旋流器模块的入流口901和气相出口801进行孔配合。

所述螺杆泵模块2包括螺杆泵6和封隔器7；所述螺杆泵6采用回转式容积泵，所述封隔器7用于连接螺杆泵6和下方的气液分离器8。

所述旋流器模块3包括气液分离器8、旋流外桶壁9、内部旋流腔10、二次滤液板11、弹簧12、支撑柱体13和中心管道14。

所述气液分离器8位于整个旋流器模块3的顶部，气液分离器8的上方通过封隔器7与螺杆泵6相连，用于将液相举升至地面，气液分离器8的下方与内部旋流腔10和中心管道14焊接在一起，气液分离器8的外侧有气相出口801与油管5上的气相出口孔502实现孔配合。

所述旋流外桶壁9外侧上的入流口901与油管5上的入流孔501孔配合，旋流外桶壁9底部有蓄流槽902用于积蓄液体以便使液体通过中心管道14被螺杆泵6向上举升。

所述内部旋流腔10为中空形管道腔，外部上方为气相出口管1001，中间的螺旋流道1002用于使混合相产生旋流场，螺旋流道1002下方的锥形管上开有气相分离口1003，螺旋流道1002内部为气相分离腔1004，锥形管道下接由弹簧12和支撑柱体13组成的开关。

所述二次滤液板11为半圆形板，其上开有小孔用以对气液进行二次分离，二次滤液板11与内部旋流腔10焊接在一起。

弹簧12环绕于支撑柱体13侧壁，弹簧12上方的受力板为支撑上板1301，下方受力板为内部旋流腔10的支承板；支撑柱体13位于内部旋流腔10的底部，其内接中心管道14。

中心管道14上方与气液分离器8相焊接，下方位于旋流外桶壁9的蓄流槽902内，从而使液相被螺杆泵6从入液口1401举升到水相出口1402后通过封隔器7向上举升。

本发明具有如下有益效果：本装置利用液体和气体的密度差对油井底部的混合液进行旋流分离，可实现对气体和液体两相的分离。气体通过套管进入油管外部的环空内，从入流口进入旋流器，经过旋流器内的螺旋流道进行旋流分离后，气体通过气相分离口进入内部旋流腔，经过二次滤液板的二次气液分离后，继续向上通过气液分离器后排出到油管外部的环空内，气体中携带的少部分液滴将被拦截下来，流入下方通过支撑柱体和弹簧组成的开关装置进入蓄流槽。气液第一次分离后液体直接顺着管壁流入蓄流槽，通过螺杆泵的抽取作用被举升到地面。

下面进行详细说明：

首先，这种旋流分离装置位于环形套管内，其形状和功能都可以完全适应如今页岩油生产井下高含气的复杂情况，可以在井下实现气液分离。

其次，这种页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置虽然结构简单，但其可以实现采出液的提前分离，从而达到降低气体进入螺杆泵致其损伤的效果。

然后，该装置实现了对高含气井下采出液的二次气液分离，使得采出液含气量大大减少，在经过螺旋流道后即进行第一次气液分离，气体进入气相分离腔后，在二次滤液板隔离作用下，气体中含带的微小液滴被阻挡聚集成大液滴，最终沿着管壁留下，通过弹簧和支撑柱体组成的开关流入蓄流槽内。

最后，本装置的弹簧和支撑柱体在静止时由于弹簧的弹力，底部板与内部旋流腔呈现封闭状态，当上方积蓄液体过多时，压缩弹簧使得底板下降，液体可以流出内部旋流腔进入蓄流槽。

综上所述，本发明提出的气液分离装置，适用于井下螺杆泵抽油工况下的页岩油生产井，可以在混合液到达螺杆泵之前就将气体和液体进行旋流分离，减少高含气工况下对螺杆泵造成损伤，同时大大节省了液体举升的费用，依次通过内部旋流腔外部的旋流分离和其内部通过二次滤液板进行的二次气液重力分离，二次分离后的液体还可以通过弹簧和支撑柱体组成的开关流回蓄流槽，最终通过螺杆泵被举升至地面。以往的气液分离装置大多应用于地面，而本装置可以在井下使用。

附图说明：

图1为页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置整体外观图。

图2为页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置整体爆炸视图。

图3为页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置整体截面截面剖视图。

图4为外层管道模块整体外观图。

图5为套管整体外观图。

图6为油管整体外观图。

图7为螺杆泵模块外观视图。

图8为螺杆泵外观视图。

图9为封隔器外观视图。

图10为旋流器模块外观视图。

图11为旋流器模块整体爆炸视图。

图12为旋流器模块截面剖视图。

图13为气液分离器外观视图。

图14为气液分离器截面剖视图。

图15为旋流器外筒壁外观视图。

图16为内部旋流腔外观视图。

图17为二次滤液板外观视图。

图18为二次滤液板局部装配图。

图19为弹簧外观视图。

图20为弹簧局部安装视图。

图21为支撑柱体外观视图。

图22为支撑柱体爆炸视图。

图23为中心管道外观视图。

图中1-外层管道模块，2-螺杆泵模块，3-旋流器模块，4-套管，401-套管入口，5-油管，501-入流孔，502-气相出口孔，6-螺杆泵，7-封隔器，8-气液分离器，801-气相出口，9-旋流器外桶壁，901-入流口，902-蓄流槽，10-内部旋流腔，1001-气相出口管，1002-螺旋流道，1003-气相分离口，1004-气相分离腔，11-二次滤液板，12-弹簧，13-支撑柱体，1301-支撑上板，1302-支撑下板，14-中心管道，1401-入液口，1402-水相出口。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本种页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置。具有外层管道模块、螺杆泵模块和旋流器模块。

所述外层管道模块由套管和油管组成，所述套管为井下外层防护管，由抗腐蚀的材料制成，其上有套管入口用以进液。所述油管为内层管，其位于套管内部.其上开有入流孔和气相出口孔分别和旋流器模块的入流口和气相出口孔配合。

所述螺杆泵模块由螺杆泵和封隔器组成。所述螺杆泵为一种回转式容积泵，其具有结构简单、体积小、流量和压力脉动小、运转较平稳等特点。所述封隔器用以连接螺杆泵和下方的气液分离器。

所述旋流器模块由气液分离器、旋流外桶壁、内部旋流腔、二次滤液板、弹簧、支撑柱体和中心管道组成。所述气液分离器位于整个旋流器模块的顶部，上方通过封隔器与螺杆泵相连，用以将液相举升至地面，下方与内部旋流腔和中心管道焊接在一起，其外侧有气相出口与油管上的气相出口孔实现孔配合。所述旋流外桶壁外侧上的入流口与油管上的入流孔孔配合，其底部有蓄流槽用以积蓄液体以便其通过中心管道被螺杆泵向上举升。所述内部旋流腔为中空形管道腔，外部上方为气相出口管，中间的螺旋流道使得混合相产生旋流场，螺旋流道下方的锥形管上开有气相分离口，其内部为气相分离腔，其锥形管道下接弹簧和支撑柱体组成的开关装置。所述二次滤液板为半圆形板，其上开有小孔用以对气液进行二次分离，其与内部旋流腔焊接在一起。所述弹簧环绕于支撑柱体侧壁，其上方受力板为支撑上板，下方受力板为内部旋流腔的支承板。支撑柱体位于内部旋流腔的底部，其内接中心管道。所述中心管道上方与气液分离器相焊接，下方位于旋流外桶壁的蓄流槽内，液相被螺杆泵从入液口举升到水相出口后通过封隔器向上举升。

本种页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置整体外观图如图1所示，本装置应用于井下，其外部为套管4，混合液从套管4上的套管入口401进入内部环空模块。图2为页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置整体爆炸视图，其主要由外层管道模块1、螺杆泵模块2和旋流器模块3组成。图3为页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置整体截面剖视图，进入旋流器的混合液经过螺旋流道1001旋流分离后，液体流入下方的蓄水槽902，借助螺杆泵将蓄流槽内的液体进行充分抽取。

图4为外层管道模块整体外观图，其外部为套管4，套管4内部为油管5.在套管4上留有套管入口401以便井下的混合液进入。套管整体外观图如图5所示，其为深入井下的外层套管，其材料具有高度防腐蚀性，在其下部留有套管入口401。图6为油管整体外观图，由上至下分别留有入流孔501和气相出口孔502用以和内部的入流口901和气相出口801相配合。

图7为螺杆泵模块外观视图，其上方为螺杆泵6，下方为封隔器7。螺杆泵外观视图如图8所示，其主要作用为连续不断的将旋流器分离出的液体举升到地面。图9为封隔器外观视图，其上方连接螺杆泵，下方与旋流器模块3的气液分离器8相连。

图10旋流器模块外观视图，混合液通过入流口901进入旋流器，经过旋流分离后，气体从气液分离器8的气相出口801排出，液体通过中心管道被举升。图11为旋流器模块整体爆炸视图，其由气液分离器8、旋流外桶壁9、内部旋流腔10、二次滤液板11、弹簧12、支撑柱体13和中心管道14组成。旋流器模块截面剖视图如图12所示，混合液从入流口901进入旋流器，通过旋流分离后，气体从气相分离口1003进入内部，最终从气相出口801排至油管5与套管4之间的环空区域，液体向下流入蓄流槽902，通过中心管道14被向上举升。图13为气液分离器8整体外观视图，其侧方有气相出口801用以排除气体。气液分离器截面剖视图如图14所示，液体经过轴心通道被举升，气体则通过气相出口801被排到油套环空区域内。图15为旋流器外桶壁外观视图，其上方圆周分布入流口901用以混合液进入，其下方为液体的蓄流槽902。图16为内部旋流腔外观视图，由上至下分别为气相出口管1001、螺旋流道1002、气相分离口1003和其内部的气相分离腔1004。二次滤液板外观视图如图17所示，其为半圆板形状，实体半圆板上开有圆孔用以气体通过。图18为二次滤液板局部装配图，通过气相分离口1003进入气相分离腔1004的气体会携带着部分液滴，当气体含量过多时，一部分气体通过实板上的孔向上过滤，另一部分通过没有板的区域向上运动，经过下块板时被过滤，此结构用以应对井下高含气的井下情况，聚集的液滴逐渐变大在重力作用下落入蓄流槽902。图19为弹簧外观视图，其环绕在支撑柱体13的侧壁。图20为弹簧局部安装视图，弹簧下方支撑在内部旋流腔10的支承板上，上方与支撑柱体13的支撑上板1301接触，当内部旋流腔10内部液体过多时液压冲击压缩弹簧12，支撑下板1302与内部旋流腔10的支承板脱离接触出现一可供液流流出间隙，液体顺势流入下方的蓄流槽902内，内部旋流腔10液相相对较少时，液相压强小于弹簧12弹力，在弹簧12反向作用力下，支撑下板1302与内部旋流腔10的支承板闭合，从而使得旋流器外桶壁9外侧的液体不会通过之间缝隙进入内部旋流腔10。图21为支撑柱体外观视图，支撑上板1301用以支撑弹簧，支撑下板1302用以与内部旋流腔10的支承板相贴合。图22为支撑柱体爆炸视图，其由支撑上板1301和支撑下板1302组成，两者通过螺纹连接以便于实际安装应用，图23为中心管道外观视图，液体从蓄流槽内通过入液口1401进入中心管道14，经过上方的水相出口1402进入气液分离器8。

本发明所述的气液分离装置，可在页岩油生产井下复杂的高含气情况下进行工作，在井下提前实现了气液分离，减少了高含气的混合液流经螺杆泵时对其造成的伤害。同时也创新性的采取了二次分离装置对气体和液体进行分离，不仅极大的降低了举升的成本，还使得液体和气体两相分离的更彻底，其特殊的二次气液分离结构可以适用于高含气的页岩油生产井下情况。上方的螺杆泵还可以实现采出液可以连续稳定的向地面举升，使得采油更加便捷。本发明考虑了井下举升和螺杆泵使用环境等众多因素，具有极大实际应用价值。

Claims (1)

1.一种页岩油生产井下旋流重力耦合驱动式气液分离装置，其特征在于：所述装置具有外层管道模块（1）、螺杆泵模块（2）和旋流器模块（3）；

所述外层管道模块（1）包括套管（4）和油管（5）；所述套管（4）为井下外层防护管，套管（4）上有用于进液的套管入口（401）；所述油管（5）为内层管，位于套管（4）内部，油管（5）上开有入流孔（501）和气相出口孔（502），入流孔（501）和气相出口孔（502）分别和旋流器模块的入流口（901）和气相出口（801）进行孔配合；

所述螺杆泵模块（2）包括螺杆泵（6）和封隔器（7）；所述螺杆泵（6）采用回转式容积泵，所述封隔器（7）用于连接螺杆泵（6）和下方的气液分离器（8）；

所述旋流器模块（3）包括气液分离器（8）、旋流外桶壁（9）、内部旋流腔（10）、二次滤液板（11）、弹簧（12）、支撑柱体（13）和中心管道（14）；

所述气液分离器（8）位于整个旋流器模块（3）的顶部，气液分离器（8）的上方通过封隔器（7）与螺杆泵（6）相连，用于将液相举升至地面，气液分离器（8）的下方与内部旋流腔（10）和中心管道（14）焊接在一起，气液分离器（8）的外侧有气相出口（801）与油管（5）上的气相出口孔（502）实现孔配合；

所述旋流外桶壁（9）外侧上的入流口（901）与油管（5）上的入流孔（501）孔配合，旋流外桶壁（9）底部有蓄流槽（902）用于积蓄液体以便使液体通过中心管道（14）被螺杆泵（6）向上举升；

所述内部旋流腔（10）为中空形管道腔，外部上方为气相出口管（1001），中间的螺旋流道（1002）用于使混合相产生旋流场，螺旋流道（1002）下方的锥形管上开有气相分离口（1003），螺旋流道（1002）内部为气相分离腔（1004），锥形管道下接由弹簧（12）和支撑柱体（13）组成的开关；

所述二次滤液板（11）为半圆形板，其上开有小孔用以对气液进行二次分离，二次滤液板（11）与内部旋流腔（10）焊接在一起；

弹簧（12）环绕于支撑柱体（13）侧壁，弹簧（12）上方的受力板为支撑上板（1301），下方受力板为内部旋流腔（10）的支承板；支撑柱体（13）位于内部旋流腔（10）的底部，其内接中心管道（14）；

中心管道（14）上方与气液分离器（8）相焊接，下方位于旋流外桶壁（9）的蓄流槽（902）内，从而使液相被螺杆泵（6）从入液口（1401）举升到水相出口(1402）后通过封隔器（7）向上举升。

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