CN115341878B - 井下高含蜡产液冷输装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种井下高含蜡产液冷输装置及方法，主要解决现有粘稠原油举升及集输过程中加热降粘带来的较大能耗问题。其特征在于：高压泵将冷输液输送至引流管，冷输液驱动涡轮组转动，涡轮驱动空心轴旋转，然后通过空心轴的引流孔进入空心轴内继续向下流动，最后通过螺旋冷混装置的喷嘴喷射流出；原油在井底流压及宽流道稠油泵的举升压力的联合作用下向上流动，至螺旋冷混装置处与自上而下的冷输液换热混合；油水混合流体受冷输液动能携带作用向上流动，经造粒装置将冷凝稠油颗粒化，最终通过上四通流出。本发明提高泵效并增强对稠油的举升效果，从而简化粘稠原油输运工艺，达到节能减排目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下高含蜡产液冷输装置及方法，属于石油工程领域。
背景技术
我国部分油田原油具有高含蜡、高凝点和高粘度，即“三高”的特点。现行的人工举升方式易出现井筒内结蜡现象，使得井筒的流通截面不断减小，造成回压增大产量减少、增加采油设备的载荷、甚至堵塞油管、损坏设备等诸多不利影响。然而目前应用最普遍的清防蜡技术存在较为明显的缺陷，例如：清蜡不彻底、易损坏设备、污染环境或成本较高。此外，由于原油粘性随温度降低而升高，油田一般采用多种伴热工艺和保温措施以保证举升及集输过程中原油温度高于原油凝点（各油田集输原油的温度通常高于60℃，远高于原油凝点），造成了油气集输能耗高、排放高、效率低等问题。据统计，原油伴热工艺和保温措施所占成本占油田生产总成本的30%以上。为保持原油稳产高产，我国大部分油田迫切需要解决井下蜡沉积和原油集输两大问题：所谓蜡沉积问题是如何避免在举升过程中由于温度降低导致蜡沉积在管壁及设备和保证沉积蜡的二次利用问题；油气集输问题是如何保持油气集输过程中高效低耗问题。研究探索适用含蜡原油的新举升集输方法，对油田稳产高产和节能降耗具有重要意义。
发明内容
本发明目的是提供一种井下高含蜡产液冷输装置及方法，从而避免出现油井蜡沉积现象，无需原油伴热工艺和保温措施，有效解决目前原油举升集输能耗大的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明所述的一种井下高含蜡产液冷输装置及方法，包括如下步骤：
a) 冷输液经泵输送至引流管向下带动涡轮组转动，后通过空心轴的引流孔进入空心轴内继续向下流动，最后通过螺旋冷混装置喷嘴流出；
b) 原油受井底流压及宽流道稠油泵的举升增加作用向上流动，至螺旋冷混装置处与自上而下的冷输液换热混合；
c) 油水混合流体受冷输液流动携带作用向上流动，经造粒装置将半凝稠油破碎及颗粒化，最终通过油管至上四通流出；
d）冷输液指与原油不相融的冷水或其他低温液体介质。
所述的一种粘稠原油冷输举升工艺中，油水换热混合装置安装在井深500米以上的易结蜡位置。
所述的一种粘稠原油冷输举升工艺中，原油经冷输液换热后温度降低至粘稠原油的凝点以下。
所述的一种粘稠原油冷输举升工艺中，涡轮组通过冷输液动能推动作用去驱动空心轴转动，为造粒装置、螺旋冷混装置以及宽流道稠油泵提供扭矩。
所述的一种粘稠原油冷输举升工艺中，涡轮组级数需根据冷输液压力、井底流压、实际工况条件下工艺及其装置所需扭矩确定。
所述的一种粘稠原油冷输举升工艺中，宽流道稠油泵级数需根据井底流压和实际工况下粘稠原油所需举升高度确定。
本发明所述的一种井下高含蜡产液冷输装置包括压盖、填料密封、上四通、下四通、油管、套管、引流管、空心轴、涡轮组、扶正器，十字轴、支撑件、造粒装置、螺旋冷混装置、以及宽流道稠油泵。
进一步地，所述压盖下部与上四通法兰连接，内壁与填料密封法兰连接。
进一步地，所述上四通上下端依次与压盖和下四通法兰连接，内壁与油管焊接连接。
进一步地，所述下四通上部与上四通法兰连接，内壁与套管焊接连接。
进一步地，所述引流管由填料密封卡紧固定，下部采用锥螺纹与涡轮组定子和扶正器连接，底部装有支撑件。
进一步地，所述扶正器与支撑件内孔镶嵌有耐磨滑动轴承以连接固定空心轴，以保证低摩擦相对运动。
进一步地，所述涡轮组由多级涡轮组成，每级包括涡轮定子和涡轮转子；其中，所述涡轮定子外壁以螺纹连接的形式与引流管连接；所述涡轮转子内壁以键连接的形式与空心轴连接。
进一步地，所述空心轴以键连接的形式与涡轮组、造粒装置及宽流道稠油泵连接，用具有密封作用的锥螺纹连接造粒装置和螺旋冷混装置；空心轴引流孔开在十字轴安装处下侧和支撑件上侧。
进一步地，所述造粒装置包括旋切刀片、轴套和固定孔盘；其中，所述旋切刀片内壁以键连接的形式与空心轴连接；所述固定孔盘外壁以螺纹连接的形式与油管连接，内壁镶嵌有耐磨轴套与空心杆连接。
进一步地，所述螺旋冷混装置包括空心螺杆、支撑横杆、螺带叶片与喷嘴；其中，所述空心螺杆的圆周表面间隔焊接布置有相互平行设置的支撑横杆；所述空心螺杆上部支撑横杆的两端分别引出一螺带叶片；所述螺带叶片从上往下依次与各个支撑横杆的端部焊接连接。
进一步地，宽流道稠油泵包括止推件、泵壳、叶轮和导叶；其中，所述止推件外壁与泵壳螺纹连接，内壁镶嵌有耐磨轴套与空心杆连接，轴向固定导叶；所述泵壳外壁与油管螺纹连接；所述叶轮以键连接的形式与空心轴连接；所述导叶与叶轮相接，外壁受泵壳压紧固定。
进一步地，所述宽流道稠油泵由多级组成，每级包括叶轮和导叶。
优选地，所述空心轴由多段空心轴连接而成，其中上端空心轴以万向节叉的形式与十字轴连接，与引流管、十字轴、螺旋冷混装置构成冷输液通道，用于进行换热冷输工艺。
优选地，所述涡轮组转子叶片和定子叶片分别为16个和32个，按流体动力学性能分别确定定子和动子的叶片形状和叶片几何结构参数，且呈周向等距分布。
优选地，所述旋切刀片设有6-10个刀片，造粒装置依靠旋切刀片和固定孔盘刀之间的相对剪切力，实现对半凝悬浮原油的破碎和造粒。
优选地，所述空心螺杆螺带相对支撑横杆对称设置，与螺带叶片间隔角度为90度。
优选地，所述螺带叶片相对空心螺杆对称设置，其螺旋线按照圆柱曲面螺旋上升。
优选地，所述喷嘴相对支撑横杆对称设置。
优选地，所述的叶轮流道为宽流道，流道截面积相对普通叶轮增加50％以上。
优选地，所述的叶轮表面采用低摩阻涂层处理，且表面涂层具有横向的纹理结构，该纹理结构能够有效降低边界层厚度和摩擦阻力。
有益效果
1、本发明提供一种井下高含蜡产液冷输装置及方法，利用螺旋冷混装置和造粒装置，可以把油井产出的粘稠原油进行换热剪切破碎，使其变成颗粒状悬浮于产液中，无需原油伴热工艺和保温措施，实现低温状态下的原油水力悬浮举升与悬浮输送，大幅度降低原油开采及集输成本。
2、本发明利用自上而下冷输液的压能，无需外加其他动力，即可推动涡轮组的转子旋转，带动空心轴及安装其上的装置转动，配合井底流压，实现井底原油的举升与输送。
3、本发明中螺旋冷混装置在实现原油与冷输液混合换热，加速蜡的孕育、结晶、聚集凝化。此外，螺旋冷混装置的螺旋带还具备刮削壁面蜡层的作用，避免了蜡沉积现象。
4、本发明将螺旋冷混装置安装在井下550米以上的易结蜡位置，在实现防结蜡的前提下，延长原油自主散热降温的举升行程，从而减少冷却液用量，达到节能目的。
5、本发明中宽流道稠油泵通过叶轮大流道设计，以增加流道截面积，从而提高泵效，拓宽了叶轮的高效区。此外，对叶轮表面进行横向纹理结构的涂层处理，降低附面层厚度，从而降低稠油流动摩擦，减少流道边界阻滞力和叶轮结垢，增强对稠油的举升效果。
附图说明
图1是粘稠原油冷输举升装置结构总图；
图2是粘稠原油冷输举升装置中涡轮组的转子和定子的三维结构图；
图3是粘稠原油冷输举升装置中十字轴的三维结构图；
图4是粘稠原油冷输举升装置中造粒装置的旋切刀片和固定孔盘刀的三维结构图；
图5是粘稠原油冷输举升装置中螺旋冷混装置的三维结构图；
图6是粘稠原油冷输举升装置中宽流道稠油泵的结构图。
图中1-压盖，2-填料密封，3-上四通，4-下四通，5-油管，6-套管，7-引流管，8-空心轴，9-涡轮组，10-扶正器，11-十字轴，12-支撑件，13-造粒装置，14-螺旋冷混装置，15-宽流道稠油泵，901-涡轮定子，902-涡轮转子，1301-旋切刀片，1302-轴套，1303-固定孔盘刀，1401-空心螺杆，1402-螺带叶片，1403-支撑横杆，1404-喷嘴，1501-止推件，1502-泵壳，1503-叶轮，1504-导叶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述粘稠原油冷输举升装置作进一步详细的说明。
首先，结合附图，对本发明所述的一种井下粘稠原油举升冷输方法及装置作整体描述：
如图1所示，结合图2、图３、图4、图5、图6，这种井下粘稠原油举升冷输装置包括压盖、填料密封、上四通、下四通、套管、油管、引流管、空心轴、涡轮组、扶正器、十字轴、支撑件、造粒装置、螺旋冷混装置、以及宽流道稠油泵。引流管7依靠压盖1与填料密封2悬挂在井口，引流管7向下内壁与涡轮组定子901连接，引流管7内安装扶正器10和支撑件12以悬挂空心轴8，空心轴8自上而下依次安装涡轮组转子902、造粒装置旋切刀片1301、螺旋冷混装置14、宽流道稠油泵止推件1501以及叶轮1503，空心轴8在扶正器10下侧和支撑件12上侧以万向节叉的形式与十字轴（11）连接，与引流管（7）、十字轴（11）、螺旋冷混装置（14）构成冷输液通道，用于进行换热冷输工艺，上四通3上端与压盖1法兰连接，上四通3下端与下四通4法兰连接，上四通3下端内壁与油管5焊接连接，下四通4下端内壁与套管6焊接连接，造粒装置固定孔盘1303安装在油管5内壁上。
如图1所示，这种井下举升冷输方法包括如下步骤：a) 冷输液经泵输送至引流管向下带动涡轮组转动，后通过空心轴的引流孔进入空心轴内继续向下流动，最后通过螺旋冷混装置喷嘴流出；b) 原油受井底流压及宽流道稠油泵的举升作用向上流动，至螺旋冷混装置处与自上而下的冷输液换热混合；c) 油水混合流体受冷输液流动携带作用向上流动，经造粒装置将稠油颗粒化，最终通过上四通流出。其中，油水换热混合装置安装在井深500-600m范围的易结蜡位置；原油经冷输液换热后温度降低至粘稠原油凝点以下；涡轮组受冷输液动能携带作用驱动空心轴转动，为造粒装置、螺旋冷混装置以及宽流道稠油泵提供扭矩；涡轮级数需根据冷输液压力、井底流压、实际工况条件下工艺及其装置所需扭矩确定；宽流道稠油泵级数需根据井底流压和实际工况下原油所需举升高度确定。
如图2所示，涡轮组定子901与转子902的端面形成定位台阶，叶片分别设有16个和32个，按流体动力学性能分别确定定子和动子的叶型参数和几何结构参数，且周向等距分布。
如图3所示，空心轴8以万向节叉的形式与十字轴11连接，下端开有导流孔。
如图4所示，旋切刀片1301设有6-10个刀片，固定孔盘1303内嵌轴套1302与空心轴8连接，造粒装置依靠旋切刀片1102旋转剪切力、旋切刀片1301与固定刀片1303对悬浮原油的剪切力相对冲击力实现对悬浮原油的破碎。
如图5所示，空心螺杆1401的圆周表面间隔焊接布置有相互平行设置的支撑横杆1403，空心螺杆1401上部支撑横杆1403的两端分别引出一螺带叶片1402；螺带叶片1402相对空心螺杆1401对称设置，按圆柱螺旋曲线从上往下依次与各个支撑横杆1403的端部焊接连接；空心螺杆1401螺带相对支撑横杆1403对称设置，与螺带叶片1402间隔角度为90度；喷嘴1404相对支撑横杆1403对称设置。
如图6所示，止推件1501外壁与泵壳1502螺纹连接，内壁镶嵌有耐磨轴套与空心杆8连接；泵壳1502外壁与油管5螺纹连接；叶轮1503以键连接的形式与空心轴7连接；导叶1504与叶轮1503相接，外壁受泵壳1502压紧固定。
本发明所提出的一种井下高含蜡产液冷输装置及方法，可应用于油田粘稠原油举升及集输过程中。本发明创新性的取消了粘稠原油举升及集输中的伴热工艺和保温措施，有效解决目前粘稠原油举升集输能耗大的问题，通过主动换热降温加速蜡的悬浮结晶和聚集，避免了井筒结蜡堵塞，快速实现蜡组分的悬浮颗粒化，通过延长原油自主散热降温的举升行程，从而减少冷却液用量，针对宽流道稠油泵通过增加叶轮流道截面积和叶轮表面涂层处理，从而提高泵效，拓宽了叶轮的高效区，增强对稠油的举升效果。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种井下高含蜡产液冷输方法，其特征在于所述方法采用井下高含蜡产液冷输装置执行，所述的井下高含蜡产液冷输装置包括压盖（1）、填料密封（2）、上四通（3）、下四通（4）、油管（5）、套管（6）、引流管（7）、空心轴（8）、涡轮组（9）、扶正器（10）、十字轴（11）、支撑件（12）、造粒装置（13）、螺旋冷混装置（14）以及宽流道稠油泵（15）；
所述压盖（1）下部与上四通（3）法兰连接，压盖（1）的内壁与填料密封（2）法兰连接；所述上四通（3）上下端分别与压盖（1）和下四通（4）法兰连接，上四通（3）的内壁与油管（5）焊接连接；所述下四通（4）上部与上四通（3）法兰连接，下四通（4）内壁与套管（6）焊接连接；引流管（7）依靠压盖（1）与填料密封（2）悬挂在井口，引流管（7）向下延伸至油管（5）内，引流管（7）向下内壁与涡轮组（9）的涡轮定子（901）连接，涡轮组（9）下方的引流管（7）内安装扶正器（10）和支撑件（12）以悬挂空心轴（8），空心轴（8）分为上半段和下半段，十字轴（11）设置在空心轴（8）上半段和下半段之间，空心轴（8）上半段的下端通过万向节叉的形式与十字轴（11）连接；所述的空心轴（8）通过键连接的形式与涡轮组（9）的轴孔和造粒装置（13）的轴孔固定连接，空心轴（8）用具有密封作用的锥螺纹连接螺旋冷混装置（14）；空心轴（8）下半段的引流孔开在十字轴（11）与空心轴（8）的连接处；造粒装置（13）、螺旋冷混装置（14）、宽流道稠油泵（15）从上至下依次位于引流管（7）下方的油管（5）内；空心轴（8）的内孔、引流管（7）的内孔、十字轴（11）的内孔和螺旋冷混装置（14）的内孔一同构成冷输液通道；
所述方法包括如下步骤：
1) 冷输液经地面泵输送至引流管（7），冷输液沿引流管（7）流动到空心轴（8）的上端处，冷输液通过空心轴（8）的上端导向后进入涡轮组（9）流道内，冷输液通过推动涡轮组（9）的叶轮旋转而驱动空心轴（8）转动，冷输液流出涡轮组（9）后通过十字轴（11）进入空心轴（8）的下半段，冷输液进入空心轴（8）内继续向下流动，通过螺旋冷混装置（14）的喷嘴（1404）喷出；
2) 高含蜡产液受井底流压和所述宽流道稠油泵（15）的举升作用向上流动，至螺旋冷混装置（14）处与从所述喷嘴（1404）喷出的冷输液换热混合，高含蜡产液与冷输液混合形成半凝体；
3) 高含蜡产液与冷输液混合后的半凝体受冷输液的流动携带作用向上流动，经造粒装置（13）破碎后沿油管（5）与引流管（7）之间的环形空间向上流动，最终通过井口的上四通（3）流出；上述的冷输液指与原油不相融的冷水或其他低温液体介质；
所述的造粒装置（13）包括旋切刀片（1301）、轴套（1302）和固定孔盘刀（1303）；其中，所述旋切刀片（1301）的内孔以键连接的形式与空心轴（8）连接；所述固定孔盘刀（1303）的外壁以螺纹连接的形式与油管（5）连接，固定孔盘刀（1303）的内孔镶嵌有耐磨的所述轴套（1302）与空心轴（8）连接；
所述造粒装置（13）依靠旋切刀片（1301）与固定孔盘刀（1303）之间相对运动的旋转剪切力对所述半凝体进行破碎造粒；
所述的螺旋冷混装置（14）安装在井深550米以上的易结蜡位置；高含蜡产液经与冷输液混合换热后温度降低至原油各组分凝点以下；涡轮组（9）在冷输液动能作用下旋转并驱动空心轴（8）转动，为造粒装置（13）、螺旋冷混装置（14）以及宽流道稠油泵（15）的旋转运动提供所需的扭矩；涡轮组（9）的级数需根据冷输液压力和实际工况条件下高含蜡产液抽汲工艺及所述的井下高含蜡产液冷输装置所需的扭矩确定；所述宽流道稠油泵（15）的级数需根据井底流压和实际工况下高含蜡产液所需举升高度确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的引流管（7）由填料密封（2）卡紧固定，引流管（7）下部内壁采用锥螺纹与涡轮组的涡轮定子（901）和扶正器（10）连接，引流管（7）底部装有支撑件（12）；所述的扶正器（10）的内孔与支撑件（12）的内孔都镶嵌有耐磨滑动轴承以连接固定空心轴（8）。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的涡轮组（9）由多级涡轮组成，每级涡轮包括涡轮定子（901）和涡轮转子（902）；其中，所述涡轮定子（901）外壁以螺纹连接的形式与引流管（7）连接；所述涡轮转子（902）的内孔以键连接的形式与空心轴（8）连接；所述涡轮转子（902）的叶片和涡轮定子（901）的叶片分别为16片和32片，按所述的井下高含蜡产液冷输装置所需扭矩和工艺需要分别确定涡轮定子（901）和涡轮转子（902）的叶片形状与几何结构参数，叶片均呈周向等距分布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋切刀片（1301）设有6-10个刀片。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的螺旋冷混装置（14）包括空心螺杆（1401）、螺带叶片（1402）、支撑横杆（1403）与喷嘴（1404）；其中，所述空心螺杆（1401）的圆周表面间隔焊接布置有相互平行设置的多个支撑横杆（1403）；所述空心螺杆（1401）上部的支撑横杆（1403）的两端分别引出一个螺带叶片（1402）；所述空心螺杆（1401）的外圆周表面设置有螺带，所述空心螺杆（1401）的螺带与螺带叶片（1402）的间隔角度为90度；所述螺带叶片（1402）从上往下依次与各个支撑横杆（1403）的端部焊接连接；所述螺带叶片（1402）相对空心螺杆（1401）对称设置，螺带叶片（1402）的螺旋线按照圆柱曲面螺旋上升；所述喷嘴（1404）有多个且设置在空心螺杆上；所述喷嘴（1404）相对支撑横杆（1403）对称设置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的宽流道稠油泵（15）包括止推件（1501）、泵壳（1502）、叶轮（1503）和导叶（1504）；其中，所述止推件（1501）外壁与泵壳（1502）螺纹连接；所述泵壳（1502）外壁与油管（5）螺纹连接；所述导叶（1504）与叶轮（1503）轴向串联，导叶（1504）的外壁受泵壳（1502）压紧固定；所述的宽流道稠油泵（15）由多级构成，每级包括叶轮（1503）和导叶（1504）；所述的叶轮（1503）的流道为宽流道，流道截面积相对普通叶轮增加50％以上；所述的叶轮（1503）的表面采用低摩阻涂层处理，且表面涂层具有横向的纹理结构。
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