CN1250389A - 用于分离油井中流体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于分离流体特别是分离井产流体的方法和装置,上述流体包括若干流体组分,而井产流体与用于生产烃类/水的管道有关。流体被输入主水平管道的一端,该管道长度适合于现行流动条件,同时流体以这种速度流过管道,以便将它分离开。在分离期间,具有低密度的各流体组分在管道的顶部形成,而具有较高密度的各流体组分在管道的下部形成。各流体组分通过分开的出口取出。

Description

用于分离油井中流体的方法和装置
本发明涉及一种用于分离流体特别是分离井产流体的方法和装置，上述流体包括若干流体组分，而井产流体与用于生产烃类/水的管道有关。
以前已经提出，直井中的井产流体应该用一些分离器处理。这些分离器可以包括如US 4,241,787所述的仅能通过水的半渗透过滤器或者如No 172426所述的旋流分离器。
这些装置的缺点在于：它们在其结构上比较复杂，并且有许多移动部件。此外，当在具有高压和高温的油井中使用时，上述解决方案需要很高的维护/检修费用。另一个因素在于：这些解决方案特别适用于安装在油井的各个直段中。它们还显示额外的压力损失和消耗能量。
上述缺点用本发明可以避免。本发明已经特别研究出了能在油井的各水平段中分离流体，在例如利用水平钻孔形成油井的地方，某种东西在各水平地层的回收中是很有利的。
当尤其是在长的(水平)油井方面使用本发明时，得到的另一些优点是：
·由于减少了水和烃类一起输送而使压力损失较少
·更简单(和更小)的用于分离的下游设备
·在海上排出具有化学药品的水量大大减少
·在油井下游的生产设备中没有盐沉积物
·水合物问题最小
·在输送管道和工艺设备中的腐蚀问题最小(会导致选择更便宜的材料)
·由于大液滴、没有起稳定作用的表面活性剂、高温和低粘度，会使在油井中的油/水分离简单化
·在能耗和投资方面的良好能力
下面，将通过一些例子和图进一步说明本发明，其中：
图1示出一种油/水流型图。
图2示出油井分离器中的分离，产品油中水的含量(％)随分离器长度而变化的情况。
图3示出油井分离器中的分离，产品水中油的含量(ppm)随分离器长度而变化的情况。
图4示出一个具有生产设备和分离器的油井。
图5示出分离器的一个实施例。
图6示出分离器的一个第二实施例。
图7示出用于图6所示类型分离器的流程图。
图8a)、b)、c)示出具有不同流型的分离器的一个第三实施例。
图9示出分离器的一个第四实施例。
图1是一个曲线示意图，示出在一种包括油组分和水组分的流体中，流量与各个组分速度的关系。如图所示，它已经通过试验确定，如果各组分的流速为小于0.6m/s数量级，则能够得到一种分层流动。
图2是一个示意图，示出用北海油田的轻质原油在试验装置中进行试验时所得到的结果。流体主要由流体组分油和水构成。在该试验装置中从一种具有混合物速度Vmix为0.6m/s的分散流开始，进行各种试验，以便弄清楚什么条件一定满足于达到所希望的分离程度。另外一些参数如下：
系统压力    105bar
系统温度    70℃
油的粘度    1.02mPa*s
油的密度    736kg/m3
在该试验装置中安装一个分离器，该分离器包括一个具有内径D＝0.78m的水平管道。
曲线示意图中的x轴用一个参数表示如下：
60.3*(D3/Q)*L式中D＝分离器管道的内径(m)；
Q＝井产流体的总体积流量(m3/h)；
L＝分离器管道的长度。
上述参数包括：用于流体的总保留时间；和在流体的恒定保持时间下，用于改变前端(沉降距离)的校正因子，它取决于不同的管道内径值。
曲线示意图的y轴表示油相中水的百分含量。
图3中的曲线示意图通过上述试验产生。此曲线示意图的y轴表示水相中油的量(以百万分之几分(ppm)计)，而x轴与图2中的相同。
应该注意，图2和3曲线示意图中所表示的结构，都是根据用特定的井产流体进行的试验，并且基本上只应用于那种流体。然而，别的井产流体会具有类似的分离性质，因此可以通过类似的试验来确定。因为各种井产流体可能具有不同的乳状液稳定度性质，所以它们会要求分离器中更短或更长的保留时间，直到达到等效分离时为止。
根据上述试验，现在能在各种水平井或具有足够长度水平段的油井中分离井产流体。当井产流体从油藏中和油井管道内的各贯穿射孔中流出时，该井产流体将采取一种分散流形式。在生产管的下游，尤其是在基本上是水平的各井段中，如果井产流体的流速足够低，并且保留时间足够长，则各流体组分可以采取一种分层流动形式。下面将根据上述知识，说明用于分离这种液流的实际解决方案。
图4示出在一种用于地层2回收的辅助解决方案中一些主要元件。将一根管道安放在地层2内一个水平的井段中。管道1包括一个水平输送管或分离管3，在分离管3中有一分离器6。在该分离器的上游，管道1连接到各个允许井产流体流入的排泄元件或射孔7上。在分离器的下游，管道1包括一个立管4。管道1还可以连接到一根注水管5上，该注水管5具有一些注水孔8，用于将分离出来的水注入地层中。
图5示出如图4所示一种辅助解决方案的放大/详细的井段。在其上游端，将水平输送管3连接到一个尾管10上，该尾管10具有一些射孔7，用于向地层2的排泄。将井产流体输送入尾管10中，并流向分离器。该尾管可以被一套管11以这种方式围绕，以便在这些管道之间形成环空。该环空朝分离器6的方向用一个封隔器13封堵，而如果有必要可以用水泥封堵。如果有必要，尾管10可以用一个或多个油藏段上任何类型的辅助解决方案代替。
如这个例子中所图示的分离器是管道14的管状主体或其中一段，该管道14在其下游处具有一个或多个排泄孔15，以便能使水排出分离器6。这些排泄孔主要定位于这段管道14的底部。该管状主体可以有利地被套管11围绕，以便通过各孔15排出这段管道14的水，将被收集在这段管道14和套管11之间所形成的环空(16)中。如果有必要，排泄孔15可利用一个或多个活动衬套(17)调节，该活动衬套(17)可以盖住各孔或揭开各孔的盖。各衬套可以定位在管道15的内部，或者如图所示围绕该管道15。这段管道14可以有利地是生产管22的延伸部分。
环空可以在下游方向上用一种封隔器26封堵，并连接到一注水管5上，用于使水返回地层2。如果有必要，注水管可以连接到如阀30、泵等设备(未示出)上，以便达到控制水返回油藏。如果希望的话，可以通过一管道34将注水管5连接到设备31如一台旋流分离器上，用于水流的进一步分离。然后可以将分离出来的水通过一具有注入孔35的管道32送回到油藏中，而将含水的油通过管道33送回到生产管22中。
另外，封隔器36可以包括一个阀27，可以将该阈27打开，并让水通过生产管和套管之间的环空16送到地面。如果有必要，可以用这种方式，或是利用一分开的管道(未示出)将一仅仅是小的水流向上送到地面，用于取样和测量水中的油含量。
在其下游端处，分离器6包括一闭锁装置18，该闭锁装置18封堵除了其顶部的一个或多个孔19之外的这段管道14的横截面。该一个或多个孔19让油从分离器流到生产管22。在闭锁装置的上游，有一伽马(γ)光密度计20，该伽马光密度计20包括一些连接到信号处理装置(未示出)上的传感器，该信号处理装置使它能确定各流体组分之间边界层的液位(垂直方向上的液位)。可以用这种类型的多级伽马辐射来检测液位并测量浓度剖面。此外，可以确定相界并测定水中油和油中水的含量。这种类型的记录系统代表专家掌握的技术水平，因而这里将不作详细说明。
根据从井产流体中分离出来的水的纯度，如果有必要，在用于小百分含量水的管道14中，将边界层25调到足够高，以便使水与油一起送入生产管22中。边界层的调整，其中包括在分离器中所希望的位置处达到一恒定的边界层，可以通过控制从分离器中的流出量来实现。例如，这可以利用生产管中或井口装置(未示出)处的一个阀28来达到目的，该阀28控制经过生产管22取出的流体量，并用注水管5中的衬套17和/或阀30调节所希望的水量。因此可以通过反复调节分离开的流体量，来提高或降低这段管道14中边界层的液位。应该理解，这种调节可以用一数据处理装置(未示出)来进行，该数据处理装置处理由伽马光密度计所记录的信号，按照一设定的操作或软件处理它们，并将信号传到各进液装置(未示出)上，这些进液装置连接到上述阀上，用于调节分离开的流体。这代表了专家掌握的技术水平，因而此处也都不再详细说明。
用于调节各流体组分之间界面25垂直液位的另一种系统是测量油中水(WiO)的含量及油的流量(Qoil)。这些量是在分离器的下游测量，并可以有利地取连续测量的形式。测量设备可以安放在油井下面、采油平台上或地面上。利用该数据可以将油中水随油流量的变化情况作图。尽管分离器中的油/水边界层低于油的出口，但油中水相对于油流量的变化率是低的。如果边界层接近油的出口，则随着油的流量增加，油中水的含量将急剧上升。该数据可以很容易用来以这种方式控制油的流量，以便分离器仅仅勉强地让水进入油的出口。
另外，可以记录水中油(OiW)含量，并用来控制边界层的液位。这种记录可以通过将分离器中分离出来的微小水流量抽吸到地面，用于分析/测量油含量，而在地面做到。
如果井产流体在其进入分离器之前的速度太高，结果是不能达到用于分离的条件，则可以用几种方法将速度降低。例如在分离器上游井产流体的速度可通过减少在井口装置和注水管处提取的流体量来降低。
另外，井产流体的速度可通过限制经排泄元件或射孔的流入量来调节。例如，这可以通过用一个或多个活动衬套(23)完全或部分封堵各射孔来做到。另一种方法可以将一个或多个节流装置安装在尾管10或分离器上游另一个合适的地方中。一个或多个节流装置将有助于在井产流体到达分离器之前，限制它的速度。这些节流装置可以是插入管道中的主体，并显示通流面积降低。例如可以用盘形节流装置(具有流体通道的堵塞器)。
图6涉及一个分离器106的另一实施例，并示出穿过如图4所示的辅助系统中分离器的详细横截面。正如前述例子中那样，水平输送管道103在其上游端处连接到一具有一些射孔107的尾管110上用于排出地层102。将井产流体送入该尾管110中，并朝分离器106的方向上流动。尾管110被一套管111以这种方式围绕，以便在这些管道之间形成一环空112。用一封隔器113，或者如果有必要的话用水泥将该环空在朝向分离器106的方向上封堵。在这个实施例中，尾管在分离器的入口端处被封堵。如果有必要，尾管110可以用一个或多个油藏段上任何类型的辅助解决方案代替。
如这个例子中所示的分离器是管道的一个管状主体或其中一段，它表示尾管110中相对于通流面积的扩展部分，这段管道可以有利地是套管111。如果分离器的直径如这个实施例中所示被扩展，则分离器的长度可以缩短。
在分离器的出口端处，有一生产管122，该生产管122被套管111围绕。将这些管道之间形成的环空116用一种封隔器118密封，该封隔器118在其底部具有一个或多个孔119，以便让水从分离器中穿流而过。水可以沿着生产管122和套管111之间的环空流到地面或是流到注水管105。利用生产管122将油输送到分离器的外面。该生产管可以有利地伸入分离器的内部。
应该理解，在图5中所述的用于调节各流体组分之间边界层及调节井产流体速度的配置当然也可以在这个解决方案中实施。此配置应用于有关注射并进一步分离水组分所述的系统。
图7示出图6所示那种类型分离器106的流程图。其中分散了的油/水从一尾管110流入分离器。本例采用一7″尾管和一103/4″套管111作为分离器的外管。环空的高度用长度H(尾管和套管之间的距离)表示。
在本例中，在距离8H处，有一促进聚结的插入件或筛形物140，该筛形物140是一个钻孔的圆盘，其底部具有一个切口。当将圆盘插入分离器中时，上述切口将形成一个缝隙141，该缝隙将允许最重的流体组分穿流而过。分离器可以包括在第一筛形物的下游插入的附加筛形物142、143。这些插入件或筛形物可用来以这种方式促进分离，以便欲分离流体的速度可以相对于上述速度增加。如图所示，液滴(油滴)将聚结，并上浮到分离器的顶部。在分开的流体速度为0.9m/s和分离器长度为26m情况下，流体将以这种方式朝分离器出口(生产管入口)的方向分层，以便油流入生产管122，而水进入环空116。图中所示流体的其它参数是：粘度2cp、油密度880kg/m3、产量4000Sm3/d、含水量30％。
图8a)涉及分离器206的第三实施例，并示出穿过如图4所述辅助系统中一个分离器的详细横截面。
本实施例与前述的一些例子有许多结构上的类似性，但具有一直径可能比套管直径所允许的直径要大。
水平输送管203包括一个尾管210和一个套管211。在这两根管道之间有一环空212，如果有必要，可以用一种封隔器226将该环空与油藏分开。在分离器的上游侧，有一个堵塞器213封堵尾管210。如果有必要，可以用这种方式将封隔器225装配在环空212中，以便它盖住例如除了环空底部的一个或多个孔214之外的整个环空面积。在堵塞器213的上游，尾管例如在其底部具有一个或多个孔215，这些孔215允许井产流体在尾管210中输送，以便在外面流入环空212。该流体通过封隔器中各孔214，并流入分离器206中。
如此处所示的分离器是输送管203外部尺寸的径向扩展，但是正如前述例子中那样，如果有必要，外部尺寸可以与套管的外部尺寸相同。分离器包括：一个环空216，它在一带孔的管道218和一段管道217之间形成，该段管道217可以是一个扩展的井眼，该井眼可以被一可扩展的管道、一种现场硬化的材料或一固化的地层支承或用它们封堵(未详细示出)。这些管道可以按照原有的已知技术安装。带孔的管道218可以在其上游端处被该尾管210支承。带孔的管道在其下游端处连接到一生产管222上。另外，尾管、带孔的管道及生产管可以是一种具有规定孔215、221和堵塞器213的连续管道。
分离器216的环空被装配成在其上游端处与环空212连通，而在其下游端处与生产管222和套管211之间形成的环空223连通。
流入环空216的井产流体将被分离，因为具有最低密度的各流体组分(油及可能是气体)将被向上推入环空的顶部。此处带孔的管道218装备有一些出口或孔221，这些孔221让各流体组分前进到管道中，并在生产管222的下游流动。具有较高密度的流体组分如水将被收集在环隙的底部。该环空在下游将与环空223连通，因此较重的流体组分将在此环空内从分离器中运走。
将一封隔器219装配在分离器下游的环空223中。该封隔器盖住除封隔器底部的一个或多个孔224之外的整个环空面积。这些孔让较重的分离开的流体组分穿流而过。
应该理解，在图5中所示的用于调节各流体组分之间的边界层及调节井产流体速度的配置，当然也可在此解决方案中实施。该配置应用于有关用于注入并进一步分离水组分所述的系统。
带孔的管道218中各孔221可以有利地设计成具有调节系统，该调节系统调节考虑中的边界层液位，以便控制从分离器中流出量尽可能均匀。这可以通过各孔在垂直方向上是缝形或具有一个朝下拐角的三角形(未示出)来达到，因此边界层227液位的增加将产生穿过孔221取出的油中水含量的有限/逐渐的增加。
图8b)示出与图8a)所示相同的解决方案，但具有另一种流型，此处各孔221这样设置在下侧或管道218上，以致各最重的流体组分亦即水流入管道，并进一步向上穿过生产管222，而各较轻的组分向上流过环空223。
图8c)示出又一种流型，此处管道218在管道的上侧以及下侧都设置一些孔，因而较轻的各流体组分将流入管道并流入上侧，而较重的各组分将在其下侧处进入管道218。因为在内部，管道218设置两个分开的管道或通道228、229，用于进一步分开输送两个相应的流体组分。
图9示出按照本发明的一种分离器的第四实施例，此外，图9a)示出一部分油井系统301，该部分油井系统301具有排泄管和支管302，和一个具有一注水井304的分离器305，图9b)以放大的比例示出一部分图9a)所示的油井，而图9c)示出沿着图9a)中线A-A所作的剖面。
如图所示，分离器包括一输送管303，输送管303具有一连接注射井管304。与水混合的油和/或气体经过一流入量节流装置316从排泄管和支管302流到分离器305中的输送管303。在这里水和油被分离，分别具有上层308和下层309。最好是，可以将一个入口端315设置在输送管303和注入管304相互连接的区域中。这种入口端将保证水以一定的液位存在。
水进一步流到注水管304，而油向上流到生产管306。流入注水管304的水将含有油，油将在注水管的上部被分离(油/水界面在309处)。一个液位控制装置310(未进一步示出)检测油位，并控制一台泵311，该泵311将水向下注入注水管304。液位控制装置可以是一种电容型控制或是一种电容和电导型控制的组合。
应该着重指出，各附图仅是表示在本发明任何实际解决方案方面所用的不同尺寸和距离。因此，例如输送管303和控制装置310之间的距离，及输送管和泵之间的距离可以是50-100米或更长。
如图所示的泵311最好是设置在一完井管柱312、靠近封隔器313下面的端部处，该封隔器313将分离器305与注入井管道的下部分开。完井管柱装有(未示出)电缆线或液压管线，用于将能量供给泵。
此外，完井管柱在封隔器313的上侧边上设置一些孔314，以便注入注水井中的水可以流过这些孔，再流过管柱312并流到泵311。
本发明不限于上述例子。因此，它也可以适合于使用与分离器有关的促进聚结的化学药品。在有表面活性剂存在的地方(如不能被树脂溶解的沥青微粒)，这可能是合适的，并防止液滴结合。表面活性剂的影响可以用油溶性破乳剂/消泡剂和沥青分散剂抵消。如果有必要，这些可以在分离器的上游连续注入。
也可以将一些另外的阀连接到分离器的入口和出口上，以便调节井产流体的流入量和各流体组分的流出量。分离器还可以包括别的现有设备，用于监测/检验它的操作条件是否得到满足。例如，它可以包括用于测量流体/各流体组分的体积流量/速度/压力/温度的设备。

Claims (11)

1.用于分离流体特别是分离井产流体的方法，上述流体包括若干流体组分，而井产流体与用于生产烃类/水的管道有关，其特征在于：
将流体输入管道或井筒主水平段的一瑞，在其中将流体调节到以这种速度流动，以使该流体被分离，并在各流体组分之间形成一边界层，因而具有低密度的各流体组分在该段管道的顶部形成，而具有较高密度的各流体组分在该段管道的底部形成；和通过分开的出口取出各流体组分。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
利用配置在该段管道上游的节流装置或类似物，调节欲分离流体的速度。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
利用分离开的各流体组分的流量调节装置，调节欲分离流体的速度。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
边界层的液位利用测量设备检测，并利用各分离开的流体组分的往复流量调节装置调整，上述分离开的各流体组分从该段管道中取出。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
将具有最高密度的各流体组分回注到地层中，如果有必要，在通过进一步分离阶段之后，同时将具有较低密度的各流体组分运送到地层表面。
6.用于分离流体特别是分离井产流体的装置，上述流体包括若干流体组分，而井产流体与用于回收烃类/水的管道有关，其特征在于：
它包括管道或井筒(14)的主水平段，该段管道或井筒(14)具有一个入口(10)和至少两个出口(15，19)，该入口(10)用于欲分离的流体，而出口(15，19)用于已分离开的各流体组分，同时管道的长度是这样的，以便通过实际流动条件使该流体被分离开，并在各流体组分之间形成一边界层，因而具有低密度的各流体组分在管道的顶部形成，而具有较高密度的各流体组分在管道的底部形成。
7.按照权利要求6所述的装置，其特征在于：
该水平管段是在一内部带孔的管道(218)和一外部管道元件(217)之间形成的环空(216)，该外部管道元件(217)可以是一个扩展的井眼。
8.按照权利要求6-7所述的装置，其特征在于：
管段(111，216)具有一通流面积，它大于其入口(110、212)处的通流面积。
9.按照权利要求6-8所述的装置，其特征在于：
管道在其内部具有一个或多个促进聚结的插入件，该插入件最好是取一钻孔的圆盘(140)的形状，该钻孔圆盘具有一朝下的切口(141)。
10.按照权利要求6-9所述的装置，其特征在于：
调节装置(30，28)装配在用于分离开的各流体组分出口的下游，用于调节各个流体组分从该管段中流出的量。
11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于：
它包括用于检测边界层液位(25)的装置(20)，同时用于检测的装置将信号发送到一信号处理装置，该信号处理装置控制用于分离开的各流体组分的调节装置(30，28)。
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