CN202832410U - 用于天然气开采的螺旋流排水采气装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，包括从下往上依次连通的进气段、收缩段、平直段以及扩散段，进气段包括外筒体和驻室，形状为空心圆柱形的驻室，驻室的上端开口，下端密封，外筒体包裹在驻室外部，驻室与外筒体之间通过设置在驻室上的进气通道连通，收缩段的内部设有收缩管道，收缩管道与驻室连通，收缩管道的管径长度从下往上呈线性减小，平直段的内部设有平直管道，平直管道为直筒型，扩散段的内部设有扩散管道，扩散管道的管径长度从下往上呈线性增大。本实用新型采用上述结构，能使天然气从无序的紊流流态变为有序的螺旋流流态，提高天然气的携液能力，达到气井排水采气的目的。

Description

用于天然气开采的螺旋流排水采气装置

技术领域

本发明涉及气井采气领域，具体是一种螺旋流排水采气装置。

背景技术

现场实践经验表明：“排水采气工艺技术”为气井稳产、增产和提高采收率起了很大的作用。那么如何针对气井出水的现实，选择更加符合气井、适应性强且经济效益好的排水采气工艺技术，就成为一个值得研究的问题。经过国内外多年的开发实践中，逐渐形成了“泡排、优选管柱、气举、机抽、电潜泵、射流泵”等六套比较常用的排水采气工艺技术。

泡沫排水采气工艺技术不复杂，使用设备、工具简单、成本低、投资少、见效快、易于控制操作管理、不需修井作业和关井，最易在矿场推广使用。但泡沫法只能适用于有一定自喷能力的气井，油套管连通性要好，油管至少要下入气井顶部，与地层不配伍的泡沫剂易对地层污染。

气举排水采气技术可分为连续气举和间歇气举两种方式，其中连续气举具有注入气和地层产出气的膨胀能量可充分利用、注气量和产液量相对稳定、排液量较大的显著优点。缺点是排液量较小，并且要求井具有一定的自喷能力，当地层压力低时，气举效果差，而且需要高压气源。

优选管柱法适用于含硫气井、设计简单、管理方便、成本较低。该工艺的缺点是更换油管工程量大、易污染气层、排液能力小，并且小管径的极限下入深度通常难以满足井深排液要求。

机抽排水采气工艺装备简单可靠，可用天然气和电作动力，易于实现自动

控制，以实现有人管理，无人操作；设计简单、成熟；可使设备多井运移；工艺井不受采出程度影响，并能把气水井采至枯竭。该工艺的缺点是需要深井泵、抽油机、抽油杆使初上机抽投资较大，动力装置的配套在目前阶段困难较大；受井斜、井深和硫化氢影响较大，泵挂深度和排液量均受限制；鉴于气水井与油井性质差异较大，如气体干扰使泵效降低，抽油杆和泵容易损坏，尚未完全解决。

电潜泵排水采气可形成较大的生产压差，理论上可将气井采至枯竭；自动化程度高，具有较强的自我保护能力，操作管理灵活方便，容易实现自我控制；易于安装井下温度、压力传感元件，在地面通过控制屏，随时直接观测出泵吸入口处温度、压力、运行电流等参数；变频控制器的使用，可根据井况条件适时调节电泵的排量及其它有关参数。该工艺的局限性是多级大排量高功率电潜泵机组比较昂贵，使得初期投资大，特别是电缆费用高；由于高温下电缆易损坏，使电潜泵机组的下入深度受到限制；由于气井中地层水腐蚀及结垢等影响，使得井下机组寿命较短，部分设备重复利用率不高，从而使得装备一次性投资较大，采气成本高；选井受套管尺寸限制。

射流泵井下设备没有运动部件，对于出砂等恶劣工况的井具有较强的适应能力；因井下设备结构简单，维修费用低，在井场上通过倒换流程即可更换喷嘴和吸入吼管，维修作业工作量小；下泵深度和排量的变化范围大，可以满足不同井的生产要求；可用于斜井和弯井；耐磨和抗腐蚀，能在高温高气液比条件下工作。该工艺的局限性是举升效率较低，通常有较高的吸入压力（沉没度）以防止气蚀；地面设备庞大，维护费用较高；地面操作复杂，尤其是对于边远气井管理难度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够使天然气从无序的絮流流态转换为有序的螺旋流流态，将水携带出气井，进而解决井底积液问题的螺旋流排水采气装置。

本发明为解决技术问题主要通过以下技术方案实现：用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，包括从下往上依次连通的进气段、收缩段、平直段以及扩散段，所述进气段包括外筒体和形状为空心圆柱形的驻室，驻室的上端开口，下端密封，外筒体包裹在驻室外部，所述驻室与外筒体之间通过设置在驻室上的进气通道连通； 

所述收缩段的内部设有收缩管道，收缩管道与驻室连通，收缩管道的管径长度从下往上呈线性减小；

所述平直段的内部设有平直管道，平直管道为直筒型；

所述扩散段的内部设有扩散管道，扩散管道的管径长度从下往上呈线性增大。

进气段的外筒体与驻室之间通过进气通道连通，天然气由外筒体进入驻室的过程中，在进气通道的作用下产生螺旋流；收缩段用于使螺旋流集中，以提高螺旋流的强度；而平直段用于稳定螺旋流，使螺旋流有一个稳定的速度；扩散段主要是起到过渡、放大螺旋流的作用，同时减小井壁对螺旋流切向速度的损耗，使天然气进入到采气管柱中。

所述外筒体与驻室通过螺纹连接，且外筒体与驻室的连接处设有O型密封圈。螺纹连接能够方便检修和更换，加上O型密封圈后能提高整个采气装置的密封性。

所述驻室的下部设有锥体，锥体的底部固定在驻室的底部上。由于锥体形状的特殊性，在锥体的牵引作用下，能够使天然气更好地产生螺旋流。

所述锥体的锥度为1：1～1：5。锥体的锥度选择可以视情况而定，以能产生较强的螺旋流，同时还能与整个管道的大小相匹配为最佳。

所述进气通道为环状轴对称分布结构或环状缝隙结构。

所述进气通道为环状轴对称分布结构，进气通道包括N个设置在驻室上的进气口，所述进气口在驻室上呈环状轴对称分布，进气口轴向宽度为5～20mm，进气口与驻室的横截面的夹角为5°～72°，且进气口位于驻室外的一端的水平位置低于位于驻室内的一端，其中，N为大于或等于3并且小于或等于6的整数。所谓进气口在驻室上呈环状轴对称分布，即是所有进气口位于同一水平高度，且进气口关于进气口所在圆周的其中一条直径对称。

所述进气通道为环状缝隙结构，进气通道包括一条设置在驻室6上的缝隙，所述缝隙的周向宽度为25°～90°，轴向宽度为5～20mm，缝隙与驻室的横截面的夹角为5°～72°，且缝隙位于驻室外的一端的水平位置低于位于驻室内的一端。

所述收缩管道的锥度为1：4～1：15。

所述扩散管道的锥度为1：10～1：30。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

（1）本发明将流经管线的流体由无序的絮流流态转换为有序的螺旋流流态，使流体能量消耗相对较慢，提高了举液效率。

（2）通过本发明，为气流提供一个非常有效的螺旋角，使气流能以螺旋流的形式传播，同时还能维持非常长的传播距离。

（3）本发明可以减少气流中液滴相互碰撞聚集的机会，使液滴在运移的过程中始终保持小液滴状态，降低了积液的可能。含水气体从井底到井口的运移过程中，悬浮在气体中的微小液滴受到气体分子碰撞而发生不停息的随机运动，液滴在随机运动中不断碰撞，有可能互相合并聚集变大，变大的液滴受到的向上的拖曳力不足以克服重力时就会在井底聚集，产生积液。螺旋流将气体无序多相流转变为有序的螺旋流，减小了液滴相互碰撞聚集的机会，液滴在运移过程中始终保持小液滴状态，降低了积液的可能。

（4）本发明可以降低气体向井口运移过程中的摩擦阻力。由于离心力的作用，较重的液滴被甩到管壁，形成一层液膜，这层液膜能有效降低管壁的表面粗糙度，降低向井口运移的摩擦阻力。试验表明，摩擦系数能降低30%以上。

（5）本发明可以给气流中的液体提供一个额外的切向拖曳力，能大幅度提高气井生产时的携液能力。在气流沿管道向上运动时，不仅有轴向运动，同时还有圆周运动，圆周运动的切向速度给气体中的液体提供一个额外的切向拖曳力，能大幅提高天然气井生产时的携液能力。

（6）本发明适应能力强。由于本发明的排水采气工具没有运动部件，对于出砂等恶劣工况具有较强的适应能力；并且本发明所使用设备为井下设备，对地面环境要求极低，可适应各种地面环境。

（7）本发明的设备结构简单，安全性高，生产过程中无需维护，成本较低。

（8）本发明适应的下井深度大，可根据实际情况在井筒的不同位置安装螺旋流工具，实现深井、超深井的排水采气工艺。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为实施例1的进气管道的结构示意图；

图3为实施例2的进气管道的结构示意图。

附图标记对应的名称为：1、进气段，2、收缩段，3、平直段，4、扩散段，5、外筒体，6、驻室，7、进气口，8、锥体，9、缝隙。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1、图2所示，本实施例的排水采气装置包括从下往上依次连通的进气段1、收缩段2、平直段3以及扩散段4，进气段1包括外筒体5和驻室6，形状为空心圆柱形的驻室6，驻室6的上端开口，下端密封，外筒体5包裹在驻室6外部，驻室6与外筒体5之间通过设置在驻室6上的进气通道连通，在收缩段2的内部设置与驻室6连通的收缩管道，且收缩管道的管径长度从下往上呈线性减小；在平直段3的内部设置平直管道，平直管道为直筒型；在扩散段4的内部设置扩散管道，扩散管道的管径长度从下往上呈线性增大。

天然气从外筒体5通过进气通道进入驻室6后，随即在驻室6内产生螺旋流，在收缩管道的约束作用下，螺旋流得到集中，然后在平直管道的作用下，螺旋流趋于平稳，并顺利过渡到扩散管道，由于扩散管道的管径逐渐变大，螺旋流得到放大，同时井壁对螺旋流切向速度的损耗减小，使天然气进入到采气管柱中。

作为优选，本实施例的外筒体5与驻室6通过螺纹连接，且外筒体5与驻室6的连接处设有O型密封圈，在保证了整个排水采气装置的良好密封性的基础上，方便了排水采气装置的检修与更换。

本实施例的驻室6的下部设有锥体8，锥体8的底部固定在驻室6的底部上，由于锥体8的结构与螺旋流很相似，因此，在天然气进入驻室6前，通过锥体8的牵引作用，能使天然气形成的螺旋流效果更好；同时，通过试验表明，在其它结构参数都相同的情况下，锥体8的锥度在1：1～1：5之间时，产生的螺旋流效果都是十分理想的。

本实施例的收缩管道的锥度为1：4～1：15，收缩管道的锥度选择通常基于两个方面，一是要起到集中螺旋流的效果，二是要与连接管道的管径大小相匹配，收缩管道的锥度在1：4～1：15这个范围内时，能获得较佳的效果。

同样，扩散管道的锥度也是基于两个方面，一是要使螺旋流很好地得到放大，二是要与连接管道的管径大小相匹配，而扩散管道的锥度在1：10～1：30之间时能获得较为理想的效果。

由于随着天然气切向方向速度的减弱，即螺旋流流态会逐渐消失，此时可在采气管柱上再接一个螺旋流排水采气装置，以保证螺旋流的长距离传送。通常，两个装置之间的间距为800-1000m。

本实施例将进气通道设计成环状轴对称分布结构，进气通道包括N个设置在驻室6上的进气口7，进气口7在驻室6上呈环状轴对称分布，进气口7轴向宽度为5～20mm，进气口7与驻室6的横截面的夹角为5°～72°，且进气口7位于驻室6外的一端的水平位置低于位于驻室6内的一端，其中，N为大于或等于3并且小于或等于6的整数。

螺旋流强度是表征螺旋流流动特性的一个重要物理量，螺旋流强度一般由下式表示:

    或   

式中：S为螺旋流强度，u为轴向速度，w为切向速度，r为管道半径； 

由上式可知，在管道半径r一定的情况下，螺旋流强度S与

成正比，即轴向速度u越大，螺旋流强度S就越小；切向速度w越大，螺旋流强度S就越大。

表1进气通道（环状轴对称结构）的参数选择与螺旋流强度的对应表

参数选择（环状轴对称结构）	进气口数量	进气口的轴向宽度（mm）	夹角（度）	切向速度w：轴向速度u
					1	3	20	10	1：5.2
2	4	10	72	1：5.4
					3	4	16	50	1：5.3
4	5	15	25	1：5
					5	5	6	5	1：6.2
6	6	5	45	1：6

通常，螺旋流强度达到1：8以上时，就完全能够将液体向上拖拽，同时使液体也形成向上的有序螺旋流，减小液滴相互碰撞聚集的机会，液滴在运移过程中始终保持小液滴状态，降低积液的可能。通过表1中的数据可知，本实施例环状轴对称结构的进气通道完全能实现本发明。

从本实施例中可以看出，本发明在采集天然气的同时还将水一并排出，排出水的方式巧妙地采用了螺旋流的特点，通过一个螺旋流发生装置，使天然气形成强烈的螺旋流，使水的管道内不断的旋转，并在天然气产生的螺旋流的切向力的作用下，管道内的水被向上拖拽，并沿着管壁向上爬升，最终从井口排出。本发明独特的采气方式可以说是做到了一举两得，排水、采气两不误，解决了以往天然气井底会出现积液现象，影响天然气开采的问题；同时，可在采气管道上连接多个本发明，用于持续保证螺旋流有足够的强度，以携带液体，从而实现深井、超深井的排水采气；由于本发明结构简单，没有运动部件，对于出砂等恶劣工况具有较强的适应能力，并且本发明在为井下作业，对地面环境要求极低，可适应各种地面环境。

实施例2：

如图3所示，本实施例与实施例1基本相同，不同的地方是，本实施例将进气通道设计成环状缝隙结构，进气通道包括一条设置在驻室6上的缝隙9，缝隙9的周向宽度为25°～90°，轴向宽度为5～20mm，缝隙9与驻室6的横截面的夹角为5°～72°，且缝隙9位于驻室6外的一端的水平位置低于位于驻室6内的一端。

表2进气通道（环状缝隙结构）的参数选择与螺旋流强度的对应表

参数选择（环状缝隙结构）	周向宽度（度）	轴向宽度（mm）	夹角（度）	切向速度w：轴向速度u
					1	30	20	10	1：4.3
2	25	10	72	1：4.5
					3	40	16	50	1：5
4	35	15	25	1：4.3
					5	90	6	5	1：4.5
6	60	5	45	1：4

由表2中所得出的螺旋流强度不难看出，采用环状缝隙结构的进气通道产生的螺旋流相对环状轴对称结构的进气通道来说，强度还更大一些，因此，同样能实现本发明。

本发明的工作原理为：首先，天然气及液体水等进入到进气段1中，由驻室6和锥体8形成独特的螺旋流装置，使天然气在驻室6内产生强烈的螺旋流，螺旋流在收缩段2时被集中，接着在平直段3稳定强度，最后在扩散段4放大，并向上不断延伸，螺旋流使液体快速旋转，由于离心力的作用，液体被甩向管壁，持续而强烈的螺旋流使液体沿管壁向上运动，同时做到了排水和采气。 

Claims (9)

1.用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，包括从下往上依次连通的进气段（1）、收缩段（2）、平直段（3）以及扩散段（4），其特征在于：

所述进气段（1）包括外筒体（5）和形状为空心圆柱形的驻室（6），驻室（6）的上端开口，下端密封，外筒体（5）包裹在驻室（6）外部，所述驻室（6）与外筒体（5）之间通过设置在驻室（6）上的进气通道连通； 

所述收缩段（2）的内部设有收缩管道，收缩管道与驻室（6）连通，收缩管道的管径长度从下往上呈线性减小；

所述平直段（3）的内部设有平直管道，平直管道为直筒型；

所述扩散段（4）的内部设有扩散管道，扩散管道的管径长度从下往上呈线性增大。

2.根据权利要求1所述的用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，其特征在于：所述外筒体（5）与驻室（6）通过螺纹连接，且外筒体（5）与驻室（6）的连接处设有O型密封圈。

3.根据权利要求1所述的用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，其特征在于：所述驻室（6）的下部设有锥体（8），锥体（8）的底部固定在驻室（6）的底部上。

4.根据权利要求3所述的用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，其特征在于：所述锥体（8）的锥度为1：1～1：5。

5.根据权利要求1所述的用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，其特征在于：所述进气通道为环状轴对称分布结构或环状缝隙结构。

6.根据权利要求5所述的用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，其特征在于：所述进气通道为环状轴对称分布结构，进气通道包括N个设置在驻室（6）上的进气口（7），所述进气口（7）在驻室（6）上呈环状轴对称分布，进气口（7）轴向宽度为5～20mm，进气口（7）与驻室（6）的横截面的夹角为5°～72°，且进气口（7）位于驻室（6）外的一端的水平位置低于位于驻室（6）内的一端，其中，N为大于或等于3并且小于或等于6的整数。

7.根据权利要求5所述的用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，其特征在于：所述进气通道为环状缝隙结构，进气通道包括一条设置在驻室（6）上的缝隙（9），所述缝隙（9）的周向宽度为25°～90°，轴向宽度为5～20mm，缝隙（9）与驻室（6）的横截面的夹角为5°～72°，且缝隙（9）位于驻室（6）外的一端的水平位置低于位于驻室（6）内的一端。

8.根据权利要求1所述的用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，其特征在于：所述收缩管道的锥度为1：4～1：15。

9.根据权利要求1所述的用于天然气开采的螺旋流排水采气装置，其特征在于：所述扩散管道的锥度为1：10～1：30。

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