用於從天然氣流中除去凝結物的方法
2023-05-28 02:46:26 1
專利名稱：用於從天然氣流中除去凝結物的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於從天然氣流中除去凝結物的方法和一種用於從應用上述方法的地層中採出氣體的完井裝置。
背景技術：
由地下或海底產氣地層(在下文中稱之為地下巖層)中開採出來的氣體需要將通常為液體或具有較高凝結溫度的成分分離出來。在權利要求書和說明書中以術語「凝結物」表示的成分包括水、丙烷、丁烷、戊烷、丙烯、乙烯、乙炔及其它類似二氧化碳、硫化氫、氮氣這樣的物質。通常情況下，氣體流在位於井口下遊的地面上受到處理，其中井口通過一個主井筒與地下產氣巖層相連接，而主井筒內包含有從井口延伸到井下的管道系統。
這種設置方式對於多側井而言尤其不利於節約成本，在多側井(即包括多個分支井筒的完井系統，這些分支井筒將產氣層與一個或多個其它的儲氣層連接起來)內，天然氣和/或凝結物，或部分天然氣，或部分凝結物從一個地層被注入到另一地層內或在一個地層內從一個儲氣區域注入到另一儲氣區域內。這樣做的目的在於開放出一個新井或恢復一個現有的井；或者存儲天然氣或凝結物，以備後用等。
能夠有效降低氣體露點的分離裝置一般需要複雜的設備和儀器，例如被冷凍的貧油或乙二醇的吸收裝置。一般情況下，這種操作都極為複雜，以致於不能將其放置在像海底井口這樣的井口內，而且操作的成本也太高，以致於不能將其放置在產氣田的單個井口內。
用於從氣體中除去水的井下分離裝置已是公知的技術，例如美國專利5444684。這種裝置使用多個浮球，當井筒內的水平面變高時，這些浮球能夠浮起並堵住流道，接下來當形成氣體壓力時，上述浮球將迫使水平面下降，以允許採出的氣體不含液態水。這種裝置僅能夠將從開採出的氣體中排出液態水。但其不能從開採出的氣體中除去凝結物或水。
美國專利5794697也公開了一種井下分離裝置，用於從由井下開採出來的氣體和液體的混合物中分離出氣體。該專利著眼於氣體的井下壓縮並將氣體再次注入到氣體的頂板巖石(gas cap)內，而頂板巖石覆蓋在殘留在地層中的油上。在該專利中，描述了一種作為麻花鑽的分離裝置，該裝置能夠使流體產生渦旋，並從渦旋的中心處將氣體排出。這種分離裝置也不能降低氣體的露點(即不能將凝結物除去)，只能分離已有的相。
因此，就需要提供一種用於從位於井口節氣門上遊的天然氣流中除去凝結物和/或水的分離裝置，即在以通常的15Mpa或更小的低壓進入地面或海底設備內之前從天然氣中除去凝結物和/或水的分離裝置。這是因為首先，在井口節氣門的上遊仍然存在分離所需的較高壓力，從而可以更好地利用已經存在的勢能，否則這部分勢能將在井口的節氣門處浪費掉；第二，當氣體向上流向井口時，可通過將熱量傳遞給包圍井筒的更淺的地層而得到冷卻，而且當氣體沿井筒向上流動時，可通過隔熱膨脹而得到冷卻。當氣體冷卻時，凝結物和/或水將從先前的飽和氣流中凝結出來。在產氣井筒中冷凝出來的液體可能會產生許多問題。分離的液相可能會極大地增加井筒內的靜壓(static head)，因此就會降低油井的壓力和/或氣體的產量。根據所產生的流動工況，可能形成液體，直到井筒受到相當大的附加液體壓力。另外，水也可以與碳氫化合物和/或硫化氫結合在井筒內形成氫氧化物。這些氫氧化物將會堵塞油井。為防止這種情況的發生，通常將乙醇或乙二醇注入到出氣井中，以防止固態氫氧化物堵塞井筒。這種注入操作成本較高，而且還會在井筒內形成更多的液體。這些液體的溢出將產生嚴重的環境問題，因為這些液體本來就可以與水混合。
現在已經有許多用於從氣態或其它流體中分離成分的方法和裝置。例如，傳統的分離裝置包括蒸餾塔、過濾器和隔膜、沉澱箱、離心分離機、靜電沉澱器、烘乾機、旋流器、渦管分離器和吸收器。此外，在現有技術中還公開了裝配有超音噴嘴的各種不同的慣性分離裝置。
JP-A-02,017,921公開了通過使用超音流分離氣態混合物的裝置。該裝置包括一個設置於超音噴嘴上遊側的旋流器。接著，渦旋的流體流穿過一個沿軸向對稱設置的膨脹噴嘴，以形成均勻的顆粒。在一個很長的軸向距離內保持這種渦旋，以形成一個較大的壓降。
US-A-3,559,373公開了一種超音流分離裝置，其包括一個高壓氣體入口，一個矩形的喉部和一個U形的矩形截面溝槽。該溝槽包括一個彎曲的滲透外壁。氣體流以亞音速流向氣體入口。氣體通過喉部會聚並擴張到溝槽內，以將速度提高到超音速。流體在超音區域內的膨脹將使液滴相互結合，而且較大的液體穿過可滲透的外壁並收集在一個腔室內。
EP-A-0,496,128公開了一種用於從氣體混合物中分離氣體的方法和裝置。該裝置包括一個朝向噴嘴會聚並分散成一個渦旋區域的筒體。氣體以亞音速進入筒體的入口並流過噴嘴的會聚部分。氣體流流出會聚區域並以超音速進入筒體的分散部分。一對三角形的板使超音速流產生渦旋。超音速流和渦旋的結合有利於從流體流的氣態成分中凝結並分離出凝結成分。一出口管設置於筒體內的中央位置上，以允許流體流中的氣態成分以超音速排出。液態成分繼續流過第二分散部分，在該部分其速度降低為亞音速，接著液態成分流過一個風機，並最終通過一第二出口離開筒體。
WO99/01194公開了一種用於從包含有多種氣態成分的流體流中除去選定氣態成分的類似方法和相應的裝置。這種裝置設置有一個位於收集區下遊側的衝擊流發生器(shock flow inducer)，以將流體流的軸向速度降低為亞音速。以這種方式應用衝擊波可以更有效地分離已成形的顆粒。
這些現有技術描述了各種不同的超音慣性分離裝置。但是，這些現有技術都沒有描述或暗示在井口節氣門的上遊使用完井裝置，和/或替代井口節氣門。
發明內容
根據本發明提供一種用於在與地下巖層相連接的井口節氣門之上遊從天然氣流中除去凝結物的方法，該方法包括以下步驟(A)使天然氣流以超音速流過一根導管，從而使其冷卻到一個低於凝結物開始冷凝並形成獨立的液滴和/或顆粒的溫度/壓力的溫度；(B)從氣體中分離出液滴和/或顆粒；(C)將已除去冷凝物的氣體收集起來；(D)將氣體和/或凝結物運送到井口和/或將其再次注入產出這些氣體的地層中，或將其注入到不同的地層中，而且並非所有已收集到的氣體和凝結物都被再次注入到同一地層的同一儲氣區域內。
本發明還涉及一種用於從採用上述方法的地下巖層中開採氣體的完井裝置。
在本文前面提到過的超音速慣性分離裝置要求主要為氣態的氣流(即包含有小於10％的固體或液態)在穿過會聚-分散的Laval噴嘴時應該以足夠的壓力經歷超音加速。油井內的壓力及井口節氣門前方的壓力可與地層壓力處於同一範圍內，而且通常是綽綽有餘。因此，該方法可用於單側油井的井口、多側油井的主井口或一個或多個分支井口上，或替代井口的節氣門。所以，該方法可用於地面、地下或海底。
應該理解如果用超音速慣性分離裝置替代節氣門，那麼在降低分配網絡所需壓力水平的同時，還可以使天然氣不含凝結物。
本發明眾多優點中的一個優點在於使超音速慣性分離裝置的活動部件最少，甚至沒有活動部件，以允許將其應用於通常需要遙控的位置上。最佳的超音速慣性分離裝置是在EP-A-0,496,128中公開的那種分離器，即迫使含有液滴和/或顆粒的超音速流產生渦旋，從而使液滴和/或顆粒流向氣流中的收集區域之徑向的外部，接著將這些液滴和/或顆粒抽到一個超音速收集區內。
在本發明的另一最佳實施例中，產生了衝擊波，該衝擊波是在將液滴和/或顆粒從收集區內分離出來的過程中由超音速轉變成亞音速時產生的。已經發現如果在衝擊波之後在收集區內完成顆粒的收集，即以亞音速流而不是以超音速流收集顆粒，那麼分離的效率可以明顯提高。這是因為衝擊波分散了氣流的大量動能，從而在很大程度上降低了流體速度的軸向分量，而切向分量(由渦旋發生裝置產生)則基本保持不變。從而使顆粒在收集區的徑向外部上的密度遠大於在導管內其它部分上的密度，其中導管內的流體流以超音速流動。可以相信這種效果是由極大降低流體的軸向速度，從而降低顆粒被氣流的中央「核心」拖住的可能性而導致的，其中流體流在氣流的中央「核心」處的軸向速度大於更接近導管壁處的軸向速度。這樣，在亞音速流動工況下，作用於凝結顆粒上的離心力就不會在很大程度上被氣流的中央「核心」的拖帶作用所抵消，從而使顆粒聚集在收集區的徑向外部，然後將顆粒從該徑向外部取出。
衝擊波最好是通過將流體流導入一個霧化器內而產生的。合適的霧化器就是超音速霧化器。霧化器可以是一個分散容量，或是一個會聚和分散容量。
在一個有利的實施例中，收集區域定位於鄰近霧化器之出口端的位置上。
本發明可以與其它能夠烘乾流體流的操作相組合來實施，或者以設置於傳統分離器的前方的形式被實施，目的是減少傳統分離器的體積和功率。另外，含有來自收集區的液體的氣流或者液體已被分離出去的氣流可再經歷另外一個分離步驟，例如經過一個烘乾機或分離器。
如果採用EP-A-0,496,128或WO99/011994所述類型的超音速慣性分離器，那麼所有與凝結物一起被分離出來的氣體部分，即從收集區的徑向外部分離出來的所有氣體部分可循環回到入口，最好使用一個導入裝置來完成這種操作，以增加返回入口氣流內的壓力。
本發明的另一實施方式是將凝結物沿一確定路線運送至一個液體-液體分離器內，例如在該分離器內使碳氫化合物的液相與氣相隔開。水的液相例如可被再次注入同一地層中的較淺或較深的儲氣區域內，或者被注入到一個不同的地層中。碳氫化合物的液相(不是氣態)或者與氣體一起產生，或者與氣體分別產生。將碳氫化合物的液相重新注入例如以備將來開採也是一個可選方案。
用於使氣流產生超音速流動的合適裝置包括具有Laval型入口的導管，其中霧化器的最小橫截面流動面積最好大於具有Laval型入口的導管的最小橫截面流動面積。
本發明還可用於將從凝結物中分離出來的氣體再次注入到井筒內。例如，當存在多個儲氣層(例如疊置的儲氣層或被多側油井的不同井筒穿過的不同儲氣層)，而且僅要求從氣體中分離出凝結物的情況下。可將氣體重新注入，以防止其燃燒或保持儲氣層的壓力。本發明的分離裝置可從氣體中除去凝結物流體，而且可將氣體再次注入到同一井筒中。
圖1為用於實施本發明的分離器之第一優選實施例的縱向剖視圖；圖2為用於實施本發明的分離器之第二優選實施例的縱向剖視圖；圖3為安裝於完井裝置的井筒內的本發明裝置的示意圖；圖4為用於展示實施本發明所用裝置的示意圖；圖5A和5B示出了設置於完井裝置之井口處的本發明裝置的示意圖；圖6為本發明的一個實施例，在該實施例中，從本發明的分離器流出的液體流按一確定路線流向一個液體-液體分離器，而且氣相與碳氫化合物的相分離，氣相被重新注入到地層中；圖7為本發明的一個實施例的示意圖，其中已形成凝結物，而且氣體被重新注入到一地層中。
具體實施例方式
圖1以端部開口的管狀殼體1之形式示出了一根導管。一流體入口3設置於殼體的一端，一個用於滿載液體的流體之第一出口5設置於殼體另一端的附近，一個用於基本不含液體的流體之第二出口7設置於殼體的另一端。裝置1的流動方向為從入口3流向第一和第二出口5、7。入口3是一個包括有Laval型、在流動方向上具有會聚-發散形狀的加速部分，以使通過所述入口3流入殼體內的流體流產生超音流速。殼體1還設置有一個第一圓筒形部分9和一個霧化器11，以使主要的圓筒形部分9位於入口3和霧化器11之間。一個或多個(例如四個)三角形的翼板15從第一圓筒形部分9的內表面沿徑向向裡凸出，每個翼板15都相對流動方向以選定的角度設置於殼體內，以使以超音速流過殼體1之第一圓筒形部分9的流體產生渦旋。
霧化器11沿流動方向的縱向截面為收縮-發散形狀，以限定一個霧化器入口17和一個霧化器出口19。霧化器的最小流通截面面積大於Laval型入口3的最小流通截面面積。
殼體1還包括一個第二圓筒形部分17，該部分的流通面積大於第一圓筒形部分9的流通面積，而且該部分以霧化器11的延伸部分之形式設置於霧化器11的下遊。第二圓筒形部分17設置有縱向的液體出口狹縫18，該狹縫18設置於相對霧化器出口19有一合適距離的位置上。
一出口腔室21封閉著第二圓筒形部分17並設置有上述用於被凝結的液體流的第一出口5。
該第二圓筒形部分17延伸成上述的第二氣體出口7。
現在利用亞音速分離的實施例對裝置1的常規操作加以說明。
含有微小顆粒的氣流被導入Laval型入口3內。當氣流流過入口3時，氣流會被加速至超音速。由於氣流速度的極大提高，使得氣流的溫度和壓力降低到低於氣流中較重氣態成分(例如水蒸氣)的露點，從而使其冷凝，以形成多個液體顆粒。當氣流沿三角形翼板15流動時，將會使氣流產生渦旋運動(由螺旋線22表示)，從而使液體顆粒受到徑向向外的離心力。當氣流進入霧化器11內時，將在霧化器11的下遊出口19附近產生衝擊波。衝擊波消耗了氣流的大量動能，從而主要降低流體速度的軸向分量。由於流體速度的軸向分量劇烈減小，因此氣流中央部分(或「核心部分」)將以較低的軸向速度流動。這樣就降低了固體和冷凝顆粒被沿第二圓筒形部分17流動的氣流中央部分帶走的可能性。這樣，凝結的顆粒就可在第二圓筒形部分17中凝聚於氣流收集區的徑向外部內。凝聚在一起的顆粒形成了一個液體層，可通過出口狹縫18、出口腔室21和第一液體出口5將該液體層從收集區內抽出。但是，在本發明的範圍內，也可不用上遊的衝擊波，而是以超音速除去冷凝顆粒。
已除去可冷凝蒸汽的氣流通過基本不含氣體的第二出口7被排出。
圖2示出了用於實施本發明的第二實施例的裝置。該裝置包括一個端部開口的管狀殼體23，殼體23的一端設置有一Laval型的流體入口25，而其另一端設置有一個用於含有固體的氣流和冷凝液體的第一出口27。流體在該裝置內的流動方向由箭頭30表示。殼體23從其入口25到液體出口27(依次)設置有一第一圓筒形部分33，一發散的霧化器35，一個第二圓筒形部分37和一個發散部分39。一個三角形的翼板41在第一圓筒形部分33上沿徑向向裡凸出，該翼板41相對流動方向以一個選定的角度設置於殼體內，從而使以超音速通過殼體23流動的流體產生渦旋運動。一個用於氣體的管形第二出口43同軸地穿過第一出口27延伸到殼體內，並在第二圓筒形部分37的下遊端設置有一入口45。出口43可在其內部設置有一矯直部分(未示出)，例如一個葉片式的整流器，用於將氣體的渦旋流動轉化為直線流動。
第二實施例的常規操作與第一實施例的常規操作基本相同。超音速渦流產生於第一圓筒形部分33內，衝擊波(如果存在的話)產生於霧化器35向第二圓筒形部分37的過渡部分內。如果在第二圓筒形部分37內採用霧化器，那麼還會產生亞音速流動。含有固體顆粒和冷凝液體的氣流通過第一出口27被排出，而乾燥後的氣體通過第二出口43被排出，渦旋流動的氣體在第二出口43內通過整流器轉化為直線流動。
在上述的詳細說明中，殼體、第一圓筒形部分、霧化器及第二圓筒形部分都具有環形截面。但是，殼體、第一圓筒形部分、霧化器及第二圓筒形部分中的每一個都可以選擇其它合適的截面形狀。而且，第一和第二圓筒形部分還可交替具有除圓筒形外的其它形狀，例如截錐形。此外，霧化器也可以具有其它合適的形狀，例如沒有收縮部分(如圖2所示)，尤其是在應用於流體以較低的超音速流動的情況下。
替代每個翼板都相對殼體的軸向以一固定角度定位的結構形式，翼板可相對流動方向以一個變化的角度定位，最好與一個螺旋形的翼板組合。也可通過沿一條相對初始流動軸線的角度不斷變大的路線設置平面狀翼板而得到類似的結果。
另外，每個翼板都可設置有一隆起的翼尖(也被稱為小翼)。
替代發散形的霧化器(圖2)，當沿流動方向觀看時，霧化器可交替設置有一個發散部分，而該發散部分後面緊跟著一個收縮部分。這種發散-收縮形霧化器的一個優點在於流體在霧化器內的溫度升高量較小。
參照圖3，圖中示出了一個位於井筒內的本發明之裝置。產出碳氫化合物的地層301位於覆蓋層302之下並被井筒303穿透。井筒通過鑽孔305與地層聯通，在圖中鑽孔305內充填有沙子306，以防止地層跨落到鑽孔內。一套管307被放置在井筒內並被水泥308所固定，其中水泥308是通過從套管的內部灌入，然後向外環流到套管外部實現灌注的，從而形成支撐。緊隨水泥設置有一個水泥塞309，該水泥塞保持在套管的底部並被一個設置於套管底部的唇緣310卡緊。
從地層流出的氣體被迫通過一密封封隔器311穿過本發明的分離裝置，該密封封隔器311能夠有效隔離產氣層區域內的井筒。從產氣層內流出的氣體流過產生超音速的Laval型入口噴嘴312，翼板313使渦流以超音速流動。為超音速流動區域設置一個足夠長的流動路線314。如果有的話，可設置一個霧化器部分315，以形成音速衝擊波，該霧化器部分最好恰好設置於在徑向的外部從水蒸氣內分離出來的液體的下遊，而蒸汽被捕捉到渦旋溢流管316內並按一定路線穿過一個產氣管道317通向地面。來自收集部分318之徑向外部的流量在圖中被表示成介於套管307和產氣管道317之間並按一定路線通過一切向出口319通向產氣管道的一個環形空間。該切向出口有利於將液體氣流中的液體從蒸汽中分離出來。儘管從收集部分的徑向外部除去的氣流最初為液體，但是當氣體在由霧化器產生的衝擊波內被重新壓縮時，可能會大量地汽化。但，液體可被充分濃縮，即使溫度的升高不能使氣流中的所有凝結物都產生汽化。在圖中示出了一個常規的杆式泵或井下電動泵320，以除去落回密封封隔器311上的液體水。對於液體和氣體而言，將其重新注入到地層中也是可能的，如果需要可根據地層壓力情況或在多側井(multilateral wells)的情況下使用一個電動潛水泵。
濃縮在水和/或重碳氫化合物中的氣流最好是一種不必加入防止形成氫氧化物的成分的合成物。即使需要水化抑制，所需的水化抑制化合物的數量也相當的少，因為只需要處理較小容積的待處理流體。
參照圖5A，圖中本發明的裝置設置於海底的井口處。一個位於水體513內的海底油井501設置有一套管502，而且還設置有能夠在地層512和井筒504的內部之間形成聯通的鑽孔503。常規的井筒設備505在圖中已示出。本發明的分離裝置506能夠從被烘乾的蒸汽流508中分離出大部分液體流507。海底509的溫度接近冰點，而且沿海底管道形成碳氫化合物是一個很重要的問題。本發明提供一種結構簡單、維修少、成本低的脫水裝置。可通過一個受控制的注入操作511向被分離出來的液體中加入水化抑制添加劑510。
參照圖5B，圖中示出了另一實施例，一井筒550設置於地面551上。該井筒內裝有套管554，而套管554上設置有鑽孔555。可設置一個常規的井筒設備552。液體-蒸汽分離器553上設置有一液體出口556和一高度控制裝置557。液體-蒸汽分離器563上的蒸汽出口沿一固定路線通向本發明的脫水裝置558。從本發明的分離器之出口559排出的蒸汽是乾燥的氣體560，這種氣體的露點低於生產出來的氣體之露點。來自本發明之分離器的液體564中可能含有飽和蒸汽，因此最好沿一定路線通向蒸汽-液體分離器561。從第二分離器562排出的液體可與來自第一分離器的液體相互結合，或分別沿一定路線通向地面設備。或者，來自第二分離器的液體也可被重新注入到地層中，以對其進行有效處理。源於第二分離器的液體可被泵送到一個壓力較高的存儲裝置內，其中這種存儲裝置又通過多側井的不同井筒相互連接，或者這部分液體也可以通過現有的壓降流向一個低壓地層。如果需要重新注入的話，那麼可將來自第二分離器的液體收集在一起，接著重新注入；或者將其重新注入到產出上述氣體的井筒內。
參照圖6，圖中示出了本發明的一個實施例，其中本發明的分離器設置於一個井筒602中，而該井筒602是在出產碳氫化合物氣體的地層603中鑽出的。在圖中，該井筒內安裝有一套管604和一水泥靴606(cement shoe)，其中套管604被水泥605所固定。一封隔器607將井筒的生產部分隔開，並將產生的氣體壓入本發明的分離器的入口608。一翼板609使流過Laval型噴嘴610的超音速氣體產生渦旋，而且凝結物被收集在一起並從液體出口611排出分離器。從液體出口排出的液體流過液體-液體分離器612。該液體-液體分離器可以是本領域內公知的任何一種分離器。液體被分離成一個碳氫化合物相，該碳氫化合物相通過一個管道618例如撓性油管沿一定的路線流向位於地面614上的井口613。一含水的液相沿一定路線通過鑽孔616通向地層。在圖中還示出了第二組封隔器619，該封隔器將用於重新注入含水相的井筒之一部分隔開。從含水凝結物中除掉的蒸汽沿一定路線通過一個生產油管617通向分別收集生產出來的氣體620和碳氫化合物液體621的井口。
參照圖7，圖中示出了一個安裝有套管714的井筒701，而且井筒701上還設置有鑽孔L702。水泥703將套管固定在生產碳氫化合物的地層704中，水泥被水泥靴715後面的壓力向下壓入套管。碳氫化合物被壓入本發明的分離裝置705。本發明的分離器設置有一液體出口706和一蒸汽出口707。液體出口與一個生產油管708聯通。蒸汽出口與套管709內部的一段體積聯通，該部分又與一第二地層710聯通，蒸汽通過多個鑽孔711被重新注入到第二地層710中。與第二地層聯通的套管內部的體積部分被一個上部封隔器712和一個下部封隔器713隔開。
將圖6或7所示的裝置應用於多分支井筒系統的情況在圖中未被示出。如果將其應用於一個帶分支的井筒系統中，那麼本發明的裝置最好被用在井筒的接合處。在這種結構形式中，凝結物或部分凝結物，或者處理過的氣流或部分被處理過的氣流可通過分支井筒導入不同的地層或不同的存放區域。這種裝置可用於避免水流向地面，因為流向地面的水還需要進一步的處理。本發明還可應用於使氣體流向用於保持壓力或地下儲氣的存放區域的情況下。
渦旋發生裝置可設置於導管的入口部分處，而不是設置於入口部分的下遊。
實例準備用於本發明的檢測裝置，並證明本發明的裝置能夠在周圍條件下從空氣中分離水蒸氣。很明顯，如果該裝置用於地面、海底或井口處，那麼就應該使用不同的溫度、壓力和馬赫數。但是，技術人員將會豪不費力作出所需的修改。圖4表示出所用裝置的總體結構。
在該實例中，空氣425被一風機401加壓至14Kpa(1.4bar(a))，以形成高壓空氣426。當空氣流過風機之後，其被設置於容器418內的葉片式冷卻器402冷卻至約25至30℃，而且水419被噴入位於冷卻器420下方的蒸汽空間內，以確保空氣接近水飽和狀態(RV＝90％)。這種飽含水的空氣427被輸送給液體-蒸汽分離器403，水在該分離器403內被分離，同時有少量的空氣和液體水流及被烘乾的空氣422一起滑入到溼氣流421中。
在該實例中，本發明的裝置設置有圓筒形的輸送管，但是具有矩形或非對稱橫截面的導管也可得到相同的結果。因此經常要涉及本發明之裝置的直徑，而且其直徑通常是指內徑。
常用的入口條件概括如下1.整體流速1.2kg/s2.入口壓力140Kpa(1400mbar(a))3.入口溫度25℃4.入口溼度90％該裝置冷凝了水蒸氣，從而形成了含有大量水滴的霧流。我們發現超音速區域428內的最終溫度和壓力分別為-28℃和68Kpa(680mbar(a))，這樣就使水蒸氣的含量小到可以忽略的程度。
噴嘴喉部的直徑404為70mm。入口直徑405為300mm，儘管其數值相對裝置的運轉而言並不重要。噴嘴的出口直徑400為80mm，目的是達到超音速流動條件；通常情況下相應的馬赫數M＝1.15。
噴嘴的長度決定於冷卻速度，在這種情況下冷卻速度為19000K/s。本領域的普通技術人員能夠確定流過該裝置的溫度和壓力及冷卻速度。冷卻速度決定著液滴的大小分布狀態。如果冷卻速度較小，那麼液滴的平均尺寸就較大。噴嘴的長度為L1，406700mm從噴嘴的入口到噴嘴的喉部L2，407800mm從噴嘴的喉部到噴嘴的出口為減少摩擦損失，壁的粗糙度很小，最好為1微米或更小。
根據應用情況，只有考慮到上述的設計參數，那麼可以使用所有的剛性材料製造噴嘴裝置。
渦管408被連接在噴嘴出口和霧化器之間。在渦管內設置有一翼狀的渦旋發生(內部)部件409。在該內部部件的邊緣上，一渦流形成於上(低壓)側並從該平面流出，最好在後緣流出。該翼狀板的底部索帶(root cord)被連接到渦管的內壁上。
渦管400的內徑為80mm。在這種情況下，渦管略成圓錐形；在該翼板的幾乎整個索帶長度內其直徑線性增加到84mm(423)。
在渦管410的圓錐形部分之後，渦管的直徑在一定的長度範圍內保持84mm不變，而液滴就附著在這段長度的渦管之內壁上。這兩個長度分別為L3，410300mm從翼尖到翼板後緣L4，412300mm從翼板後緣到霧化器內置翼板的尺寸取決於最佳的流通狀態或整體渦旋狀態。當翼板索帶的長度為300mm、後緣的翼展為60mm、翼板索帶相對渦管軸線的傾角為8°時，該流量一般為16m2/s。前緣的後掠角(相對垂直流動的方向)為87°，而後緣的後掠角為40°。翼板的邊緣是尖的。翼板平面是平直的，而且其外形輪廓極其纖細。翼板的厚度在底部約為4mm。該翼板相對渦管軸線的角度為8°。
流出渦管的液體可在排放部分被排出。該排放部分不是一個極易辨認的裝置，而是渦管的一個一體部分，例如其可以是一個設置於渦管壁上的狹縫、多孔材料或孔；或者如圖4所示，通過渦旋溢流管413(同軸導管)成為霧化器的一個一體部件。在該實施例中，渦旋溢流管(同軸導管)被放置在衝擊波後面的導管中央位置上，而其有恰好在第一霧化器部分414設置於渦管之後。
渦管的尺寸取決於位置424處的霧化器直徑(入口處的直徑為90mm)和位於位置425處的渦管入口直徑(入口直徑為85mm)之間的比率。二者之間的橫截面之差影響著從含有液體的主流中抽出的最小流量。在這種情況下，最小流量為主流量的10％，即0.12kg/s。霧化器的長度433為1500mm。
在霧化器中，氣流的剩餘動能被轉換成勢能(增加了靜壓)。這就要求避免邊界層的分離，邊界層的分離可能產生氣流分離，從而降低效率。因此，在本發明的測試中，霧化器的發散角的一半最好小於5°，在本實例中為4°。霧化器的入口直徑與渦旋溢流管的入口直徑(85mm)相同。霧化器的出口直徑415為300mm，而且在該位置上的乾燥空氣約為大氣壓力。該裝置的性能可由兩個溼度傳感器(電容原則製造商『Vaisala』)來測定，其中一個傳感器設置於空氣入口416處，另一個設置於烘乾空氣的出口417處，這兩個傳感器都已作過溫度和壓力方面的校正。入口處水的百分率為每1000克乾燥的空氣中含有18-20克水蒸氣。出口處水的百分率為每1000克的乾燥空氣中含有13-15克的水蒸氣。這可由在入口處已被除掉水蒸氣的分離效率25％來表示。這還對應著在超音速區域內凝結液體的分離，因為入口氣流中的大部分液體水都在該位置上冷凝。
權利要求
1.一種用於在與地下巖層相連接的井口節氣門之上遊從天然氣流中除去凝結物的方法，該方法包括以下步驟(A)使天然氣流以超音速流過一根導管，從而使其冷卻到一個低於凝結物開始冷凝並形成獨立的液滴和/或顆粒的溫度的溫度；(B)將液滴和/或顆粒從氣體中分離出來；(C)將已除去冷凝物的氣體收集起來；(D)將氣體和/或凝結物運送到井口和/或將其再次注入產出這些氣體的地層中，或將其注入到不同的地層中，而且並非所有已收集到的氣體和凝結物都被再次注入到同一地層的同一儲氣區域內。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在步驟(B)中，使超音速流體流產生渦旋運動，從而使液體的液滴在氣流中流向收集區域的徑向外部，接著將亞音速或超音速的液體從收集區域的徑向外部收集到出口氣流中。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於在步驟(B)中，令超音速流體流產生渦旋運動，從而使凝結物在氣流中流向收集區域的徑向外部，接著將亞音速或超音速的凝結物從收集區域的徑向外部收集到出口氣流中。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於衝擊波是通過使流體氣流流過霧化器而產生的。
5.根據權利要求1至4之一所述的方法，其特徵在於將已除去凝結物的氣體運送至一個井口或不同儲氣區域內的操作是通過一生產油管來完成的，凝結物或部分凝結物通過不同的路線被運送至地面。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於將作為可凝結成分的水從氣體中除去。
7.一種用於從地層中生產氣體的完井裝置，其包括一個井口和一個井筒，井筒內設置有從井口向井下延伸的管道；該完井裝置還包括一個超音速慣性分離器，該分離器包括一個加速部分，來自地層的氣體在該加速部分內被加速為超音速；一個可選擇的渦旋發生部分，該部分能夠使氣體產生渦旋；一個收集部分，該收集部分內收集著含有較少量凝結物的氣流。
8.根據權利要求7所述的完井裝置，其特徵在於包括一個設置於井筒內的超音速慣性分離器。
9.根據權利要求7所述的完井裝置，其特徵在於包括一個設置於井口處的超音速慣性分離器。
10.根據權利要求7至9之一所述的完井裝置，其特徵在於包括將生產地層的儲氣層與一個或多個氣體儲氣層連接起來的多分支井筒系統。
11.根據權利要求7至10之一所述的完井裝置，其特徵在於還包括一個或多個潛水泵。
全文摘要
一種用於在與地下巖層相連接的井口節氣門之上遊從天然氣流中除去凝結物的方法,該方法包括以下步驟:(A)使天然氣流以超音速流過一根導管,從而使其冷卻到一個低於凝結物開始冷凝並形成獨立的液滴和/或顆粒的溫度的溫度;(B)將液滴和/或顆粒從氣體中分離出來;(C)將已除去冷凝物的氣體收集起來;(D)將氣體和/或凝結物運送到井口和/或將其再次注入產出這些氣體的地層中,或將其注入到不同的地層中,而且並非所有已收集到的氣體和凝結物都被再次注入到同一地層的同一儲氣區域內。
文檔編號F25J3/06GK1334897SQ99815955
公開日2002年2月6日 申請日期1999年12月29日 優先權日1998年12月31日
發明者科內利斯·A·謝恩克·威林克, 安德烈·O·H·范貝洛 申請人:國際殼牌研究有限公司