井底分離器及其方法
2023-12-02 07:07:31 1
專利名稱：井底分離器及其方法
技術領域：
本發明涉及一種用於油井和天然氣井的分離器；並且更特別的是涉及一種旋轉的、井底的氣體和液體分離器，以及一種從產品流體中分離出氣體和液體的井底方法。
背景技術：
液體本質上是不可壓縮的流體，而氣體是可壓縮的流體。一個油井或者天然氣井中的所述產品流體，通常是一種液體和氣體的混合物。特別的，煤生成過程產生的甲烷產品的所述產品流體，包括氣體和水。由於所述氣體的可壓縮性，難以抽取此類產品流體。所述氣體的壓縮降低了泵的效率，而且，泵可以空化，阻止流體流動。井底氣體和液體分離器，在採油管(string)中將所述液體向上抽取之前，在所述採油管的底部對所述產品流體中的氣體和液體進行分離；並且因此增加了所述抽取過程的效率和可靠性。在一些場合下，所述產品液體中的廢品流體可被再次注入到所述形成產品的上方或者下方，從而消除將所述廢品流體帶到表面的費用，以及處理或者再循環的費用。
Scudder等人的美國專利5,673,752公開了一種分離器，其使用了一種疏水性薄膜用於分離。Ribeiro等人的美國專利6,036,749；Lee的美國專利6,066,193以及Cobb的美國專利6,382,317公開了動力旋轉分離器。Lee等人的美國專利6,155,345公開了一種分離器，所述分離器被流通軸承分隔為多個分離室。
發明內容
一種井底分離器，包括一個限定了一個內腔的外殼，一個用於限制流體流動的裝置，一個內置泵，以及一個渦流發生器。用於限制流體流動的所述裝置位於所述外殼內部，並且將所述內腔分隔為一個第一室和一個第二室。所述內置泵將產品流體流經所述限制流體的裝置泵送到所述第一室中。用於限制流體的所述裝置，在進入所述第二室的產品流體中產生一種壓力下降，導致所述氣體和液體分離。所述渦流發生器將所述液體隔離到所述第二室的外部，而將氣體隔離到所述第二室的內部。從產品流體中分離液體和氣體的方法包括將所述產品流體泵送到一個第一室中；當所述產品流體從所述第一室流入到一個第二室中的時候，在所述產品流體中產生一種壓力下降；以及在所述第二室中的所述產品流體中產生一種渦流。
結合具有類似參考數字的附圖，詳細說明本發明的細節，其中圖1是一個包含本發明特徵的分離器的側面正視圖。
圖2是圖1中所示的分離器的側面剖視圖。
圖3是圖1中所示的分離器的頭部的部分剖視圖。
圖4是圖1中所示的分離器的下擴散器的部分剖視圖。
圖5是圖1中所示的分離器的上擴散器的部分剖視圖。
圖6是圖1中所示的分離器的軸承套的部分剖視圖。
圖7是圖1中所示的分離器的推動器的部分剖視圖。
具體實施例方式
現在參考圖1和圖2，一個包含本發明的特徵的分離器10，包括一個外殼11，一個底座12和一個頭部14。所述外殼11是一個中空的、細長的圓筒，限定了一個內腔15。所述分離器外殼11具有間隔的、內螺紋的下端17和上端18。
為了說明在此處選擇用於說明本發明的特殊實施例，將使用一些特定的術語，這些術語將被看作為了方便而使用，並且具有非限定性的意義。例如，詞語「頂部」、「底部」、「上」和「下」將指所要說明的實施例在其使用時的常規位置。相對於所述裝置的所要說明的實施例的軸線，「向內」和「向外」將分別指徑向向內和向外。此外，上述限定的所有術語包括所述特別提到詞語的引申義以及類似意義的詞語。
所述底座12具有一個上部20，一個中間部分21和一個下部22。所述上部20是一個外螺紋的中空圓筒，做成可以螺紋連接到所述分離器外殼11的下端10內部的大小和形狀；並且包括一個向上開口的、居中的、大致圓柱形的上腔24。在所要說明的實施例中，所述中間部分21具有一個外表面25，所述外表面從所述上部20向下、向內延伸，並且具有一個居中的下軸承孔26，所述軸承孔從所述上腔24向下延伸。在所述下軸承孔26中安裝了一個下軸承28。多個沿圓周布置的入口埠27從所述外表面25向上、向內延伸到所述上腔24中。所述下部22是中空的、大致圓柱形的，並且從所述中間部分21向下延伸到一個向外突出的凸緣29，還具有一個從所述下軸承孔26延伸出來的下腔30。
參考圖3，所述頭部14包括一個上部34，和一個從所述上部34向下延伸的中間部分35，以及一個從所述中間部分35向下延伸的下部36。所述上部34大致為圓柱形，並且包括多個間隔的、徑向布置的、向上延伸的螺栓38。一個外部的、周向的槽39圍繞所述頭部14在所述上部34和所述中間部分35之間延伸。所述中間部分35是外螺紋的，並且做成可以螺紋連接到所述分離器外殼11的所述上端18中的大小和形狀。一個向上開口的、向內和向下漸細的、大致圓錐形的上腔40，延伸穿過所述上部34和所述中間部分35。
所述下部36具有一個向下以及向內漸細的外表面41，以及向下開口的、向下以及向外漸細的下腔42，所述下腔在一個下端43連接到所述外表面41上。一個上軸承孔44在所述上腔40和所述下腔43之間延伸，並且具有一個安裝在其中的上軸承45。多個周向布置的液體出口埠47，從所述外表面41向上以及向內延伸到所述上腔40。多個周向布置的氣體出口埠48從所述下腔42向上以及向外延伸到所述槽39。
再次參考圖2，所述分離器10包括一個下擴散器50，一個上擴散器51，一個第一套筒52，一個限制流量的裝置53，一個第二套筒55，以及一個第三套筒56，每個部件都具有一個圓柱形的外型，其大小和形狀可以安裝到所述分離器外殼11的內腔15中，並且每個部件都按照上述列出的順序，從所述底座12到所述頭部14，被裝配到所述內腔15中。在所要說明的實施例中，所述限制流體流量的裝置53是一個軸承套54。其它類型的用於限制流體流量的裝置53都適用於本發明。
如圖4中所示，所述下擴散器50為基本上杯形的，具有一個大致扁平的圓形底部58，一個從所述底部58的外圍向上延伸的外壁59，以及一個穿過所述底部58的中心延伸的下擴散器孔60。參考圖5，所述上擴散器51包括一個穿過所述上擴散器51的中心向上延伸的上擴散器孔62，一個圓柱形外壁63，以及多個位於上擴散器孔62和所述外壁63之間的間隔的、徑向布置的、向上的、向內的、螺旋形延伸的通道64，所述通道64被徑向翅片(fin)分隔。所述下擴散器50的外壁59向上延伸，並且所述上擴散器51的外壁63向下延伸，用來分隔所述下擴散器50和上擴散器51，並在其之間限定一個推動器腔67。
所述軸承套54，如圖6中所示，是大致圓柱形的，具有一個中間軸承孔68和多個間隔的、徑向布置的穿過所述軸承套54延伸的通道69。一個中間軸承70被安裝在所述中間軸承孔68中。通道69被設計為限制流體流量，這樣軸承套54將所述內腔15分隔為一個第一室71和一個第二室72。在所要說明的實施例中，所述通道69向上、向內以及螺旋延伸，這樣，當所述產品流體流入所述第二室72中的時候，所述通道69在所述產品流體中導致渦流產生。回頭參考圖2，第一、第二和第三套筒53，55和56，每個都是相對較薄的薄壁的中空圓柱體。所述第一個套筒52將所述上擴散器51與所述軸承套54分隔開。所述第二和第三套筒55和56，一起將所述頭部14與所述軸承套54分隔開。
一個細長的圓柱形軸74，穿過所述內腔15延伸，具有一個帶有花鍵的下端75，所述下端延伸到所述底座12的下腔30中，以及一個間隔的、帶有花鍵的上端76，所述上端延伸到所述頭部14的上腔40中。下部、中間和上部軸頸77，78和79，沿著所述軸74被做成可以分別與所述下部、中間和上部軸承28，70和45相配合的大小和形狀。一個鍵槽80沿著軸74縱向延伸，具有一個安裝在其中的鍵81。一個內置泵82安裝在所述軸74上。內置泵82在圖7中所要說明的實施例中顯示為推動器83，在所述推動器腔67中，在軸74上具有一個通過鍵81緊固的輪轂84，以及多個間隔的、徑向布置的、向上、向外和螺旋的、圍繞所述輪轂84延伸的通道85。其他形式的內置泵82，比如一種螺旋泵，都是適用的。一個渦流發生器86在圖2中顯示為一個葉板式裝置87，位於所述第二室72中，並且在所述軸74上具有一個通過所述鍵81緊固的輪轂88，以及多個間隔的垂直的葉板89，所述葉板從所述輪轂88徑向延伸。其他形式的渦流發生器，比如螺旋形物或者螺旋推進器，同樣都是適用的。
在一個典型安裝中，所述分離器10安裝在一個電機，所述底座12的凸緣29，和一個通過螺栓38固定在所述頭部14上的井泵之間。經過所述入口埠27以及下擴散器50，所述推動器83將產品流體抽取到所述分離器10的第一室71中，並且將所述產品流體抽取到所述上擴散器51中。所述上擴散器51將所述產品流體向上導引到所述軸承套54中。
所述通道69限制產品流體通過位於所述第一和第二室71和72之間的所述軸承套54的流量，使所述產品流體產生一種壓力下降，以及所述產品流體的快速膨脹導致所述產品流體中的氣體發生膨脹，從而與所述產品流體中的液體分離。所述液體和氣體從所述軸承套54向上移動到所述渦流發生器87中。所述葉板89沿一個圓周方向推動所述液體和氣體，並且因此離心式地將液體隔離在所述第二室72的外部，而將氣體隔離在所述第二室72的內部。所述液體向上經過所述液體出口埠47，進入所述井泵中。氣體向上經過所述氣體出口埠48，在所述槽39處輸出所述分離器10。
一種在井中從產品流體中分離液體和氣體的方法，包含本發明的特徵，包括設置相連接的第一和第二室，抽取產品流體到所述第一室中，當所述流體通過所述第一和第二室的時候，在所述產品流體中產生一種壓力下降，並且在所述第二室中產生一種渦流。更特別的是，所述方法的第一個步驟包括設置相連接的第一和第二室，在所述第一和第二室之間設置一個軸承套，在所述第二室中設置一個旋轉葉板，以及設置連接到所述第二室的氣體出口埠和液體出口埠，使得所述軸承套具有多個在所述第一和第二室之間螺旋延伸的限制通道。下一個步驟包括抽取產品流體到所述第一室中。再下一個步驟包括當所述產品流體流入所述第二室的時候，使得所述產品流體通過所述通道，從而在所述產品流體中產生一種壓力下降，分離所述氣體和液體；將所述產品流體通過所述通道，同樣賦予所述產品流體一種螺旋流動，並且因此引起一種渦流的產生。再下一個步驟包括旋轉所述葉板，以維持渦流的產生，從而進一步分離所述氣體和液體。然後，所述氣體通過所述氣體出口埠被引出所述第二室外，並且所述液體通過所述液體出口埠被引出所述第二室外。
雖然已經一定程度的結合特性對本發明進行了說明，但是，需要理解的是，本公開是通過實施例完成的，並且可以不脫離本發明的精神，做出結構上的細節變化。
權利要求
1.一種用於井的井底氣體和液體分離器，包括第一和第二室，一個內置泵，用於通過所述第一室泵送產品流體，並且輸送到所述第二室中，和位於所述第一和第二室之間的裝置，用於當所述產品流體進入所述第二室的時候，限制流體流量，從而在所述產品流體中產生一種壓力下降，並且分離氣體和液體，和位於所述第二室中的一個渦流發生器，以離心的形式將所述流體分離為氣體和液體。
2.根據權利要求1所述的分離器，包括一個穿過所述第一和第二室延伸的驅動旋轉軸。
3.根據權利要求2所述的分離器，其特徵在於，所述渦流發生器是位於所述軸上的一個葉板。
4.根據權利要求2所述的分離器，其特徵在於，所述泵是位於所述軸上的一個推動器。
5.根據權利要求4所述的分離器，包括位於所述推動器和所述用於限制流體流量的裝置之間的一個上擴散器，所述上擴散器將所述產品流體從所述推動器引向所述用於限制流體流量的裝置。
6.根據權利要求2所述的分離器，其特徵在於，所述用於限制流體流量的裝置是一個軸承套，所述軸承套具有一個穩定所述軸的軸承。
7.根據權利要求6所述的分離器，其特徵在於，所述軸承套具有多個在所述第一和第二室之間的斜向延伸的通道，其限制了流體流量，並且將所述產品流體沿著斜向推進到所述第二室中，由此導致渦流產生。
8.根據權利要求1所述的分離器，包括一個細長的外殼，一個底座和一個頭部，所述外殼具有一個第一和第二端，所述外殼在靠近所述第一端的地方包含所述第一室，並且在靠近所述第二端的地方包含所述第二室；所述底座連接到所述第一端，並且包括連接到所述第一室的入口埠；並且所述頭部連接到所述第二端，並且包括連接到所述第二室的氣體和液體出口埠。
9.一種用於井的井底氣體和液體分離器，包括一個具有一個第一和第二端的細長的外殼，所述外殼包括一個靠近所述第一端的第一室，和一個靠近所述第二端的第二室，一個連接到所述第一端的底座，具有連接到所述第一室的入口埠，一個連接到所述第二端的頭部，具有連接到所述第二室的氣體和液體出口埠，一個穿過所述底座，所述第一室，所述第二室和所述頭部延伸的驅動旋轉軸，一個在所述第一室中的用於通過所述第一室，將產品流體泵送到所述第二室中的位於所述軸上的推動器，一個位於所述第一和第二室之間的軸承套，用於限制流體流量，從而當所述產品流體進入所述第二室的時候，在所述產品流體中產生一種壓力下降，並且分離氣體和液體，和在所述第二室中的位於所述軸上的一個葉板，用來以離心的方式將所述流體分離為氣體和液體。
10.一種在井中從產品流體中分離氣體和液體的方法，包括以下步驟設置相互連接的第一和第二室，將所述產品流體泵送到所述第一室中，當所述產品流體從所述第一室流入所述第二室的時候，在所述產品流體中產生一種壓力下降，來分離所述氣體和所述液體，和在所述第二室中產生一種渦流，來進一步分離所述氣體和所述液體。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述產生一種壓力下降的步驟，包括限制在所述第一和第二室之間的所述產品流體的流量的步驟。
12.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述產生一種壓力下降的步驟，包括限制在所述第一和第二室之間的所述產品流體的流量的步驟。
13.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，限制所述產品流體的流量的步驟，包括在所述第一和第二室之間設置一個軸承套，所述軸承套具有多個在所述第一和第二室之間延伸的限制通道，並且使得所述產品流體通過所述通道。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述軸承套的所述通道是螺旋延伸的，並且所述使得所述產品流體通過所述通道引起所述產生渦流的步驟。
15.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述產生一種渦流的步驟，包括設置一個旋轉葉板以及使所述葉板旋轉。
16.根據權利要求10所述的方法包括以下步驟設置連接到所述第二室的氣體出口埠和液體出口埠，通過所述氣體出口埠將所述氣體轉移到所述第二室之外，並且通過所述液體出口埠將所述液體轉移到所述第二室之外。
17.一種在井中從產品流體中分離氣體和液體的方法，包括下列步驟設置相互連接的第一和第二室，在所述第一和第二室之間設置一個軸承套，在所述第二室中設置一個旋轉葉板，以及設置連接到所述第二室的氣體出口埠和液體出口埠，所述軸承套具有多個在所述第一和第二室之間螺旋延伸的限制通道，將所述產品流體泵送到所述第一室中，使得所述產品流體通過所述通道，由此當所述產品流體從所述第一室流入所述第二室的時候，在所述產品流體中產生一種壓力下降，並且所述壓力下降能夠分離所述氣體和液體，並且所述通過過程賦予所述產品流體一種螺旋流動，並且因此引起一種渦流的產生，旋轉所述葉板，並且因此在所述第二室中持續產生所述渦流，從而進一步分離所述氣體和液體，通過所述氣體出口埠將所述氣體轉移到所述第二室之外，通過所述液體出口埠將所述液體轉移到所述第二室之外。
全文摘要
一種井底分離器，具有一個限定了一個內腔的外殼，所述內腔被一個流量限制軸承套分隔為一個第一室和一個第二室。一個軸驅動的推動器，將產品流體抽取到所述第一室中以及所述軸承套中。所述軸承套在進入所述第二室的產品流體中產生一種壓力下降，將氣體與液體分離。在所述第二室中的一個渦流發生器，將所述液體分隔到所述第二室外部，而將所述氣體分隔到所述第二室的內部。一種井底分離方法，包括將產品流體抽取到一個第一室中，以及當所述流體進入一個第二室的時候，在所述流體中產生一種壓力下降，以分離氣體和液體。
文檔編號E21B43/38GK1688792SQ03824239
公開日2005年10月26日 申請日期2003年8月20日 優先權日2002年9月6日
發明者詹姆斯·E·莫裡森, 蓋伊·莫裡森三世 申請人:詹姆斯·E·莫裡森, 蓋伊·莫裡森三世