[发明专利]用于油气应用的流体驱动混合系统

说明书

一种流体管理系统(100)，位于井筒中以用于从井筒回收多相流(2)。该系统包括：井下分离器(102)，其构造为产生具有载送流体压力的载送流体(4)以及具有分离流体压力的分离流体(6)；人工举升装置(104)，其构造为增加载送流体压力以产生具有涡轮机供给压力的涡轮机供给流(8)；涡轮机(108)，其构造为将涡轮机供给流中的流体能量转换为采收能量，来自涡轮机供给流的流体能量向采收能量的转换产生具有小于涡轮机供给压力的涡轮机排放压力的涡轮机排放流；以及增压装置(106)，其构造为将采收能量转换为加压流体能量，采收能量向加压流体能量的转换产生具有比分离流体压力大的加压流体压力的加压流体流。

技术领域

本发明描述了用于从井筒开采多相流体的系统和方法。更具体地说，描述了用于从多相流提取能量以驱动增压装置的系统和方法。

背景技术

存在许多如下石油开采作业：该石油开采作业需要使用井下电潜泵(ESP)来确保产生足够的提升力，以从井内开采出大量的石油。ESP是具有从十级到数百级中的任何级数的多级离心泵。电潜泵的每一级包括叶轮和扩压器。叶轮将轴的机械能转化为流体中的动能。然后，扩压器将流体的动能转换为从井筒提升液体所需的流体压头或压力。对于全部流体，ESP被设计为对于给定的流体类型、密度、粘度和预期的游离气体量有效地运行。

在石油开采和水开采两者中，从地下地层开采出游离气体、伴生气体或液体中夹带的气体。尽管ESP被设计为可处理少量的夹带气体，但在存在气体的情况下ESP的效率快速地下降。气体或气泡积聚在叶轮的低压侧上，这进而使由泵产生的流体压头减小。另外，由于气体充满叶轮叶片而使ESP的容积效率降低。当游离气体达到某一体积时，泵可能经历气塞，在气塞期间ESP将不产生任何流体压头。

可以将解决在ESP的使用中与气体相关的问题的方法分类为气体处理(gashandling)以及气体分离和避免(gas separation and avoidance)。

在气体处理技术中，在ESP的各级中使用的叶轮叶片的类型考虑了被加速的(expedited)游离气体体积。ESP基于它们的叶轮设计被分类为径向流型ESP、混合流型ESP和轴向流型ESP。在径向流型ESP中，叶轮叶片的几何形状更可能捕获气体，并且因此径向流型ESP被限制用于具有少于10％的夹带游离气体的液体。在混合流型叶轮的各级中，流体沿更复杂的流动路径行进，从而允许混合流型泵处理高达25％(在某些情况下为45％)的游离气体。在轴向流型泵中，流动方向与泵的轴平行。轴向流几何形状减小了在各级中捕获气体的机会，因而轴向流型泵通常可以处理高达75％的游离气体。

气体分离和避免技术包括在液体进入ESP之前将游离气体与液体分离。通过在泵抽吸之前安装气体分离器，或者通过将重力与诸如外罩(shroud)等特殊完井设计组合使用来实现气体与液体的分离。在大部分作业中，分离出的气体随后经由油管与套管之间的环形部分被开采到井面(surface)。在一些作业中，气体经由单独的油管被开采到井面。在一些作业中，可以将气体引回到在泵排出口的下游容纳液体的油管中。为了做到这点，可能需要对气体进行增压以实现由泵排出的液体与分离气体之间的压力平衡。可以将喷射泵安装在ESP的排出口的上方，喷射泵吸入空气。喷射泵复杂并且可能具有效率和可靠性的问题。然而，在某些情况下，由于在井筒中用于使环形部分与流体分离的系统，气体不能经由环形部分而被开采。

非伴生气体开采井也可以观察到多相流。湿气井可以具有夹带在气体中的液体。对于液体井，可以使用人工举升以在地层中的压力减小的情况下维持气体开采。在这种情况下，使用井下气体压缩机(DGC)以生成将气体提升到井面所需的压力。当夹带在气体中的液体大于10％时，DGC遇到与ESP类似的问题。

除了ESP和DGC之外，可以使用井面处的装备以生成用于从井筒开采流体的压力。可以将多相泵(MPP)和湿气压缩机(WGC)分别用在油气田。MPP技术昂贵且复杂，并且容易出现可靠性问题。现有的WGC技术需要分离、压缩和抽吸，其中，每个压缩机和泵均需要单独的电动机。

发明内容