[发明专利]用于从天然气流中除去凝结物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于从天然气流中除去凝结物的方法和一种用于从应用上述方法的地层中采出气体的完井装置。

背景技术

由地下或海底产气地层(在下文中称之为地下岩层)中开采出来的气体需要将通常为液体或具有较高凝结温度的成分分离出来。在权利要求书和说明书中以术语“凝结物”表示的成分包括水、丙烷、丁烷、戊烷、丙烯、乙烯、乙炔及其它类似二氧化碳、硫化氢、氮气这样的物质。通常情况下，气体流在位于井口下游的地面上受到处理，其中井口通过一个主井筒与地下产气岩层相连接，而主井筒内包含有从井口延伸到井下的管道系统。

这种设置方式对于多侧井而言尤其不利于节约成本，在多侧井(即包括多个分支井筒的完井系统，这些分支井筒将产气层与一个或多个其它的储气层连接起来)内，天然气和/或凝结物，或部分天然气，或部分凝结物从一个地层被注入到另一地层内或在一个地层内从一个储气区域注入到另一储气区域内。这样做的目的在于开放出一个新井或恢复一个现有的井；或者存储天然气或凝结物，以备后用等。

能够有效降低气体露点的分离装置一般需要复杂的设备和仪器，例如被冷冻的贫油或乙二醇的吸收装置。一般情况下，这种操作都极为复杂，以致于不能将其放置在像海底井口这样的井口内，而且操作的成本也太高，以致于不能将其放置在产气田的单个井口内。

用于从气体中除去水的井下分离装置已是公知的技术，例如美国专利5444684。这种装置使用多个浮球，当井筒内的水平面变高时，这些浮球能够浮起并堵住流道，接下来当形成气体压力时，上述浮球将迫使水平面下降，以允许采出的气体不含液态水。这种装置仅能够将从开采出的气体中排出液态水。但其不能从开采出的气体中除去凝结物或水。

美国专利5794697也公开了一种井下分离装置，用于从由井下开采出来的气体和液体的混合物中分离出气体。该专利着眼于气体的井下压缩并将气体再次注入到气体的顶板岩石(gas cap)内，而顶板岩石覆盖在残留在地层中的油上。在该专利中，描述了一种作为麻花钻的分离装置，该装置能够使流体产生涡旋，并从涡旋的中心处将气体排出。这种分离装置也不能降低气体的露点(即不能将凝结物除去)，只能分离已有的相。

因此，就需要提供一种用于从位于井口节气门上游的天然气流中除去凝结物和/或水的分离装置，即在以通常的15Mpa或更小的低压进入地面或海底设备内之前从天然气中除去凝结物和/或水的分离装置。这是因为：首先，在井口节气门的上游仍然存在分离所需的较高压力，从而可以更好地利用已经存在的势能，否则这部分势能将在井口的节气门处浪费掉；第二，当气体向上流向井口时，可通过将热量传递给包围井筒的更浅的地层而得到冷却，而且当气体沿井筒向上流动时，可通过隔热膨胀而得到冷却。当气体冷却时，凝结物和/或水将从先前的饱和气流中凝结出来。在产气井筒中冷凝出来的液体可能会产生许多问题。分离的液相可能会极大地增加井筒内的静压(static head)，因此就会降低油井的压力和/或气体的产量。根据所产生的流动工况，可能形成液体，直到井筒受到相当大的附加液体压力。另外，水也可以与碳氢化合物和/或硫化氢结合在井筒内形成氢氧化物。这些氢氧化物将会堵塞油井。为防止这种情况的发生，通常将乙醇或乙二醇注入到出气井中，以防止固态氢氧化物堵塞井筒。这种注入操作成本较高，而且还会在井筒内形成更多的液体。这些液体的溢出将产生严重的环境问题，因为这些液体本来就可以与水混合。

现在已经有许多用于从气态或其它流体中分离成分的方法和装置。例如，传统的分离装置包括蒸馏塔、过滤器和隔膜、沉淀箱、离心分离机、静电沉淀器、烘干机、旋流器、涡管分离器和吸收器。此外，在现有技术中还公开了装配有超音喷嘴的各种不同的惯性分离装置。

JP-A-02,017,921公开了通过使用超音流分离气态混合物的装置。该装置包括一个设置于超音喷嘴上游侧的旋流器。接着，涡旋的流体流穿过一个沿轴向对称设置的膨胀喷嘴，以形成均匀的颗粒。在一个很长的轴向距离内保持这种涡旋，以形成一个较大的压降。

US-A-3,559,373公开了一种超音流分离装置，其包括一个高压气体入口，一个矩形的喉部和一个U形的矩形截面沟槽。该沟槽包括一个弯曲的渗透外壁。气体流以亚音速流向气体入口。气体通过喉部会聚并扩张到沟槽内，以将速度提高到超音速。流体在超音区域内的膨胀将使液滴相互结合，而且较大的液体穿过可渗透的外壁并收集在一个腔室内。