專利名稱：用于段塞流控制的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管線中的段塞流(slugging)的控制，例如存在于立管(riser)中嚴(yán)重的段塞流，所述立管將采出流體從位于海底的烴類井輸送至位于海面的頂部設(shè)施。
背景技術(shù)：
立管通常在烴類工業(yè)的離岸管道系統(tǒng)中使用，將采出流體從位于海底的井頭輸送至位于海面的設(shè)施，例如位于海上平臺(tái)的頂部分離器和處理設(shè)施。由井提供并通過立管輸送的采出流體通常為多相流體，例如液體和氣體的混合物，例如油、水和天然氣的混合物。 流體中氣體的存在能夠有助于通過減少立管中液體的流體靜壓頭而經(jīng)立管提升流體。負(fù)面的作用為立管中氣體的存在導(dǎo)致更高的流體靜壓力，并且增大井中的背壓。因此，人們通常希望避免阻止氣體流向立管。當(dāng)流入立管中的流體堵塞管線并且立管中堵塞處的流體靜壓頭比立管上游的截留氣體壓力更快地增大時(shí)，在離岸立管中會(huì)產(chǎn)生稱作段塞流的不穩(wěn)定現(xiàn)象。例如，圖1顯示了將采出流體輸送至立管4的采油管線2。采油管線2位于海底6并且朝向立管4稍微向下傾斜延伸，立管4從海底6向上延伸至位于海面10的設(shè)施8。采油管線2和立管4在其連接處具有角度或者尖點(diǎn)12。如圖1所示，流體的段塞流14在尖點(diǎn)12處形成并且堵塞立管4，使得采油管線2中的氣體不能流入立管4中。尖點(diǎn)12上游的采油管線2中的氣體壓力增大，直至氣體壓力超過液體的流體靜壓頭為止，氣體隨后進(jìn)入立管4中，使液體段塞流 14通過立管4向上流動(dòng)并且從立管4流出到頂部設(shè)施8中。提供給設(shè)施8的流體壓力能夠大范圍變化，典型地隨著液面升高而減小，并且隨著段塞流14隨后通過立管4輸送至設(shè)施 8而快速升高。術(shù)語(yǔ)"嚴(yán)重段塞流"是指嚴(yán)重類型的不穩(wěn)定段塞流，其中，液體段塞流14充滿整個(gè)立管4。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重段塞流時(shí)，上游氣體壓力必須增大到足夠的程度以克服充滿立管4的液體的流體靜壓頭。如果立管4向上延伸非常大的豎直距離的話，例如，從海底到海面，則與嚴(yán)重段塞流相關(guān)的流體靜壓頭會(huì)相當(dāng)大。嚴(yán)重的段塞流在液體段塞流堵塞出現(xiàn)在作為立管上游的管線的向上傾斜部中時(shí)稱作"超嚴(yán)重段塞流"，使得立管和位于立管上游的一段管線(有時(shí)候?yàn)閿?shù)英里的管線)在氣體壓力變得足夠大以克服液體的流體靜壓頭并且使液體通過立管流動(dòng)之前充滿液體。與流過立管的流體的平均流量相比，嚴(yán)重段塞流循環(huán)中的交替氣體和液體的瞬時(shí)流量會(huì)變得更高，有時(shí)會(huì)成數(shù)量級(jí)增加。流量方面的巨大變化會(huì)導(dǎo)致一級(jí)分離器或由立管4 供給的其它設(shè)施中液面高度的劇烈變化，并且會(huì)干擾設(shè)施中的正常分離和流體處理。另外， 提供給設(shè)施的流體的大壓力變化對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)作業(yè)有害。已經(jīng)提出了用于控制或其他方式處理段塞流的各種系統(tǒng)和方法。例如，在一些傳統(tǒng)系統(tǒng)中使用下列方法(1)增大用于接收來(lái)自立管的采出流體的一級(jí)分離器的尺寸，使得分離器可以處理段塞流，(2)利用頂側(cè)控制閥增大立管上的背壓，( 通過頂側(cè)自動(dòng)控制閥實(shí)施壓力控制策略，(4)利用上述方法的各種組合，(5)例如通過在井中使用井下泵增大立管中的壓力，(6)例如通過加入或增大立管或井中的氣體來(lái)增大立管中的氣體流量，或者 (7)在立管的底部分離氣體和液體并且允許氣體通過第一立管提升，同時(shí)將液體在分離的第二立管中泵送到表面。盡管上述方法可用于減小段塞流的影響，但是每種方法通常產(chǎn)生額外的問題和/ 或成本。例如，增大分離器尺寸會(huì)減少一些段塞流；然而，對(duì)于越來(lái)越深和越來(lái)越長(zhǎng)的立管來(lái)說，分離器所需的尺寸增大會(huì)變得不切實(shí)際。上面的方法(2)-(5)通常通過增大立管的壓力減小了氣體的壓縮性，這繼而增大了氣體壓力能夠達(dá)到并克服流體靜壓頭增大的流量。上面的方法(幻_(4)通常導(dǎo)致增大的背壓和無(wú)法接受的產(chǎn)量損失。上面的方法 _(7) 需要額外的能量和/或系統(tǒng)，取決于充足能量和/或氣體的利用率。因此，始終需要用于段塞流控制的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法應(yīng)當(dāng)能夠利用采出流體中的氣體以提供輸送流體通過立管所需的至少一部分提升力，該系統(tǒng)和方法應(yīng)當(dāng)與長(zhǎng)距離延伸的立管兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例通常提供基于立管的段塞流控制系統(tǒng)和控制段塞流的方法。該系統(tǒng)包括氣液分離器，例如氣液圓柱形旋流分離器(GLCC)，其能夠接收采出流體，將采出流體分離成液相和氣相，并且為氣體提供通向立管(在立管中，它能與液體混合并有助于在立管中提升)的無(wú)阻礙路徑。入口和出口的布置降低了流體形成液體堵塞并阻止氣體流向立管的性能。當(dāng)氣體無(wú)阻礙地流向立管時(shí)，不易發(fā)生嚴(yán)重的段塞流，并且立管中的液體有效地提升到表面。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，氣液分離器包括限定了內(nèi)部容積的外殼。分離器還限定了傾斜入口，其連接至外殼并且配置為接收多相流體流并引導(dǎo)流體流進(jìn)入外殼，使得流體在容積中成螺旋形流動(dòng)并分離，其中，流體中的氣體聚集在容積上部，流體中的液體聚集在容積下部。所述下部可以限定在分離器中的氣體和液體分界面(即，氣體/液體分界面) 和/或入口的下方，所述上部可以限定在所述分界面和/或入口的上方。管狀出口通道至少部分地延伸穿過外殼的內(nèi)部容積。管狀通道限定了容積中的多個(gè)孔口并且通過外殼壁部延伸到出口。因流過上部孔口的氣體引起的壓降在管狀通道中產(chǎn)生低壓，將液體從所述下部吸起。管狀通道和孔口配置為接收來(lái)自容積下部的液體和來(lái)自容積上部的氣體，并且將液體和氣體的混合物通過出口輸送并離開外殼，例如，輸送至立管。例如，由管狀通道限定的孔口可以沿著該管狀通道的長(zhǎng)度布置在多個(gè)位置，至少一部分孔口可以布置在外殼容積的下部，使得孔口配置為接收位于所述下部中的液體?？卓谘刂軤钔ǖ涝O(shè)置尺寸并隔開以提供容器中液面的粗控制并且避免分離器溢流。因?yàn)閺娜萜魅肟诘搅⒐苋肟诘膲航祵?duì)流過上部孔口的氣體與對(duì)于流過下部孔口的液體相同，液面必須改變以平衡用于每條流動(dòng)路徑的壓力損失。適當(dāng)?shù)卦O(shè)置尺寸和間隔，孔口提供自我調(diào)節(jié)的液位控制。容器容積允許系統(tǒng)接收適當(dāng)尺寸的段塞流，其可以在不阻礙通向立管的氣體路徑的情況下進(jìn)入立管。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，分離器緊靠海底定位。立管從分離器出口向上延伸，使得立管配置為將液體和氣體的混合物從位于海底的分離器向上輸送，例如輸送至頂側(cè)分離器或其他設(shè)施。外殼的內(nèi)部容積可以為大致圓柱形狀并且可以限定豎向延伸的縱向軸線。管狀通道可以平行于縱向軸線從位于所述容積下部中的位置穿過外殼的頂側(cè)延伸至出口。在一些情況下，管狀通道沿著外殼內(nèi)部容積的縱向軸線延伸，并且管狀通道具有小于外殼直徑的直徑。在一些情況下，系統(tǒng)可以配置為提供用于輸送流體的額外能量。該系統(tǒng)抑制了提升立管中的液體所需外部能量的初始條件，例如，氣體提升或電動(dòng)潛水泵，并且在需要提升系統(tǒng)時(shí)易于整合。例如，外殼可以限定附加入口，例如氣體入口，其配置為接收進(jìn)入容積上部的加壓氣體，從而提供從分離器到立管的更多氣體。另外或者可替換地，泵可以配置為泵送流體。例如，泵適合于將液體從外殼容積的下部泵送通過管狀通道，管狀通道可以限定位于外殼容積上部的多個(gè)孔口，使得孔口配置為接收位于上部的氣體并且氣體與通過管狀通道泵送的液體混合。泵可以位于外殼下部和/或管狀通道中。在一些情況下，噴嘴布置在管狀通道內(nèi)并配置為在管狀通道接收來(lái)自外殼上部的氣體的位置處降低通過管狀通道泵送的液體的壓力。根據(jù)本發(fā)明用于控制流過立管的流體中的段塞流的一個(gè)方法，多相流體流通過連接至分離器外殼的傾斜入口提供給分離器(例如，GLCC)，使得流體在外殼的內(nèi)部容積中成螺旋形流動(dòng)并分離。液體和氣體分離，使得流體中的液體聚集在容積下部(例如，入口下方)，流體中的氣體聚集在容積上部(例如，入口上方)。來(lái)自容積下部的液體和來(lái)自容積上部的氣體接收到管狀通道中，所述管狀通道經(jīng)過由容積中的管狀通道限定的多個(gè)孔口至少部分地延伸穿過外殼的內(nèi)部容積，使得管狀通道將液體和氣體的混合物輸送至立管入口。例如，由管狀通道限定的孔口可以設(shè)置在沿著管狀通道的多個(gè)位置處，液體可以經(jīng)由布置在外殼容積下部的至少一部分孔口接收?；旌衔锿ㄟ^立管輸送，典型地輸送至高于分離器的位置。例如，分離器可以緊靠海底設(shè)置，立管可以從分離器向上延伸，使得液體和氣體的混合物從位于海底的分離器向上輸送至位于海面的頂部設(shè)施。在一些情況下，可以為輸送流體提供額外的能量。例如，加壓氣體流能夠輸送至容積上部中，以增大分離器中的氣體壓力。氣體可以由緊靠分離器定位的，或位于緊靠立管頂部的頂部設(shè)施處或其他位置處的氣體源提供。另外或可替換地，液體可以從外殼容積下部泵送通過管狀通道，例如，通過位于外殼下部和管狀通道中的泵實(shí)現(xiàn)，氣體可以經(jīng)由限定在外殼容積上部中的多個(gè)孔口接收到管狀通道中，使得氣體與通過管狀通道泵送的液體混合。在一些情況下，液體可以通過設(shè)置在管狀通道中的噴嘴泵送，從而在接收來(lái)自外殼上部的氣體的位置處降低通過管狀通道泵送的液體的壓力。


上文已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了概述，現(xiàn)在將參考不必按比例繪制的附圖進(jìn)行描述，其中圖1是顯示了用于將烴類從海底輸送至海面的傳統(tǒng)立管中的典型段塞流形成的示意圖；圖2是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的段塞流控制系統(tǒng)的示意圖；圖3是顯示了沿圖2所示直線3-3觀察的段塞流控制系統(tǒng)的剖視圖；圖4和5是顯示了圖2所示段塞流控制系統(tǒng)的示意圖，顯示了由采出流體的液相部分地充滿；
圖6是顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的段塞流控制系統(tǒng)的示意圖，包括用于接收加壓提升氣體的氣體入口；圖7是顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的段塞流控制系統(tǒng)的示意圖，包括泵； 和圖8是顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的段塞流控制系統(tǒng)的示意圖，包括泵和用于在接收氣體的位置處減小泵送液體壓力的噴嘴；圖9和10是根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例的段塞流控制系統(tǒng)的一部分的示意性、局部剖視圖，均包括配置為可調(diào)節(jié)地打開或關(guān)閉管狀通道中的孔口的套筒。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參考附圖(其中顯示了本發(fā)明的一部分但非全部實(shí)施例)更充分地描述本發(fā)明。實(shí)際上，本發(fā)明可以按照許多不同的方式實(shí)施，不應(yīng)局限于這里所闡述的實(shí)施例；相反，提供這些實(shí)施例是為了滿足適用的法律要求。相同的數(shù)字表示相同的元件?，F(xiàn)在將參考附圖，尤其是圖2，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的段塞流控制系統(tǒng)20。系統(tǒng)20通常包括氣液分離器22，其配置為分離多相采出流體(例如含有液烴、 水、天然氣和/或其它液體或氣體的流體)，隨后使流體的液相和氣相重新組合以形成通過立管M輸送的混合物。更特別地，分離器22可以是如圖2所示的氣液圓柱形旋流分離器 (GLCC)，包括外殼沈和連接至外殼沈的傾斜入口觀。與傳統(tǒng)的氣液圓柱形旋流分離器類似，外殼沈可以包括圓柱形側(cè)壁30，其與頂側(cè)32和底側(cè)34共同限定了圓柱形內(nèi)部容積 36。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以使用其它構(gòu)造，例如，具有半球形、橢圓形或其他形狀的構(gòu)造的頂側(cè)和 /或底側(cè)。與傳統(tǒng)氣液圓柱形旋流分離器的入口觀類似，入口觀配置為接收多相采出流體流并且將流體流引入外殼沈中，使得流體在容積36內(nèi)螺旋流動(dòng)并分離成液相和氣相。如圖2所示，分離器22配置為接收來(lái)自采油管線38的采出流體，所述采油管線布置在?；蚝５?0上或附近并且連接至烴井42的出口。如圖3所示，入口觀通常與外殼沈的縱向軸線偏心設(shè)置，例如，使得入口觀沿著與外殼沈的圓柱形側(cè)壁30相切的路徑引導(dǎo)流體流。外殼沈的容積36限定了上部44和下部46。來(lái)自流體的氣體聚集在上部44，來(lái)自流體的液體聚集在下部46。上部44典型地限定在氣/液分界面45上方并且典型地位于入口觀上方，下部46典型地限定在氣/液分界面45下方并且典型地位于入口觀下方， 外殼26的容積36可以足夠大以接收從采出流體進(jìn)入下部46的液體段塞流，不會(huì)阻塞入口 28或者妨礙氣體向立管的流動(dòng)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，氣體的分離可能不完全，使得聚集在容積36 的下部46中的液體可能含有少量氣體(例如，小于10%，典型地小于5%，按液體重量計(jì)) 并且聚集在容積36的上部44中的氣體可能含有少量液體(例如，小于50加侖液體/百萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(MMscf)氣體，典型地小于10加侖液體/百萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方英尺氣體)。與分別通過兩個(gè)單獨(dú)的出口輸送氣體和液體的傳統(tǒng)氣液圓柱形旋流分離器不同， 圖2所示系統(tǒng)20配置為例如通過單個(gè)出口輸送混合物形式的氣體和液體。特別地，管狀通道50延伸穿過外殼沈的壁部并且至少部分地穿過外殼沈的內(nèi)部容積36，例如，從內(nèi)部容積36的下部46中的第一端部52穿過外殼沈的頂側(cè)32延伸到位于布置在外殼沈外側(cè)上方的第二端部M處的出口。管狀通道50可以形成為立管M的整體部分，例如，作為立管 24的一個(gè)連續(xù)構(gòu)件，或者管狀通道50可以是例如通過連接器56連接到立管M上的單獨(dú)形成的構(gòu)件。管狀通道50可以具有圓柱形構(gòu)造，如圖3所示，并且能夠例如平行于由分離器22的外殼沈限定的容積36的縱向軸線，使得管狀通道50沿著外殼沈的縱向軸線豎向延伸。管狀通道50限定了布置在外殼沈的容積36中的多個(gè)孔口 60。為了清楚說明的目的，孔口 60在圖2中比孔口 60的典型實(shí)際尺寸大?？梢哉J(rèn)識(shí)到，例如根據(jù)系統(tǒng)20的期望操作條件，孔口 60能夠以任何數(shù)量和尺寸提供。在這方面，人們注意到，在一種典型的穩(wěn)定操作條件下，，通過孔口(即，從管狀通道50的外部到管狀通道50的內(nèi)部)的壓降近似等于由管狀通道50中的液體(受系統(tǒng)20中的摩擦損失的影響)產(chǎn)生的壓頭。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)孔口 60的直徑為大約0. 1英寸到2英寸，管狀通道50限定2到100個(gè)孔口 60?？卓?60典型地限定在沿著管狀通道50的長(zhǎng)度的多個(gè)位置處，例如；一些或全部孔口 60限定在外殼沈的容積36的下部46中。當(dāng)外殼沈的下部46充滿液體，外殼沈的上部44充滿氣體時(shí)，位于外殼沈的下部46中的孔口 60配置為接收液體，位于外殼沈的上部 44中的孔口 60配置為接收氣體。因此，通常在分離器22中分離的液體和氣體可以在管狀通道50中自由流動(dòng)并重新組合。另外，液體和氣體的重新組合提供了液體和氣體的混合物流，其由管狀通道50輸送至位于第二端部M處的出口和立管24。這樣，系統(tǒng)20能夠提高液體和氣體的混合并且提供比進(jìn)入分離器22的采出流體更為均質(zhì)的混合物。特別地，如果進(jìn)入分離器22的采出流體包含其后為氣泡的液體段塞流，液體和氣體都能進(jìn)入分離器22 中并且在管狀通道50中混合，使得通過位于通道50的第二端部M處的出口提供給立管M 的混合物含有更為均質(zhì)的混合物，其中，較小的氣泡分布在立管中的液體中。盡管本發(fā)明不局限于任何特定的工作原理，人們相信給立管提供分布成較小氣泡的連續(xù)氣體流降低了液體阻擋氣體流向立管的概率，有助于混合物流過立管M并且可以更好地利用氣體的提升勢(shì)能。也就是說，代替阻擋氣體向上游流動(dòng)直至上游壓力增大以克服液體流體靜壓頭的液體段塞流，分離器能夠在不阻礙氣體流向立管的情況下容納段塞流；氣體流過管道中的孔口產(chǎn)生迫使液體在管道中向上推動(dòng)到位于氣體孔口上方高度的壓降，因此液體與氣體混合并且以連續(xù)方式提升至表面M。這樣，能夠減少流體中段塞流的產(chǎn)生，使得采出流體以更為均勻的流量和壓力輸送流過立管24。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，混合的性質(zhì)和程度會(huì)影響氣體提升混合物的效率。例如，在一些情況下，較大的、未混合的氣泡比較小的、混合較好的氣泡更有效率。 圖2所示系統(tǒng)20配置為基于立管的段塞流控制系統(tǒng)，即，分離器22連接至立管M 的下端的系統(tǒng)，所述立管提供用于從段塞流控制系統(tǒng)20輸送至頂部設(shè)施50的采出流體的通道。例如，系統(tǒng)20能夠分離多相采出流體，混合液體和氣體，并且將混合物通過立管M 輸送至分離器62和/或頂部設(shè)施58中的其它處理設(shè)備64。在這種構(gòu)造中，傳統(tǒng)系統(tǒng)中限定在采油管線和立管之間的尖點(diǎn)(例如，圖1所示尖點(diǎn)12)能夠被分離器22所替代。由于尖點(diǎn)以這樣的方式消除，正常的流量波動(dòng)或液體段塞流不會(huì)在尖點(diǎn)處形成堵塞。另外，分離器22自動(dòng)控制注入到立管M中的液體和氣體的量，從而避免段塞流。在這方面，人們注意到，圖2所示段塞流控制系統(tǒng)20通常防止液體堵塞形成在采油管線38和立管M之間并且提供通向立管M的連續(xù)通路，即即使液體段塞流穿過采油管線38輸送并且接收到分離器 22中，氣體也能沿其流動(dòng)的通路。 盡管圖2顯示了基于立管的控制系統(tǒng)20，但是在其它實(shí)施例中，段塞流控制系統(tǒng) 20能夠配置為接收位于其他位置的多相流體流和/或?qū)⒒旌狭黧w輸送至立管或其它管線。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，控制系統(tǒng)20能夠位于海底40，如圖2所示，或者位于其它位置，例如，位于立管或?qū)⒒旌狭黧w輸送至典型地位于比分離器22更高的位置處的設(shè)施的其它管線的入口處。例如，盡管圖2所示分離器22是氣液圓柱形旋流分離器，分離器22的容積36能夠替代為由另一結(jié)構(gòu)，例如水下沉箱限定。圖4和5進(jìn)一步顯示了系統(tǒng)20的操作，顯示了內(nèi)部具有不同量的液體和氣體的分離器22。在圖4中，液體的頂面在分離器22中較高，例如，在分離器22接收通過入口觀來(lái)自采油管線38的流體段塞流之后立即發(fā)生。在這種情況下，由管狀通道50限定的大部分孔口 60與位于分離器22的容積36的下部46中的液體連通并且配置為接收液體，而較少數(shù)量的孔口 60配置為接收容積36的上部44或下部46中的氣體。分離器22的上部44中的氣體壓力給液體提供推動(dòng)液體進(jìn)入孔口 60的作用力。同樣，在管狀通道50中上升的氣體的提升力給液體提供了使液體在管狀通道50中上升并且吸引更多液體通過孔口 60進(jìn)入管狀通道50的作用力。在圖5中，液體的頂面66在分離器22中相對(duì)較低，例如，可能在液體段塞流已經(jīng)與氣體混合并且通過管狀通道50輸送之后和/或在分離器22接收來(lái)自采油管線38的氣泡之后立即發(fā)生。在這種情況下，較少數(shù)量的孔口 60與位于分離器22的容積36的下部46 中的液體連通并且配置為接收液體。相對(duì)于圖4所示情況，大量孔口 60在圖5中配置為接收位于容積36的上部44中的氣體。如上文參考圖4所解釋的那樣，分離器22中的液體通過由分離器22的上部44中的氣體施加的壓力推入管狀通道50中，并且液體利用在管狀通道50中上升的氣體進(jìn)行提升。管狀通道50在暴露給氣體的孔口 60的數(shù)量增大時(shí)會(huì)接收更多的氣體，并且管狀通道50在暴露給液體的孔口 60的數(shù)量增大時(shí)會(huì)接收更多的液體。因此，系統(tǒng)20能夠通過在液體的頂面66較高時(shí)輸送更多的液體以及在液體的頂面66較低時(shí)輸送更少的液體進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；然而，即使當(dāng)液面較高時(shí)，如圖4所示，氣體不會(huì)堵塞管狀通道50，而是相反，其連續(xù)流動(dòng)并且有助于液體的連續(xù)流動(dòng)。在圖2-5所示系統(tǒng)20的一種典型操作方法期間，分離器22中的液面以及液體和氣體從分離器22流入立管M中的流量能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)。換句話說，液面和流量能夠根據(jù)系統(tǒng)20的工作參數(shù)(例如進(jìn)入分離器22的采出流體的容量和流動(dòng)條件)進(jìn)行改變，無(wú)需用戶干涉。例如，如果進(jìn)入分離器22的采出流體分層，使得采出流體流包括流入分離器22中的連續(xù)液體流和氣體流，隨后氣體聚集在分離器22的容積36的上部44，液體聚集在下部 46。上部44中的加壓氣體對(duì)液體施加作用力并且推動(dòng)下部46中的液體流過孔口 60并流入管狀通道50和立管M。如果分離器22中的液面較高，液體流過大量孔口 60，使得進(jìn)入管狀通道50中的液體流較多，進(jìn)入管狀通道50中的氣體流較少。當(dāng)分離器22中的液面降低時(shí)，液體流過少量孔口 60并且氣體流過較多孔口 60，使得流入管狀通道50中的液體較少，進(jìn)入管狀通道50中的氣體較多。代替液體和氣體的分層流，如果采出流體包括流入分離器22的液體段塞流，分離器22中的液面在液體聚集在分離器22中時(shí)將上升。分離器22中液體的增加導(dǎo)致較少的氣體流過孔口 60。如果氣泡通過采油管線38提供到分離器22中，流入分離器22中的氣體流超過從分離器22流出的氣體流，使得分離器22中的液面降低。因此，不管進(jìn)入分離器22 中的流體是分層流還是一系列段塞流和氣泡，系統(tǒng)20能夠提供流入立管M中的流體，其特征在于氣體和液體的泡狀混合物，或者，可替換地，通過立管M中的氣體提升并且小到足以避免立管M中的嚴(yán)重段塞流的一系列段塞流。這樣，液體和氣體的流量能夠調(diào)節(jié)并且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分離器22中的特定液面。分離器 22的尺寸、孔口 60的構(gòu)造以及系統(tǒng)20的其它特征能夠配置為適應(yīng)特定尺寸的液體段塞流和氣泡，使得當(dāng)氣泡位于液體段塞流后面時(shí)，氣體在另一段塞流進(jìn)入分離器22之前將大部分或全部聚集液體從分離器22提升到立管M中。例如，在一些實(shí)施例中，分離器22的高度能夠?yàn)榇蠹s10英尺到300英尺，分離器22的直徑能夠?yàn)榇蠹s1英尺到5英尺。管狀通道50的直徑典型地明顯小于外殼沈的直徑。例如，分離器22的外殼沈的直徑能夠?yàn)榇蠹s3英尺，管狀通道50的直徑能夠?yàn)榇蠹s1英尺。在一個(gè)實(shí)施例中，外殼沈的直徑為采油管線38的直徑的2-3倍。如果系統(tǒng)20布置在水中，分離器22能夠至少部分地位于海底40 的泥線以下。孔口 60的尺寸能夠如上所述地改變并且能夠在尺寸和數(shù)量上配置為在管狀通道50的外部和內(nèi)部之間提供預(yù)定壓降，從而有助于保持分離器22中的特定液面。在一些情況下，可將額外能量提供給系統(tǒng)20以有助于采出流體通過立管M進(jìn)行提升。例如，如圖6所示，分離器22能夠限定連接到分離器22的容積36的上部44，即穿過上部32的氣體入口 70。氣體入口 70能夠通過管線、軟管或者其它管狀通道72連接到加壓氣體源74。加壓氣體源74包括位于頂部設(shè)施58中的壓縮機(jī)，位于頂部設(shè)施58或海底40 上的充滿加壓氣體的容器，或者另一加壓氣體源。在任一情況下，加壓氣體能夠輸送給容積 36的上部44，從而增大容積36和/或流體分離器22的氣體壓力。這樣，加壓氣體能夠有助于采出流體通過立管M進(jìn)行提升。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，如果來(lái)自井42的采出流體包含極少氣體的話，提供加壓氣體會(huì)更為有利。在一些情況下，加壓氣體只在采出流體的氣體含量不足以提升采出流體和/或當(dāng)氣體含量降至特定閾值以下時(shí)提供。例如，在井42的操作早期，采出流體會(huì)包含足夠的氣體， 使得無(wú)需額外的加壓氣體。在井42的操作后期，氣體含量會(huì)變低，額外的加壓氣體是有利的或者為提升采出流體所必需。在一些情況下，系統(tǒng)20能夠配置為在不使用額外的加壓氣體的情況下操作，隨后改型以提供加壓氣體。還可以按照其它方式提供用于提升采出流體的額外能量。例如，圖7顯示了另一實(shí)施例，其中，提供泵80以有助于提升采出流體穿過立管M。泵80可以是電動(dòng)潛水泵 (ESP)，泵80可以位于分離器22的容積36中，例如位于下部46中并且位于管狀通道50內(nèi)， 如圖7所示。在其它情況下，泵80可以位于管狀通道50的外面和/或分離器22的容積36 的外面。如果泵80是電氣裝置，例如電動(dòng)潛水泵，電能可以通過從泵80延伸至位于頂部設(shè)施58或者延伸至位于海底40或其他位置的另一電源的電氣連接部82提供。還可以為控制給泵80供電和/或其他方式控制泵80的速度或其它操作設(shè)置控制器86。注意，圖7和 8未顯示分離器22的全部高度。在一些情況下，海底氣液圓柱形旋流分離器或其它分離器 22能夠連接到沉箱上，其可以沉到海底作為假井，形成非常高例如300英尺的分離器。在圖7所示實(shí)施例中，管狀通道50的第一下端52敞開以限定較大的孔口或入口 60a，用于接收來(lái)自分離器22的容積36的下部46的液體。管狀通道50還限定了位于容積 36的上部44中用于接收氣體的多個(gè)較小孔口 60b。泵80適合于將液體從外殼沈的容積 36的下部46穿過管狀通道50進(jìn)行泵送。更特別地，在操作期間，泵80將液體吸入位于管狀通道50的底部處的入口 60a，并且將液體向上朝位于通道50的第二端部M處的出口泵送并且泵入立管M中。分離器22的容積36的上部44中的氣體能夠通過位于容積36的上部44中的孔口 60b進(jìn)入管狀通道50。在圖7所示實(shí)施例中，位于管狀通道50底部的大孔口或入口 60a是限定在容積36的下部46中的唯一孔口。其它較小孔口 60b單獨(dú)限定在容積36的上部44中，用于接收來(lái)自上部44的氣體。通過孔口 60b進(jìn)入管狀通道50的氣體與液體混合并且能夠提供用于使采出流體通過立管M提升的額外提升力。來(lái)自容積36 的上部44的氣體典型地在上部44中的氣體壓力大于立管M中的壓力時(shí)流入管狀通道50 中。如上所述，在操作的所有時(shí)間或者井42的壽命的全部階段可能不需要額外提升。 因此，在一些情況下，泵80能夠僅在特定時(shí)間有選擇地操作，例如，當(dāng)采出流體包含較少量的氣體時(shí)，和/或系統(tǒng)20能夠在沒有泵80的情況下工作并且隨后改型以包括泵80，例如， 在采出流體提供較少氣體或壓力時(shí)的井42的操作后期期間。圖8顯示了另一實(shí)施例，其中，提供所述泵80以有助于通過立管提升采出流體。另外，圖8所示構(gòu)造包括布置在管狀通道50中的噴嘴88。布置在圖8所示泵80的下游的噴嘴88配置為增大液體流過管狀通道50的速度，從而減小位于孔口 60b限定在上部44中的位置90，S卩，管狀通道50配置為接收來(lái)自外殼沈的上部44的氣體的位置90處的噴嘴88 的下游的液體壓力。通過減小位于孔口 60b的位置處的管狀通道50中的液體壓力，氣體會(huì)方便地流入管狀通道50。因此，如果通過管狀通道50輸送的液體壓力增大，例如，通過增加泵80的工作速度，噴嘴88下游的壓力會(huì)減小，使得氣體接收到管狀通道50中。這樣，通過在泵80的速度增大時(shí)增加經(jīng)由立管M輸送的氣體量，系統(tǒng)20會(huì)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。可以為控制流入和流出分離器22的流體流提供閥(未顯示)。另外或者可替換地，管狀通道50能夠在操作之前或操作期間按照一種或更多種方式調(diào)節(jié)。例如，管狀通道 50能夠可調(diào)節(jié)地連接到分離器22的外殼沈上，使得管狀通道50及孔口 60能夠在分離器 22中可調(diào)。孔口 60的尺寸和/或數(shù)量也能夠調(diào)節(jié)，例如通過提供可沿著管狀通道50的軸線可滑動(dòng)調(diào)節(jié)地位于管狀通道50內(nèi)部或外部的套筒實(shí)現(xiàn)，套筒限定可調(diào)節(jié)地與管狀通道 50的孔口 60對(duì)準(zhǔn)的孔口 60以有效調(diào)節(jié)孔口 60的尺寸，液體和氣體能夠通過所述孔口 60 流入管狀通道50中。例如，如圖9所示，管狀通道50固定地位于外殼沈中，套筒92可沿著管狀通道50的軸線可滑動(dòng)地調(diào)節(jié)并且配置為通過致動(dòng)器94沿方向96進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得套筒92能夠有選擇地定位以蓋住或露出各種數(shù)量的孔口 60，從而改變通過孔口 60的流動(dòng)阻力，從而改變穿過孔口 60的壓降。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖10所示，套筒92可圍繞管狀通道50的軸線旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)并且配置為通過致動(dòng)器94沿方向98旋轉(zhuǎn)。進(jìn)一步地，套筒92限定孔口 100，其位置與管狀通道50的孔口 60相對(duì)應(yīng)，使得套筒92能夠旋轉(zhuǎn)以有選擇地蓋住或露出孔口 100的任何部分，從而改變通過孔口 60的流動(dòng)阻力。根據(jù)上文和附圖所給出的教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到本發(fā)明的許多改進(jìn)和其他實(shí)施例。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開的具體實(shí)施例，改進(jìn)和其他實(shí)施例落入所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。盡管這里使用專用術(shù)語(yǔ)，但它們只用于一般性描述而非用于限制。
權(quán)利要求
1.一種基于立管的段塞流控制系統(tǒng)，包括氣液分離器，其包括限定內(nèi)部容積的外殼，和連接至所述外殼并且配置為接收多相流體流并引導(dǎo)流體流進(jìn)入所述外殼的傾斜入口，使得流體在所述容積中成螺旋形流動(dòng)并分離，其中，流體中的氣體聚集在所述容積的上部，流體中的液體聚集在所述容積的下部；和至少部分地延伸穿過所述外殼的內(nèi)部容積的管狀通道，所述管狀通道限定了位于所述容積中的多個(gè)孔口，并且所述管狀通道穿過所述外殼的壁延伸至出口，使得所述管狀通道配置為接收來(lái)自所述容積下部的液體和來(lái)自所述容積上部的氣體并且將液體和氣體的混合物通過所述出口輸送。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述分離器是配置為接收多相流體中的段塞流的氣液圓柱形旋流分離器。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述分離器緊靠海底定位，并且進(jìn)一步包括從所述出口向上延伸的立管，使得所述立管配置為將液體和氣體的混合物從位于海底的分離器向上輸送。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述外殼的內(nèi)部容積通常為圓柱形并限定了豎直延伸的縱向軸線，并且所述管狀通道沿著所述外殼的內(nèi)部容積的縱向軸線延伸。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述管狀通道平行于所述縱向軸線從位于所述容積下部的位置穿過所述外殼的頂側(cè)延伸至出口。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，由所述管狀通道限定的孔口沿著該管狀通道布置在多個(gè)位置，至少一部分孔口布置在所述外殼的容積下部，使得該孔口配置為接收位于所述下部中的液體。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述外殼進(jìn)一步限定氣體入口，其配置為接收進(jìn)入所述容積上部的加壓氣體，從而增大分離器中的氣體壓力。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括適于接收來(lái)自所述外殼的容積下部的液體并且將該液體通過管狀通道泵送的泵，并且其中，所述管狀通道限定了位于所述外殼的容積上部中的多個(gè)孔口，所述孔口配置為接收位于上部的氣體，使得氣體與通過管狀通道泵送的液體混合。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括噴嘴，其布置在所述管狀通道內(nèi)并配置為在接收來(lái)自所述外殼上部的氣體的位置處降低通過所述管狀通道泵送的液體的壓力。
10.一種控制流過立管的流體中的段塞流的方法，該方法包括經(jīng)由連接至分離器外殼的傾斜入口提供進(jìn)入分離器的多相流體流，使得所述流體在所述外殼的內(nèi)部容積中成螺旋形流動(dòng)并且分離，其中，流體中的氣體聚集在所述容積的上部， 流體中的液體聚集在所述容積的下部；經(jīng)由所述容積中的管狀通道限定的多個(gè)孔口，將液體從所述容積的下部且將氣體從所述容積的上部接收進(jìn)入所述管狀通道，并因而使管狀通道中的液體和氣體混合以形成液體和氣體的混合物，該管狀通道至少部分地延伸穿過所述外殼的內(nèi)部容積；和將混合物從管狀通道通過立管輸送至高于分離器的位置。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，提供多相流體流的步驟包括提供多相流中的段塞流，并且其中，接收液體和輸送混合物的步驟增強(qiáng)了流體的液體和氣體的混合，從而減少流體中的段塞流。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括緊靠海底提供所述分離器，和將立管提供為從分離器向上延伸，其中，通過立管輸送混合物包括將液體和氣體的混合物從位于海底的分離器向上輸送至緊靠海面的位置。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括將加壓氣體流輸送到容積上部，從而增大分離器中的氣體壓力。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括將液體從所述外殼的容積下部通過管狀通道進(jìn)行泵送，并且其中，接收步驟包括將氣體經(jīng)由限定在所述外殼的容積上部中的多個(gè)孔口接收進(jìn)入管狀通道，從而使氣體和通過管狀通道泵送的液體混合。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述泵送步驟包括通過布置在管狀通道中的噴嘴泵送液體，從而在配置為接收來(lái)自所述外殼上部的氣體的位置處降低通過管狀通道泵送的液體的壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于立管的段塞流控制系統(tǒng)和控制通過立管流動(dòng)的流體中的段塞流的方法。該系統(tǒng)包括氣液分離器，其具有限定了內(nèi)部容積的外殼。傾斜入口連接至外殼并且配置為接收多相流體流并引導(dǎo)流體流進(jìn)入外殼，使得流體在容積中成螺旋形流動(dòng)并分離，其中，來(lái)自流體的氣體聚集在容積上部，來(lái)自流體的液體聚集在容積下部。至少部分地延伸穿過外殼的內(nèi)部容積的管狀通道限定了多個(gè)孔口。管狀通道配置為接收來(lái)自容積下部的液體和來(lái)自容積上部的氣體，并且將液體和氣體的混合物通過出口輸送。
文檔編號(hào)E21B43/36GK102301091SQ200980155448
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
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