專利名稱：用于多相流體的均質(zhì)化的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流動調(diào)節(jié)裝置，尤其涉及一種在烴(石油和天然氣)的勘探和生產(chǎn)領(lǐng)域中使用的流動調(diào)節(jié)裝置和用于多相流體的均質(zhì)化的裝置及方法。該流動調(diào)節(jié)裝置在多種流體，尤其是多種多相流體的均質(zhì)化(homogenization)和混合中有特別的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
多相流體既包括氣體也包括液體成分，而其中一個例子便是從包含天然氣和石油的混合物的陸上井(onshore)或海底井中提取的井內(nèi)油氣流(well stream)。這樣的混合物可在氣體和液體的成分方面實質(zhì)變化，其可包括被主要的氣體部分分隔開的實質(zhì)未混合的液體的段塞(slug)，以及或多或少均質(zhì)化的部分。這種提取物的自然本質(zhì)的不一致性使其難以處理，特別是在通過抽吸設(shè)備時難以處理(抽吸設(shè)備可以更有效率并且更可靠地處理均質(zhì)化的混合物)。由EP-A-0379319和W090/13859可得知用于均質(zhì)化多相流體的裝置；其中多相流體被供應(yīng)到貯罐中，該多相流體在該貯罐中趨向于分成主要由氣相流體構(gòu)成的本體和主要由液相流體構(gòu)成的液池，本體鄰近液池。該液相流體經(jīng)由出口管路流出貯罐，并且有管道穿過液相流體將氣相流體與出口連通。設(shè)在出口管路中的文丘里式限流管(venturi restriction)產(chǎn)生吸力，以將氣相流體吸入在出口處流動的液相流體。沿著上述管道的長度設(shè)有穿孔，這些穿孔將液相流體吸入氣相流體并且有助于均質(zhì)化進程。在未加工的井內(nèi)油氣流含有砂?；蚱渌腆w時，這些已知的多相流體均質(zhì)化裝置會發(fā)生問題。該裝置因此而必須設(shè)計有大流動面積，以免固體在狹窄的部分積聚并阻止流動或阻塞裝置。這種積聚嚴重降低已知裝置的效率，并能完全阻止已知裝置的工作。在這些已知的均質(zhì)化裝置中，混合物中的氣液相對比值即氣體體積分數(shù)(GVF)直接與貯罐中液體的液位相關(guān)，其中GVF越高，則液體液位越低。此關(guān)系決定了裝置的最佳操作包線(operating envelope) 0通過選擇出口中分別用于液流和氣流的合適流動面積，可使得裝置適于與合適的數(shù)量和穿孔尺寸的管道結(jié)合。對于高GVF應(yīng)用而言，需要使液體流出率(且因此還有出口管的截面積)很小，并使得管道中的穿孔的尺寸減少或數(shù)量減少、或者尺寸與數(shù)量同時減少。然而如果液體流動面積過小，則更容易因固體而發(fā)生堵塞。因此， 取決于流體中固體顆粒的尺寸和數(shù)量，存在實際的限制值；在該限制值以下，即不能減小液體流動面積而不嚴重損壞裝置的性能。在用于液流清除的天然氣和石油的應(yīng)用中，典型的下限值是大約5mm，而若使用大約5-30mm直徑的穿孔管，則這等同于90-98%的最大GVF，相當(dāng)于10-50的最大氣液比(GLR)。結(jié)果，基本上很難為GLR在10-50以上的最佳操作設(shè)計出已知的均質(zhì)化裝置。這點示于在圖2中。具有非常高的氣體體積分數(shù)(GVF)的多相混合物被稱為凝析油(condensate)或 “濕氣(Wet fes)”;濕氣是一個地質(zhì)學(xué)術(shù)語，用于指烴的氣體混合物，該混合物包含大量的分子量大于甲烷的化合物。這種濕氣流體典型地擁有接近95%以上的GVF，相當(dāng)于氣液比 (GLR)在20以上。典型地，這種流體也包含其他的非烴化合物如二氧化碳、硫化氫、氮、氧和水。提供如下裝置將是有益的該裝置能夠有效地處理高GVF的多相流體流如濕氣流，而不易因在流動中的固體顆粒而阻塞。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方案，提供一種用于多相流體的均質(zhì)化的裝置；該流體至少包括第一相和第二相，氣相和液相；該裝置包括與外部容器流體連通的內(nèi)部貯罐；該內(nèi)部貯罐包括入口、出口以及至少一個開口，其中入口用于多相流體，用于流出第一相的出口具有比本體更小的截面積，至少一個開口進入外部容器以使第二相流出，該開口與第一相的出口隔開，其中該外部容器具有出口管路，出口管路具有頸部，該頸部至少部分地圍繞該內(nèi)部貯罐的出口。根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供一種用于將多相流體均質(zhì)化的方法，包括以下步驟 通過入口將多相流體提供至內(nèi)部貯罐，該內(nèi)部貯罐至少部分地被外部容器包圍；允許多相流體的各相在內(nèi)部貯罐中至少部分地被分隔；并且經(jīng)由包括文丘里管的出口使流體的出口流從內(nèi)部貯罐排出，使得流體通過外部容器進入出口流?？蓮臍怏w本體通過位于貯罐頂部的一個或多個開口來抽取氣體成分，該貯罐與外部容器連通，該外部容器可至少部分地包圍內(nèi)部貯罐。也可包括有內(nèi)部的分隔部。也可將一些液體設(shè)置成與來自貯罐的氣體一起流入外部容器以實現(xiàn)文丘里效應(yīng)。 從氣體本體抽取的氣體成分的量或比例與液體液位成反比，并且因此作為液體液位的函數(shù)隨液體液位升高、更多的穿孔浸沒在液體中而減少。這起到自動調(diào)節(jié)氣體體積分數(shù)的作用。


以下將參考附圖，以示例方式進一步描述本發(fā)明，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的混合均質(zhì)化裝置的一個實施例的示意性剖視圖；圖2以圖形方式示出現(xiàn)有技術(shù)的裝置中的液體液位與在流體輸出中的氣體體積分數(shù)(GVF)之間的典型關(guān)系；圖3以圖形方式示出本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點；而圖4是根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二實施例的示意性剖視圖。
具體實施例方式圖1的裝置包括外部的容器10 ；容器10呈基本上豎直的圓柱形，除了將要描述的流體入口和出口之外，該容器的內(nèi)部是封閉的。內(nèi)部的貯槽20被置于容器10之內(nèi)并且(在示出的實施例中)與容器10同軸。在容器10和貯槽20的圓柱形側(cè)壁的上部區(qū)域，設(shè)有軸向的入口 12;入口 12將多相流體以(氣體與液體的)總流速Q(mào)T從流體源(未示出)帶入內(nèi)部貯槽20之內(nèi)。貯槽20 內(nèi)的液體趨向于分離成不同的相，其中液體聚集在深度為h的液池30中，而氣體聚集在與液池30鄰近且位于液池30之上的本體40中。在這種具有圓柱形的內(nèi)部貯槽20和徑向或軸向的入口的結(jié)構(gòu)中，分離是由重力引起的。一種替代的結(jié)構(gòu)設(shè)有圓錐形的內(nèi)部貯槽20和正切的入口，并在此情況下通過重力之外的產(chǎn)生旋流分離效果(cyclonic separation)的離心力而分離。對于這兩種結(jié)構(gòu)而言，豎直向下穿過貯槽的流動(其中出口位于低端)是常規(guī)的方向。然而，如圖4所示的在上端設(shè)有出口的“上下顛倒”方向也是可能的并且將在之后描述。在貯槽20的頂部22設(shè)有多個氣體出口 21 ；這些氣體出口 21與外部容器10連通， 并且允許氣體從貯槽20中的氣體本體40以流速Q(mào)G流到容器10的上部。氣體和液體也分別以流速Q(mào)PG和QPL穿過內(nèi)部貯槽20的側(cè)面的穿孔23流出，進入容器10中。所述均質(zhì)化裝置包括流體噴射器27 ；液體和氣體在流體噴射器27處混合，此噴射器包括處于內(nèi)部貯槽20的底部中心的液體出口 15和容器10的出口管路的頸部25。頸部 25通常稍處于液體出口 15的下游，但這不是必須的。液體出口 15的直徑為DL，其以流速 QL將液體L排放到頸部25中的氣流QG內(nèi)。頸部25被擠壓成其最窄處的直徑為DG，直徑 DG小于下游的出口管路沈的直徑DT。優(yōu)選的DG/DL比值取決于應(yīng)用，并被選定用以獲得合適的流動混合器特性，如參照圖2更詳細地說明的。噴射器27的尺寸的典型例子可以是頸部25的直徑DG為150mm，而液體出口 15 的直徑為10mm，因此比值DG/DL為15。通常，對于石油和天然氣的生產(chǎn)應(yīng)用而言，直徑DG 可在20-300mm之間，而直徑DL可在5mm和(DG-10)mm之間，這樣給出的比值DG/DL在1. 03 和60之間。典型地，高于2. 5的DG/DL比值對于濕氣(高GVF)應(yīng)用是最合適的。由于出口管路沈的頸部25比出口管路沈窄，在氣體與液體匯合的噴射器27中產(chǎn)生文丘里效應(yīng)。這造成流體流量更大和壓力減小，由此在文丘里管延伸的下游形成湍流剪切層(turbulent shear layer)，并提供了一種氣液相混合從而形成均質(zhì)化多相流體的有效方式，該均質(zhì)化多相流體以流速Q(mào)T流出出口管路26。不同的下游裝置如多相泵(multiphase pump)或者多相流量計(multiphase flow meter)得益于上述的混合過程，因為通常需要混合良好的流體以實現(xiàn)多相裝置的最佳性能。例如，除非上游的流體混合良好，否則即使設(shè)置用于將多相流分成兩股或多股同等流體的管道也非常不可能正常地工作。如果進入裝置的多相流體已經(jīng)均質(zhì)化或者接近于均質(zhì)化，則混合流體將隨后通過出口管路沈，經(jīng)由內(nèi)部貯槽出口 15和外部容器出口被排出。采集流由高于下游壓力的儲層壓力(reservoir pressure)來驅(qū)動。采樣口的目的是分別采集富液流體和富氣流體的樣本。這些流體樣本被小心地采樣到保持操作壓力和溫度的采樣瓶。采樣操作通常使用遠程操作貯槽(Remotely Operated Vessel, R0V)來執(zhí)行，并且采樣瓶(一種采樣瓶裝有富液流體而另一種采樣瓶裝有富氣流體)將被帶到地面并進而帶到實驗室，在實驗室中對流體就其成分和特性，特別是水油比或者液相的含水率(water cut)進行分析。這在多種井內(nèi)油氣流在海底結(jié)合并經(jīng)由單一的管線被發(fā)送到頂層(topside)時特別有用。頂層樣本(topside sample)因此將僅代表全部結(jié)合后的流體，而不能提供來自個別的井內(nèi)油氣流的信息。相反，位于管匯(manifold)上游的海底采樣單元將能夠提供來自個別的井的有代表性的流體樣本。對于不但獲得水的含鹽量，并且還獲得其他流體成分如硫等(這些成分影響流量計的校準系數(shù))而言，與多相流量計進行組合可能是特別有用的。
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精確的多相流測量值取決于對油、水和氣各相特性的非常精準的描述。通常需要各相的密度、質(zhì)量衰減和/或個別相的電特性，并且這些特性將會受不同成分如水的鹽含量及油的硫含量之類的影響。濕氣測量值對于氣體的特性也將是特別敏感的。作為對多相流量計的補充或者在某些情況下作為多相流量計的替換，可使用海底采樣裝置，以特別在濕氣條件下(在此條件下難以由多相流量計獲得精確的測量值)探測水突破(water break through)禾口獲得含水率。在某些情況下，可單獨使用海底采樣來探測標識出有效生產(chǎn)區(qū)段(active production zone)的化學(xué)示蹤劑(chemical tracer)或者簡單地獲得(流速之外的)流體特性以更好的描述儲層及其流體。海底采樣過程涉及大量設(shè)備、資源和成本。由于多相流的混亂和不可預(yù)測性，獲得不同流體相的有代表性的樣本因缺乏適當(dāng)?shù)牟蓸友b置而失敗的風(fēng)險過去通常很高。由閥60控制的采樣出口 50被設(shè)置用于對外部容器中的流體的富氣流SG進行采樣。為了對貯槽20內(nèi)的液池30中的富液流SL進行采樣，設(shè)置由閥61控制的采樣出口 51。 以這種方式對流體的各相進行采樣，允許緊密地監(jiān)控該過程，并能夠進行更好和更精確的控制。例如，可針對特殊的條件調(diào)整流動以取得最佳特性。圖4示出本發(fā)明的另一實施例，其中裝置被實質(zhì)上“上下顛倒”。為便于參照，相同特征的附圖標記以“4”作為開頭。因此，外部的容器410設(shè)有內(nèi)部的貯槽420、用于多相流體的入口 412、及流體噴射器427，在噴射器427中液相和氣相混合。如同圖1的第一實施例中那樣，多相流體分成不同的相，其中液體在液池430中聚集至深度h，而氣體處于在液池430之上的本體440中。 在本實施例中，出口 421在貯槽420的底部并允許液體從液池430以流速Q(mào)L流入容器410。 內(nèi)部貯槽430的側(cè)表面中的穿孔423允許氣體和液體流出內(nèi)部貯槽420。噴射器427包括內(nèi)部出口 415，內(nèi)部出口 415進入容器410的頸部425之內(nèi)?？煽闯霰緦嵤├袣怏w和液體流實質(zhì)上顛倒了 ；其中，氣體主要從內(nèi)部貯槽420通過內(nèi)部出口 415流動；而液體流出出口 421和穿孔423，并經(jīng)由頸部425穿過噴射器427。在本實施例中由閥461控制的液體采樣出口 451從外部容器410伸出，而由閥460 控制的氣體采樣出口 450從內(nèi)部貯槽420伸出。本發(fā)明通過將單元設(shè)計成具有小的液氣面積比，而不損害液體流路徑中用以避免顆粒阻塞的最小空隙的需求，來取得能夠?qū)?yīng)于相對高的氣體體積分數(shù)(GVF)設(shè)計均質(zhì)化裝置的效果。為了證明本發(fā)明相比于已知的均質(zhì)化裝置的額外益處，將通過氣液比(GLR)而不是氣體體積分數(shù)(GVF)來表達體積氣體流量(volumetric gas flow rate)的相對量。然而這兩個術(shù)語是相關(guān)的，如以下公式所描述的。在下列公式中應(yīng)注意，直徑DG和DL取自相同的平面。公式
權(quán)利要求
1.一種用于多相流體的均質(zhì)化的裝置；所述流體至少包括第一相和第二相，所述第一相和所述第二相包括氣相和液相；所述裝置包括與外部容器(10)流體連通的內(nèi)部貯罐00)；所述內(nèi)部貯罐00)包括入口(12)、出口(15)以及至少一個開口，所述入口(12)用于多相流體，所述出口(15)具有比本體更小的用于流出第一相的截面積，所述開口進入所述外部容器以使所述第二相流出，所述開口與所述第一相的出口隔開；其中，所述外部容器(10)具有出口管路(沈)，所述出口管路06)具有頸部(25)，所述頸部至少部分地圍繞所述內(nèi)部貯罐的出口(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述內(nèi)部貯罐OO)包括圓錐形的貯槽00)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，所述出口(1 和所述管路06)在使用中處于所述裝置的底部；并且其中，所述第一相是液相而所述第二相是氣相。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，所述出口(1 和所述管路06)在使用中處于所述裝置的頂部；并且其中，所述第一相是氣相而所述第二相是液相。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的裝置，其中，所述內(nèi)部貯罐OO)中的多相流體的入口 (12)相對于圓錐形的所述貯槽OO)沿徑向被定向。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述多相流體的入口(1 與所述內(nèi)部貯罐的出口 (15)隔開。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述頸部0 的直徑(DG)與所述內(nèi)部貯罐的出口(15)的直徑(DL)的比值高于2. 5。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述比值(DG/DL)介于5與60之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述比值(DG/DL)介于10與30之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述比值(DG/DL)約為15。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述內(nèi)部貯罐OO)包括用于使所述流體從所述內(nèi)部貯罐OO)進入所述外部容器(10)的多個開01、23)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，至少一個開口處于所述內(nèi)部貯罐OO)的與所述內(nèi)部貯罐的出口(15)相對的端部。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的裝置，其中，至少一個開口03)處于所述內(nèi)部貯罐 (20)的介于所述內(nèi)部貯罐OO)的兩端之間的側(cè)面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，包括處于所述內(nèi)部貯罐OO)的側(cè)面上的多個開口 (23)。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述頸部包括出口07)中的文丘里管(25)。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，包括用以對所述外部容器(10)中的流體進行采樣的裝置。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，包括用以對所述內(nèi)部貯罐OO)中的流體進行采樣的裝置。
18.一種用于多相流體的均質(zhì)化的裝置，實質(zhì)上如之前參照附圖中的圖1、圖2、圖3或圖4所描述的。
19.一種用于將多相流體均質(zhì)化的方法，包括以下步驟通過入口(1 將多相流體提供至內(nèi)部貯罐(20)，所述內(nèi)部貯罐00)至少部分地被外部容器(10)包圍；允許所述多相流體的各相在所述內(nèi)部貯罐00)中至少部分地被分隔；并且經(jīng)由包括文丘里管的出口(1 使流體的出口流從所述內(nèi)部貯罐00)排出，使得流體通過所述外部容器進入所述出口流。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述內(nèi)部貯罐00)包括圓錐形的貯槽，并且通過相對于所述貯罐OO)沿徑向被定向的所述入口(1 來提供所述多相流體。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的方法，其中，所述外部容器的出口07)對所述內(nèi)部貯罐OO)的出口(15)的比值設(shè)置為介于10與30之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求19、20或21所述的方法，包括對所述外部容器中的流體進行采樣。
23.根據(jù)權(quán)利要求19、20、21或22所述的方法，包括對所述內(nèi)部貯罐QO)中的流體進行采樣。
24.一種用于將多相流體均質(zhì)化的方法，實質(zhì)上如之前參照附圖中的圖1、圖2、圖3或圖4所描述的。
全文摘要
提供一種用于多相流體的均質(zhì)化的裝置及方法；該流體至少包括第一相和第二相即氣相和液相；該裝置包括流體連通的內(nèi)部貯罐和外部容器；該內(nèi)部貯罐包括用于多相流體的入口、具有比本體更小的用于流出第一相的截面積的出口、及進入外部容器以使第二相流出的至少一個開口，該開口與第一相出口隔開，其中該外部容器具有設(shè)有頸部的入口管路，該頸部至少部分地圍繞該內(nèi)部貯罐的出口。本發(fā)明能夠使得多相流體良好地混合。
文檔編號B42F13/40GK102430354SQ20111027026
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月6日
發(fā)明者伯恩特·黑爾格·托基爾德森 申請人:法默工程公司