用于稳定在竖直管道内的气体/液体流动的方法和设备与流程

本申请要求于2017年3月27日提交的美国申请no.15/469，906的权益，其通过引用并入本文。

发明背景

发明的技术领域

本发明涉及一种用于稳定在竖直管道内的气体/液体流动的方法和设备。

相关技术描述

越来越多的气井面临着积液问题的挑战。当凝析物/地层液体不能通过下降的储层压力和生产管道(油管)被提升时，这些井就被关闭或暂停。气井寿命一般为20年左右。在此期间，储层压力从原始的储层压力(对于khuff(胡夫)是大约7500和对于pre-khuff(前胡夫)储层是8500psi)下降到3000psi或更低。一旦储层压力下降至大约3000psi或更低，除了液体流入量的增加之外，在没有额外压缩的情况下，井不再能够抵抗当前的流线压力来生产，而且必须关井，使有价值的碳氢化合物留在原位。

油和气生产产业包括数百的气生产井，其中很多因积液现象而具有已知的生产问题。据估计，在未来几年内，有问题的井的数量将大幅增加。在1990年代和2000年代早期，大多数气井都采用了标准化的方法，使得标准完井的生产管道的直径为4-1/2英寸或5-1/2英寸。

气井积液是一个非常重要的课题。减轻积液转变为对老化气井生产的大幅改进。在气井中，天然气、凝析物和水是同时生产的。

在井寿命的早期阶段，气体流量(流速)高到足以将凝析液一直提升到地平面。在这些情况下，流动状态为环形，其中气体在管件的芯中连续流动，液体作为夹带的液滴在由壁上的液体膜包围的芯中流动。

随着气井到期，产生的气体流量和压力减小，液体提升能力降低，并且开始了所谓的积液。液体开始在井底积聚，并且流动模式由环形向间歇的和非稳定搅拌流动状态转变。积聚的液体妨碍烃的生产。

目前，在生产井中，用于再激励产出液向上流动的最常见的常规方法是通过在井中在适当高度处以高压注入气体来增加现有生产管道中的流量。这种技术被广泛称为“人工提升”并被广泛用于将气体从具有降低的流动压力的井中抽出。在油和气生产产业中，用于抽吸低压井的其他常规的方法包括使用井下柱塞或杆式泵和注入化学品，以改变液相的性质(密度和粘度)并促进气体生产。

或者，用于再激励由于积液阻塞的气井可用于气体生产产业的商业解决方案是所谓的“速度管柱”(斯伦贝谢)。速度管柱仅是具有较小直径的生产管道，其是在修井过程中安装在井中的初始井管道，从“产油区”的井底一直向上延伸到井口。一旦安装速度管柱，井管道与速度管柱外壁之间的环形空间闭合，并且井产品通过速度管柱流动。通过小直径管道生产出的生产流动，提高了气体的流动速度，并且可以被夹带的液体从井向上，从而消除了积液的问题。

更具体地说，用于缓解气井中的积液问题的当前的一个技术是通过在4-1/2英寸或5-1/2英寸的生产管道的内部插入连续管道(挠性管道)。该连续管道也被称为“速度管柱”。与生产规模(尺寸)管道的生产率相比，这种技术以非常低的生产率为代价，通常为0.5到9mmscfd，来帮助提升气体。4-1/2英寸3.5生产衬管生产35mmscfd；在相同的储层压力下，5-1/2英寸的生产衬管产生5到45mmscfd(见图10)。

油和气生产产业中的工程师们使用井性能、设计和优化软件prosper(petroleumexpertsinc.)对井配置进行建模。工程师们用prosper来预测用于不同油井设计的管道和管线水力学。图10示出了来自具有5-1/2英寸的管道，4-1/2英寸的管道，和2-7/8英寸连续管道直径的速度管柱的典型气井的生产流量。

对于减轻在气井中积液问题的已知的尝仍有改进的余地。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于稳定在竖直管道内的气体/液体流动的方法和设备。

在一个实施方式中，提供了用于输送由气液流体组成的流动的两相流体混合物的竖直生产管道。该管道具有内表面以及上游端和下游端。管道包括沿结构支撑管定位在管道中的一个或多个流动稳定装置。该一个或多个流动稳定装置被配置和尺寸设置成加速管道中流动的两相流体混合物的速度，以维持向上的液体流动。一个或多个流动稳定装置中的至少一个包括：面向上游的第一部分，其中第一部分的远端形成面向上游的第一顶点；面向下游的第二部分，其中第二部分的远端形成面向下游的第二顶点；从第一顶点延伸通过第二顶点的通道。结构支撑管直接附接到第二顶点并从第二顶点轴向延伸，其中结构支撑管完全设置在管内。流动稳定装置中的每个均尺寸设置成和配置成使得流动稳定装置的外表面不接触管道的相邻内壁，其中第一部分的外表面形成固体表面，该固体表面配置为阻挡和偏转流动的两相流体混合物的路径；其中，混合物的第一部分流动通过通道；而且其中混合物的第二部分围绕流动稳定装置流动。

在一个实施方式中，提供了定位于竖直的生产管道中的流动稳定装置，以维持向上的液体流动。该流动稳定装置包括：面向上游的第一部分，其中第一部分的远端形成面向上游的第一顶点；面向下游的第二部分，其中第二部分的远端形成面向下游的第二顶点；从第一个顶点延伸通过第二个顶点的通道。结构支撑管直接附接到第二顶点并从第二顶点轴向延伸，其中结构支撑管完全设置在管内，而且其中，流动稳定装置中的每个均尺寸设置成和配置成使得流动稳定装置的外表面不接触管道的相邻内壁，其中第一部分的外表面形成固体表面，该固体表面配置为阻挡和偏转流动的两相流体混合物的路径；其中，混合物的第一部分流动通过通道；而且其中混合物的第二部分围绕流动稳定装置流动。

在一个实施方式中，提供了一种加速在竖直生产管道内的气体/液体流动速度的方法，其中管道内具有内表面。该方法包括：提供沿结构支撑管中央地定位在管道中的流动稳定装置，其中结构支撑管完全设置在管道内；该流动稳定装置包括配置成和尺寸设置成用以接收一部分气体/液体流动的中央通道，并且其中一部分气体/液体流动引导到流动稳定装置周围；其中，流动稳定装置被定尺寸和配置成使得流动稳定装置的外表面不接触管道的相邻内壁。

根据本发明的方法利用双锥流动稳定装置，以防止气提生产井的壁上的液膜反转。根据本发明的装置用于局部修改井中的气相速度，使得形成在壁处的液膜保持稳定，并且避免反向液体流动。该方法还允许在井生产流动的一部分中的压力控制，以优化流动稳定装置的效率。该流动稳定装置可以使用标准修井或干预程序安装在老化产气井中。

虽然本发明主要针对的是具有直径为4-1/2英寸和5-1/2英寸的生产管道的井，但本发明也适用于较大直径的生产井。

用于安装根据本发明的流动稳定装置的较好选择是khuff和pre-khuff储层的气井。这些气井是12,000到17,000英尺深。储层压力范围从3500到9000psi，温度从250到350华氏度变化。

根据本发明的方法利用在连续管道上安装井下设备或使用修井机的步骤，取决于每个单元的操作能力。安装配置必须安全、成本最优、可再生以及可靠。

本发明通过促进稳定的流动状态以及气相和液相的运输，延长了生产井的寿命；因此，稳定了流动。

本发明的技术方案是通过结合一个或多个流动稳定装置，维持期望的两相环形流动状态，以将液体和气体向上输送到井的内部。由于它的收敛-发散几何形状，流动稳定装置增加了气相速度，同时保持液相以薄膜的形式在井的内壁上被运输。这就避免了产气井中的积液问题，延长了它的寿命，增加了它的累积气体生产，并且回收了凝析液。流动稳定装置配置可以设计为在井内需要额外的动量来维持向上的液膜流动的关键位置处加速流动。在生产井的寿命中，通过在支撑中心管下滑动附加的锥形插入件，并将流动稳定装置单元锁定在井中选定的深度处，可以改进流动稳定装置配置。

附图说明

本发明将在下文另外的细节中以及参照附图描述，其中相同或相似的元件是由相同的参考数字指示，在附图中：

图1为竖直井管道的纵向截面图，本发明的流动稳定装置定位在其内部；

图2是图1的2–2部分的放大图，示意性地示出了根据本发明的实施方式，在竖直的井管道内部，在通过流动稳定装置的中心的富含气体流动和在流动稳定装置周围的气体/液体环形流动之间的上升的气体/液体流动的分裂；

图3a、3b和3c示出了用于调整流动稳定装置的直径的内部机构的可替代实施方式；

图4示出了用于使流动稳定装置定心的现有非焊接弓性弹簧扶正器；

图5a和5b示出了可替代的实施方式，其中一个或多个开口定位在流动稳定装置的侧壁中；

图6a、图6b、图6c和图6d分别是流动稳定装置的一个实施方式的一系列的后透视图、侧透视图、后视图和前视图；

图7是定位于竖直井管道内的流动稳定装置的纵向侧视图，并标注有参考尺寸；

图8a是本发明的流动稳定装置另一实施方式的纵向截面图；

图8b是本发明的流动稳定装置另一实施方式的纵断截面图；

图9a、图9b和图9c是在流体流动模拟测试中使用的各种几何形状的示意图；

图10是提供在41/2英寸产气井内使用图6a、图6b和图6c中所示几何图形进行的比较计算流体动力学研究的几何数据的表格；

图11a、图11b和图11c是使用图6a、图6b和图6c中所示几何图形的流体流动模拟结果的示意图，并且示出了由流动稳定装置引起的液膜稳定效果；

图12是提供使用图9a、图9b和图9c中所示的几何图形计算流体动力学结果的表格，并且示出了通过流动稳定装置的气体生产改进；

图13是比较管尺寸变化与产气量的曲线图。

具体实施方式

本发明的目的是通过在管件中结合一个或多个流动稳定装置配置来产生或维持所需的两相环形流动状态，以将液体和气体向上输送到圆形截面竖直管件内部。本发明的流动稳定装置配置在需要额外的动量来维持向上的液体流动的关键位置处对于加速竖直管件中的流动的目的是有用的。流动稳定装置配置可以应用于生产柱(塔器)，有积液问题的天然气生产井，以提高气井中的升液能力。

图1和图2示出了竖直井管道40的纵向截面视图，本发明的流动稳定装置20定位在其内部。在井管道40的上游端的内部，存在上升的气体/液体流动f，并且由接入产生气体、凝析液和水的混合物31的储层30引起。流动稳定装置20包括第一部分21，该第一部分定位成朝向终止于第一顶点22的上游端。流动稳定装置包括第二部分23，该第二部分定位成朝向终止于第二顶点24的下游端。第一部分21和第二部分23沿着交叉点25连结。在优选实施方式中，第一部分21和第二部分23是成锥形的形状的，但是可以使用其他形状。中央通道从第一顶点22延伸通过第二顶点23。结构支撑管10直接附接到第二顶点24。优选地，中央通道的直径与结构支撑管10是基本相等的。

由于它的收敛-发散几何形状，流动稳定装置20增加了气体流动速度，其增加了向液相的动量传递。该动量传递通过调整流动加速比γ而改变：

其中在流动稳定装置的喉部处，呈现给流体流动的截面面积最小。

流动加速比γ最好应在范围：

1.2≤γ≤5(2)

为使流动稳定装置表现出竖直气体-液体流动的稳定性。最佳加速比γ取决于气相和液相的物理性质和流动状态。

稳定流动装置直径比δ：

其中对于流动稳定装置应在从0到2/3范围内，以产生到竖直柱中的流动截面面积的所需的堵塞。

流动稳定装置20由支撑中心管10支撑并在生产柱内部保持就位。流动稳定装置支撑管10的直径dt优选在以下范围之间：

0.2英寸<dt<0.5英寸(4)

对于使用4-1/2英寸或5-1/2英寸直径的生产管道完成的典型产气井，优选直径1英寸或更大的支撑管10，因为它作为标准的连续管道商业可用，其为制造和安装流动稳定装置20提供了较低成本的选择。

流动稳定装置20优选地由刚性耐腐蚀材料制造。该材料可以是金属、袖带金属或非金属。使用气动、液压或电气机构来调整流动稳定装置20的竖直位置，并将流动稳定装置的位置固定在生产柱40内的期望高度处。

在流动稳定装置的另一个实施方式中，环形通道或喉道的截面面积通过向上/向下滑动机构可调整，以改变dh1，并且因此根据需要通过流动条件来控制动量和液体夹带。例如，运动致动器可以通过电气、液压或气动操作进行操作。

例如，图3a示出了通过连接件51连结到附接元件52的运动致动器50。附接元件52连结到流动稳定装置的内表面。运动致动器50控制附接元件52沿着方向53的运动。因此，交叉点25的位置可以由运动致动器控制，其中交叉点25可以是在两个刚性臂的交叉点处的铰接或柔性连接点。在本实施方式中，两组或更多组的刚性臂沿流动稳定装置的内表面径向对称分布，以创建用于调整流动稳定装置的直径的框架。

在流动稳定装置的另一个实施方式中，流动稳定装置的外表面是柔性的，允许通过内部机构调整喉部间隙来改变dh1，并且因此根据需要通过流动条件来控制动量和液体夹带。例如，图3b示出了通过连接件61连结到附接元件62的运动致动器60。附接元件62连结到流动稳定装置的内表面。运动致动器60控制附接元件62沿着方向63的运动。因此，交叉点25的位置可以由运动致动器控制。在本实施方式中，两组或更多组的附接元件63沿流动稳定装置的内表面径向对称分布，以创建用于调整流动稳定装置的直径的框架。

在流动稳定装置的另一个实施方式中，图3c示出了通过连接件71连结到附接元件72的运动致动器70。致动器70和附接元件72通过刚性臂分别连接到流动稳定装置的内表面。运动致动器70控制附接元件72沿着方向73的运动，其又控制刚性臂的位置。因此，交叉点25的位置可以由运动致动器控制。在本实施方式中，两组或更多组的刚性臂沿流动稳定装置的内表面径向对称分布，以创建用于调整流动稳定装置的直径的框架。

参考图3a-3c，从实线所示位置开始可以调整流动稳定装置的直径，可替代的位置在起始位置的任意一侧用虚线表示。应该理解的是，所示的各个位置仅是示例性的，并且任何替代位置都可以根据运动致动器的配置来实现。在另一个实施方式中，柔性环可以形成交叉点25的框架，以便保持流动稳定装置的最外直径的一般圆形截面。

流动稳定装置可以被定心在生产柱40中，通过任何方式诸如位于流动稳定装置支撑管10上的定心机械装置，或通过附接到形成流动稳定装置的一些锥形插入件的肋或定心小翼。例如，图4示出了用于定心流动稳定装置的现有技术非焊接弓性弹簧扶正器。

在另一个实施方式中，流动稳定装置20结合已知的压力控制装置(图中未示出)使用以将柱内上升的流动分裂为通过在图2中具有直径dt的流动稳定装置的第一顶点22处形成的开口处的中央管的富含气体流动f1，和在流动稳定装置周围的气体液体环形流动f2。压力控制装置可以是能够在生产柱顶部或井口在中心管和环形流动段之间保持恒定的静压差的任何现有技术系统。该实施方式称为中空流动稳定装置或hfsd。hfsd的可预见的优势是通过不断调整静压差来最大化总产气量，来优化生产过程。

在另一个实施方式中，如图5a和5b所示，流动稳定装置与能够通过结构支撑管10将气体或液体28注入到生产柱内的加压系统结合使用以帮助稳定在生产柱40的壁处的液膜。在本实施方式中，流动稳定装置可以装配有孔或槽26，其分布在支撑它们的中央管内的锥形插入件上方或锥形插入件的任何部位上。本实施方式称为注射流动稳定装置或ifsd。ifsd的预见优势是借助于加压气体喷射(增加气体提升作用，导致在柱壁处的增强的液膜稳定)和/或化学添加剂喷射(低剂量液膜稳定剂或增稠剂或表面活性剂)来辅助的流动稳定作用。在本实施方式中，塞(插头、栓)27定位在流动稳定装置的第一顶点22处，以引导注入的气体或液体通过开口26。

图6示出了流动稳定装置的实施方式的不同视图。

图7是位于竖直井管内并标注有参考尺寸的流动稳定装置的纵向侧视图。流动稳定装置的实际尺寸将取决于现有的管道尺寸，并将特别地选择以容纳生产衬里。在油和气工业中，适用于本发明的管道尺寸范围广泛。例如，对于油和气生产的标准生产管道尺寸范围从小如1/2英寸到大如51/4英寸或更大。

在替代实施方式中，流动稳定装置由沿它们的支撑中心管10布置的多于两个的锥形插入件组成。图8a和8b示出了这样的实施方式的两个非限制示例。

如图9-图12所示，发明人已经进行了计算流体动力学(cfd)模拟工作以便证明本发明的流动稳定装置的有效性以及来优化流动稳定装置，该流动稳定装置设计的目的为对于实际应用关注的流量和气体体积分数(gvf)的范围内，在生产柱的内壁稳定液膜。

在第一阶段，发明人的研究工作的目标是建立在开口的管状的(见图9c)和装配有速度管柱(见图9b)的相同的管状的配置中的环形竖直两相流动模型以便了解这些几何图形中不同的流动结构，并建立一组量化现有技术性能的参考数据点。根据图9b，连续管道速度管柱是插入生产管道下以将生产气体速度提高到提升液体和卸负载气井所需的临界速度之上的较小直径的管。然后，根据利用本发明的“反向文丘里”或流动稳定装置(见图9a)运行cfd模型，以评估其对环形流动状态的影响，并与参考数据集进行流动特性比较。用cfd测试的三种几何图形如图9a(附接到支撑管的流动稳定装置)、图9b(速度管柱)和图9c(开口的管状的配置)所示。

通常情况下，井内气体生产是在环形气体液体流动状态下操作的。随着气体流量的减小，发生不稳定的环形流动状态。图10、图11和图12示出了在41/2英寸管道内生产具有1％容积凝析的气体的比较cfd案例研究的主要结果。在本实例中，模型化两相流动环形状态相继地在开口管道(见图9c)内，连续管道速度管柱(见图9b)和安装在连续管道上的流动稳定装置(见图9a)，这些几何图形具有图10所示的表格报告的尺寸，其中竖直管道长度为20米。在每种情况下选择流动条件以获得环形流动状态。然而，在速度管柱和流动稳定装置实验中选择了相同的平均气体速度，以便获得图12的表格所示的对比结果。

图11a、图11b和图11c中所示的图示出了液膜厚度。在速度管柱情况下，在图11b中示出，流动状态在井下区域中最初是搅拌-混乱的，然后过渡到环形的。

图12显示了计算的平均产气速度和对应的压力损失系数，从而提供本发明优于速度管柱技术(见图9b)的证据。图12中，排放系数c限定为实际流量与理想流量之比，其被计算为：

流动稳定装置通过增加通过在截面流动面积中的微小减小部的气体流速，来扩大气井的可操作性范围，而且在稳定的环形流动状态下操作井，从而稳定环形膜，防止膜反转。逆文丘里几何形状的逐渐限制由于流动稳定装置而使压降最小化，并优化流动稳定装置的下游的压力恢复。由于通过流动稳定装置的几何形状实现的压力恢复，流动稳定装置的优点是能够维持较高的流速。逆文丘里几何形状的逐渐限制由于流动稳定装置而使压降最小化，并优化流动稳定装置的下游的压力恢复。规定通过流动稳定装置，或与具有hfsd的中心管结合的对于流动可用的环形面积，以实现环形流动状态和稳定的液膜。例如，配置有流动稳定装置的41/2英寸管道井与维持等同的环形流动状态的连续管道速度管柱相比允许气体产量增长400％，如在图9-12中给出的实例所示。

在上面和附图中已经描述了本发明的方法和设备；然而，对于该技术领域中普通技能的那些人来说，修改将是显而易见的，并且对于本发明的保护范围将由以下权利要求来限定。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种定位在竖直生产管道(40)中以维持向上液体流动的流动稳定装置(20)，所述流动稳定装置包括：

面向上游的第一部分(21)，其中所述第一部分的远端形成面向上游的第一顶点(22)；

面向下游的第二部分(23)，其中所述第二部分的远端形成面向下游的第二顶点(24)；

通道，从所述第一顶点延伸通过所述第二顶点；

其特征在于，结构支撑管(10)直接附接至所述第二顶点并且从所述第二顶点轴向地延伸，其中所述结构支撑管完全设置在管道(40)内；以及

所述流动稳定装置尺寸设置成和配置成使得所述流动稳定装置(20)的外表面不接触管道(40)的相邻内壁，其中，所述第一部分(21)的外表面形成固体表面，所述固体表面配置成阻挡和偏转流动的两相流体混合物的路径；其中，所述混合物的第一部分流动通过所述通道；并且所述混合物的第二部分在所述流动稳定装置周围流动。

2.根据权利要求1所述的流动稳定装置，其特征在于，动量传递通过调整流动加速比γ来改变：

其中

在流动稳定装置的喉部处，呈现给流体流动的截面面积最小。

3.根据权利要求2所述的流动稳定装置，其特征在于，所述流动稳定装置具有的流动加速比γ的范围是：

1.2≤γ≤5。

4.根据权利要求1所述的流动稳定装置，其特征在于，所述流动稳定装置具有直径比δ：

其中

对于所述流动稳定装置应在从0至2/3的范围内，产生至竖直柱内的流动截面面积的所需的堵塞。

5.竖直生产管道(40)，用于输送由气液流体组成的流动的两相流体混合物，

其特征在于：

所述管道(40)包括一个或多个根据权利要求1的流动稳定装置，沿所述结构支撑管(10)定位在所述管道(40)中。

6.根据权利要求5所述的竖直生产管道，包括为预定的间隔关系的多个流动稳定装置(20)。

7.根据权利要求6所述的竖直生产管道，其特征在于，所述流动稳定装置(20)中的至少一个具有不同于一个或多个其他所述流动稳定装置的配置。

8.根据权利要求5所述的竖直生产管道，其特征在于，至少一个流动稳定装置(20)关于从其第一端部分(21)延伸至其第二端部分(23)的中心轴线对称。

9.根据权利要求1所述的竖直生产管道，其特征在于，所述结构支撑管(10)的直径dt优选地在以下范围之间：

0.2英寸<dt<0.5英寸。

10.根据权利要求5所述的竖直生产管道，其特征在于，排放系数c限定为实际流量与理想流量之比，其被计算为：

其中，由于dt＝0。

11.根据权利要求5所述的竖直生产管道，其特征在于，所述结构支撑管(10)和所述至少一个流动稳定装置(20)以整体结构形成。

12.根据权利要求5所述的竖直生产管道，还包括运动致动器(50、60、70)，所述运动致动器附接至所述至少一个流动稳定装置(20)的内表面，用于调整所述至少一个流动稳定装置(20)的所述外表面的直径。

13.根据权利要求5所述的竖直生产管道，还包括定位在所述流动稳定装置(20)的侧壁中的至少一个开口(26)，用于使注入的气体或液体向下通过所述结构支撑管(10)，并且通过所述至少一个开口(26)出来，以便帮助稳定在管道的壁处的液膜。

14.一种加速在竖直生产管道(40)内的气体/液体流动的速度的方法，所述管道具有内表面，所述方法包括：

提供沿结构支撑管(10)在所述管道(40)中中央地定位的流动稳定装置(20)，其中所述结构支撑管(10)完全设置在所述管道内；

所述流动稳定装置(20)包括配置成和尺寸设置成接收一部分所述气体/液体流动的中央通道，其中一部分所述气体/液体流动引导到所述流动稳定装置(20)周围；

其特征在于，所述流动稳定装置尺寸设置成和配置成使得所述流动稳定装置(20)的外表面不接触所述管道(40)的相邻内壁。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

提供具有在所述流动稳定装置的侧壁内定位的至少一个开口(26)的所述流动稳定装置(20)；

注入气体或液体向下通过所述结构支撑管(10)，并通过所述至少一个开口(26)出来，以便帮助稳定在管道(40)的壁处的液膜。