[发明专利]具有混流级的涡轮机及方法

说明书

技术领域

本文所公开的主题的实施例主要涉及方法和系统，并且更具体地涉及用于泵送/压缩多相流体的机构和技术。

背景技术

在过去数年间，随着化石燃料价格的升高，对开发新的生产领域的关注日益增加。岸上或离岸的钻探引发了各种问题。一个这样的问题是，出自油井的石油流体至少包括第一组分和第二组分。第一组分可为气体，而第二组分可为液体。此外，气体组分可能不会溶解和/或混合到液体组分中。因此，石油流体为多相流体。

然而，为了从油井提取石油流体或为了将其沿管路输送，在本行业中使用了泵和压缩机。泵通常用于输送液体，而压缩机用于输送气体。出于这些原因，泵设计成对于液体有效，而压缩机设计成对于气体有效。由于气体和液体的成分不同以及应用于这些流体的物理定律不同，故泵当气体存在于混合物中时便不高效，而压缩机当液体存在于混合物中时也不高效。

因此，为了处理多相流体(例如，至少包括气体组分和液体组分的流体)，通常使用串联连接的各种泵。在此方面，美国专利No.5,961,282(其全部公开内容通过引用并入本文中)公开了一种系统，该系统包括经由连接部分连接到离心泵上的轴流泵。

轴流泵如其名称所暗示的那样，将能量或压力给予沿泵的轴向方向行进的液体。为了说明，图1示出了具有壳体12的轴向泵10，在壳体12中，定子部分14构造成围绕轴16提供和用以使引入液体偏转。叶轮18构造成用以与轴16一起旋转以及用以引导加速的液体。如果轴16认作是沿轴线Z延伸，则离开叶轮18的液体大致具有沿轴线Z的速度v。离开叶轮的液体大致沿轴线Z移动的这种特性决定了泵为轴流泵，也即输出液体沿泵的轴线流动。

另一方面，离心泵使离开叶轮的液体从泵的轴线大致沿径向流动，如图2中所示。图2示出了离心泵20，在其中液体以速度v从处于Z上的泵轴线径向地沿轴线X输出。液体示为沿箭头A在入口22处进入。

转到美国专利No.5,961,282，该参考文献公开了使用具有轴向泵32和离心泵34的系统30(参见图3，其对应于美国专利No.5,961,282的图2B)。流体进入入口36，且通过提供在定子部分38后方的叶轮起作用。在穿过轴向泵32之后，当流体具有大致平行于轴40的速度时，固定到壳体44上的调整器42用于使引入的流体偏离，以便以大致垂直于轴40的速度进入离心泵34的通道46(输入)。离心泵34的叶片48还将能量或压力给予液体，且还沿垂直于泵轴线的方向X改变流动方向。

利用上述参考文件和其它参考文献的方法，石油流出物例如通过使用泵系统从油井底部输送至地面，该泵系统包括由一组径向型后级(离心级)辅助的一组螺旋轴向型前级。两组级可在相同轴线上叠置。

在没有气相的情况下，离心级能够高效地仅泵送单相液体。一旦测量气相与液相的体积率比例的气体体积分数(GVF)超过若干百分比，则常规离心级的性能便会劣化和妨碍泵的安全操作。为了避免此问题，GVF通过一组轴向级(例如，用于前级的螺旋轴向级)以及用于末级的径向级而减小。前组的螺旋轴向级容许高GVF，且它们在到达以较低GVF操作的末组的径向级之前，能够通过适中的压力升高来逐渐地减小GVF。第一组螺旋轴向级能够处理大的GVF，但以每级压力升高的减小为代价。这种解决方案需要增加总体级数来达到所期望的排出压力，而这导致重量、轴长度和成本的增加。

此外，期望的是提供优于上述系统的系统和方法。

发明内容

根据一个示例性实施例，存在一种用于将能量给予多相流体的涡轮机，该多相流体至少包括液相和气相。涡轮机包括具有入口和出口的壳体；轴向级部分，其包括至少一个轴向级，且构造成用以经由入口接收多相流体和用以压缩多相液体的气相；混流级部分，其包括流体地连接到轴向级部分上的至少一个混流级；离心级部分，其包括流体地连接到混流级部分上的至少一个离心级，且构造成用以经由出口输出多相流体；以及轴，其连接轴向级部分、混流级部分和离心级部分。轴向级由在轴向叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有0°至5°之间的值的角所限定，混流级由在混流叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有5°至80°之间的值的角所限定，以及离心级由在离心叶轮出口流与平行于轴旋转轴线的轴线之间的具有80°至90°之间的值的角所限定。