CN103696717A - 一种井下自动捞砂装置及其捞砂工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下自动捞砂装置及其捞砂工艺。该装置通过钢丝绳带动捞砂泵上下运动实现自动捞砂。导绳轮同轴安装角位移传感器以检测钢丝绳绳长。定滑轮底座安装有载荷传感器以检测钢丝绳载荷。捞砂泵底部的进砂阀阀芯与松砂硾为一体结构。钢丝绳与加重活塞杆顶端的绳环相连，带动活塞在进砂阀与盛砂阀之间的游动腔上下运动。活塞下行时，游动腔上部形成负压，游动腔下部的携砂井液顶开活塞内的单流阀进入游动腔上部。在活塞下行触及下死点前，改为低速下行，避免冲击下死点。在活塞上行触及上死点前，改为低速上行，避免冲击上死点。本发明简单可靠、泵效高、自动化程度高，可有效避免活塞对上下死点的冲击，尤其适用于低液位油水井捞砂。

Description

一种井下自动捞砂装置及其捞砂工艺

技术领域

本发明涉及石油、天然气机械技术领域，具体涉及一种用于解决油气井生产过程出砂问题的井下捞砂装置及其捞砂工艺。

背景技术

油气井生产过程中，地层砂随液体不断从地层流入油气井内，并在井下逐渐沉积，造成油气储层被砂埋、井下与地面设备磨损等，导致油气井减产甚至停产。

目前，油气井清砂一般有两种方法：一种是用水力冲砂法清除井内积砂。通过注入高压冲砂液冲洗井底沉砂，并由冲砂液将砂携带出井。其缺点是施工费用高、劳动强度大，冲砂液进入亏空地层造成储层污染，影响油气井产能，对于储层压力低的油气井难以彻底清除井内积砂。另一种是采用捞砂泵清除井内积砂。由井口作业机通过动力油管提供动力，利用提放捞砂泵产生的负压液流携砂进入捞砂泵下部的沉砂管，从而捞取井内积砂。该方法较好地弥补了水力冲砂法的不足。

然而，现有捞砂泵在实用中存在一系列问题，主要表现在：捞砂泵在沉砂管上方，泵效较低，用于低液位油水井时，因捞砂泵沉没度太小而无法有效作业；捞砂泵抽汲过程中难以避免活塞对上下死点的冲击，易损坏；沉砂管下部的底阀易被砂堵卡；捞砂前需测砂面深度，动力油管需随捞砂深度加大而接单根。

发明内容

为了解决现有捞砂泵存在的问题，本发明提供了一种井下自动捞砂装置及其捞砂工艺，本发明简单可靠、自动化程度高、泵效高，可有效避免活塞对上下死点的冲击，尤其适用于低液位油水井捞砂。

本发明提供的一种井下自动捞砂装置，其特征在于，该装置包括卷扬机构、钢丝绳绳长与载荷检测装置以及捞砂泵；

所述捞砂泵包括泵管、松砂硾、挡板、进砂阀、单流阀、活塞、加重活塞杆和盛砂阀；泵管为倒置的桶状结构，泵管顶部管壁周向开有排液用通孔，接近泵管底部开口处固定有漏孔的挡板；挡板上部设有进砂阀，进砂阀阀座固定在泵管上；松砂硾上部连杆穿过挡板中心孔与进砂阀阀芯连接；松砂硾用于松动井底沉积砂，以及开启进砂阀；挡板用于松砂硾的运动导向与限位；当松砂硾触及砂面，进砂阀即打开，携砂井液可由此进入泵管；当松砂硾离开砂面时进砂阀关闭；

进砂阀上部安装有盛砂阀，盛砂阀由挡簧板、复位弹簧、盛砂阀阀芯和盛砂阀阀座构成，盛砂阀阀芯安装在盛砂阀阀座上，挡簧板位于盛砂阀阀座上方，复位弹簧套在加重活塞杆上，并位于挡簧板和盛砂阀阀座之间；带漏孔的挡簧板与盛砂阀阀座固定在泵管上；盛砂阀将泵管分为上下两个腔；进砂阀与盛砂阀之间为游动腔，盛砂阀之上为盛砂腔；加重活塞杆穿过泵管顶部、挡簧板、盛砂阀阀芯与盛砂阀阀座上的通孔，与游动腔内的活塞组合体相连；活塞组合体包括活塞体、密封环及单流阀；活塞体中空，内有单流阀阀芯，单流阀阀座与活塞体下部连接；活塞体上部周向有通孔，下部外周设有密封环；打开单流阀能够使游动腔上下连通；钢丝绳带动加重活塞杆及活塞组合体在游动腔内上下运动，将携砂井液通过开启的进砂阀吸入游动腔，再注入盛砂腔；由活塞组合体与游动腔构成的活塞泵在泵管底部；

卷扬机构内的钢丝绳一端与卷扬机相连，另一端通过导绳轮、井口支架上的定滑轮与井下捞砂泵加重活塞杆顶端相连；

所述钢丝绳绳长与载荷检测装置包括角位移检测装置和载荷传感器；角位移检测装置与导绳轮同轴安装，通过检测角位移能够计算钢丝绳的收放长度与速度，即捞砂泵的位移及运动速度；载荷传感器安装在定滑轮底座，用于检测钢丝绳载荷。

本发明提供的用于上述井下自动捞砂装置的捞砂工艺，其步骤如下：

第1步卷扬机正转，捞砂泵自井口下行，实时记录钢丝绳绳长及载荷测量值；

第2步当捞砂泵触及井下液面，受井液浮力的作用，随着捞砂泵下放深度加大，钢丝绳载荷测量值逐渐减小，计算载荷-绳长曲线的斜率，斜率突变处的绳长即为液面高度；

第3步松砂硾和泵管依次触及砂面，并因受砂面支撑而停止下行，而活塞组合体在游动腔内自上死点继续下行；

第4步当活塞组合体以正常速度下行完成大部分捞砂泵工作行程后，卷扬机改为低速正转，避免冲击下死点；

第5步当活塞组合体触及下死点，钢丝绳载荷测量值逐渐减小，计算载荷-绳长曲线的斜率，斜率突变处的绳长即为捞砂泵下死点高度；

第6步自活塞组合体触及下死点后，卷扬机改为以正常速度反转；活塞组合体上行完成大部分预定上行行程后，卷扬机改为低速反转，避免冲击上死点；

第7步当活塞组合体上行至上死点，钢丝绳载荷测量值逐渐增大，计算载荷-绳长曲线的斜率，斜率突变处的绳长即为新的砂面高度；计算砂面与下死点的高度差，以该高度差作为下一个捞砂循环的预定上行行程；

第8步如完成预定捞砂循环次数，或者钢丝绳载荷超过预定值，卷扬机将捞砂泵上提至井口，结束捞砂；否则，卷扬机自上死点处改为以正常速度正转，重新进入第4步，开始下一个捞砂循环。

本发明装置中，活塞内有单流阀，活塞下行时，游动腔上部形成负压，游动腔下部的携砂井液顶开活塞内的单流阀进入游动腔上部。在活塞下行触及下死点前，改为低速下行，避免冲击下死点。活塞上行时，活塞内的单流阀关闭，游动腔下部形成负压，携砂液流被吸入游动腔下部，同时游动腔上部高压的携砂井液顶开盛砂阀被注入盛砂腔。盛砂腔上部井液可通过盛砂腔顶部的排液孔回流入环空。在活塞上行触及上死点前，改为低速上行，避免冲击上死点。

总之，本发明装置利用井口卷扬机构、钢丝绳绳长与载荷检测装置，通过钢丝绳带动捞砂泵上下运动实现自动捞砂。本发明结构简单、工作可靠、自动化程度高、泵效高，可有效避免活塞对上下死点的冲击，尤其适用于低液位油水井捞砂。

附图说明

图1为本发明提供的井下捞砂自动装置的结构示意图。

1、卷扬机；2、导绳轮；3、钢丝绳；4、定滑轮；5、角位移传感器；6、载荷传感器；7、支架；8、绳环；9、盛砂腔；10、挡簧板；11、复位弹簧；12、盛砂阀阀门；13、盛砂阀阀座；14、加重活塞杆；15、游动腔；16、活塞体；17、密封环；18、单流阀阀芯；19、单流阀阀座；20、进砂阀阀芯；21、进砂阀阀座；22、挡板；23、泵管；24、松砂硾。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的井下自动捞砂装置包括卷扬机构、钢丝绳绳长与载荷检测装置以及捞砂泵。

卷扬机构由卷扬机1、导绳轮2、定滑轮4、支架7和钢丝绳3构成。钢丝绳3一端与卷扬机1相连，另一端通过导绳轮2、井口支架7上的定滑轮4与井下捞砂泵加重活塞杆14顶端的绳环8相连。通过卷扬机正反转可以控制钢丝绳3收放长度与速度。钢丝绳3的收放可以带动捞砂泵同步上下运动。比较而言，传统捞砂泵利用动力油管传递动力，在捞砂作业前需测量砂面深度，以确定动力油管长度；在捞砂作业过程中动力油管需随砂面下降接单根，以加大捞砂泵下放深度。利用卷扬机构传递动力，简化了结构，便于自动作业。

钢丝绳绳长与载荷检测装置包括角位移检测装置5和载荷传感器6。角位移检测装置5与导绳轮2同轴安装，通过检测角位移可计算钢丝绳的收放长度与速度，即捞砂泵的位移及运动速度。载荷传感器6安装在定滑轮4底座，用于检测钢丝绳载荷。钢丝绳绳长、载荷检测用作自动捞砂工艺的判断依据。

捞砂泵由泵管23、松砂硾24、挡板22、进砂阀、单流阀、活塞、加重活塞杆14和盛砂阀构成。泵管23为倒置的桶状结构，泵管23顶部管壁周向开有排液用通孔，接近泵管23底部开口处固定有漏孔的挡板22。挡板22上部设有进砂阀，进砂阀阀座21固定在泵管23上。松砂硾24上部连杆穿过挡板22中心孔与进砂阀阀芯20连接。松砂硾24用于松动井底沉积砂，以及开启进砂阀。挡板22用于松砂硾24的运动导向与限位。当松砂硾24触及砂面，进砂阀即打开，携砂井液可由此进入泵管23。当松砂硾24离开砂面时进砂阀关闭。

进砂阀上部安装有盛砂阀，盛砂阀由挡簧板10、复位弹簧11、盛砂阀阀芯12和盛砂阀阀座13构成，盛砂阀阀芯12安装在盛砂阀阀座13上，挡簧板10位于盛砂阀阀座13上方，复位弹簧11套在加重活塞杆14上，并位于挡簧板10和盛砂阀阀座13之间。带漏孔的挡簧板10与盛砂阀阀座13固定在泵管23上。盛砂阀将泵管23分为上下两个腔。进砂阀与盛砂阀之间为游动腔15，盛砂阀之上为盛砂腔9。加重活塞杆14穿过泵管23顶部、挡簧板10、盛砂阀阀芯12与盛砂阀阀座13上的通孔，与游动腔15内的活塞组合体相连。活塞组合体包括活塞体16、密封环17及单流阀(含单流阀阀芯18和单流阀阀座19)。活塞体16中空，内有单流阀阀芯18，单流阀阀座19与活塞体16下部连接。活塞体16上部周向有通孔，下部外周设有密封环17。打开单流阀可使游动腔15上下连通。钢丝绳3带动加重活塞杆14及活塞组合体在游动腔内上下运动，将携砂井液通过开启的进砂阀吸入游动腔，再注入盛砂腔9。由活塞组合体与游动腔15构成的活塞泵在泵管23底部，沉没度大，泵效高。当活塞组合体在游动腔15内下行，在复位弹簧11的作用下，盛砂阀阀芯12关闭；游动腔15上部因体积增大而形成负压，由于泵的沉没度高，游动腔15上下部存在较大压差，驱使游动腔15下部的携砂井液顶开单流阀进入游动腔15上部。当活塞组合体在游动腔15内上行，盛砂阀保持关闭，游动腔15上部的井液受压，使得单流阀阀芯18复位，单流阀关闭；活塞组合体上行压缩游动腔15上部的携砂井液，由于泵管23自重较大，可形成高压顶开盛砂阀，游动腔15上部的携砂井液被注入盛砂腔9，盛砂腔9上部的井液可由泵管23顶部的排液通孔回流入环空；游动腔15下部因体积增大而形成负压，由于泵的沉没度大，在游动腔15底部开启的进砂阀处存在较大压差，形成的携砂液流被吸入游动腔15下部。

本发明提供的捞砂工艺步骤如下：

1)卷扬机1正转，捞砂泵自井口下行，实时记录钢丝绳绳长及载荷测量值。

2)当捞砂泵触及井下液面，受井液浮力的作用，随着捞砂泵下放深度加大，钢丝绳载荷测量值逐渐减小，计算载荷-绳长曲线的斜率，斜率突变处的绳长即为液面高度。

3)松砂硾24、泵管23依次触及砂面，并因受砂面支撑而停止下行，而活塞组合体在游动腔内自上死点继续下行。由于无需承担泵管23重量，钢丝绳载荷测量值大幅减小，载荷突变处的绳长即为砂面高度，砂面与液面的高度差为捞砂泵的沉没度，如沉没度小于有效工作沉没度，捞砂泵停止捞砂，否则继续工作。

4)当活塞组合体以正常速度下行完成大部分捞砂泵工作行程(可取捞砂泵工作行程的90％左右)后，卷扬机1改为低速正转，避免冲击下死点。

5)当活塞组合体触及下死点，钢丝绳载荷测量值逐渐减小，计算载荷-绳长曲线的斜率，斜率突变处的绳长即为捞砂泵下死点高度。

6)自活塞组合体触及下死点后，卷扬机1改为以正常速度反转。活塞组合体上行完成大部分预定上行行程(可取预定上行行程的90％左右)后，卷扬机1改为低速反转，避免冲击上死点。

预定上行行程的初始值等于捞砂泵工作行程。因在活塞组合体上行过程中，随着携砂液流被吸入游动腔15而使砂面降低，泵管23会相对活塞组合体下行，因此预定上行行程将根据砂面下降程度在步骤7进行修正。

7)当活塞组合体上行至上死点，钢丝绳载荷测量值逐渐增大，计算载荷-绳长曲线的斜率，斜率突变处的绳长即为新的砂面高度。计算砂面与下死点的高度差，以该高度差作为下一个捞砂循环的预定上行行程。

8)如完成预定捞砂循环次数，或者钢丝绳载荷超过预定值，卷扬机1将捞砂泵上提至井口，结束捞砂。否则，卷扬机1自上死点处改为以正常速度正转，重新进入步骤4)，开始下一个捞砂循环。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种井下自动捞砂装置，其特征在于，该装置包括卷扬机构、钢丝绳绳长与载荷检测装置以及捞砂泵；

所述捞砂泵包括泵管(23)、松砂硾(24)、挡板(22)、进砂阀、单流阀、活塞、加重活塞杆(14)和盛砂阀；泵管(23)为倒置的桶状结构，泵管(23)顶部管壁周向开有排液用通孔，接近泵管(23)底部开口处固定有漏孔的挡板(22)；挡板(22)上部设有进砂阀，进砂阀阀座(21)固定在泵管(23)上；松砂硾(24)上部连杆穿过挡板(22)中心孔与进砂阀阀芯(20)连接；松砂硾(24)用于松动井底沉积砂，以及开启进砂阀；挡板(22)用于松砂硾(24)的运动导向与限位；当松砂硾(24)触及砂面，进砂阀即打开，携砂井液可由此进入泵管(23)；当松砂硾(24)离开砂面时进砂阀关闭；

进砂阀上部安装有盛砂阀，盛砂阀由挡簧板(10)、复位弹簧(11)、盛砂阀阀芯(12)和盛砂阀阀座(13)构成，盛砂阀阀芯(12)安装在盛砂阀阀座(13)上，挡簧板(10)位于盛砂阀阀座(13)上方，复位弹簧(11)套在加重活塞杆(14)上，并位于挡簧板(10)和盛砂阀阀座(13)之间；带漏孔的挡簧板(10)与盛砂阀阀座(13)固定在泵管(23)上；盛砂阀将泵管(23)分为上下两个腔；进砂阀与盛砂阀之间为游动腔(15)，盛砂阀之上为盛砂腔(9)；加重活塞杆(14)穿过泵管(23)顶部、挡簧板(10)、盛砂阀阀芯(12)与盛砂阀阀座(13)上的通孔，与游动腔(15)内的活塞组合体相连；活塞组合体包括活塞体(16)、密封环(17)及单流阀；活塞体(16)中空，内有单流阀阀芯(18)，单流阀阀座(1)(9)与活塞体(16)下部连接；活塞体(16)上部周向有通孔，下部外周设有密封环(17)；打开单流阀能够使游动腔(15)上下连通；钢丝绳(3)带动加重活塞杆(14)及活塞组合体在游动腔内上下运动，将携砂井液通过开启的进砂阀吸入游动腔，再注入盛砂腔(9)；由活塞组合体与游动腔(15)构成的活塞泵在泵管(23)底部；

卷扬机构内的钢丝绳(3)一端与卷扬机(1)相连，另一端通过导绳轮(2)、井口支架(7)上的定滑轮(4)与井下捞砂泵加重活塞杆(14)顶端相连；

所述钢丝绳绳长与载荷检测装置包括角位移检测装置(5)和载荷传感器(6)；角位移检测装置(5)与导绳轮(2)同轴安装，通过检测角位移能够计算钢丝绳的收放长度与速度，即捞砂泵的位移及运动速度；载荷传感器(6)安装在定滑轮(4)底座，用于检测钢丝绳载荷。

2.一种用于根据权利要求1所述井下自动捞砂装置的捞砂工艺，其步骤如下：

第1步卷扬机(1)正转，捞砂泵自井口下行，实时记录钢丝绳绳长及载荷测量值；

第2步当捞砂泵触及井下液面，受井液浮力的作用，随着捞砂泵下放深度加大，钢丝绳载荷测量值逐渐减小，计算载荷-绳长曲线的斜率，斜率突变处的绳长即为液面高度；

第3步松砂硾(24)和泵管(23)依次触及砂面，并因受砂面支撑而停止下行，而活塞组合体在游动腔内自上死点继续下行；

第4步当活塞组合体以正常速度下行完成大部分捞砂泵工作行程后，卷扬机(1)改为低速正转，避免冲击下死点；

第5步当活塞组合体触及下死点，钢丝绳载荷测量值逐渐减小，计算载荷-绳长曲线的斜率，斜率突变处的绳长即为捞砂泵下死点高度；

第6步自活塞组合体触及下死点后，卷扬机(1)改为以正常速度反转；活塞组合体上行完成大部分预定上行行程后，卷扬机(1)改为低速反转，避免冲击上死点；

第7步当活塞组合体上行至上死点，钢丝绳载荷测量值逐渐增大，计算载荷-绳长曲线的斜率，斜率突变处的绳长即为新的砂面高度；计算砂面与下死点的高度差，以该高度差作为下一个捞砂循环的预定上行行程；

第8步如完成预定捞砂循环次数，或者钢丝绳载荷超过预定值，卷扬机(1)将捞砂泵上提至井口，结束捞砂；否则，卷扬机(1)自上死点处改为以正常速度正转，重新进入第4步，开始下一个捞砂循环。

3.根据权利要求2所述的捞砂工艺，其特征在于，第6步中，所述预定上行行程的初始值等于捞砂泵工作行程。