CN104453790A - 柱塞排水采气装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柱塞排水采气装置，主要包括井筒部分和地面部分，其中柱塞能够在井筒内自由上行回落，用于在气液之间提供机械界面；在井口外壁的位置安装有柱塞到位传感器，其用于探测柱塞在井筒中的位置；防喷管装置与柱塞相联，其用于缓冲柱塞上行的冲力；井筒底部设置有柱塞缓冲器，当柱塞在井筒中自由下落时，其通过液柱回落到所述柱塞缓冲器上；井口控制器联接气动控制阀，通过操作该气动控制阀，能够在柱塞上下表面形成一定压差，从而推动柱塞及其上部液体向上移动，最终将液体举出到地面，其中，所述柱塞排水采气装置还包括用于远程控制柱塞排水采气装置的柱塞远程控制设备。

Description

柱塞排水采气装置

技术领域

本发明涉及油气田采气技术领域，尤其涉及一种用于处于出液期的低渗气田的柱塞排液采气自动化系统。

背景技术

气井出液问题一直是国际天然气工业界所共同面临的实际而又广泛的生产和管理问题。对处于出液期的低渗气田，特别是出液已经严重影响到单井产气量甚至水淹的情况下，柱塞气举排水采气设备在这种情况下与远程传输与控制结合起来可以大大减低生产管理生本从而实现经济效益的最大化。

气井的井筒积液首先会导致出现紊乱的段塞流使产量下降，如果液体不及时被排出该气井的产量就会逐渐减少，当井筒中的气量低到一定程度，那么井筒中的压力梯度就会由于井筒里的液体累积而不断加大，从而增加对地层的回压。随着地层回压的增加，气体的生产速率会降低并且有可能会低于需要将液体举出的临界流速。如果不及时采取措施则会有更多液体积在井筒中导致井底压力升高使气量下降甚至使气井停止生产。

因此排液采气对气田的开发和管理起到至关重要的作用.柱塞气举实际上是利用地层能量用人工举升的方法来将液体排出井筒的技术。柱塞系统设备里的柱塞是安装在井筒中能够自由运动的活塞，利用井筒的流压上升，利用自身重力下落回井底.该技术最显著的优势主要体现在一次性安装，避免重复安装，而且调试和维护简单，最为重要的是排液彻底而且可以通过地面控制盒的时间和压力控制使气井能一直通过自动不断排液，从而让井筒一直处于积液最少的状态来最大程度的进行生产。

柱塞的运行过程是以井一开一关为一个运行周期。在关井状态，柱塞回落至井筒底部，气体压力开始在井底和环空内积累，液体也通过上一周期的开井生产积累在井筒底部。当关井时，柱塞在井筒中自由下落，通过液柱回落到已投放在井底的柱塞缓冲弹簧的上部。油套环形空间和井底压力取决于关井的时间，地层压力和渗透率等参数。当井底压力增加到一定程度时，安装在地面的气动控制阀打开，执行开井操作，随着井筒内气体的产出，在柱塞上下表面形成一定压差，这压差会推动柱塞及其上部液体向上移动，将液体举到地面，从而起到排液的作用。柱塞起到气液之间的机械界面，具有防止气体上窜和液体的滑脱的作用。

如图1所示，一般柱塞的运行周期从井的正常生产开始，这时柱塞在井口防喷管内被气体顶住。当估算的开始出液的时间到达后，地面控制盒对气动控制阀发出关井指令，随后柱塞开始下落，穿过井筒中的气体和已经累积在井筒中的液体，回落到井筒内的缓冲弹簧上。关井后，井底压力开始升高，关井时间到达后，控制盒再次对气动阀发出开井指令，井被重新开启，然后累积在井底和环形空间的气体利用压差将柱塞向上举升，柱塞推动液柱上行至井口，将其排出，柱塞被气体顶至井口防喷管内，一个周期结束，生产一定时间后，井再次关闭，开始下一个运行周期。

然而，常规的柱塞排水采气系统使用的是时间控制，也就是简单的输入开关井时间从而达到自动间开井的目的。但是这种控制模式的缺点是一旦生产制度改变，需要人工到井口频繁改变时间参数。这对于处于高速发展的优点井多人少产生严重的制约，井的日常生产难以优化管理。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种柱塞排水采气装置，主要包括井筒部分和地面部分，其中柱塞能够在井筒内自由上行回落，用于在气液之间提供机械界面；在井口外壁的位置安装有柱塞到位传感器，其用于探测柱塞在井筒中的位置；防喷管装置与柱塞相联，其用于缓冲柱塞上行的冲力；井筒底部设置有柱塞缓冲器，当柱塞在井筒中自由下落时，其通过液柱回落到所述柱塞缓冲器上；井口控制器联接气动控制阀，通过操作该气动控制阀，能够在柱塞上下表面形成一定压差，从而推动柱塞及其上部液体向上移动，最终将液体举出到地面，其中，所述柱塞排水采气装置还包括用于远程控制柱塞排水采气装置的柱塞远程控制设备。

该系统克服了常规柱塞气举工艺需要频繁调参，不但对柱塞井能实行一次性调参，长时间自动优化，而且还能实现对每口井的远程控制，使技术人员在控制室或办公室里就可以监测到每口井的压力，流量和即时生产动态，并且可以更改每口井井口控制盒的参数，真正意义上实现了气田柱塞气举远程数字控制，优化生产，大大提高了气井生产管理效率，很大程度上降低了气井管理成本，使一人管理上百口井成为可能。

优选地，井下柱塞缓冲器由杯座部分抵靠弹簧将球座和球压入减震弹簧头内构成。

优选地，所述柱塞为衬垫式柱塞、柱状柱塞或刷式柱塞。

优选地，所述防喷管装置包含底部和顶部，底部与断续流相连接，井口顶部与软管接头或者带有法兰托盘的部分相连接。

优选地，所述防喷管装置还包括流通口、旁通口和捕获器组装件，任选地，捕获器安装到防喷管上，以捕捉柱塞。所述防喷管装置还包括弓形的接头用来分离防喷管的顶部和底部。所述防喷管装置还包括化学式的注射点或压力表。

优选地，所述柱塞远程控制设备包括：数据远传模块，其能够实现将井口柱塞控制器里的所有数据传输到服务器上的数据库里，进行分类管理；数据控制模块，其能够远程实现井口现场控制器里所有的控制，优化功能，并且可以远程根据井的生产动态即时更改参数；使用模块，通过其能够对柱塞气举试验井参数进行诊断，分析和管理。

优选地，所述柱塞远程控制设备包括数据接收模块，例如用于接入现有的PLC数据。

根据本发明所述的柱塞排水采气装置尤其适用于处于产液期的低渗油田。

附图说明

图1为用于阐释柱塞原理的柱塞运行周期示意图。

图2为根据本发明的柱塞排水采气装置的示意图。

图3为根据本发明的用于柱塞排水采气装置的防喷管装置的结构示意图。

图4为用于根据本发明的柱塞排水采气装置的最基本的三种类型的柱塞。

图5为用于根据本发明的柱塞排水采气装置的井下柱塞缓冲器效果图。

图6示出了以SCADA服务器为例的示例性的数字化柱塞远程控制设备安装流程图。

具体实施方式

如图2所示，根据本发明的柱塞排水采气装置1，主要包括井筒部分和地面部分，其中柱塞6能够在井筒内自由上行回落，用于在气液之间提供机械界面；在井口外壁的位置安装有柱塞到位传感器3，其用于探测柱塞6在井筒中的位置；防喷管装置4与柱塞6相联，其用于缓冲柱塞6上行的冲力；井筒底部设置有柱塞缓冲器7，当柱塞在井筒中自由下落时，其通过液柱回落到所述柱塞缓冲器7上；井口控制器2联接气动控制阀5，通过操作该气动控制阀5，能够在柱塞6上下表面形成一定压差，从而推动柱塞6及其上部液体向上移动，最终将液体举出到地面，其中，所述柱塞排水采气装置还包括用于远程控制柱塞排水采气装置的柱塞远程控制设备。

如下对每个部件的功能和性能进行详细地介绍：

地面部分：井口控制器2，该控制器2可实现开关井的自动控制、时间设定、查看柱塞6运行状态以及整个系统的运行情况等功能。该控制器2具有很好的人机工作界面，并且能够在危险和恶劣工作环境中进行工作。例如该控制器通过使用时间，传感器和压力变送器来完成信息的收集，进而优化油井的生产。控制器例如通过使用磁性螺旋管，借助30PSIG支持的气压来打开或者关掉电动机。控制器的制造工作都是在危险的位置，这就意味着它可以不产生火花来点燃爆炸源。在许多情况下，控制器可以通过Modbus通信来联通，从而使运营商/最终用户可以通过使用柱塞远程控制设备来访问和调节控制器。

柱塞到位传感器3，传感器安装在井口外壁的位置，探测井筒内的柱塞是否运行到井口，辅助控制盒判断。优选地，该柱塞到位传感器可有效解决前期因采气树与井筒内径差异造成的柱塞难以到达防喷管的现象。

防喷管装置4，防喷管装置设计了加载、接收和捕捉结构，通过抓住运行在井筒中的柱塞，最大限度的提高生产。具体地，如图3所示，防喷管装置包含一个底部和顶部。底部与断续流相连接，井口顶部与软管接头或者带有法兰托盘的部分相连接。它还具有：流通口和旁通口和捕获器组装件，在需要的时候，安装到防喷管上，以捕捉柱塞。它有一个化学式的注射点或者压力表。防喷管顶部包含一个弓形的接头用来分离防喷管的顶部和底部。防喷管用来缓解活塞的影响，弹簧用来解除活塞上升时产生的能量。

该结构对系统的安全性起着非常重要的作用，主要是在柱塞上行到井口后，缓冲柱塞的冲力，并为柱塞提供一个停留空间，使气井能够正常生产。另外，当柱塞磨损到一定程度是，该防喷管装置能够通过捕捉器可以轻易的对柱塞进行更换，减少钢丝作业成本。

气动控制阀5，气动控制阀是开关井指令的具体执行者，它的动力来源是减压系统提供的套管气。控制盒通过是否给气动控制阀供气来实现对它的控制。当控制盒需要开井时，就给气动控制阀气源，需要关井时，就切断气动控制阀的气源。

（一）井筒部分

柱塞6，针对不同的井，应当选择不同种类的柱塞。如图4所示，最常见的柱塞类型主要有三大类：

（1）衬垫式柱塞

衬垫式柱塞也叫弹簧片柱塞，在其本体中部装有几组可自由伸缩的衬垫。该类柱塞在井筒内运行时，独特的衬垫设计可使该柱塞在一定范围内自动伸缩（自动变径），保持紧贴井壁，产生持续、紧密的密封效果。该类柱塞是所有柱塞种类中效率最高的一种，通常在低压低产小水量气井体现较好的应用效果。但由于该类柱塞活动组件多，容易被井筒中的压裂砂、地层砂等杂质阻塞，失去自动伸缩功能，从而卡在井筒中。因此，该类柱塞在应用中要求井筒清洁无杂质。

（2）柱状柱塞

柱状柱塞时一种简单、安全、有效的柱塞类型，通常由整块钢材一体化加工制造。在柱状柱塞本体中部表面开有数个一定深度和宽度的紊流槽，当气液通过时，可形成气液混相密封。

该类柱塞适用于气液比较高气井或高气液比油井使用，对于井筒内壁产生的蜡、盐、垢具有清洁作用。拥有廉价、耐磨、无维护成本、允许井筒内存在微量砂等特点。

（3）刷式柱塞

刷式柱塞中部有一个螺旋加工、柔性尼龙刷子部件，当该柱塞在井筒内运行时尼龙刷可容纳部分外来杂质。刷式柱塞可以高效清洁井筒中产生的砂、盐和碳粉颗粒物。尼龙刷部件外径较柱塞本体稍大，可与井筒形成良好密封，提高系统举升效率。当尼龙刷部分发生磨损时，只需几分钟更换尼龙刷部分即可。刷式柱塞适用于低压气井、井筒不规则井、出砂、出盐结垢井，以及需要高效密封的气井。

柱塞缓冲器7，如图5所示，柱塞缓冲器组配设置在井筒底部，由减震弹簧头、球、球座、弹簧、杯座部分和筒夹组成。杯座部分抵靠弹簧，从而将球座和球压入减震弹簧头内。弹簧的构造用来减缓柱塞缓冲力。球体和阀座使液体和气体通过井下柱塞缓冲器以进入到井筒柱。该部件的主要作用是当柱塞下行时，能缓冲柱塞下行的冲力，避免设备的损坏。

该活塞气举系统通过以下步骤安装完成：

安装井下柱塞缓冲器组配：在油柱管立柱中安装井下柱塞缓冲器组配需要三大步骤：密和底部管嘴，接箍挡环，使用井筒堵阀。在PSN中安装井下柱塞缓冲器组配是安装工具最快和最简单的方法。在PSN中建立密封封口从而抓住井下柱塞缓冲器组配，液体可以流回到地层面。使用接箍挡环柱塞，需要缓冲器弹簧匹配密封皮碗和夹头。程序如下，在接箍挡环中穿行一个洞，然后通过5米处的预先设定点。拉起设定点，直到接箍挡环的侧翼设置在井筒中。解除工具。安装井下柱塞缓冲器组配以匹配筒夹和封口。在接箍挡环顶部安装井眼底部缓冲器弹簧组配，确保簧片的绝缘块可以抓住环的顶部。设置井筒停止设置与安装接箍挡环类似，差异是在井筒中进行。

安装防喷管装置：安装完成后直接流入到井口或者直接到凸缘的井口。从润滑组件的流线接通到主井流线。有两个手动阀需要安装，一个是在流水线上安装，另一个安装取决于柱塞安装和油井产量。

安装电子操控程序：柱塞传感器直接安装到润滑器组件，更精确到润滑器的底部的一部分，感测柱塞传来的讯息，并发送信号到控制器。控制器安装在网站特点的位置上。这个位置可以流水线，也可以在电动机上或者符合这样的一个位置或者区域。位置和面积。一个太阳能电池板安装在这个位置，以便最优化取得太阳光能。太阳能电池板具有的功能是提供的电源控制器所需电量，无需外接电源。供给气体被带入到控制器，磁螺线管，通过一个涤气器和压力调节器/s，净化气体并将压力减小到30PSIG WP。从螺线管的气体将被定向到电动机的开启和闭合。很常见的是安装一个或数个电子压力变送器/s的来收集压力数据以便最优化安排。

安装柱塞：卸下润滑器顶部，弹簧和圆盘，所述柱塞被设置进入柱塞捕手润滑器的顶部可被组装一起回来。通过解除它与捕获器的连接，柱塞可以被拆卸掉。

根据本发明的柱塞排水采气装置还包括用于远程控制柱塞排水采气装置的柱塞远程控制设备，其与控制器进行远程通信。这通常是通过一台收音机，手机或卫星通信系统来完成的。

为了最大程度地节约成本，可以使用每口井上原有的数据传输的电台，将柱塞系统联接到现有的采气厂数据传输平台，然后在终端通过针对控制盒编程实现远程控制。

为了减少和现有数据远传系统可能产生的相互干扰，安装了一个MUX的网关。

图6示出了以SCADA服务器为例的示例性的数字化柱塞远程控制设备安装流程图，其中Mux多路复用器可使原站控PLC服务器与Scada服务器等多个系统共用同一电台而不受干扰。具体安装步骤如下：

（1）设置单井控制盒地址

手动设置柱塞试验井控制盒地址，例如地址范围为52-63。

（2）连接单井电台与试验井柱塞控制盒

将试验井柱塞控制盒通过三芯电缆与单井电台连接，连接方式例如为RS485。例如通讯协议为标准Modbus。

（3）Scada服务器安装

连接Scada服务器电源，例如设置IP地址为10.10.90.83，然后断开PLC服务器与站控主电台连接，通过RS232端口将Scada服务器连接到Mux多路复用器，同时将PLC服务器通过RS485接口连接到Mux多路复用器，最后将Mux多路复用器连接到站控主电台。

（4）测试试验井与Scada服务器连接情况。

检测站控PLC服务器在该情况下通信情况，如果无信号干扰情况发生，则表明数字化柱塞控制平台搭建成功。

（5）用户权限设置

设置Scada服务器系统管理员、操作技术员等权限。

为了实现对每口井的数据远传和远传控制功能，并且使技术人员能够在一个非常友好的界面下对井实现高效率的管理，该柱塞远程控制设备分为4个部分：

（1）数据远传模块。能够实现将井口柱塞控制器里的所有数据传输到服务器上的数据库里，进行分类管理。

（2）数据控制模块。能够远程实现井口现场控制器里所有的控制，优化功能，并且可以远程根据井的生产动态即时更改参数。

（3）使用模块。可以使技术人员对柱塞气举试验井参数进行诊断，分析和管理。

（4）接入现有的PLC数据。目前柱塞控制器只接入了套压数据，通过连接PLC可以将每口井原有的油、套压以及流量数据，一起导入同一数据库，更加方便数据的管理和分析。

根据本发明的包括柱塞远程控制设备的整个柱塞排水采气装置可以实现以下功能：

（1）对每口井实现远程开关井。

（2）柱塞排水采气装置本身有监控功能，可以实现自动报警，使管理人员及时监测到井的生产动态的改变，从而采取及时有效的措施，确保安全生产。

（3）一旦每口井初期调试好之后，可以在很长一段时间内进行自动排液，一直使井筒积液保持在最少的状态，从而可以使井的产量最大化。

（4）每口井都可以根据实际的生产情况实现时间或者压力控制，使井的生产管理更加灵活，机动，准确。

（5）所有在井口操作能够实现的功能，远程都可以实现，并且是真正意义上的控制设备，远程调参完毕之后，井口的控制盒会接受到指令，进行完全一致的参数调整，从而实现气田生产数字化。

（6）在实现整个气田优化生产的基础上，能够很大程度上降低生产管理成本。

柱塞排水采气装置克服了常规柱塞气举工艺需要频繁调参，不但对柱塞井能实行一次性调参，长时间自动优化，而且还能实现对每口井的远程控制，使技术人员在控制室或办公室里就可以监测到每口井的压力，流量和即时生产动态，并且可以更改每口井井口控制盒的参数，真正意义上实现了气田柱塞气举远程数字控制，优化生产，大大提高了气井生产管理效率，很大程度上降低了气井管理成本，使一人管理上百口井成为可能。

根据本发明的柱塞排水采气装置，开展现场试验10口井，平均油套压差减小了4.2MPa、平均单井产气量增加0.1682×10⁴m³/d，取得了较好试验效果。见表4-1。

表4-110口柱塞试验井效果统计表

Claims (10)

1.一种柱塞排水采气装置（1），主要包括井筒部分和地面部分，其中柱塞（6）能够在井筒内自由上行回落，用于在气液之间提供机械界面；在井口外壁的位置安装有柱塞到位传感器（3），其用于探测柱塞（6）在井筒中的位置；防喷管装置（4）与柱塞（6）相联，其用于缓冲柱塞（6）上行的冲力；井筒底部设置有柱塞缓冲器（7），当柱塞在井筒中自由下落时，其通过液柱回落到所述柱塞缓冲器（7）上；井口控制器（2）联接气动控制阀（5），通过操作该气动控制阀（5），能够在柱塞（6）上下表面形成一定压差，从而推动柱塞（6）及其上部液体向上移动，最终将液体举出到地面，其中，所述柱塞排水采气装置还包括用于远程控制柱塞排水采气装置的柱塞远程控制设备。

2.根据权利要求1所述的柱塞排水采气装置（1），其特征在于，所述井下柱塞缓冲器（7）由杯座部分抵靠弹簧将球座和球压入减震弹簧头内构成。

3.根据权利要求1或2所述的柱塞排水采气装置（1），其特征在于，所述柱塞（6）为衬垫式柱塞、柱状柱塞或刷式柱塞。

4.根据前述权利要求任一项所述的柱塞排水采气装置（1），其特征在于，所述防喷管装置（4）包含底部和顶部，底部与断续流相连接，井口顶部与软管接头或者带有法兰托盘的部分相连接。

5.根据前述权利要求任一项所述的柱塞排水采气装置（1），其特征在于，所述防喷管装置（4）还包括流通口、旁通口和捕获器组装件，任选地，捕获器安装到防喷管上，以捕捉柱塞（6）。

6.根据前述权利要求任一项所述的柱塞排水采气装置（1），其特征在于，所述防喷管装置（4）还包括弓形的接头用来分离防喷管的顶部和底部。

7.根据前述权利要求任一项所述的柱塞排水采气装置（1），其特征在于，防喷管装置（4）包括化学式的注射点或者压力表。

8.根据前述权利要求任一项所述的柱塞排水采气装置（1），其特征在于，所述柱塞远程控制设备包括：

数据远传模块，其能够实现将井口柱塞控制器里的所有数据传输到服务器上的数据库里，进行分类管理；

数据控制模块，其能够远程实现井口现场控制器里所有的控制，优化功能，并且可以远程根据井的生产动态即时更改参数；

使用模块，通过其能够对柱塞气举试验井参数进行诊断，分析和管理。

9.根据前述权利要求任一项所述的柱塞排水采气装置（1），其特征在于，柱塞远程控制设备还包括数据接收模块，例如，用于接入现有的PLC数据。

10.根据前述权利要求任一项所述的柱塞排水采气装置（1），其特征在于，所述柱塞排水采气装置（1）尤其适用于处于产液期的低渗油田。