CN104912526B - 超临界co2井下分层注气管柱及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是超临界CO₂井下分层注气管柱及操作方法，用于CO₂井下分层注气。滑套、顶部封隔器、层间封隔器、可调配气器和盲堵用油管相连，对应每个油层安装一个可调配气器，测调仪位于可调配气器内且可在各可调配气器间移动；可调配气器的配气孔设有单向阀机构；配气孔以上部位设有内光管段，测调仪包括挤压密封段，挤压密封段上的胶筒与内光管段相密封。其操作方法是：完井后，用电缆带测调仪打开配气孔注气，然后用测调仪定位于可调配气器处，通过地面控制仪完成各级配气量的测调。由于在顶部封隔器以上安装了滑套，解决了环空防腐保护液的替入和保持问题；由于在测调仪上设置了挤压密封段，解决小流量测试难的问题。

Description

超临界CO2井下分层注气管柱及操作方法

技术领域

本发明涉及石油开采中使用的井下注气技术领域，特别是涉及超临界CO₂井下分层注气管柱及操作方法。

背景技术

石油开采过程中，为了使油从油层中流出，需要给地层补充能量，这一般采用向地层中注水或注气的办法。

二氧化碳（CO₂）驱已经成为国内外油田开发一种重要接替技术，它不但能提高油田采收率，还有利于CO₂减排，保护环境，因此得到了各油田的重视和应用。目前井下注CO₂都是采用的多油层合注工艺。由于油藏的非均质性，地质学家提出了分层注气的要求。对于多薄油层的分注来说，各层的配注量可能很小。CO₂在井下处于超临界状态，其粘度接近气体的粘度。小流量和低粘度给井下分层测试和调整配注量带来了困难。

超临界CO2井下分层注气并没有现成的技术，可以借鉴的测试与控制技术是中国专利局2012年09月19日授权公告了一种“同心一体化测调注水工艺及装置”，其专利申请日是2009年09月04日，专利申请号是200910018261.5，该专利公开了这样一种分层注水技术：在井下安装分层注水管柱，对应每个油层安装一个可调整注水孔大小的同心配水器，然后从油管内下入一种一体化测试仪，通过测试仪测试并调整各个油层的配注量。如果把这个技术应用于井下超临界CO₂分层注气，它存在以下问题：一是CO₂对井下油套管的腐蚀严重，需要在封隔器以上的油套环空替满防腐油套管保护液，而目前的注水管柱在注水过程中需要不时地洗井，所使用的封隔器都是能够洗井的类型，如K344型，它不能把防腐保护液长期地封隔在封隔器以上的套管中；二是CO₂注入和停注过程中，温度的变化很大，油管的长度也相应地变化很大，对井下封隔器的破坏就会很严重；三是一体化测试仪的测试方式是水从流量计的侧环空中流过，这种测试方式对大流量的注水来说是满足要求的，但对小流量的CO₂来说，就难以测准。四是为了洗井，原技术管柱底部安装有单向阀，如果用于注气，在井口因意外失控时，CO₂气体就会从此单向阀喷出井口，存在安全隐患。

发明内容

为解决上述技术问题，发明了超临界CO₂井下分层注气管柱及操作方法，解决了注气过程中因温度变化大引起的管柱的长度变化大对封隔器的损坏问题、防腐保护液的注入与保持问题、小流量CO₂的测试准确性问题和注气安全问题。

本发明采用了如下的技术方案：

超临界CO₂井下分层注气管柱，油管安装在套管内，顶部封隔器、层间封隔器、可调配气器和盲堵用油管相连，顶部封隔器安装在油层以上部位，层间封隔器安装在两个油层之间，对应每个油层安装一个可调配气器，盲堵连接在管柱尾部，测调仪与电缆相连，电缆下在油管内，测调仪位于可调配气器内且可在各可调配气器间移动，在顶部封隔器以上还连接有滑套，可调配气器的配气孔设有单向阀，气体流动方向是由内向外；配气孔以上部位设有内光管段，测调仪包括挤压密封段，挤压密封段上的胶筒与内光管段相密封。

优选实施例一，顶部封隔器是Y445型封隔器。

优选实施例二，单向阀机构包括套在配气孔外的阀套和压住阀套的弹簧。

优选实施例三，单向阀机构是在配气孔中设置向上的锥孔并在其中设置球。

优选实施例四，所述的挤压密封段，其壳体中部有变径台肩，胶筒和挤压套顺次套在壳体外且位于变径台肩下；壳体内设下孔，电机固定在下孔的顶部，电机的输出轴设外螺纹，螺母安装在输出轴上，内衬套套在电机外且其外壁与下孔内壁相密封，在壳体下孔的侧壁设侧孔，侧孔位于内衬套的上下两个密封圈之间，连接块安装在侧孔内且与内衬套和挤压套相连接固定，螺母与内衬套相连接固定；螺母设过电缆孔，驱动电缆从过电缆孔中穿过。

超临界CO₂井下分层注气管柱的操作方法，其步骤是：

a、完井：按照所述管柱结构把除电缆和测调仪外的分层注气管柱下入井内设计位置，接油管挂并把油管挂坐入井口，可调配气器的配气孔处于关闭状态，滑套处于打开状态，正循环或反循环替入环空保护液，然后通过钢丝作业下入滑套开关工具关闭滑套并起出开关工具；上提油管挂一定高度，从油管内打液压坐封所有封隔器，然后把油管挂坐入井口，装采油树；

b、注气：用电缆带测调仪下入井内可调配气器处，通过地面控制仪逐个打开配气孔，开始注气；

c、测调：测调仪定位于任一可调配气器处，通过地面控制仪驱动压缩胶筒将可调配气器的内光管段与测调仪之间的环空分隔；地面控制仪将测得的CO₂流量与目标配注流量对比，然后发出指令驱动调整机械手对可调配气器的配气孔的大小进行调整，直至达到目标配注流量；通过地面控制仪发出指令释放胶筒；按此步骤完成所有可调配气器的调整后上提电缆起出测调仪。

优选实施例五，所述的通过地面控制仪驱动压缩胶筒的步骤是，通过地面控制仪驱动电机，输出轴旋转带动螺母上行，从而带动挤压套上行，压缩胶筒。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：一方面，由于在分层注气管柱上采用了Y445型顶部封隔器，在顶部封隔器以上安装了滑套，这解决了环空防腐保护液的替入和保持问题，也解决了管柱的长度变化对封隔器的损坏问题，问题是这样解决的，通过开关滑套可以替入防腐保护液，Y445型顶部封隔器封隔了油套环空，使防腐保护液保持在顶部封隔器以上，同时，完井过程中坐封封隔器后下压油管，富余的油管长度可以抵消因注气温度下降造成的油管缩短，因而不会因油管长度变化损坏封隔器。另一方面，由于在测调仪上设置了挤压密封段，迫使被测CO₂全部通过进气孔进入测调仪的内流道，解决小流量测试难的问题，并可以提高测试精度。

附图说明

前面简单地描述了本发明，接下来参考描述本发明的以下具体实施例的图纸进一步、详细地叙述本发明。这些图纸只描述了该发明的一些典型的实施例，因此不能认为是限制本发明的范围。在这些图纸中：

图1是本发明的超临界CO₂井下分层注气管柱的结构示意图。

图2是本发明的可调配气器与测调仪工作状态结构示意图。

图3是图2中K部的放大图。

具体实施方式

参见图1和图2，超临界CO₂井下分层注气管柱，油管2安装在套管1内，顶部封隔器4、层间封隔器6、可调配气器5和盲堵10用油管相连，顶部封隔器4安装在油层以上部位，层间封隔器6安装在两个油层之间，对应每个油层安装一个可调配气器5，盲堵10连接在管柱尾部，测调仪8与电缆7相连，电缆7下在油管内，测调仪8位于可调配气器5内且可在各可调配气器间移动，在顶部封隔器4以上还连接有滑套3。可调配气器5的配气孔11设有单向阀机构，气体流动方向是由内向外；配气孔11以上部位设有内光管段12。测调仪8包括挤压密封段22，挤压密封段22上的胶筒9与内光管段12相密封。

电缆7是用绞车下入，电缆地面一端与地面控制仪相连，地面控制仪完成井下数据的采集和对井下可调配气器5的调整，这是常规技术，在专利“同心一体化测调注水工艺及装置（专利申请号是200910018261.5）”中有说明。

在油田上，为了解决井下油管柱因温度和压力的变化所引起的伸缩而损坏封隔器的问题，一般的解决办法是在封隔器的上部加一个补偿器，所谓的补偿器其实就是一个内外筒套在一起的伸缩短节。如果在注气管柱中采用补偿器就存在一个问题，注气井的温度变化大，可能在注和停之间的温度变化超过20℃，对油管的影响大，油井深时，如超过3000m井深，油管的长度变化可能超过0.7m，这样大的伸缩和反复的变化对补偿器的密封是严重的考验，如果出现密封件损坏，在封隔器以上就会出现CO₂泄漏，这对注气安全是一个严重的威胁。为了解决这个问题，顶部封隔器4采用Y445型或Y441型封隔器。Y445型或Y441型封隔器是双锥体结构，封隔器可以双向受力，封隔器坐封后，从井口下压油管增加井内油管的长度来补偿注气过程中油管长度的变化。Y445型或Y441型封隔器既承受了上部油管的下压载荷，也承受下部的注气压力。由于注气井的腐蚀性，井下封隔器可能会出现结构功能损坏而难以解封的问题，使用Y445型封隔器就更为合适，这种封隔器可以先丢手起出上部油管柱再解封封隔器。

由于CO₂对金属的严重腐蚀性，为了保护井下油套管，在注气井的油套环空中都要注入环空防腐保护液，这一措施需要在完井时完成，现有的同心一体化测调注水工艺所使用的可洗井封隔器是不能实现这一要求的，可洗井封隔器不能把防腐保护液长期地封隔在封隔器以上。如果仅仅把现有的同心一体化测调注水工艺所使用的可洗井封隔器换为Y445型封隔器也不能实现防腐保护液的替入，这是因为，可调配气器5的配气孔11较小，用它洗井和替入环空保护液可能会损坏它。为了简化完井工艺，可调配气器5在下井时是处于关闭状态的，这样，下井的管柱就没有进液孔，造成空油管下井的状态，这种情况下，在管柱下井的过程中需要人工不断地向油管内灌液，增加了劳动强度和完井成本，同时，也没有了替入环空保护液的通道。因此在顶部封隔器4设置滑套，这一设置有3个作用，一是管柱下井中可以用作进液孔，二是封隔器坐封前可以替入环空保护液，三是可以用作完井后替换环空保护液的通道，四是作为下次作业时压井的通道。

由于注气井不需要洗井，层间封隔器6可以使用Y341型封隔器。

CO₂是一种危险性气体，为了防止井口装置因意外失控时井下CO₂气体无控制喷出井筒，需要在停注时，井下可调配气器5的配气孔11能自动关闭，为此，在配气孔11的出口处设置了单向阀机构。

单向阀机构的一种形式是如图1所示，配气孔11中设置向上的锥孔13并在其中设置球14，这是一种常用的单向阀机构。

单向阀机构的另一种形式是如图2所示，包括套在配气孔11外的阀套28和压住阀套28的弹簧27。由于阀套的内径上下不同，存在压差面，注气时，阀套被向上推开，配气孔露出；停注时，在弹簧的作用下，阀套回位，关闭配气孔。这种单向阀与配水器常用的阀机构的目的和功能完全不同，为了保证分层配水管柱上所用的扩张式封隔器的张封，需要配水器出口产生一定的节流压差，其所设置的阀机构的目的和功能就是为了产生节流压差。

见图2所示，这是可调配气器与测调仪工作状态结构示意图，可调式配气器的结构与专利“同心一体化测调注水工艺及装置（专利申请号是200910018261.5）”基本相同，不同之处是其单向阀机构，这在上面两段文字中已经描述。测调仪8包括线路板段20、流量测试段21、挤压密封段22和调整机械手段23，其中线路板段20、调整机械手段23与专利“同心一体化测调注水工艺及装置（专利申请号是200910018261.5）”完全相同，其它两段则不同。在流量测试段21，在壳体30中设置两个平行孔，一个孔穿电缆，另一个孔是CO₂通道。CO₂通道孔中安装了流量、温度与压力传感探头，气体从上端的进气孔25进入，从下端的出气孔26流出。

参见图2和图3，挤压密封段22，其壳体30中部有变径台肩，胶筒9和挤压套32顺次套在壳体30外且位于变径台肩下；壳体30内设下孔40，电机33固定在下孔40的顶部，电机33的输出轴37设外螺纹，螺母36安装在输出轴37上，内衬套34套在电机33外且其外壁与下孔40内壁相密封，在壳体30下孔40的侧壁设侧孔41，侧孔41位于内衬套34的上下两个密封圈之间，连接块35安装在侧孔41内且与内衬套34和挤压套32相连接固定，螺母36与内衬套34相连接固定；螺母36设过电缆孔38，驱动电缆39从过电缆孔38中穿过。

本发明的超临界CO₂井下分层注气管柱的操作方法，其步骤是：

a、完井：把除电缆和测调仪外的分层注气管柱下入井内设计位置，接油管挂并把油管挂坐入井口，可调配气器5的配气孔11处于关闭状态，滑套3处于打开状态，正循环或反循环替入环空保护液，然后通过钢丝作业下入滑套开关工具关闭滑套并起出开关工具；上提油管挂一定高度，从油管内打液压坐封所有封隔器，然后把油管挂坐入井口，装采油树；

b、注气：用电缆7带测调仪8下入井内可调配气器5处，通过地面控制仪逐个打开配气孔11，开始注气；

c、测调：测调仪8定位于任一级可调配气器5处，通过地面控制仪驱动压缩胶筒9将可调配气器5的内光管段12与测调仪之间的环空分隔；地面控制仪将测得的CO₂流量与目标配注流量对比，然后发出指令驱动调整机械手23对可调配气器5的配气孔11的大小进行调整，直至达到目标配注流量；通过地面控制仪发出指令释放胶筒9；按此步骤完成所有可调配气器5的调整后上提电缆起出测调仪。一般地，测调是从最下一级可调配气器5处开始逐级向上完成的。

所述的通过地面控制仪驱动压缩胶筒9的步骤是，通过地面控制仪驱动电机33，输出轴37旋转带动螺母36上行，从而带动挤压套32上行，压缩胶筒9。

图1所示的是两层分注的情况，对于三层以上分注的井，只需对应每层增加一个层间封隔器（6）和一个可调配气器5。

本文所述的实施例仅仅为典型实施例，但不仅限于这些实施例，本领域的技术人员可以在不偏离本发明的精神和启示下做出修改。本文所公开的方案可能存在很多变更、组合和修改，且都在本发明的范围内，因此，保护范围不仅限于上文的说明，而是根据权利要求来定义，保护范围包括权利要求的标的的所有等价物。

Claims (3)

1.超临界CO₂井下分层注气管柱，油管（2）安装在套管（1）内，顶部封隔器（4）、层间封隔器（6）、可调配气器（5）和盲堵（10）用油管相连，顶部封隔器（4）安装在油层以上部位，层间封隔器（6）安装在两个油层之间，对应每个油层安装一个可调配气器（5），盲堵（10）连接在管柱尾部，测调仪（8）与电缆（7）相连，电缆（7）下在油管内，测调仪（8）位于可调配气器（5）内且可在各可调配气器间移动，其特征在于，在顶部封隔器（4）以上还连接有滑套（3）；可调配气器（5）的配气孔（11）设有单向阀机构，气体流动方向是由内向外；配气孔（11）以上部位设有内光管段（12），测调仪（8）包括挤压密封段（22），挤压密封段（22）上的胶筒（9）与内光管段（12）相密封；所述的挤压密封段（22），其壳体（30）中部有变径台肩，胶筒（9）和挤压套（32）顺次套在壳体（30）外且位于变径台肩下；壳体（30）内设下孔（40），电机（33）固定在下孔（40）的顶部，电机（33）的输出轴（37）设外螺纹，螺母（36）安装在输出轴（37）上，内衬套（34）套在电机（33）外且其外壁与下孔（40）内壁相密封，在壳体（30）下孔（40）的侧壁设侧孔（41），侧孔（41）位于内衬套（34）的上下两个密封圈之间，连接块（35）安装在侧孔（41）内且与内衬套（34）和挤压套（32）相连接固定，螺母（36）与内衬套（34）相连接固定；螺母（36）设过电缆孔（38），驱动电缆（39）从过电缆孔（38）中穿过。

2.权利要求1所述的超临界CO₂井下分层注气管柱的操作方法，其步骤是：

a、完井：按照权利要求1所述管柱结构把除电缆和测调仪外的分层注气管柱下入井内设计位置，接油管挂并把油管挂坐入井口，可调配气器（5）的配气孔（11）处于关闭状态，滑套（3）处于打开状态，正循环或反循环替入环空保护液，然后通过钢丝作业下入滑套开关工具关闭滑套并起出开关工具；上提油管挂一定高度，从油管内打液压坐封所有封隔器，然后把油管挂坐入井口，装采油树；

b、注气：用电缆（7）带测调仪（8）下入井内可调配气器（5）处，通过地面控制仪逐个打开配气孔（11），开始注气；

c、测调：测调仪（8）定位于任一可调配气器（5）处，通过地面控制仪驱动压缩胶筒（9）将可调配气器（5）的内光管段（12）与测调仪之间的环空分隔；地面控制仪将测得的CO₂流量与目标配注流量对比，然后发出指令驱动调整机械手（23）对可调配气器（5）的配气孔（11）的大小进行调整，直至达到目标配注流量；通过地面控制仪发出指令释放胶筒（9）；按此步骤完成所有可调配气器（5）的调整后上提电缆起出测调仪（8）。

3.根据权利要求2所述的超临界CO₂井下分层注气管柱的操作方法，其特征在于，所述的通过地面控制仪驱动压缩胶筒（9）的步骤是，通过地面控制仪驱动电机（33），输出轴（37）旋转带动螺母（36）上行，从而带动挤压套（32）上行，压缩胶筒（9）。