CN105952421A

CN105952421A - 一种分体式柱塞钢丝排液装置

Info

Publication number: CN105952421A
Application number: CN201610483783.2A
Authority: CN
Inventors: 邓继学; 刘培润; 焦峥辉; 韩静静; 景志明; 费节高; 吕希祥
Original assignee: Changqing Downhole Operation Co of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co Ltd
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2036-06-28
Also published as: CN105952421B

Abstract

本发明提供了一种分体式柱塞钢丝排液装置，该装置分为上下两部分，上部分包括从上至下依次螺纹连接的钢丝绳连接器、上加重杆、上筛管、阻尼器、下筛管，下部分包括翅环、联接杆、柱塞和下加重杆，联接杆的上端穿过翅环后与下筛管相连，柱塞包括柱塞套和柱塞杆，柱塞套下端和柱塞杆的下端相接后密封，联接杆的下端插入柱塞套后与柱塞杆上端连接，柱塞杆下端与下加重杆连接，柱塞套外径小于油管内径，所述柱塞套密度小于下加重杆的密度。本发明用钢丝绳来驱动柱塞，无需考虑井内能量是否充足，且柱塞不容易被卡，采用的阻尼器，有效防止井内压力较高使柱塞加速上移导致钢丝绳打扭、弯曲，保证钢丝绳的使用寿命；排液效率高，可彻底清除井底积液。

Description

一种分体式柱塞钢丝排液装置

技术领域

本发明属于天然气井排水采气领域技术领域，具体涉及一种分体式柱塞钢丝排液装置。

背景技术

柱塞排液由于其工艺简单、容易安装和检修及可以有效地利用地层能量进行排采等优点而受到关注，各科研单位都在积极地研制。长庆井下作业公司在2015年研发的“无底座分体式柱塞套”，专利号为：CN 205089591 U。该分体式柱塞套主要有柱塞体和柱塞套组成，通过对行程及运行时间的控制使其在井下相遇并合为一体，形成一个气液分离接口，再打开井口释放井内天然气压力，由于两端压差的作用，柱塞上移，其上部的液体被排出。

但是在试验及应用的过程中出现如下问题：1、柱塞套与油管之间的间隙较小，柱塞在运行过程中容易遇卡；2、井内能量不足，无法将柱塞及其上部液体举升到井口；3、无法精确探测液面深度，所以柱塞下入的深度存在较大的偏差。

发明内容

本发明的目的是解决柱塞在运行过程中容易遇卡及井内能量不足导致柱塞及积液无法被举升到井口的问题。

为此，本发明提供了一种分体式柱塞钢丝排液装置，该装置分为上下两部分，上部分包括从上至下依次螺纹连接的钢丝绳连接器、上加重杆、上筛管、阻尼器、下筛管，下部分包括翅环、联接杆、柱塞和下加重杆，所述联接杆的上端穿过翅环后与下筛管相连，所述柱塞包括柱塞套和柱塞杆，所述柱塞套下端和柱塞杆的下端相接后密封，所述联接杆的下端插入柱塞套后与柱塞杆上端连接，柱塞杆下端与下加重杆连接，所述柱塞套外径小于油管内径，所述柱塞套密度小于下加重杆的密度；

所述阻尼器包括滑筒、上接头、球架、钢球及下接头，所述滑筒上端设置有与上筛管连接的外螺纹，所述滑筒外从上至下套设有上接头、球架及下接头，所述球架与上接头和下接头均螺纹连接；

所述滑筒下部外壁上设置有上大下小的锥形凹槽，所述上接头内壁下部设有凸台，所述下接头内有通孔，上端设置有内螺纹，所述通孔的直径小于内螺纹直径，所述球架为金属圆筒，其下部外壁周向上均匀分布有圆形孔，各圆形孔之间设置有沿轴向外部过流槽，所述钢球放置在圆形孔上与滑筒下部外壁的锥形凹槽相接，所述圆形孔直径小于钢球的直径，所述滑筒上套装有弹簧，该弹簧一端坐在上筛管的下端面上，另一端坐在上接头的凸台上。

所述下筛管为一金属圆筒，筒壁上开有孔眼，下端固定连接带外螺纹的堵头，堵头的中心位置开有圆孔，所述联接杆上端穿过圆孔，通过承力螺帽和背帽与下筛管连接。

所述联接杆由上小下大的凸肩分为两段，所述翅环由圆筒和圆筒外壁均匀分布的三个三角形金属板组成，该翅环套装在联接杆的上端，卡在下筛管的下端面和联接杆的凸肩之间。

所述柱塞杆外径呈三段阶梯状，从上到下依次增大，最下端的外径大于柱塞套的内径。

所述柱塞套呈圆筒状，材质为尼龙或聚四氟乙烯。

所述上加重杆和下加重杆均为截面是圆形的金属杆。

所述钢丝绳连接器的上端设置有打捞头，该打捞头与钢丝绳连接器螺纹连接。

所述滑筒与上筛管及下接头有相同的通径。

本发明的有益效果是：

（1）用钢丝绳来驱动柱塞，无需考虑井内能量是否充足，且柱塞不容易被卡；

（2）排液效率高，不需要关井储能，可彻底清除井底积液；

（3）设计了阻尼器，有效防止井内压力较高使柱塞加速上移导致钢丝绳打扭、弯曲，保证钢丝绳的使用寿命。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是为阻尼器的结构示意图；

图3为球架的截面图；

图4为翅环的截面图。

图中：1、钢丝绳连接器；2、上加重杆；3、上筛管；4、阻尼器；5、下筛管；6、背帽；7、承力螺帽；8、翅环；9、联接杆；10、柱塞套；11、柱塞杆；12、下加重杆；13、滑筒；14、上接头；15、弹簧；16、球架；17、钢球；18、下接头；19、外部过流槽；20、圆形孔。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供了一种如图1所示的分体式柱塞钢丝排液装置，该装置分为上下两部分，上部分包括从上至下依次螺纹连接的钢丝绳连接器1、上加重杆2、上筛管3、阻尼器4、下筛管5，下部分包括翅环8、联接杆9、柱塞和下加重杆12，所述联接杆9的上端穿过翅环8后与下筛管5相连，所述柱塞包括柱塞套10和柱塞杆11，所述柱塞套10下端和柱塞杆11的下端相接后密封，所述联接杆9的下端插入柱塞套10后与柱塞杆11上端连接，柱塞杆11下端与下加重杆12连接，所述柱塞套10外径小于油管内径，所述柱塞套10密度小于下加重杆12的密度；

所述阻尼器4包括滑筒13、上接头14、球架16、钢球17及下接头18，所述滑筒13上端设置有与上筛管3连接的外螺纹，所述滑筒13外从上至下套设有上接头14、球架16及下接头18，所述球架16与上接头14和下接头18均螺纹连接；

所述滑筒13下部外壁上设置有上大下小的锥形凹槽，所述上接头14内壁下部设有凸台，所述下接头18内有通孔，上端设置有内螺纹，所述通孔的直径小于内螺纹直径，所述球架为金属圆筒16，其下部外壁周向上均匀分布有圆形孔20，各形圆孔之间设置有沿轴向外部过流槽19，所述钢球17放置在圆形孔20上与滑筒13下部外壁的锥形凹槽相接，所述圆形孔20直径小于钢球17的直径，所述滑筒13上套装有弹簧15，该弹簧15一端坐在上筛管3的下端面上，另一端坐在上接头14的凸台上。阻尼器4结构见图2所示，球架16结构见图3所示。

钢丝绳连接器1起到连接钢丝绳和下部结构的作用，其下端设置有内螺纹，用于和上加重杆2连接，上加重杆2通过其上端的外螺纹和钢丝绳连接器1连接，上加重杆2作用在于防止上行过程中由于井内压力较高使柱塞加速上移而引起钢丝绳打扭、弯曲，从而保证钢丝绳的使用寿命，下端通过螺纹和上筛管3连接。上接头14内壁上设置的凸台，用于限制滑筒13上行的滑动距离，下接头18内通孔的直径小于内螺纹直径，用于限制滑筒13下行的滑动距离；钢球17安装在球架16上的圆形孔20及滑筒13锥形凹槽组成的空间内，随着滑筒13的上下滑动，滑筒13上的锥形凹槽驱动钢球17在径向上移动。

本实施例中柱塞套10呈圆筒状，材质为尼龙或聚四氟乙烯；上加重杆2和下加重杆12均为截面是圆形的金属杆。

参阅图1，本实施例提供的分体式柱塞套10钢丝排液装置工作过程如下：在下行过程中，滑筒13受到钢丝绳拉力的作用，阻尼器4外壳受到重力的作用，两个力的方向相反，所以滑筒13相对球架16向上滑动，滑筒13上的锥形凹槽与球架16之间的径向间隙增大，使钢球17缩回球架16内部，此时处于解封状态，柱塞能顺利下降，当进入液体时，由于柱塞套10的密度较小，下加重杆12的下降速度大于柱塞套10的下降速度，因此柱塞套10相对于联接杆9向上滑动，然后柱塞套10的上端顶在翅环8上，而翅环8推着柱塞套10向下移动，此时，柱塞套10和联接杆9之间形成一个环形空间，井内液体从此环形空间到达柱塞套10上部，当柱塞下入到井内合适的深度，柱塞套10在压力及重力作用下向下移动与柱塞杆11相接后密封，柱塞套10和柱塞杆11合为一体，形成一个气液分离接口，把上部液体和下部的气液隔开，此时井内气流克服井口压力及柱塞套10上部液柱压力，穿过柱塞套10与油管环隙，推动柱塞套10及其上部液体处于平衡状态，即，柱塞套10上部的液体不会因重力的作用流到其下部，气流在该环隙处形成了一个气密封。

之后上行，在上行过程中，钢丝以一定的速度和拉力向上提升柱塞，此时阻尼器4处于解封状态，当提至钢丝的拉力不再下降并保持稳定后，说明柱塞及上部液体的重量与井内气流产生的节流阻力达到了动平衡状态，直至将柱塞上提到井口排出液体。

当柱塞上行至排出部份液体后，柱塞上部压力减小，上下压差增大，柱塞上行速度加快，使钢丝由受拉状态变为受推力的状态，有将钢丝顶盘在井口油管内的风险。此时，由于下压差抵消了阻尼器4外壳的重力作用，在弹簧15的作用下，所以球架16相对滑筒13向上滑动，滑筒13上的锥形凹槽与球架16之间的径向间隙减小，使钢球17压回球架16圆形孔20，此时处于坐封状态，即阻尼器4起到阻尼作用，使装置的下部分，只能拉着上移，不能推着上移，该阻尼器4的性能，保证了钢丝不会在井内打纽，造成事故。随着柱塞的上升，液体从井口排出，井内气体将柱塞推送到井口，阻挡在防喷管中，完成一个循环。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种分体式柱塞钢丝排液装置，所述下筛管5为一金属圆筒，筒壁上开有孔眼，下端固定连接带外螺纹的堵头，堵头的中心位置开有圆孔，所述联接杆9上端穿过圆孔，通过承力螺帽7和背帽6与下筛管5连接，见图1。

所述联接杆9由上小下大的凸肩分为两段，所述翅环8由圆筒和圆筒外壁均匀分布的三个三角形金属板组成，该翅环8套装在联接杆9的上端，卡在下筛管5的下端面和联接杆9的凸肩之间。见图4所示。

所述柱塞杆11外径呈三段阶梯状，从上到下依次增大，最下端的外径大于柱塞套10的内径。以实现柱塞套10在柱塞杆11上的坐封。

钢丝绳连接器1的上端设置有打捞头，该打捞头与钢丝绳连接器1螺纹连接。所述滑筒13与上筛管3及下接头18有相同的通径。使液体通道上下畅通。

为了达到排水采气的目的，钢丝最大上提速度的计算，当上提钢丝打破动态平衡后，柱塞会在井内上升气流的密封作用和钢丝上提拉力的作用下，将井内液体抽出井外。若上提速度大于产气量在油管内形成的流速时，则柱塞上下会形成压差，柱塞上部的液体会流入下部，使气流失去对柱塞的密封作用，当上提柱塞的速度小于气流在油管中的流动速度时，柱塞下部的压力大于柱塞上部的压力，气体在柱塞与油管壁之间起到密封作用。该气流速度与气井产量成为函数关系。

设油管的横载面为S，气井的产量为Q，则理想状态下，柱塞上升的速度应为压缩状态下的产量除以油管的过流面积。

V=Q/24/60/60/（(P+H/100)*10）/（3.14/4*D^2）

=Q/678240*(P+H/100)/D^2 ，式中V是柱塞匀速上升的速度，m/s；Q是天然气井的产量，m³/d，D是采气管径，m；

如，当天然气产量为10000方，油管内径为0.062m，井口气压为2MPa，柱塞悬浮在井内液柱高度为254m时，柱塞在井内匀速上升的速度计算如下：V=10000/678240*(2+254/100)/0.062^2=17.4m/s；

同理，当天然气产量为5000方时，柱塞在井内匀速上升的速度计算如下：V=5000/678240*(2+126/100)/0.062^2=6.25m/s；

当天然气产量为2000方/天时，柱塞在井内匀速上升的速度计算如下：V=2000/678240*(2+50.3/100)/0.062^2=1.9m/s；

钢丝拉力计算，由于柱塞及其上部液体在井内处于悬浮状态，要使柱塞匀速上升，则柱塞上承受的拉力则为其上部液体的重量，设重量为G，单位为kg ,设柱塞以上部液柱高度为H，单位为m，对于27/8”油管计算公式如下：G=3H。

加重杆重量计算，加重杆是置于井口的防喷管内，依靠自身重量，克服井内压力对向外的推力而下入井内。因此，钢丝的截面积与井内压力所形成的力的大小，就是加重杆的重量；由于加重杆向下运行时，要承受防喷盒上钢丝与密封件的摩擦力，因静摩擦力大于动摩擦力。

G=3.14/4P*d²+0.36 PH*S

式中：G—加重杆重量，kg；P—采气井口压力，kg/cm²；d—钢丝直径，cm；橡胶与钢材之间的磨擦系数为0.36；H—密封环厚度，cm；S—钢丝周长，cm。

上提所需时间计算，T=H/V，当液面的位置在3000米时，每次抽汲所需的时间为：T=3000/4/60=13分钟。

排液能力计算，假设气井产量为5000方/天，柱塞在液面内最大下入深度为200米，每天工作10小时，每45分钟只抽汲一次，井深为3000米，当天抽出液量为：10*60/45*2*0.3=8 m³。

综上所述，本发明用钢丝绳来驱动柱塞，无需考虑井内能量是否充足，且柱塞不容易被卡，采用的阻尼器4，有效防止井内压力较高使柱塞加速上移导致钢丝绳打扭、弯曲，保证钢丝绳的使用寿命；排液效率高，不需要关井储能，可彻底清除井底积液。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分体式柱塞钢丝排液装置，其特征在于：该装置分为上下两部分，上部分包括从上至下依次螺纹连接的钢丝绳连接器（1）、上加重杆（2）、上筛管（3）、阻尼器（4）、下筛管（5），下部分包括翅环（8）、联接杆（9）、柱塞和下加重杆（12），所述联接杆（9）的上端穿过翅环（8）后与下筛管（5）相连，所述柱塞包括柱塞套（10）和柱塞杆（11），所述柱塞套（10）下端和柱塞杆（11）的下端相接后密封，所述联接杆（9）的下端插入柱塞套（10）后与柱塞杆（11）上端连接，柱塞杆（11）下端与下加重杆（12）连接，所述柱塞套（10）外径小于油管内径，所述柱塞套（10）密度小于下加重杆（12）的密度；

所述阻尼器（4）包括滑筒（13）、上接头（14）、球架（16）、钢球（17）及下接头（18），所述滑筒（13）上端设置有与上筛管（3）连接的外螺纹，所述滑筒（13）外从上至下套设有上接头（14）、球架（16）及下接头（18），所述球架（16）与上接头（14）和下接头（18）均螺纹连接；

所述滑筒（13）下部外壁上设置有上大下小的锥形凹槽，所述上接头（14）内壁下部设有凸台，所述下接头（18）内有通孔，上端设置有内螺纹，所述通孔的直径小于内螺纹直径，所述球架（16）为金属圆筒，其下部外壁周向上均匀分布有圆形孔（20），各圆形孔（20）之间设置有沿轴向外部过流槽（19），所述钢球（17）放置在圆形孔（20）上与滑筒（13）下部外壁的锥形凹槽相接，所述圆形孔（20）直径小于钢球（17）的直径，所述滑筒（13）上套装有弹簧（15），该弹簧（15）一端坐在上筛管（3）的下端面上，另一端坐在上接头（14）的凸台上。

2.根据权利要求1所述的一种分体式柱塞钢丝排液装置，其特征在于：所述下筛管（5）为一金属圆筒，筒壁上开有孔眼，下端固定连接带外螺纹的堵头，堵头的中心位置开有圆孔，所述联接杆（9）上端穿过圆孔，通过承力螺帽（7）和背帽（6）与下筛管（5）连接。

3.根据权利要求1所述的一种分体式柱塞钢丝排液装置，其特征在于：所述联接杆（9）由上小下大的凸肩分为两段，所述翅环（8）由圆筒和圆筒外壁均匀分布的三个三角形金属板组成，该翅环（8）套装在联接杆（9）的上端，卡在下筛管（5）的下端面和联接杆（9）的凸肩之间。

4.根据权利要求1所述的一种分体式柱塞钢丝排液装置，其特征在于：所述柱塞杆（11）外径呈三段阶梯状，从上到下依次增大，最下端的外径大于柱塞套（10）的内径。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种分体式柱塞钢丝排液装置，其特征在于：所述柱塞套（10）呈圆筒状，材质为尼龙或聚四氟乙烯。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种分体式柱塞钢丝排液装置，其特征在于：所述上加重杆（2）和下加重杆（12）均为截面是圆形的金属杆。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种分体式柱塞钢丝排液装置，其特征在于：所述钢丝绳连接器（1）的上端设置有打捞头，该打捞头与钢丝绳连接器（1）螺纹连接。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种分体式柱塞钢丝排液装置，其特征在于：所述滑筒（13）与上筛管（3）及下接头（18）有相同的通径。