CN106481320B - 一种可以实现气井不关井连续生产的柱塞采气装置 - Google Patents

Abstract

一种可以实现气井不关井连续生产的柱塞采气装置。主要目的在于提供一种性能优良、结构可靠的新型柱塞采气装置，从而实现气井的连续生产，提高排水效率。其特征在于：该装置包括推杆、防喷器、异型弹簧及其胶套、组合活塞、活塞球、活塞球固定件、缓冲垫及其维持钢圈以及缓冲弹簧等几部分；组合活塞分成上活塞体和下活塞体两部分，与一个球体共同组成整个活塞结构，上活塞连接有钢球固定件并有配套的异型弹簧及套筒结构与之相连，油管下方放置有缓冲垫及其维持钢圈，并与下方结构之间固定有一个缓冲弹簧；在活塞运行的最大高度通过固定连接推杆，推杆的总长度约为分体组合活塞总长度的1.5倍，以实现在不关井的情况下推动球体下行。

Description

一种可以实现气井不关井连续生产的柱塞采气装置

技术领域

本发明涉及的是一种应用于油气田开发领域中可以实现油气不关井连续生产的分体式柱塞采气装置。

背景技术

气井生产时会产出一些液体，当井筒内气体的流速大于携液临界流速时，液体以液滴的形式被气体携带到地面。当气体流速较低，不能提供足够的能量使井筒中的流体流出井口时，液体将与气体呈反方向流动并积存于井底，最后会导致井底积液。随着积液加剧，气藏的采气速度下降，单井产量迅速递减，气井自喷能力减弱，甚至井底严重积液而停产，使开采难度增大，而解决积液气井的有效方式是排水采气。

柱塞气举是一种利用储层能量来携带液体的排水采气的方式，是将柱塞作为密封界面阻止井筒内的气体窜流和液体回落，由此来提高气体的举升效率。但是常规的柱塞气举工艺有一个较大的缺陷：主要体现在生产不连续、下落阻力大、工作周期较长和举升效率下降等方面。在柱塞的工作过程中，开井时依赖井下压力上升，在活塞上下形成一定压力差，举升活塞及以上的气体和液体，实现排水同时采气目的。在闭井时活塞上下表面压力达到平衡，靠自身重力作用落到井底。同时柱塞回落过程中，由于过流面积小柱塞下落时受到的阻力较大，关井时间长，使举升效率下降。并且由于工艺过程需要开关井，使得地面控制机构复杂，造成生产过程不连续。因此，迫切需要设计出一种性能优良、结构可靠的新型柱塞，可以实现气井的连续生产，提高排水效率。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种可以实现气井不关井连续生产的柱塞采气装置，该种柱塞采气装置可以实现气井不关井连续生产，并且结构简单、设计巧妙，易于拆卸和安装，能够有效排除井底积液，提高油气的产出效率。

本发明的技术方案是：该种可以实现气井不关井连续生产的柱塞采气装置，包括油管、套管以及防喷器和坐定器，套管位于油管内，两者之间留有环形间隙，在油管和套管的上端连接防喷器，坐定器位于套管的底端，其独特之处在于：

所述柱塞采气装置还包括位于套管内的推杆、具有上柱塞体空心轴的上柱塞体、异形弹簧固定装置、异形弹簧、异型弹簧胶套、钢球、小球固定夹板、夹板支撑弹簧、夹板固定圈以及固定圈配套螺栓、钢球、小球固定夹板、夹板支撑弹簧、夹板固定圈、固定圈配套螺栓下柱塞体、缓冲胶垫、胶垫维持钢圈以及缓冲弹簧。

异形弹簧固定装置、异形弹簧、异形弹簧胶套、钢球、小球固定夹板、夹板支撑弹簧、夹板固定圈以及固定圈配套螺栓；钢球、小球固定夹板、夹板支撑弹簧、夹板固定圈、固定圈配套螺栓相互连接后构成一个整体，位于所述上柱塞体的下部环形挡板内；其中，所述小球固定夹板通过夹板固定圈和螺栓固定，以实现自动夹持和松开钢球；所述弹簧固定装置与上柱塞体空心轴之间通过螺纹连接，所述异形弹簧套装在所述上柱塞体空心轴上，通过所述异形弹簧固定装置限位在空心轴上，但可沿上柱塞体空心轴的轴向上下小幅度运动，所述异形弹簧胶套套装在所述异形弹簧的外侧；钢球的半径大于上活塞体空心轴。

所述的下柱塞体的主体为倒置的空心圆柱体，在中空的圆柱体的下端延伸出一个空心的锥形圆台，所述锥形圆台的环周区域开有四个过流孔洞，所述锥形圆台的底部中央开有一个垂向贯穿的中心通孔，所述中心通孔的直径略小于钢球的直径；上柱塞体与下柱塞体之间通过螺纹连接。

所述推杆的顶端通过配套螺栓固定在靠近井口处的油管外部，所述推杆的直径小于所述上活塞体中空轴的直径，所述推杆的长度为所述上活塞体长度的1.5倍至2倍之间；所述推杆的顶端为圆形挡片，所述圆形挡片的四周开有过流孔，以实现不完全遮蔽油管的目的；

所述缓冲胶垫、胶垫维持钢圈依次放置在所述下活塞体的底端，所述缓冲胶垫采用橡胶材质，直径与油管直径相同；所述缓冲弹簧固定在油管的底部，处于坐定器的上方，所述弹簧采用弹簧钢材料。

本发明具有如下有益效果：本装置采用的组合式柱塞，在上行阶段，组合式活塞运行到油管底部的时候，因为缓冲胶垫的密封作用，下柱塞体的外围四个孔被缓冲胶垫遮挡，这样下柱塞体中心孔成为唯一的过流孔，此时钢球处在中心孔之上，这样气压就集中的作用在钢球之上，使钢球顺利上行，并在上行过程中触动小球固定夹板，钢球自动被抱紧，这样不至于上行过程中球与上柱塞体空心轴分离，此时过流面积被全部封住，柱塞上方的液体不会回落。而在下行阶段，当组合式柱塞上行到最大高度后，这时推杆起作用，推动钢球下行，由柱塞内部中空，钢球往下运动时，使活塞球与活塞柱分离，柱塞的横截面积减小，上下相通，这样就会使柱塞主体在下行时遇到的阻力减小，从而可以使柱塞在自身重力的作用下自由下行，这样就可以在连续不关井的条件下实现活塞的自动上下行，实现气井的连续生产。利用本装置还可以完成柱塞的打捞检修，即在原推杆的基础上设计了一个十字结构的弹簧打捞头，当此打捞头由上空心轴进入柱塞体内时，小球仍可以被推掉，此时推杆端头的弹簧张开，可以卡在夹板处，可以实时对柱塞进行打捞检修作业。

综上所述：本种装置结构简单、设计巧妙、易于拆卸和安装，通过组合式柱塞和推杆作用，减小了柱塞下行时的阻力面面积，减小了活塞下行时的阻力，实现在不关井的前提下柱塞能够顺利下行，提高生产效率，具有很大的实用价值。

附图说明：

图1 本装置的结构爆炸视图

图2 本装置的爆炸视图对应的装配结构剖视图

图3 是标号10-14的部件组装后的小球抱紧结构装配图

图4 是标号10-14的部件组装后的小球抱紧结构爆炸视图

图5 是在推杆下端连接打捞头弹簧板后的结构示意图。

图6 是通过螺栓固定的推杆的结构示意图。

图7 是油、套管示意图。

图8 是主活塞体部分的剖视结构示意图。

图9 是上柱塞体的结构示意图。

图10 是异型弹簧固定装置的结构示意图。

图11 是异型弹簧的结构示意图。

图12 是异型弹簧胶套的结构示意图。

图13 是钢球的结构示意图。

图14 是钢球固定夹板的结构示意图。

图15 是夹板固定圈的结构示意图。

图16 是下柱塞体的结构示意图。

图17 是缓冲胶垫及其维持钢圈的结构示意图。

图18 是井底缓冲弹簧的结构示意图。

图19 是柱塞上升切面的结构示意图。

图20 是井口推杆的作用示意图。

图21 是打捞装置的作用示意图。

图中1-推杆固定螺栓；2-推杆； 3-油管；4-套管；5-防喷器； 6-异形弹簧固定装置；7-异型弹簧；8-异型弹簧胶套；9-上柱塞体空心轴；10-钢球； 11-夹板支撑弹簧；12-小球固定夹板；13-夹板固定圈；14-固定圈配套螺栓；15-下柱塞体；16-缓冲胶垫；17-胶垫维持钢圈；18-缓冲弹簧；19-坐定器；20-柱塞打捞装置；21-上柱塞体；22-打捞头弹簧板；23-打捞头弹簧。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图21所示，该种可以实现气井不关井连续生产的柱塞采气装置，包括油管3、套管4以及防喷器5和坐定器19，套管4位于油管3内，两者之间留有环形间隙，在油管3和套管4的上端连接防喷器5，坐定器19位于套管4的底端，其独特之处在于：

所述柱塞采气装置还包括位于套管4内的推杆2、具有上柱塞体空心轴9的上柱塞体21、异形弹簧固定装置6、异形弹簧7、异型弹簧胶套8、钢球10、小球固定夹板12、夹板支撑弹簧11、夹板固定圈13以及固定圈配套螺栓14、钢球10、小球固定夹板12、夹板支撑弹簧11、夹板固定圈13、固定圈配套螺栓14、下柱塞体15、缓冲胶垫16、胶垫维持钢圈17以及缓冲弹簧18。

本种柱塞采气装置采用了一种组合式活塞和推杆结构，组合式活塞的钢球的半径要大于上活塞体空心轴和下柱塞体中心孔的直径，这样在组合式柱塞上行的过程中，钢球足以完全遮住上活塞体空心轴，在组合式柱塞上行到最大高度后，因为推杆长度足够长，这样就可以把同时上升的钢球推掉，从而球的又不至于从柱塞内掉落，从而减小了柱塞下行时阻力面的面积，从而能够减小柱塞体的下行阻力，使气体产出后，在不关井的条件下使活塞柱顺利下行。

如图3、图4所示，异形弹簧固定装置6、异形弹簧7、异形弹簧胶套8、钢球10、小球固定夹板12、夹板支撑弹簧11、夹板固定圈13以及固定圈配套螺栓14；钢球10、小球固定夹板12、夹板支撑弹簧11、夹板固定圈13、固定圈配套螺栓14相互连接后构成一个整体，位于所述上柱塞体21的下部环形挡板内。小球固定夹板12基于船式开关设计，通过夹板固定圈13和螺栓14固定，能够自动夹持钢球和松开钢球，并且夹板能保持在两个极限状态，而不会停留在中间的不稳定位置，能够防止钢球在柱塞上行过程中由于压力的不稳定波动而从上柱塞体过流孔处脱离；所述弹簧固定装置与上柱塞体空心轴之间通过螺纹连接，所述异形弹簧套装在所述上柱塞体空心轴上，通过所述异形弹簧固定装置限位在空心轴上，但可沿上柱塞体空心轴的轴向上下小幅度运动，所述异形弹簧胶套套装在所述异形弹簧的外侧；异形弹簧的设计主要是用于在柱塞上行过程中堵塞柱塞与油管间的环形空间，防止气体漏失和液体滑脱，而且由于榄形弹簧的设计能够使弹簧在受到相应力时产生形变，可以拉伸减小最大处的直径，在活塞举升过程中遇到轻微变径或者遇障能够顺利通过而不会卡住最终导致活塞举升失败。

钢球的半径大于上活塞体空心轴9。

结合图3，图8，图19，图20，图21，活塞内的钢球的半径要大于上活塞体空心轴和下柱塞体中心孔的直径，当井底积压时，此时组合活塞处在下方，钢球落在下柱塞体中心孔之处，柱塞与下方的缓冲胶垫紧密接触，下柱塞体环部的四个过流孔被缓冲胶垫遮蔽，此时下方压力全部作用在钢球上，推动小球上行，要求下活塞体不要过长，这样更好保证钢球能上行到钢球夹板处，当小球上行到钢球夹板处时，由于船式开关的原理，夹板能自动抱紧小球，因为下方压力的存在，小球并不会落下来，此时小球完全堵住柱塞的上空心轴，整个油管过流面积被封住，再加上异型弹簧的存在，足以保证柱塞上方物质被顺利举升，且不至于回落。在组合式柱塞上行到最大高度后，因为推杆长度足够长，这样就可以把同时上升的钢球推掉，又重新掉落到下柱塞体的中心孔处，从而球的又不至于从柱塞内掉落，因为下柱塞体周围四个小孔的存在，当小球被推离之后，此时上下相通，从而减小了柱塞下行时阻力面的面积，从而能够减小柱塞体的下行阻力，使气体产出后，在不关井的条件下使活塞柱顺利下行。

所述的下柱塞体15的主体为倒置的空心圆柱体，在中空的圆柱体的下端延伸出一个空心的锥形圆台，所述锥形圆台的环周区域开有四个过流孔洞，所述锥形圆台的底部中央开有一个垂向贯穿的中心通孔，所述中心通孔的直径略小于钢球10的直径；

上柱塞体21与下柱塞体15之间通过螺纹连接；

所述推杆2的顶端通过配套螺栓1固定在靠近井口处的油管外部，所述推杆的直径小于所述上活塞体中空轴的直径，所述推杆的长度为所述上活塞体长度的1.5倍至2倍之间；所述推杆2的顶端为圆形挡片，所述圆形挡片的四周开有过流孔，以实现不完全遮蔽油管的目的。

所述缓冲胶垫、胶垫维持钢圈依次放置在所述下活塞体的底端，所述缓冲胶垫采用橡胶材质，直径与油管直径相同；所述缓冲弹簧固定在油管的底部，处于坐定器19的上方，所述弹簧采用弹簧钢材料。缓冲胶垫16主要作为柱塞和井底缓冲弹簧之间的介质，对柱塞进行软性缓冲，同时封闭下柱塞体的过流孔洞，使下柱塞体中心孔成为唯一气体过流的通道，胶垫维持钢圈在缓冲胶垫内，用于保持下柱塞体主过流孔洞与油管空间的畅通，保证钢球上下压差能够将钢球推到钢球固定装置并触发相应机构的运动。利用缓冲弹簧后，当活塞柱下行到底部，也可防止组合式活塞下行过程由于阻力过小造成的下行速度加快，从而防止对油管底部装置的破坏。结合图17和图18可知，油管下方放置的缓冲垫能够保护柱塞及井底设备，极大缓解或避免柱塞下行过程中的冲击力对自身以及井底的设备的撞击。

另外，本种柱塞采气装置还可以在推杆2的下端连接有一个十字结构的打捞头弹簧板22，打捞头弹簧板22的活动端与推杆2的下端之间通过打捞头弹簧23进行连接构成柱塞打捞装置20。结合图5和图6，此打捞装置用于检修作业，由组合式弹簧板和弹簧组成十字结构打捞头，在外力作用下由于形变可以进入直径较小的上柱塞体，并卡在上柱塞体的中央孔洞处。防喷器关闭井口后，可以对柱塞进行打捞检修作业。柱塞打捞装置是由推杆改进而来，主要用于打捞检修作业。这种由组合式弹簧板和弹簧组成十字结构打捞头，在外力作用下由于形变可以进入直径较小的上柱塞体，并卡在上柱塞体的中心孔处。

实际应用时，缓冲胶垫采用橡胶材质，胶垫维持钢圈放置在下活塞体底端，直径与油管直径相同。缓冲弹簧固定在油管的底部，处于坐定器上方，弹簧采用弹簧钢材料。井底坐定器，直径与油管直径相同，在本申请的附图中作了简化画法，此结构其实是通过卡瓦卡定在油管的预定深度，不过要接近油管的底部从而控制柱塞在井下的下落位置。

缓冲胶垫、胶垫维持钢圈、缓冲弹簧、缓冲胶垫和坐定器的直径均与油管相同，当这些结构放置在井底时，可直接通过钢丝投捞作业下入油管底部，缓冲装置可直接安放在坐定器上部。

下面给出本装置的工作过程：分为柱塞的上行和柱塞的下行两部分。

柱塞的上行：在组合式活塞运行到油管底部的时候，因为缓冲胶垫的密封作用，下柱塞体的外围四个孔被缓冲胶垫遮挡，这样下柱塞体中心孔成为唯一的过流孔，此时钢球处在中心孔之上，这样气压就集中的作用在钢球球之上，使钢球顺利上行，并在上行过程中触动小球固定夹板，钢球自动被抱紧，这样不至于上行过程中球与上柱塞体空心轴分离，此时上时的过流面积被全部封住，柱塞上方的液体不会回落。异形弹簧的设计主要也是用于在柱塞上行过程中堵塞柱塞与油管间的环形空间。

柱塞的下行：当组合柱塞整体上行到油管顶部时，推杆发挥作用，将钢球推离固定夹板，而后重新落回下柱塞体中心孔处。在柱塞整体下行的过程中，处在下柱塞体中心孔处的钢球不足以遮挡住外围的四个过流孔，这样尽可能的增大了下行的过流面积，从而实现柱塞的顺利下行。

Claims (2)

1.一种可以实现气井不关井连续生产的柱塞采气装置，包括油管(3)、套管(4)以及防喷器(5)和坐定器(19)，套管(4)位于油管(3)内，两者之间留有环形间隙，在油管(3)和套管(4)的上端连接防喷器(5)，坐定器(19)位于套管(4)的底端，其特征在于：

所述柱塞采气装置还包括位于套管(4)内的推杆(2)、具有上柱塞体空心轴(9)的上柱塞体(21)、异形弹簧固定装置(6)、异形弹簧(7)、异型弹簧胶套(8)、钢球(10)、小球固定夹板(12)、夹板支撑弹簧(11)、夹板固定圈(13)以及固定圈配套螺栓(14)、下柱塞体(15)、缓冲胶垫(16)、胶垫维持钢圈(17)以及缓冲弹簧(18)；

钢球(10)、小球固定夹板(12)、夹板支撑弹簧(11)、夹板固定圈(13)、固定圈配套螺栓(14)相互连接后构成一个整体，位于所述上柱塞体(21)的下部环形挡板内；其中，所述小球固定夹板通过夹板固定圈(13)和螺栓(14)固定，以实现自动夹持和松开钢球(10)；所述弹簧固定装置与上柱塞体空心轴之间通过螺纹连接，所述异形弹簧套装在所述上柱塞体空心轴上，通过所述异形弹簧固定装置限位在空心轴上，但可沿上柱塞体空心轴的轴向上下小幅度运动，所述异形弹簧胶套套装在所述异形弹簧的外侧；钢球(10)的半径大于上柱塞体空心轴(9)；

所述的下柱塞体(15)的主体为倒置的空心圆柱体，在中空的圆柱体的下端延伸出一个空心的锥形圆台，所述锥形圆台的环周区域开有四个过流孔洞，所述锥形圆台的底部中央开有一个垂向贯穿的中心通孔，所述中心通孔的直径略小于钢球(10)的直径；

上柱塞体(21)与下柱塞体(15)之间通过螺纹连接；

所述推杆(2)的顶端通过配套螺栓(1)固定在靠近井口处的油管外部，所述推杆的直径小于所述上柱塞体中空轴的直径，所述推杆的长度为所述上柱塞体长度的1.5倍至2倍之间；所述推杆(2)的顶端为圆形挡片，所述圆形挡片的四周开有过流孔，以实现不完全遮蔽油管的目的；

所述缓冲胶垫、胶垫维持钢圈依次放置在所述下柱塞体的底端，所述缓冲胶垫采用橡胶材质，直径与油管直径相同；所述缓冲弹簧固定在油管的底部，处于坐定器(19)的上方，所述弹簧采用弹簧钢材料。

2.根据权利要求1所述的一种可以实现气井不关井连续生产的柱塞采气装置，其特征在于：在推杆(2)的下端连接有一个十字结构的打捞头弹簧板(22)，打捞头弹簧板(22)的活动端与推杆(2)的下端之间通过打捞头弹簧(23)进行连接。