CN109386259A - 一种自力式柱塞系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自力式柱塞系统，属于油气开采技术领域。自力式柱塞系统，包括柱塞和监控系统，柱塞包括：打捞头；与打捞头的下端连接、并可沿油管内壁动密封地滑动的筒体；与筒体的下端连接、且侧壁设置有多个通孔的底座；可轴向滑动地套设于底座内的阀芯，阀芯可向上滑动直至与筒体的下端面密封；上端伸入到底座内，并与阀芯的下端连接的顶杆；设置在顶杆上，并与监控系统电连接的压力计。本发明提供的自力式柱塞系统不仅避免了对井口进行改造，减少了劳动强度与作业时间，而且也避免井内压差波动较大，减少了油气井的激动；另外，也可监控柱塞的运动状态，能对柱塞的重量进行合理调整，有利于对油气井进行排水采气或提高携液能力。

Description

一种自力式柱塞系统
技术领域
本发明涉及油气开采技术领域，特别涉及一种自力式柱塞系统。
背景技术
油气井排水采气工艺，是解决油气井井筒及井底附近地层积液过多或产水，并使煤油气井恢复正常生产的一种工艺。随着社会经济的发展，对天然气的需求量也逐渐增加。在开采天然气过程中，油气井井筒内一般存有积液，若不及时将积液从油气井井筒内排出，会降低油气井的生产能力，因此，需要提供一种有效的油气井排水采气工艺。
柱塞气举排水工艺是油气井排水采气工艺中常用的一种工艺，它利用油气井自身能量推动油管内的柱塞进行周期性地举水,以排出油气井井筒内的积液。该柱塞气举排水工艺通常采用柱塞气举装置进行排液，柱塞气举装置包括井口装置(防喷装置、薄膜气动阀、远程智能控制系统等)及井下工具(井底卡定器、柱塞)，其工作过程为：关闭薄膜气动阀，柱塞在自身重力作用下，下落至井底，并与井底卡定器相抵，在柱塞下落的过程中油气井井筒内的部分积液通过柱塞的内腔流入到柱塞的上方；之后，打开薄膜气动阀，在井内压差的作用下，柱塞泵沿着油气井井筒的内壁向上运动，直至将柱塞上方的积液从井口排出。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
当对油气井进行排水采气前，需对井口装置进行改进，例如安装薄膜气动阀，这增加了劳动强度与作业时间；另外，柱塞的上下运动是依靠薄膜气动阀的开关实现的，这易造成井内压差波动加大，导致井口出砂严重。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种自力式柱塞系统。所述技术方案如下：
一种自力式柱塞系统，包括柱塞和监控系统，所述柱塞包括：
打捞头；
与所述打捞头的下端连接、并可沿油管内壁动密封地滑动的筒体；
与所述筒体的下端连接、且侧壁设置有多个通孔的底座；
可轴向滑动地套设于所述底座内的阀芯，所述阀芯可向上滑动直至与所述筒体的下端面密封；
上端伸入到所述底座内，并与所述阀芯的下端连接的顶杆；
设置在所述顶杆上，并与所述监控系统连接的压力计。
优选地，所述打捞头包括：
打捞端；
与所述打捞端的下端连通的本体；
上、下端分别与所述本体的下端、所述筒体的上端连通的连接端；
上、下端分别与所述打捞端的下端面、所述连接端的上端面连接的多个加固杆；
所述加固杆沿着所述本体的周向均匀分布，且所述加固杆与所述本体的外壁之间具有空隙。
优选地，所述连接端的外壁上设置有第一密封圈，用于密封所述柱塞与所述油管之间的环形空间。
优选地，沿着所述筒体的长度方向，在所述筒体的外壁上设置有多个第二密封圈，用于密封所述柱塞与所述油管之间的环形空间。
优选地，所述柱塞还包括：弹簧套；
所述弹簧套的上端与下端分别与所述筒体的下端与所述底座的上端连通；
所述弹簧套内设置有弹簧；
所述弹簧的下端连接有密封头，用于与所述阀芯的上端面相抵；
当所述弹簧处于自然状态时，所述密封头的下端位于所述底座内。
优选地，所述弹簧套内腔的上端设置有第一限位块，用于与所述弹簧的上端相抵。
优选地，所述阀芯的上端设置有第二限位块，用于与所述弹簧套的下端面相抵；
所述第二限位块的上端面设置有第三密封圈，用于密封所述阀芯的上端面与所述弹簧套的下端面、以及所述密封头的下端面之间的缝隙。
优选地，所述阀芯的下端外壁上设置有第三限位块，用于与所述底座的底端相抵。
优选地，所述顶杆的下端连接有加重杆；
所述压力计设置在所述加重杆上。
优选地，所述通孔绕所述底座的侧壁沿圆周方向均匀分布。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例通过在底座内轴向滑动套设有阀芯，且阀芯可向上滑动直至与筒体的下端面密封相抵，将顶杆的上端深入到底座内与阀芯的下端连接，不需在井口处安装薄膜气动阀，就能使得柱塞以自力的形式在油管内进行上下运动，这不仅避免了对井口进行改造，减少了劳动强度与作业时间，而且也避免井内压差波动较大，减少了油气井的激动；通过在顶杆上设置压力计，可监控柱塞的运动状态，能对柱塞的重量进行合理调整，防止柱塞运动速度过快或过慢，有利于对油气井进行排水采气；另外，通过在筒体的上端设置打捞头，便于对柱塞进行打捞，减少了劳动强度与作业时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的自力式柱塞系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的打捞头的结构示意图。
下面对附图中的各个标号进行说明：
1-柱塞；
2-监控系统；
101-打捞头；
1011-打捞端，1012-本体，1013-连接端，1014-加固杆；
102-筒体；
1021-第二密封圈；
103-底座；
1031-通孔；
104-阀芯；
105-顶杆；
106-压力计；
107-弹簧套；
108-弹簧；
109-密封头；
1010-加重杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种自力式柱塞系统，如图1所示，该柱塞系统包括：柱塞1和监控系统2；进一步，柱塞1包括：打捞头101；与打捞头101的下端连接、并可沿油管内壁动密封地滑动的筒体102；与筒体102的下端连接、且侧壁设置有多个通孔1031的底座103；可轴向滑动地套设于底座103内的阀芯104，阀芯104可向上滑动直至与筒体102的下端面密封相抵；上端伸入到底座103内，并与阀芯104的下端连接的顶杆105；设置在顶杆105上，并与监控系统2电连接的压力计106。
需要说明的是，油气井包括：套管、位于套管内的油管、安装在井口的排出管线，其中，油管的下端安装有卡定器，井口还安装有防喷器。在对油气井进行排水采气前，将柱塞1从井口下放到油管内。利用柱塞1对油气井进行排水采气可分为向上运动和向下运动两个过程。
以下结合油气井的排水采气过程，就本发明实施例提供的自力式柱塞系统的工作原理给予描述：
由于打捞头1、筒体2、底座3顺次连接，它们的内腔也是顺次连通的。
对于柱塞1的向上运动过程：当柱塞1在重力作用下，沿着油管的内壁向下运动至卡定器的上方时，顶杆105受到卡定器的阻挡停止向下移动，而打捞头101、筒体102在重力作用下继续向下运动，直至筒体102下端面与阀芯相抵，以密封筒体102的下端口，防止油气井井筒内的液体和气体通过筒体102的下端口而进入到油管内。又由于筒体102的外壁与油管的内壁之间处于密封状态，使得柱塞1在油管内形成一个封隔面，柱塞1下方的气体无法通过，气体在柱塞1下方聚集，使得柱塞1的上方和下方产生压差。在气体的压差下，使得柱塞1被推动上行，并将柱塞1上方的液体和气体举升到井口的排出管线。当柱塞1到达井口后，由于位于采气树处的油管的通径变大(为目前常规设置)，柱塞1上方、下方的气体压力趋于平衡，使得顶杆105在重力作用下向下运动，从而带动阀芯104向下运动，与筒体102的下端面脱离，此时通孔1031暴露，柱塞1下方的气体通过底座103上的通孔1031流经油管内，之后释放，完成一次举升。
对于柱塞1的向下运动过程：当顶杆105自动下落，使得阀芯104与筒体102的下端面脱离后，柱塞1在重力作用下向下运动，油气井井筒内的气体与液体从通孔1031进入并依次穿过筒体102、打捞头101而进入到油管内。当柱塞1下行到卡定器时，开始下一个周期循环。柱塞1如此反复上下运行，将油气井井筒中的积水间歇排出。
当柱塞1沿着油管的内壁上下运动时，为了防止柱塞1上下运动速度过快或过慢，则需要对柱塞1的运动状态进行监控，其原理为：由于油管不同位置的压力不同，本发明实施例在顶杆105上设置压力计106，该压力计106检测顶杆105所在油管内不同位置时的压力，并将该压力值以电信号的形式传送至监控系统2；基于监控系统2提供的信息，来判断柱塞1上下运动的速度是否过快或过慢。其判断依据为，若柱塞1运动速度过快的话，压力计106所检测到压力值随着时间的递增，其值变化速度很大；反之，若柱塞1运动速度过慢的话，压力计106所检测到压力值随着时间的递增，其值变化速度很小。
若柱塞1上下运动的速度过快的话，减少柱塞1的重量；反之，若柱塞1上下运动的速度过慢的话，增加柱塞1的重量
综上，本发明实施例通过在底座103内轴向滑动套设有阀芯104，且阀芯104可向上滑动直至与筒体102的下端面密封相抵，将顶杆105的上端深入到底座103内与阀芯104的下端连接，不需在井口处安装薄膜气动阀，就能使得柱塞1以自力的形式在油管内进行上下运动，这不仅避免了对井口进行改造，减少了劳动强度与作业时间，而且也避免井内压差波动较大，减少了油气井的激动；通过在顶杆105上设置压力计106，可监控柱塞1的运动状态，能对柱塞1的重量进行合理调整，防止柱塞1运动速度过快或过慢，有利于对油气井进行排水采气；另外，通过在筒体102的上端设置打捞头1，便于对柱塞1进行打捞，减少了劳动强度与作业时间。
关于判断柱塞1运动状态的方式，也可将压力计106设置成储存式压力计，该种类压力计可记录并保存柱塞1的压力值，不需与监控系统2电连接。当柱塞1上下运动若干个回合后，可将压力计从井内取出，然后再读取柱塞1的压力值，从而来判断柱塞1的运动状态。
当柱塞1在重力作用下向下运动至卡定器的上方时，为了使顶杆105向上移动，本发明实施例在底座103的底端设置多个通孔，使得气体可分别通过底座103的底端上的通孔以及侧壁上的通孔1031，使得底座103内的阀芯104压力平衡，有利于其向上运动。
打捞头1的结构有多种，如图2所示，打捞头101包括打捞端1011；与打捞端1011的下端连通的本体1012；上、下端分别与本体1012的下端、筒体102的上端连通的连接端1013；上、下端分别与打捞端1011的下端面、连接端1013的上端面连接的多个加固杆1014；加固杆1014沿着本体1012的周向均匀分布，且加固杆1014与本体1012的外壁之间具有空隙。
本发明实施例提供的这种结构的打捞头101，通过在打捞端1011与连接端1013之间设置有多个加固杆1014，且加固杆1014与本体1012之间存有间隙，便于打捞工具的下端将打捞头101钩紧，提高了对柱塞1打捞的成功率。
其中，本发明实施例中的打捞端1011、本体1012与连接端1013可以加工成一体化，以提高打捞头101的强度；另外，加固杆1014的上、下端面可分别采用焊接的方式与打捞端1011的下端面、连接端1013的上端面连接。
可以理解的是，为了实现对柱塞1的打捞，打捞头101的外径应小于油管的内径，便于打捞工具的下端插入到加固杆1014与本体1012的外壁之间形成的空隙内。
基于上述提供的打捞头1，为了增强柱塞1的外壁与油管的内壁之间的密封效果，本发明实施例在连接端1013的外壁套装有第一密封圈，用于密封柱塞1与油管之间的环形空间。
其中，第一密封圈的外径等于或略大于油管的内径，使得柱塞1在油管内壁上下移动时，第一密封圈与油管密封相抵，避免气体与液体通过这两者之间的环形空间上下流动，不利于对油气井进行排水采气。
第一密封圈可优选为金属橡胶密封圈，该类密封圈具有耐高压、密封效果好等特点。当将第一密封圈设置为金属橡胶密封圈时，可将金属橡胶密封圈粘贴在连接端1013的外壁上。
同样地，为了增强柱塞1的外壁与油管的内壁之间的密封效果，可沿着筒体102的长度方向，在筒体102的外壁设置有多个第二密封圈1021，用于密封柱塞1与油管之间的环形空间。
其中，第二密封圈1021的外径等于或略大于油管的内径，使得柱塞1在油管内壁上下移动时，第二密封圈1021与油管密封相抵，避免气体与液体通过这两者之间的环形空间上下流动，不利于对油气井进行排水采气。另外，可沿着筒体102的长度方向，在筒体102的外壁均匀设置有多个第二密封圈1021。
第二密封圈1021可优选为金属橡胶密封圈，该类密封圈具有耐高压、密封效果好等特点。当将第二密封圈1021设置为金属橡胶密封圈时，可将金属橡胶密封圈粘贴在筒体102的外壁上。
当柱塞1向上运动至井口时，为了使柱塞1下方的气体顺利通过通孔1031而流经油管内进行释放，应保证顶杆105往下落直至通孔1031暴露，因此，参见图1，本发明实施例提供的柱塞1还包括：弹簧套107；弹簧套107的上端与下端分别与筒体102的下端与底座103的上端连通；弹簧套107内设置有弹簧108；弹簧108的下端设置有密封头109，用于与阀芯104的上端面相抵；当弹簧108处于自然状态时，密封头109的下端位于底座103内。
下面就弹簧108、密封头109的工作原理基于说明：
当柱塞1向下运动至卡定器的上方时，顶杆105受到卡定器的阻挡向上移动，进而带动阀芯104向上运动直至与筒体102的下端面相抵。当阀芯104向上运动至底座103内腔的上方时，阀芯104的上端面与密封头109的下端面相抵，进而推动密封头109沿着弹簧套107的内壁向上运动，使得弹簧108被压缩。
之后，当柱塞1到达井口后，由于油管的通径变大，使得柱塞1的上方和下方的压差减小，且该压差值小于顶杆105的重力，此时，由于弹簧108处于压缩状态，弹簧108给阀芯104施加向下的弹力，则顶杆105在重力以及弹簧108弹力的作用下下落，从而带动阀芯104向下运动，与筒体102的下端面脱离。
故，在筒体102与底座103之间设置弹簧套107，以及在弹簧套107内设置弹簧108，当柱塞1到达井口时，有利于顶杆105向下运动，使得通孔1031暴露。
需要说明的是，密封头109具有内腔，且密封头109的上下端分别与弹簧套107、底座103相通。另外，为了使密封头109沿着弹簧套107的内壁上下运动，密封头109的外径等于弹簧套107的内径。
为了便于在弹簧套107内设置弹簧108，本发明实施例在弹簧套107内腔的上端设置有第一限位块，用于与弹簧108的上端相抵。其中，可将弹簧108的上端部焊接在第一限位块的下端面上。
在弹簧套107内设置有第一限位块的形式有多种，例如，可在弹簧套107的内壁上设置环形凸台；再或者将弹簧套107的上端内径小于弹簧套107的下端内径。
基于上述提供的弹簧套107、弹簧108、以及密封头109的结构，本发明实施例在阀芯104的上端设置有第二限位块，用于与弹簧套107的下端面相抵；第二限位块的上端面设置有第三密封圈，用于密封阀芯104的上端面与弹簧套107的下端面、以及密封头109的下端面之间的缝隙，防止气体或液体流经阀芯104的上端面与弹簧套107的下端面之间的缝隙、或者阀芯104的上端面与及筒体102的下端面之间的缝隙。
其中，在阀芯104的上端设置第二限位块的结构有多种，例如，可在阀芯104的上端的外壁设置环形凸台，且该环形凸台的外径大于底座103的底端内径。
另外，第三密封圈可优选为金属橡胶密封圈，该类密封圈具有耐高压、密封效果好等特点。当将第三密封圈设置为金属橡胶密封圈时，可将金属橡胶密封圈粘贴在阀芯104的上端面上。
当柱塞1在重力的作用下向下运动时，顶杆105会带动阀芯104向下运动，为了保证柱塞1的正常工作，就要避免阀芯104从底座103内脱落，对此，本发明实施例在阀芯104的下端的外壁设置有第二限位块，用于与底座103的底端相抵，以阻止阀芯104从底座103内滑脱。
其中，在阀芯104的下端的外壁设置有第二限位块的形式有多种，例如，可在阀芯104的下端的外壁设置环形凸台，且该环形凸台的外径大于底座103的底端内径。
鉴于上述对第一限位块、第二限位块结构的描述，本发明实施例可在阀芯104的外壁设置一处环形凸台，该环形凸台的的外径小于筒体102下端的内径、且大于底座103底端的内径；或者这接将阀芯104的外径小于筒体102下端的内径、且大于底座103底端的内径。
当柱塞1向上运动至井口时，为了使柱塞1下方的气体顺利通过通孔1031而流经油管内进行释放，可通过增加顶杆105的重量来保证顶杆105往下落直至通孔1031暴露，故，本发明实施例在所述顶杆105的下端连接有加重杆1010；压力计106设置在加重杆1010上。
为了保证油气井井筒内的液体和气体能顺利通过通孔1031而进入到油管内，本发明实施例将通孔1031绕底座3的侧壁沿圆周方向均匀分布。例如，可沿着底座3的周向方向，在其侧壁上均匀设置4～6个通孔1031。
其中，通孔1031的形状可以设置为条形状。
为了便于对柱塞1进行安装与拆卸，本发明实施例中的打捞头101的下端与筒体102的上端螺纹连接，具体地可在打捞头101的下端的内壁设置螺纹、在筒体102的上端的外壁设置螺纹。
同样地，筒体102的下端与底座103的上端螺纹连接，具体地可在筒体102的外壁设置螺纹、在底座103的上端的内壁设置螺纹。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自力式柱塞系统，其特征在于，包括柱塞(1)和监控系统(2)，所述柱塞(1)包括：
打捞头(101)；
与所述打捞头(101)的下端连接、并可沿油管内壁动密封地滑动的筒体(102)；
与所述筒体(102)的下端连接、且侧壁设置有多个通孔(1031)的底座(103)；
可轴向滑动地套设于所述底座(103)内的阀芯(104)，所述阀芯(104)可向上滑动直至与所述筒体(102)的下端面密封相抵；
上端伸入到所述底座(103)内，并与所述阀芯(104)的下端连接的顶杆(105)；
设置在所述顶杆(105)上，并与所述监控系统(2)电连接的压力计(106)。
2.根据权利要求1所述的柱塞系统，其特征在于，所述打捞头(101)包括：
打捞端(1011)；
与所述打捞端(1011)的下端连通的本体(1012)；
上、下端分别与所述本体(1012)的下端、所述筒体(102)的上端连通的连接端(1013)；
上、下端分别与所述打捞端(1011)的下端面、所述连接端(1013)的上端面连接的多个加固杆(1014)；
所述加固杆(1014)沿着所述本体(1012)的周向均匀分布，且所述加固杆(1014)与所述本体(1012)的外壁之间具有空隙。
3.根据权利要求2所述的柱塞系统，其特征在于，所述连接端(1013)的外壁上设置有第一密封圈，用于密封所述柱塞(1)与所述油管之间的环形空间。
4.根据权利要求1所述的柱塞系统，其特征在于，沿着所述筒体(102)的长度方向，在所述筒体(102)的外壁上设置有多个第二密封圈(1021)，用于密封所述柱塞(1)与所述油管之间的环形空间。
5.根据权利要求1所述的柱塞系统，其特征在于，所述柱塞(1)还包括：弹簧套(107)；
所述弹簧套(107)的上端与下端分别与所述筒体(102)的下端与所述底座(103)的上端连通；
所述弹簧套(107)内设置有弹簧(108)；
所述弹簧(108)的下端连接有密封头(109)，用于与所述阀芯(104)的上端面相抵；
当所述弹簧(108)处于自然状态时，所述密封头(109)的下端位于所述底座(103)内。
6.根据权利要求5所述的柱塞系统，其特征在于，所述弹簧套(107)内腔的上端设置有第一限位块，用于与所述弹簧(108)的上端相抵。
7.根据权利要求5所述的柱塞系统，其特征在于，所述阀芯(104)的上端设置有第二限位块，用于与所述弹簧套(107)的下端面相抵；
所述第二限位块的上端面设置有第三密封圈，用于密封所述阀芯(104)的上端面与所述弹簧套(107)的下端面、以及所述密封头(109)的下端面之间的缝隙。
8.根据权利要求1所述的柱塞系统，其特征在于，所述阀芯(104)的下端外壁上设置有第三限位块，用于与所述底座(103)的底端相抵。
9.根据权利要求1所述的柱塞系统，其特征在于，所述顶杆(105)的下端连接有加重杆(1010)；
所述压力计(106)设置在所述加重杆(1010)上。
10.根据权利要求1所述的柱塞系统，其特征在于，所述通孔(1031)绕所述底座(103)的侧壁沿圆周方向均匀分布。
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