CN110195579B - 一种热采直斜井笼统防砂下的分层注汽管柱及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热采直斜井笼统防砂下的分层注汽管柱及方法，分层注汽管柱包括自上而下依次连接在油管上的顶部封隔器、井下热胀补偿器、配注器，所述配注器至少设置两个，分别对应不同的油层，配注器两两之间设置有层间封隔器；所述层间封隔器上端丝扣式连接液相分隔器，所述液相分隔器包括外管、内管，所述外管内壁设置旋流叶片，所述内管的上半段进入外管内部，且内管位于旋流叶片的下方，所述外管内壁还设置轴向的液相喷嘴，该液相喷嘴位于外管以及内管之间形成的环空内，所述内管内壁设置气相临界流喷嘴。本发明利用气液相间的密度差，在防砂管柱与套管之间建立一个一定厚度的液相分隔，保证笼统防砂条件的上下油层有效封隔。

Description

一种热采直斜井笼统防砂下的分层注汽管柱及方法

技术领域

本发明涉及油田生产稠油热采注汽工艺，具体地说是一种热采直斜井笼统防砂下的分层注汽管柱及方法。

背景技术

热力采油是稠油油藏开发的重要手段之一，以蒸汽吞吐和蒸汽驱应用最为广泛。胜利油田80％以上稠油为多层系油藏，热采直斜井普遍采用笼统注汽的开发方式，随着开发的不断深入，受油层物性差异、蒸汽超覆等因素的影响，造成了各层吸汽差异大、层间动用矛盾凸显，特别是在上层物性参数明显由于下层的情况时，蒸汽超覆造成上层干度高，物性参数好造成上层的吸汽量大，这种附加性的效果，造成上层的动用效果远远好于下层，不利于油层的整体动用，导致热采开发效果变差、产量下降。因此，根据各层的物性参数及吸汽情况，分层按需注汽，成为进一步提高稠油油藏开发效果的重要方式。

目前现场成熟应用的分层注汽工艺主要有同心双管、投球分注和单管定比例分层注汽，但是上述分层注汽技术仅适用于无防砂或化学防砂的套管完井的热采井，或是采用分层防砂的热采井。由于笼统防砂时，防砂管与套管间无法实现有效的封隔，因此无法进行分层注汽。

涉及分层注汽工艺技术的专利主要有3项。专利ZL 201110285835.2同心管分层注汽系统及方法，采用封隔器的方式对上下两层进行封隔，外管对上层注汽，内管对下层注汽，地面蒸汽分配装置实现各层的注汽流量、干度调控，但该管柱采用了内外双管的方式，管柱结构复杂，外管尺寸相对较大，无法适用于笼统防砂管内的分层注汽。专利ZL201410469662.3空心分层注汽系统，该注汽管柱最大特点在于每层间设计了油管释放器，更好的释放管柱的热应力，但受到管柱采用封隔器对上下油层进行封隔，在笼统防砂的管柱内，无法实现各层的有效分隔。专利CN 106285591 A设计一种分层防砂下的集成配汽装置，配注器具有内、外两个单独的通道，通过配注芯子控制进入每个通道的流量，实现分层注汽。该装置仅实现了分层防砂条件下的分层注汽，无法在笼统防砂井上实现分层注汽，同时由于受到各层注汽压力的差异，各层注汽干度存在差异，造成了部分热能的浪费。

综上所诉，目前分层注汽工艺技术及方法主要适用于化学防砂或分层防砂的热采注汽井中，无法实现笼统防砂的热采直斜井的分层注汽。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热采直斜井笼统防砂下的分层注汽管柱及方法，利用气液相间的密度差，在防砂管柱与套管之间建立一个一定厚度的液相分隔，保证笼统防砂条件的上下油层有效封隔，从而实现分层注汽的目的。本发明的另一个目的是在于提高下部油层注汽干度，减小蒸汽超覆及油层非均质性造成的下部油层吸汽比例较小问题，提高蒸汽热能的有效利用率和油层的整体动用效果。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种热采直斜井笼统防砂下的分层注汽管柱，包括自上而下依次连接在油管上的顶部封隔器、井下热胀补偿器、配注器，所述配注器至少设置两个，分别对应不同的油层，配注器两两之间设置有层间封隔器；所述层间封隔器上端丝扣式连接液相分隔器，所述液相分隔器包括外管、内管，所述外管内壁设置旋流叶片，所述内管的上半段进入外管内部，且内管位于旋流叶片的下方，所述外管内壁还设置轴向的液相喷嘴，该液相喷嘴位于外管以及内管之间形成的环空内，所述内管内壁设置气相临界流喷嘴。

所述内管上端口为喇叭口。

所述内管外壁还设置环形隔板，所述环形隔板位于液相喷嘴的上方。

所述环形隔板的边缘与外管内壁具有间隙，所述环形隔板还开设轴向通道。

所述环形隔板数量上至少设置两个，交错式设置在内管外壁上。

所述内管外壁还设置卡台，卡台卡在液相喷嘴上端面，卡台与液相喷嘴上端面之间设置密封圈。

所述外管上端通过上接头丝扣式连接上方所对应的配注器，所述外管下端丝扣式连接层间封隔器。

所述油管最低端连接丝堵，所述顶部封隔器上端自下而上依次连接下隔热油管、井下隔热补偿器、上隔热油管。

所述油管上还设置防砂悬挂封隔器，该防砂悬挂封隔器封隔在最上层的油层上方的油套环空中。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种热采直斜井笼统防砂下的分层注汽柱的注汽方法，饱和湿蒸汽依次经过上隔热油管、井下隔热补偿器、下隔热油管、顶部封隔器、井下热胀补偿器、油管、各油层相对应的配注器后进入液相分隔器，通过旋流叶片整流后，变成汽相在中心、液相贴壁的均匀环状流；全部液相和部分气相进入内外管形成的环形空间，利用重力分异和隔板阻挡的作用，进入环形空间的气相上返， 环形空间底部形成一个单一液相分布，液相通过液相喷嘴流出；中心的汽相进入内管，并沿配汽管柱注入下部油层；根据各层注汽配比，利用液相喷嘴和气相临界流喷嘴，对分流后的单一汽液相的进行分别控制，实现分流分相后的阻力匹配；通过液相喷嘴流出的单一液相，由于液相分隔器下端的层间封隔器起到阻隔作用，使液相进入防砂管与套管间的环形空间，在套管与防砂管间的环形空间形成一段单一液相分布，其中部分进入下部油层，实现笼统防砂下的层间有效分隔，气相则通过配注器全部注入对应油层。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种液相分隔器，所述液相分隔器包括外管、内管，所述外管内壁设置旋流叶片，所述内管的上半段进入外管内部，且内管位于旋流叶片的下方，所述外管内壁还设置轴向的液相喷嘴，该液相喷嘴位于外管以及内管之间形成的环空内，所述内管内壁设置气相临界流喷嘴，所述内管上端口为喇叭口，所述内管外壁还设置环形隔板，所述环形隔板位于液相喷嘴的上方，所述环形隔板的边缘与外管内壁具有间隙，所述环形隔板还开设轴向通道，所述内管外壁还设置卡台，卡台卡在液相喷嘴上端面，卡台与液相喷嘴上端面之间设置密封圈。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)采用液相分隔器，在防砂管柱与套管之间建立一个一定厚度的液相分隔，保证笼统防砂条件的上下油层有效封隔，实现笼统防砂条件下分层注汽的目的。

(2)保证下部油层的蒸汽注入流量，同时提高了下部油层的注入干度，克服了油层物性及蒸汽超覆等因素造成的下部油层吸汽比例小的问题，有效提高下部油层的动用效果；

(3)配汽管柱结构简单紧凑，同时充分考虑注汽热伸长等情况，保证注汽过程中配汽管柱的安全性、可靠性。

附图说明

图1为本发明的一种热采直斜井笼统防砂下的分层注汽管柱的结构示意图；

图2为液相分隔器的结构示意图；

图3为图2的局部放大图；

图4为图2的A-A剖面图；

图5为图2的B-B剖面图；

图6为旋流叶片结构图。

图中：上隔热油管101、下隔热油管102、井下隔热补偿器2、顶部封隔器3、井下热胀补偿器4、油管5、第一配注器601、液相分隔器7、层间封隔器8、丝堵9、防砂悬 挂封隔器10；

上接头21、外管22、旋流叶片23、内管24、液相喷嘴25、气相临界流喷嘴26、密封圈27、喇叭口241、环形隔板242。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图6，本发明提供一种技术方案：该注汽系统用于对两层或两层以上笼统防砂条件下的油层进行分层注汽，本实施方式中采用具有两油层的情况进行举例说明。上隔热油管101采用高真空隔热油管或新型气凝胶隔热油管，上述两类隔热油管，具有强度高、隔热效果好，有效降低注汽过程中井筒内的热损失。上隔热油管101下端螺纹连接井下隔热补偿器2，井下隔热补偿器外管采用高真空隔热油管，隔热效果好，降低了注汽中补偿器的热损失；井下隔热补偿器2下端螺纹连接下隔热油管102；下隔热油管102下端连接配汽管柱部分，配汽管柱部分包括顶部封隔器3、井下热胀补偿器4、油管5、第一配注器601、液相分隔器7、层间封隔器8、第二配注器602、丝堵9；顶部封隔器3位于配注管柱的最上端，下隔热油管102下端与顶部封隔器3螺纹连接，在配汽管柱部分中，位于防砂悬挂封隔器10的上方设置顶部封隔器3，可选择悬挂压缩式封隔器也可选择扩张式热敏封隔器等；位于上部油层与最下部油层之间防砂管柱内设置层间封隔器8，层间封隔器8实现了防砂管内上、下部油层的有效分隔；在顶部封隔器3与层间封隔器8之间从上到下依次螺纹连接井下热胀补偿器4、油管5、第一配注器6、液相分隔器7；最下部油层上方的层间封隔器8下端从上到下依次螺纹连接油管5、第二配注器6、丝堵9。

如果是三层或三层以上油层的情况时，在配汽管柱部分中，位于上部油层和防砂丢手封隔器的上方设置顶部封隔器3；位于相邻两个油层的间隔处设有将两个油层隔离开的液相分隔器7和层间封隔器8；在顶部封隔器3和液相分隔器7、层间分隔器8之间分别螺纹连接有井下热胀补偿器4、油管5、第一配注器601，根据不同情况，第一配注器601下端可以连接油管5再连接液相分隔器7，也可第一配注器601下端直接连接液相分隔器7，各个油层相对应的配注器与对应的油层对应设置，比如第三配注器、第四配注器等等；最下部油层上方的层间封隔器8下端依次连接依次螺纹连接油管5、最下部油层所对应的 第二配注器602、丝堵9。

进一步，如图2、图3所示，液相分隔器包括上接头21、外管22、旋流叶片23、内管24、液相喷嘴25、气相临界流喷嘴26、密封圈27；从上游的湿蒸汽通过上接头21进入外管22，通过旋流叶片23，利用旋流叶片23的旋流分离作用，形成了气相居中、液相贴壁的均匀分布环状分布形式；其中，大部分的气相通过内管上端的喇叭口241进入内管，喇叭口的上端直径是根据湿蒸汽的干度换算取得的；同时，全部的液相和部分气相进入外管22和内管24形成的环形空间，利用内管外壁上环形隔板242的阻挡作用，同时配合重力分异，进入环形空间的全部气相上返，保证在环形空间的底部形成一段单一液相的分布；环形空间底部的液相通过液相喷嘴25进入防砂管与套管间的环形空间，气相通过内管24，进入下部油层。内管24外螺纹上端设有凸台，凸台上设置有凹槽，凹槽中装有密封圈27，上紧螺纹时，可压缩密封环，达到密封的作用。

进一步，如图4所示，在内管外壁不同高度上，设置有环形隔板，同时俯视状态下所有环形隔板构成一个圆状，所有环形隔板构成一个圆的直径略大于外管内腔中心气相直径，同时螺旋状态的环形隔板组合增加气相进入环形空间底部的路径长度，对汽相起到一定的阻挡效果，同时配合汽液相的重力分异作用，保证环形空间底部为单一液相分布。

进一步，如图5所示，根据各层的流量配比，设计外管底部的液相喷嘴25个数及尺寸和内管的气相临界喷嘴26尺寸，匹配气相、液相间的沿程阻力，保证在两个油层的间隔处形成一段单一液相的分隔，如图1中上、下油层间隔处、套管与防砂管形成的环形空间存在一段单一液相，实现笼统防砂管内的层间有效封隔。

外管是中空的圆筒，底部设置一定长度的缩颈，缩颈内壁设有螺纹，同时底部缩颈处带有垂直向下的液相喷嘴；旋流叶片位于外管的内部，采用焊接、卡槽方式固定于外管内；内管为中空圆筒状，上端采用喇叭口式结构，管外壁中部设置环形隔板、下部设置外螺纹，管内有气相临界流喷嘴，内管与外管采用螺纹连接、同心布置、密封圈密封，两管间形成了一个环形空间。液相分隔器利用“旋流分离+分流分相控制”的原理，从上游进入的饱和湿蒸汽进入液相分隔器后，通过旋流叶片整流后，变成汽相在中心、液相贴壁的均匀环状流；全部液相和部分气相进入内外管形成的环形空间，利用重力分异和隔板阻挡的作用，进入环形空间的气相上返，环形空间底部形成一个单一液相分布，液相通过液相喷嘴流出；中心的汽相进入内管，并沿配汽管柱注入下部油层；根据各层注汽配比，利用液相喷嘴和气相临界流喷嘴，对分流后的单一汽液相的进行分别控制，实 现分流分相后的阻力匹配；通过液相喷嘴流出的单一液相，由于液相分隔器下端的层间封隔器起到阻隔作用，使液相进入防砂管与套管间的环形空间，在套管与防砂管间的环形空间形成一段单一液相分布，其中部分进入下部油层，实现笼统防砂下的层间有效分隔，气相则通过配注器全部注入对应油层。

液相分隔器在工作时应用到的公式：

∑ΔP_G＝∑ΔP_L＝ΔP (1)

式中：ζ_G气体回路的总阻力系数，ζ_L液体回路的总阻力系数，ρ_G气体的密度，ρ_L液体的密度，u_G气体的平均流速，u_L液体的平均流速，g重力加速度，H有效液位高度，即气液汇合点与自由液面的高度差。

如图6所示，旋流叶片由3-8片结构相同的旋流叶片，按照不同的夹角组成，旋流叶片的布置位置应保证以下条件，旋流叶片的上端面与外管上端面的间距应大于2倍的外管内径，旋流叶片的下端面与内管上端喇叭口上端面的间距应为0.5-0.7倍的内管内径。

内管上端喇叭口的直径是根据上游湿蒸汽通过旋流叶片后，中心汽相最大直径进行设计的；内管外壁上的环形隔板，能够有效阻隔进入环形空间的汽相向下流动，同时内管与外管配合形成的环形空间高度具有一定的高度，通过隔板阻挡和重力分异的作用，保证在环形空间的底部形成一段单一液相；环空空间的的高度则是根据各层的流量配比进行设置；内管外螺纹上端带有凸台，螺纹侧凸台带有凹槽，凹槽中装有密封环，上紧螺纹时，压缩密封环，达到密封的作用。

中心管底部缩颈处垂直向下的液相喷嘴和内管气相临界流喷嘴，则根据各油层设计注入流量，设计喷嘴的尺寸及数量，实现汽液两相的阻力匹配，液相喷嘴按照对称布置的方式。

配注器可以采用打孔筛管、自调节均匀配注器、临界流喷嘴等多种方式实现湿蒸汽流量的控制和调节，中心管内径至少为Φ30mm。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种热采直斜井笼统防砂下的分层注汽管柱，包括自上而下依次连接在油管上的顶部封隔器、井下热胀补偿器、配注器，所述配注器至少设置两个，分别对应不同的油层，配注器两两之间设置有层间封隔器；其特征在于，所述层间封隔器上端丝扣式连接液相分隔器，所述液相分隔器包括外管、内管，所述外管内壁设置旋流叶片，所述内管的上半段进入外管内部，且内管位于旋流叶片的下方，所述外管内壁还设置轴向的液相喷嘴，该液相喷嘴位于外管以及内管之间形成的环空内，所述内管内壁设置汽相临界流喷嘴；所述内管上端口为喇叭口，所述内管外壁还设置环形隔板，所述环形隔板位于液相喷嘴的上方；所述环形隔板的边缘与外管内壁具有间隙，所述环形隔板还开设轴向通道；所述环形隔板在数量上至少设置两个，螺旋交错式设置在内管外壁上；所述内管外壁还设置卡台，卡台卡在液相喷嘴上端面，卡台与液相喷嘴上端面之间设置密封圈；所述外管上端通过上接头丝扣式连接上方所对应的配注器，所述外管下端丝扣式连接层间封隔器；油管最低端连接丝堵，所述顶部封隔器上端自下而上依次连接下隔热油管、井下隔热补偿器、上隔热油管；油管上还设置防砂悬挂封隔器，该防砂悬挂封隔器封隔在最上层的油层上方的油套环空中；所述旋流叶片由3-8片结构相同的旋流叶片，按照不同的夹角组成，旋流叶片的上端面与外管上端面的间距大于2倍的外管内径，旋流叶片的下端面与内管上端喇叭口上端面的间距为0.5-0.7倍的内管内径。

2.一种使用权利要求1所述热采直斜井笼统防砂下的分层注汽管柱的注汽方法，其特征在于，饱和湿蒸汽依次经过上隔热油管、井下隔热补偿器、下隔热油管、顶部封隔器、井下热胀补偿器、油管、各油层相对应的配注器后进入液相分隔器，通过旋流叶片整流后，变成汽相在中心、液相贴壁的均匀环状流；全部液相和部分汽相进入外管与内管之间形成的环形空间，利用重力分异和环形隔板阻挡的作用，进入环形空间的汽相上返，环形空间底部形成一个单一液相分布，液相通过液相喷嘴流出；中心的汽相进入内管，并沿分层注汽管柱注入下部油层；根据各层注汽配比，利用液相喷嘴和汽相临界流喷嘴，对分流后的单一液相、单一汽相进行分别控制，实现分流分相后的阻力匹配；通过液相喷嘴流出的单一液相，由于液相分隔器下端的层间封隔器起到阻隔作用，使液相进入防砂管与套管间的环形空间，在套管与防砂管间的环形空间形成一段单一液相分布，其中部分进入下部油层，实现笼统防砂下的层间有效分隔，汽相则通过配注器全部注入对应油层。

3.一种液相分隔器，其特征在于，所述液相分隔器包括外管、内管，所述外管内壁设置旋流叶片，所述内管的上半段进入外管内部，且内管位于旋流叶片的下方，所述外管内壁还设置轴向的液相喷嘴，该液相喷嘴位于外管以及内管之间形成的环空内，所述内管内壁设置汽相临界流喷嘴，所述内管上端口为喇叭口，所述内管外壁还设置环形隔板，所述环形隔板位于液相喷嘴的上方，所述环形隔板的边缘与外管内壁具有间隙，所述环形隔板还开设轴向通道，所述环形隔板为半圆形，且数量上至少设置两个，交错式设置在内管外壁上，所述内管外壁还设置卡台，卡台卡在液相喷嘴上端面，卡台与液相喷嘴上端面之间设置密封圈；所述外管上端通过上接头丝扣式连接上方所对应的配注器，所述外管下端丝扣式连接层间封隔器；所述旋流叶片由3-8片结构相同的旋流叶片，按照不同的夹角组成，旋流叶片的上端面与外管上端面的间距大于2倍的外管内径，旋流叶片的下端面与内管上端喇叭口上端面的间距为0.5-0.7倍的内管内径。

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