CN111379542B - 自动补液无杆液驱采油装置及采油方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种自动补液无杆液驱采油装置及采油方法，该装置包括地面动力系统、井下液驱柱塞泵结构和管柱结构；管柱结构能将动力液输送到井下液驱柱塞泵结构且能为油井产出液输送到地面提供液流通道；井下液驱柱塞泵结构包括泵筒结构，泵筒结构内设置第一柱塞和第二柱塞，地面动力系统包括油箱，油箱能连通上冲程隔离缸和下冲程隔离缸，下冲程隔离缸能为上冲程隔离缸补液。该装置及采油方法能实现自动补液，提高使用寿命，可作为单井无杆液驱采油装置，也可作为丛式井组集群举升无杆液驱采油系统，特别适用于水平井等特殊井型，对丛式井组的高效开发至关重要。

Description

自动补液无杆液驱采油装置及采油方法

技术领域

本发明涉及油田采油技术领域，尤其涉及一种自动补液无杆液驱采油装置及采油方法。

背景技术

一直以来，有杆举升装置是人工举升的绝对主体，使用井数占国内油井数的94％以上。随着以水平井为代表的特殊井型的越来越多，有杆举升杆管偏磨愈加严重。因此，多年来广大技术人员一直在不断地探索无杆举升技术。以电动潜油螺杆泵、往复潜油电泵为代表的电驱动无杆举升技术正在扩大试验范围。而在液驱无杆举升技术方面，到目前为止进展不尽人意，但液驱技术特有丛式井组集群举升方式已经成为大家的共识。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种自动补液无杆液驱采油装置及采油方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动补液无杆液驱采油装置及采油方法，克服现有技术中有杆举升杆管偏磨的问题，该装置及采油方法能够实现自动补液，提高使用寿命，既可作为单井无杆液驱采油装置，也可作为丛式井组集群举升无杆液驱采油系统，特别适用于水平井等特殊井型，对丛式井组的高效开发至关重要。

本发明的目的是这样实现的，一种自动补液无杆液驱采油装置，包括地面动力系统、井下液驱柱塞泵结构和管柱结构；

所述管柱结构能将动力液输送到井下液驱柱塞泵结构且能为油井产出液输送到地面提供液流通道，所述管柱结构包括同轴间隔设置的外管和内管，所述外管的一端固定于井口且另一端密封设置，所述内管密封穿设通过井口；

所述井下液驱柱塞泵结构包括内部中空设置的泵筒结构，所述泵筒结构的一端与内管的一端密封连通，所述泵筒结构的另一端密封穿过所述外管的另一端且与井内连通，所述泵筒结构内设置有作为上下冲程动力活塞的第一柱塞和用于举升油井产出液的第二柱塞，所述外管和所述内管之间环空构成上冲程动力液通道，所述内管的内腔构成油井产出液上行通道或下冲程动力液通道，所述内管能与油井产出液集油管线连通；上冲程动力液和下冲程动力液均采用油井产出液；

所述地面动力系统包括油箱和控制部，所述油箱上连通设置上冲程隔离缸和下冲程隔离缸，所述上冲程隔离缸能与所述上冲程动力液通道密封连通，所述下冲程隔离缸能与所述内管的内腔密封连通，所述上冲程隔离缸包括上冲程中间介质腔和上冲程动力液腔，所述下冲程隔离缸包括下冲程中间介质腔和下冲程动力液腔，所述上冲程动力液腔和所述下冲程动力液腔之间能通过补液通断阀连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述泵筒结构包括与所述内管的一端密封连通的第一泵筒，所述第一泵筒远离所述内管的一端连接内腔直径减小设置的第二泵筒，所述第一泵筒和所述第二泵筒之间设置上冲程动力液过孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一柱塞上设置轴向贯通的第一中心孔，所述第一柱塞密封滑动套设于所述第一泵筒内；所述第一柱塞远离所述内管的一端连通设置直径呈减小设置的所述第二柱塞，所述第一柱塞和所述第二柱塞的连接部构成第一台阶部，所述第二柱塞上设置轴向贯通的第二中心孔，所述第二柱塞远离所述第一柱塞的一端设置能允许油井产出液流入的第一端盖，所述第二柱塞密封滑动穿设于所述第二泵筒。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第二泵筒远离内管的一端设置能允许油井产出液流入的第二端盖，所述第二泵筒的侧壁上设置冲洗液过孔，所述第二柱塞的外壁和所述第二泵筒的内壁之间滑动抵靠；所述第二泵筒下部的外壁和所述外管的内壁之间环空构成沉砂空间。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一端盖上设置允许油井产出液进入所述第二柱塞内的游动阀，所述第二端盖上设置允许油井产出液进入所述第二泵筒的固定阀。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一泵筒靠近内管的一端设置插接凸柱，所述插接凸柱通过插拔式密封接头密封插接于所述内管内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一泵筒内设置第一缓冲垫，所述第二泵筒靠近内管的一端设置第二缓冲垫。

在本发明的一较佳实施方式中，所述地面动力系统还包括三位四通换向阀，所述三位四通换向阀上设置第一接口、第二接口、第三接口和第四接口；所述上冲程隔离缸内设置第一活塞，所述第一活塞的一侧形成上冲程中间介质腔，所述第一活塞的另一侧形成上冲程动力液腔，所述上冲程动力液腔能与所述上冲程动力液通道密封连通；所述下冲程隔离缸内设置第二活塞，所述第二活塞的一侧形成下冲程中间介质腔，所述第二活塞的另一侧形成下冲程动力液腔，所述下冲程动力液腔能与所述内管的内腔密封连通；所述第一接口与所述油箱连通，所述第二接口与通过变量液压油泵与所述油箱连通，所述第三接口与所述上冲程中间介质腔密封连接，所述第四接口与所述下冲程中间介质腔密封连接，所述三位四通换向阀的工作状态包括上冲程工作状态、下冲程工作状态和断开状态，所述第二接口与所述第三接口连通且所述第一接口与所述第四接口连通形成上冲程工作状态，所述第二接口与所述第四接口连通且所述第一接口与所述第三接口连通形成下冲程工作状态，所述第一接口、所述第二接口、所述第三接口和所述第四接口相互断开连接形成断开状态；所述油井产出液集油管线上设置外输油管通断阀。

在本发明的一较佳实施方式中，所述地面动力系统还包括油箱上设置的液位变送器、温度变送器、压力变送器和压力表，所述油箱和所述第二接口之间设置安全阀。

在本发明的一较佳实施方式中，所述下冲程隔离缸上设置第一位置传感器，所述上冲程隔离缸上设置第二位置传感器。

在本发明的一较佳实施方式中，所述地面动力系统还包括冲洗液箱，所述冲洗液箱能通过冲洗液泵和单向阀分别与所述上冲程动力液通道和所述上冲程动力液腔密封连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述变量液压油泵和所述油箱之间设置滤油器，所述补液通断阀和所述上冲程动力液腔之间设置动力液过滤器，所述冲洗液泵和所述冲洗液箱之间设置冲洗液过滤器。

本发明的目的还可以这样实现，使用前述自动补液无杆液驱采油装置的采油方法，井下液驱柱塞泵结构进行上冲程作业，内管与油井产出液集油管线呈连通设置，油箱内的液压油进入上冲程隔离缸，上冲程动力液进入上冲程动力液通道，液压力推动第一柱塞带动第二柱塞向上滑动，油井产出液被吸入第二泵筒内；第二柱塞举升第一柱塞、第二柱塞和内管内的油井产出液，一部分油井产出液进入油井产出液集油管线，一部分油井产出液进入下冲程隔离缸为其补液并将液压油排回油箱；

井下液驱柱塞泵结构切换至下冲程作业，内管与油井产出液集油管线呈断开设置，油箱内的液压油进入下冲程隔离缸，下冲程动力液进入下冲程动力液通道，液压力推动第一柱塞带动第二柱塞向下滑动，油井产出液进入第一柱塞和第二柱塞内；下冲程作业末端，将下冲程隔离缸与上冲程隔离缸连通，下冲程隔离缸为上冲程隔离缸补液；

如上反复交替进行上冲程作业和下冲程作业，完成无杆液驱采油。

在本发明的一较佳实施方式中，第一柱塞上行至上死点位置时上冲程作业结束，上冲程隔离缸内的动力液压力升高，控制部根据下泵深度L确定上冲程作业换向时间提前量Δt_上，根据从上冲程作业开始到上冲程作业结束地面动力液压力升高的时间t^上 ₀和上冲程作业换向时间提前量Δt_上确定上冲程作业的作业时间t_上，则，

式中，t_上为上冲程作业时间；t_上0为从上冲程作业开始到上冲程作业结束地面动力液压力升高的时间；Δt_上为上冲程作业换向时间提前量；L为下泵深度；l为外管的出口与上冲程隔离缸之间的距离；v为压力波在油井产出液中的传播速度。

在本发明的一较佳实施方式中，控制部通过改变变量液压油泵在上冲程作业过程中的排量，控制换向时机，则，

式中，Δt_上为上冲程作业换向时间提前量；Q_上为上冲程作业变量液压油泵的排量；Q_上0为变量液压油泵与时间t_上0对应的排量；ΔQ_上为Δt_上对应的排量；t_上1为第一活塞从上冲程开始到第二位置传感器第一测点所用时间；Q_上1为与t_上1对应的变量液压油泵的排量；t_上2为第一活塞从上冲程开始到第二位置传感器第二测点所用时间；Q_上2为与t_上2对应的变量液压油泵的排量；L为下泵深度；l为外管的出口与上冲程隔离缸之间的距离；v为压力波在油井产出液中的传播速度。

在本发明的一较佳实施方式中，第一柱塞下行至下死点位置时下冲程作业结束，下冲程隔离缸内的动力液压力升高，控制部根据下泵深度确定下冲程作业换向时间提前量Δt_下，根据从下冲程作业开始到下冲程作业结束地面动力液压力升高的时间t_下0和下冲程作业换向时间提前量Δt_下确定下冲程作业时间t_下，则，

式中，t_下为下冲程作业时间；t_下0为从下冲程作业开始到下冲程作业结束地面动力液压力升高的时间；Δt_下为下冲程作业换向时间提前量；L为下泵深度；l为内管的出口与下冲程隔离缸之间的距离；v为压力波在油井产出液中的传播速度。

在本发明的一较佳实施方式中，控制部通过改变变量液压油泵在下冲程作业过程中的排量，控制换向时机，则，

式中，Δt_下为下冲程作业换向时间提前量；Q_下为下冲程作业变量液压油泵的排量；Q_下0为变量液压油泵与时间t_下0对应的排量；ΔQ_下为Δt_下对应的排量；t_下1为第一活塞从下冲程开始到第一位置传感器第一测点所用时间；Q_下1为与t_下1对应的变量液压油泵的排量；t_下2为第一活塞从下冲程开始到第一位置传感器第二测点所用时间；Q_下2为与t_下2对应的变量液压油泵的排量；L为下泵深度；l为内管的出口与下冲程隔离缸之间的距离；v为压力波在油井产出液中的传播速度。

由上所述，本发明提供的自动补液无杆液驱采油装置及采油方法具有如下有益效果：

本发明的自动补液无杆液驱采油装置中，双层的管柱结构和井下液驱柱塞泵结构共同构成上冲程动力液通道和下冲程动力液通道，并且内管的内腔同时能作为油井产出液上行通道，实现采油装置的无杆液驱，避免有杆采油装置存在的杆管偏磨现象，并且，内管能为下冲程隔离缸自动补液，下冲程隔离缸能为上冲程隔离缸自动补液，隔离缸结构能够避免昂贵的液压油的过度消耗，自动补液功能能够避免专门设置动力液补液泵；本发明的自动补液无杆液驱采油装置及采油方法能够实现自动补液，提高使用寿命，既可作为单井无杆液驱采油装置，也可作为丛式井组集群举升无杆液驱采油系统，特别适用于水平井等特殊井型，对丛式井组的高效开发至关重要。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的自动补液无杆液驱采油装置的示意图。

图2：为本发明的自动补液无杆液驱采油装置上冲程作业示意图。

图3：为本发明的自动补液无杆液驱采油装置下冲程作业示意图。

图4：为本发明的自动补液无杆液驱采油装置的上冲程隔离缸补液示意图。

图5：为本发明的自动补液无杆液驱采油装置中游动阀冲洗状态示意图。

图中：

100、自动补液无杆液驱采油装置；

101、上冲程动力液通道；102、油井产出液上行通道；103、下冲程动力液通道；

1、地面动力系统；

11、油箱；

12、上冲程隔离缸；121、第一活塞；122、上冲程中间介质腔；123、上冲程动力液腔；124、第二位置传感器；

13、下冲程隔离缸；131、第二活塞；132、下冲程中间介质腔；133、下冲程动力液腔；134、第一位置传感器；

14、三位四通换向阀；

141、第一接口；142、第二接口；143、第三接口；144、第四接口；

15、补液通断阀； 151、动力液过滤器；

16、变量液压油泵；161、第一电机；162、滤油器；

17、外输油管通断阀；

181、液位变送器；182、温度变送器；183、压力变送器；184、压力表；185、安全阀；

19、冲洗液箱；

191、冲洗液泵；1911、第二电机；192、单向阀；193、冲洗液过滤器；

21、外管；22、内管；

31、第一柱塞；310、第一中心孔；311、第一台阶部；

32、第二柱塞；320、第二中心孔；321、第一端盖；322、游动阀；

33、第一泵筒；331、上冲程动力液过孔；332、插接凸柱；333、插拔式密封接头；334、第一缓冲垫；335、第二缓冲垫；

34、第二泵筒；

341、第二端盖；342、冲洗液过孔；343、固定阀；

36、扶正器；

91、井口。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图5所示，本发明提供一种自动补液无杆液驱采油装置100，包括地面动力系统1、井下液驱柱塞泵结构和管柱结构；

管柱结构能将动力液输送到井下液驱柱塞泵结构且能为油井产出液输送到地面提供液流通道，管柱结构包括同轴间隔设置的外管21和内管22，外管21的一端固定于井口91且另一端密封设置，内管22密封穿设通过井口91；

井下液驱柱塞泵结构包括内部中空设置的泵筒结构，泵筒结构的一端与内管位于外管21内的一端密封连通，泵筒结构的另一端密封穿过外管21的另一端且与井内连通，泵筒结构内设置作为上下(图1所示上下方向为竖直井内状态，应用于水平井中时“上”为靠近井口方向，“下”为远离井口方向)冲程动力活塞的第一柱塞31和用于举升油井产出液的第二柱塞32，外管21和内管22之间环空构成上冲程动力液通道101，内管22的内腔构成油井产出液上行通道102(井下液驱柱塞泵结构排液时构成油井产出液上行通道102)或下冲程动力液通道103(向井下液驱柱塞泵结构注入下冲程动力液时构成下冲程动力液通道103)，内管22能与油井产出液集油管线(现有技术)连通；上冲程动力液和下冲程动力液均采用油井产出液。

地面动力系统1包括油箱11和控制部，油箱11内存储作为中间介质的液压油；油箱11上连通设置上冲程隔离缸12和下冲程隔离缸13，上冲程隔离缸12能与上冲程动力液通道101(外管21和内管22之间环空)密封连通，下冲程隔离缸13能与内管22的内腔密封连通，内管22能为下冲程隔离缸13补液,下冲程隔离缸13能与上冲程隔离缸12连通且能为上冲程隔离缸12补液。下冲程隔离缸13能与内管22的内腔之间的连通管线为具有一定井口回压的集油管线，从而使得内管22能为下冲程隔离缸13补充下冲程动力液。

本发明的自动补液无杆液驱采油装置中，双层的管柱结构和井下液驱柱塞泵结构共同构成上冲程动力液通道和下冲程动力液通道，并且内管的内腔同时能作为油井产出液上行通道，实现采油装置的无杆液驱，避免有杆采油装置存在的杆管偏磨现象，并且，内管能为下冲程隔离缸自动补液，下冲程隔离缸能为上冲程隔离缸自动补液，隔离缸结构能够避免昂贵的液压油的过度消耗，自动补液功能能够避免专门设置动力液补液泵，减少液压元件的磨损；本发明的自动补液无杆液驱采油装置能够实现自动补液，提高使用寿命，既可作为单井无杆液驱采油装置，也可作为丛式井组集群举升无杆液驱采油系统，特别适用于水平井等特殊井型，对丛式井组的高效开发至关重要。

进一步，如图1所示，泵筒结构包括与内管22的一端密封连通的第一泵筒33，第一泵筒33远离内管的一端连接内腔直径减小设置的第二泵筒34，第一泵筒33和第二泵筒34之间设置上冲程动力液过孔331。井下液驱柱塞泵结构中，内腔直径较小的第二泵筒34采用厚壁结构，以便减小上冲程过程中在较大的液体压力作用下产生的第二泵筒34变形。在本实施方式中，为避免泵筒结构偏移晃动，第一泵筒33靠近内管22的一端套设扶正器36。

进一步，如图1所示，第一柱塞31上设置轴向贯通的第一中心孔310，第一柱塞31密封滑动套设于第一泵筒33内；第一柱塞31远离内管的一端连通设置直径呈减小设置的第二柱塞32，第一柱塞31和第二柱塞32的连接部构成第一台阶部311，第二柱塞32上设置轴向贯通的第二中心孔320，第二柱塞32远离第一柱塞31的一端设置能允许油井产出液流入的第一端盖321，第二柱塞32密封滑动穿设于第二泵筒34。第一台阶部311作为井下液驱柱塞泵结构上下冲程时的液压作用部,使得第一柱塞31成为上下冲程动力活塞。第二柱塞32的中心孔内吸入油井产出液并通过上行举升油井产出液,成为油井产出液举升动力结构。

在本实施方式中，第一柱塞31和第二柱塞32连接为一个整体，第一柱塞31的上下运动可带动第二柱塞32同时上下运动；工作中第一柱塞31一直在第一泵筒33内运动，而第二柱塞32在行至上死点位置时(第一柱塞31到达靠近内管22一端的死点位置)只有一部分位于第二泵筒34中，为保证柱塞泵的密封效果，第一泵筒33和第一柱塞31采用长泵筒、短柱塞结构，第二泵筒34和第二柱塞32采用长泵筒、长柱塞结构。

进一步，如图1所示，第二泵筒34远离内管22的一端设置能允许油井产出液流入的第二端盖341，第二泵筒34的侧壁上设置冲洗液过孔342，第二柱塞32的外壁和第二泵筒34的内壁之间滑动抵靠。第二泵筒34下部的外壁和外管21的内壁之间环空构成沉砂空间。在第二泵筒34下端可以连接尾管(图中未示出)，以便增加沉砂空间。

在本实施方式中，如图1所示，第一端盖321上设置允许油井产出液进入第二柱塞32内的游动阀322，第二端盖341上设置允许油井产出液进入第二泵筒34的固定阀343。

井下液驱柱塞泵结构进行上冲程作业(图1所示上下方向为竖直井内状态，应用于水平井中时“上”为靠近井口方向，“下”为远离井口方向，后续同此说明，不再赘述)时，上冲程隔离缸12的上冲程动力液通过上冲程动力液通道101(外管21和内管22之间环空)和上冲程动力液过孔331作用于第一台阶部311，液压力推动第一柱塞31带动第二柱塞32向上滑动直至上死点(靠近内管22一端的死点)，油井产出液被吸入第二泵筒34内；井下液驱柱塞泵结构进行下冲程作业时，来自下冲程隔离缸13的下冲程动力液通过内管22进入第一中心孔310并作用于第一台阶部311，液压力推动第一柱塞31带动第二柱塞32向下滑动，油井产出液经游动阀322进入第二中心孔320和第一中心孔310内。

进一步，如图1所示，第一泵筒33靠近内管22的一端设置插接凸柱332，插接凸柱332通过插拔式密封接头333密封插接于内管22内。

进一步，如图1所示，为避免第一柱塞31到达上、下死点位置时产生冲击，第一泵筒33内设置第一缓冲垫334，第二泵筒34靠近内管22的一端设置第二缓冲垫335。为了便于第二缓冲垫335的设置，第二泵筒34的上部壁厚大于下部壁厚设置。

进一步，如图1所示，地面动力系统1还包括三位四通换向阀14，在本实施方式中，三位四通换向阀14为电磁换向阀；三位四通换向阀14上设置第一接口141、第二接口142、第三接口143和第四接口144；上冲程隔离缸12内设置第一活塞121，第一活塞121的一侧形成上冲程中间介质腔122，第一活塞121的另一侧形成上冲程动力液腔123，上冲程动力液腔123能与上冲程动力液通道101(外管和内管之间环空)密封连通；第一活塞121将上冲程中间介质(液压油)和上冲程动力液(油井产出液)隔离，既可保证地面动力系统1的液压元件的使用寿命，又可避免昂贵的液压油的过度消耗。下冲程隔离缸13内设置第二活塞131，第二活塞131的一侧形成下冲程中间介质腔132，第二活塞131的另一侧形成下冲程动力液腔133，下冲程动力液腔133能与内管的内腔密封连通；第二活塞131将下冲程中间介质(液压油)和下冲程动力液(油井产出液)隔离，既可保证地面动力系统1的液压元件的使用寿命，又可避免昂贵的液压油的过度消耗。上冲程动力液腔123和下冲程动力液腔133之间能通过补液通断阀15连通，补液通断阀15允许下冲程动力液腔133内的动力液流入补充至上冲程动力液腔123；

第一接口141与油箱11连通，第二接口142与通过变量液压油泵16与油箱11连通，变量液压油泵16由第一电机161提供驱动力；第三接口143与上冲程中间介质腔122密封连接，第四接口144与下冲程中间介质腔132密封连接，三位四通换向阀14的工作状态包括上冲程工作状态、下冲程工作状态和断开状态，第二接口142与第三接口143连通且第一接口141与第四接口144连通形成上冲程工作状态，第二接口142与第四接口144连通且第一接口141与第三接口143连通形成下冲程工作状态，第一接口141、第二接口142、第三接口143和第四接口144相互断开连接形成断开状态；油井产出液集油管线上设置外输油管通断阀17。

进一步，地面动力系统1还包括油箱11上设置的液位变送器181、温度变送器182、压力变送器183和压力表184，油箱11和第二接口142之间设置安全阀185。

进一步，下冲程隔离缸13上设置第一位置传感器134，上冲程隔离缸12上设置第二位置传感器124。第一位置传感器134能实时监测下冲程隔离缸13内第二活塞131的位置，第二位置传感器124能实时监测上冲程隔离缸12内第一活塞121的位置。

地面动力系统1还包括控制部，第一位置传感器134、第二位置传感器124、三位四通换向阀14、补液通断阀15、变量液压油泵16、外输油管通断阀17、液位变送器181、温度变送器182、安全阀185和压力变送器183均与控制部信号连接。

当第一柱塞31在上冲程中到达上死点(靠近内管的一端的死点)位置时，上冲程隔离缸12内的动力液压力将快速升高，控制部将根据下泵深度计算压力波从井下传递到地面的时间，从而确定换向提前量，并通过改变变量液压油泵16在上冲程过程中的排量，控制第一活塞121的行程，避免第一柱塞31运动到上死点产生的冲击。当第一柱塞31和第二柱塞32在下冲程中到达下死点(远离内管的一端的死点)位置时，下冲程隔离缸13内的动力液压力将快速升高，控制部将根据下泵深度计算压力波从井下传递到地面的时间，从而确定换向提前量，并通过改变变量液压油泵16在下冲程过程中的排量，进而控制第二活塞131的行程，避免第一柱塞31运动到下死点产生的冲击。这样既可以充分利用井下液驱柱塞泵结构的柱塞(第一柱塞31和第二柱塞32)的有效冲程，又可以避免井下液驱柱塞泵结构中柱塞(第一柱塞31和第二柱塞32)到达死点位置时的冲击。

进一步，由于油井产出液中含砂或其它固体颗粒，其中一部分将在游动阀322(泵阀)处沉积，影响泵阀的正常工作，因此，地面动力系统1还包括冲洗液箱19，冲洗液采用油井产出液；冲洗液箱19能通过冲洗液泵191和单向阀192分别与上冲程动力液通道101和上冲程动力液腔123密封连通。冲洗液泵191由第二电机1911提供驱动力。在第一柱塞31上冲程结束前，关闭变量液压油泵16，三位四通换向阀14调整为断开状态，开启冲洗液泵191，一部分冲洗液通过上冲程动力液通道101将第一柱塞31缓慢推到上死点，此时第二柱塞32的游动阀322将在第二泵筒34内处于冲洗液过孔342的上方，冲洗液通过游动阀322直接进入第二柱塞32内，完成游动阀322的有效冲洗；另一部分冲洗液能进入上冲程动力液腔123，对其进行补液。

进一步，变量液压油泵16和油箱11之间设置滤油器162，补液通断阀15和上冲程动力液腔123之间设置动力液过滤器151，冲洗液泵191和冲洗液箱19之间设置冲洗液过滤器193。动力液过滤器151能对动力液进行过滤，避免动力液中的固体颗粒进入上冲程动力液通道101；冲洗液过滤器193能对冲洗液进行过滤，避免冲洗液中的固体颗粒进入上冲程动力液通道101。

使用本发明的自动补液无杆液驱采油装置100的采油方法如下：

井下液驱柱塞泵结构进行上冲程作业，内管与油井产出液集油管线呈连通设置，油箱内的液压油进入上冲程隔离缸，上冲程动力液进入上冲程动力液通道，液压力推动第一柱塞带动第二柱塞向上滑动，油井产出液被吸入第二泵筒内；第二柱塞举升第一柱塞、第二柱塞和内管内的油井产出液，一部分油井产出液进入油井产出液集油管线，一部分油井产出液进入下冲程隔离缸为其补液并将液压油排回油箱；

井下液驱柱塞泵结构切换至下冲程作业，内管与油井产出液集油管线呈断开设置，油箱内的液压油进入下冲程隔离缸，下冲程动力液进入下冲程动力液通道，液压力推动第一柱塞带动第二柱塞向下滑动，油井产出液进入第一柱塞和第二柱塞内；下冲程作业末端，将下冲程隔离缸与上冲程隔离缸连通，下冲程隔离缸为上冲程隔离缸补液。

如上反复交替进行上冲程作业和下冲程作业，完成无杆液驱采油。

使用本发明的自动补液无杆液驱采油装置100的具体的采油过程中，初始时，第一柱塞、第二柱塞和内管内没有油井产出液，井下液驱柱塞泵结构首先进行上冲程作业，如图2所示(为清楚表示下冲程动力液流动情况，省略内管和外管之间的环空内的流体、第一泵筒内腔的流体示意)，外输油管通断阀17处于连通状态，补液通断阀15处于断开状态，三位四通换向阀14处于上冲程工作状态，油箱11通过变量液压油泵16、第二接口142、第三接口143、与上冲程隔离缸12的上冲程中间介质腔122连通，下冲程隔离缸13的下冲程中间介质腔132通过第四接口144、第一接口141与油箱11连通，启动变量液压油泵16，油箱11内的液压油进入上冲程中间介质腔122推动第一活塞121上移，上冲程动力液腔123内的上冲程动力液通过上冲程动力液通道101(外管21和内管22之间环空)和上冲程动力液过孔331作用于第一台阶部311，液压力推动第一柱塞31带动第二柱塞32向上滑动直至上死点位置(靠近内管22一端的死点)，油井产出液被吸入第二泵筒34内；

第一柱塞31上行至上死点位置时上冲程作业结束，上冲程隔离缸12内的动力液压力将快速升高，控制部将根据下泵深度计算压力波从井下传递到地面的时间确定上冲程作业换向时间提前量，从而确定上冲程作业时间；或通过改变变量液压油泵16在上冲程作业过程中的排量，控制换向时机，避免第一柱塞31运动到上死点产生的冲击；控制部根据下泵深度L确定上冲程作业换向时间提前量Δt_上，根据从上冲程作业开始到上冲程作业结束地面动力液压力升高的时间t^上 ₀和上冲程作业换向时间提前量Δt_上确定上冲程作业的作业时间t_上，

则上冲程作业时间t_上应控制在：

式中，t_上为上冲程作业时间，s；t_上0为从上冲程作业开始到上冲程作业结束地面动力液压力升高的时间，s；Δt_上为上冲程作业换向时间提前量，s；L为下泵深度，m；l为外管的出口与上冲程隔离缸之间的距离，m；v为压力波在油井产出液中的传播速度，m/s。

控制部通过改变变量液压油泵16在上冲程作业过程中的排量，控制换向时机，则，

式中，Δt_上为上冲程作业换向时间提前量，s；Q_上为上冲程作业变量液压油泵的排量，m³/s；Q_上0为变量液压油泵与时间t_上0对应的排量，m³/s；ΔQ_上为Δt_上对应的排量，m³/s；t_上1为第一活塞从上冲程开始到第二位置传感器第一测点所用时间，s；Q_上1为与t_上1对应的变量液压油泵的排量，m³/s；t_上2为第一活塞从上冲程开始到第二位置传感器第二测点所用时间，s；Q_上2为与t_上2对应的变量液压油泵的排量，m³/s；L为下泵深度，m；l为外管的出口与上冲程隔离缸之间的距离，m；v为压力波在油井产出液中的传播速度，m/s。

通过控制变量液压油泵的排量，可以合理安排上冲程加速段、匀速段、减速段的时间长短。

井下液驱柱塞泵结构切换至下冲程作业，如图3所示(为清楚表示下冲程动力液流动情况，省略内管和外管之间的环空内的流体、第一泵筒内腔的流体示意)，此时，外输油管通断阀17处于断开状态，补液通断阀15呈断开状态，三位四通换向阀14处于下冲程工作状态，油箱11通过变量液压油泵16、第二接口142、第四接口144与下冲程隔离缸13的下冲程中间介质腔132连通，上冲程隔离缸12的上冲程中间介质腔122通过第三接口143、第一接口141与油箱11连通，启动变量液压油泵16，油箱11内的液压油进入下冲程中间介质腔132推动第二活塞131上移，下冲程动力液腔133内的下冲程动力液通过下冲程动力液通道103(内管22的内腔)作用于第一台阶部311，液压力推动第一柱塞31带动第二柱塞32向下滑动，油井产出液进入第二中心孔320、第一中心孔310和内管22内；如图4所示(为清楚表示下冲程动力液流动情况，省略内管和外管之间的环空内的流体、第一泵筒内腔的流体示意)，下冲程作业末端，连通补液通断阀15，下冲程动力液腔133内部分下冲程动力液流入上冲程隔离缸12的上冲程动力液腔123，对在上冲程作业过程中漏失的动力液进行补充。

第一柱塞31下行至下死点位置时下冲程作业结束，下冲程隔离缸13内的动力液压力将快速升高，控制部将根据下泵深度计算压力波从井下传递到地面的时间，从而确定下冲程换向时间提前量，从而确定下冲程作业时间；或通过改变变量液压油泵16在下冲程过程中的排量，控制换向时机，避免第一柱塞运动到下死点产生的冲击。控制部根据下泵深度确定下冲程作业换向时间提前量Δt_下，根据从下冲程作业开始到下冲程作业结束地面动力液压力升高的时间t_下0和下冲程作业换向时间提前量Δt_下确定下冲程作业时间t_下，则，

式中，t_下为下冲程作业时间，s；t_下0为从下冲程作业开始到下冲程作业结束地面动力液压力升高的时间，s；Δt_下为下冲程作业换向时间提前量，s；L为下泵深度，m；l为内管的出口与下冲程隔离缸之间的距离(内管的出口与下冲程隔离缸之间的距离和外管的出口与上冲程隔离缸之间的距离相同，均以l表示，以突出其相等设置的关系)，m；v为压力波在油井产出液中的传播速度，m/s。

控制部通过改变变量液压油泵在下冲程作业过程中的排量，控制换向时机，则，

式中，Δt_下为下冲程作业换向时间提前量，s；Q_下为下冲程作业变量液压油泵的排量，m³/s；Q_下0为变量液压油泵与时间t_下0对应的排量，m³/s；ΔQ_下为Δt_下对应的排量，m³/s；t_下1为第一活塞从下冲程开始到第一位置传感器第一测点所用时间，s；Q_下1为与t_下1对应的变量液压油泵的排量，m³/s；t_下2为第一活塞从下冲程开始到第一位置传感器第二测点所用时间，s；Q_下2为与t_下2对应的变量液压油泵的排量，m³/s；L为下泵深度，m；l为内管的出口与下冲程隔离缸之间的距离，m；v为压力波在油井产出液中的传播速度，m/s。

井下液驱柱塞泵结构再次切换至上冲程作业，如图2所示，外输油管通断阀17处于连通状态，补液通断阀15处于断开状态，三位四通换向阀14处于上冲程工作状态，上冲程动力液腔123内的上冲程动力液通过上冲程动力液通道101(外管21和内管22之间环空)和上冲程动力液过孔331作用于第一台阶部311，液压力推动第一柱塞31带动第二柱塞32向上滑动直至上死点位置(靠近内管22一端的死点)，油井产出液被吸入第二泵筒34内，同时第二柱塞32上移，游动阀322关闭，为进入第二中心孔320、第一中心孔310和内管22内的油井产出液提供举升力，大部分油井产出液经内管22、外输油管通断阀17进入油井产出液集油管线，小部分油井产出液经内管22进入下冲程动力液腔133，为其补液；如上反复交替进行上冲程作业和下冲程作业，实现无杆液驱采油。

自动补液无杆液驱采油装置100运行一段时间后，需要对第二柱塞32上的游动阀322进行冲洗，如图5所示(为清楚表示冲洗液流动情况，省略内管和外管之间的环空内的流体示意)，具体地：在第一柱塞31上冲程结束前，关闭变量液压油泵16，三位四通换向阀14调整为断开状态，控制外输油管通断阀17处于连通状态，补液通断阀15处于断开状态，开启冲洗液泵191，一部分冲洗液通过上冲程动力液通道101将第一柱塞31缓慢推到上死点，此时第二柱塞32的游动阀322将在第二泵筒34内处于冲洗液过孔342的上方，冲洗液通过游动阀322直接进入第二柱塞32，完成游动阀322的有效冲洗；另一部分冲洗液能进入上冲程动力液腔123，对其进行补液。

由上所述，本发明提供的自动补液无杆液驱采油装置及采油方法具有如下有益效果：

本发明的自动补液无杆液驱采油装置中，双层的管柱结构和井下液驱柱塞泵结构共同构成上冲程动力液通道和下冲程动力液通道，并且内管的内腔同时能作为油井产出液上行通道，实现采油装置的无杆液驱，避免有杆采油装置存在的杆管偏磨现象，并且，内管能为下冲程隔离缸自动补液，下冲程隔离缸能为上冲程隔离缸自动补液，隔离缸结构能够避免昂贵的液压油的过度消耗，自动补液功能能够避免专门设置动力液补液泵；本发明的自动补液无杆液驱采油装置及采油方法能够实现自动补液，提高使用寿命，既可作为单井无杆液驱采油装置，也可作为丛式井组集群举升无杆液驱采油系统，特别适用于水平井等特殊井型，对丛式井组的高效开发至关重要。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (17)

1.一种自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，包括地面动力系统、井下液驱柱塞泵结构和管柱结构；

所述管柱结构能将动力液输送到井下液驱柱塞泵结构且能为油井产出液输送到地面提供液流通道，所述管柱结构包括同轴间隔设置的外管和内管，所述外管的一端固定于井口且另一端密封设置，所述内管密封穿设通过井口；

所述井下液驱柱塞泵结构包括内部中空设置的泵筒结构，所述泵筒结构的一端与内管的一端密封连通，所述泵筒结构的另一端密封穿过所述外管的另一端且与井内连通，所述泵筒结构内设置有作为上下冲程动力活塞的第一柱塞和用于举升油井产出液的第二柱塞，所述外管和所述内管之间环空构成上冲程动力液通道，所述内管的内腔构成油井产出液上行通道或下冲程动力液通道，所述内管能与油井产出液集油管线连通；上冲程动力液和下冲程动力液均采用油井产出液；

所述地面动力系统包括油箱和控制部，所述油箱上连通设置上冲程隔离缸和下冲程隔离缸，所述上冲程隔离缸能与所述上冲程动力液通道密封连通，所述下冲程隔离缸能与所述内管的内腔密封连通，所述上冲程隔离缸包括上冲程中间介质腔和上冲程动力液腔，所述下冲程隔离缸包括下冲程中间介质腔和下冲程动力液腔，所述上冲程动力液腔和所述下冲程动力液腔之间能通过补液通断阀连通。

2.如权利要求1所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述泵筒结构包括与所述内管的一端密封连通的第一泵筒，所述第一泵筒远离所述内管的一端连接内腔直径减小设置的第二泵筒，所述第一泵筒和所述第二泵筒之间设置上冲程动力液过孔。

3.如权利要求2所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述第一柱塞上设置轴向贯通的第一中心孔，所述第一柱塞密封滑动套设于所述第一泵筒内；所述第一柱塞远离所述内管的一端连通设置直径呈减小设置的所述第二柱塞，所述第一柱塞和所述第二柱塞的连接部构成第一台阶部，所述第二柱塞上设置轴向贯通的第二中心孔，所述第二柱塞远离所述第一柱塞的一端设置能允许油井产出液流入的第一端盖，所述第二柱塞密封滑动穿设于所述第二泵筒。

4.如权利要求3所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述第二泵筒远离内管的一端设置能允许油井产出液流入的第二端盖，所述第二泵筒的侧壁上设置冲洗液过孔，所述第二柱塞的外壁和所述第二泵筒的内壁之间滑动抵靠；所述第二泵筒下部的外壁和所述外管的内壁之间环空构成沉砂空间。

5.如权利要求4所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述第一端盖上设置允许油井产出液进入所述第二柱塞内的游动阀，所述第二端盖上设置允许油井产出液进入所述第二泵筒的固定阀。

6.如权利要求3所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述第一泵筒靠近内管的一端设置插接凸柱，所述插接凸柱通过插拔式密封接头密封插接于所述内管内。

7.如权利要求3所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述第一泵筒内设置第一缓冲垫，所述第二泵筒靠近内管的一端设置第二缓冲垫。

8.如权利要求1所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述地面动力系统还包括三位四通换向阀，所述三位四通换向阀上设置第一接口、第二接口、第三接口和第四接口；所述上冲程隔离缸内设置第一活塞，所述第一活塞的一侧形成上冲程中间介质腔，所述第一活塞的另一侧形成上冲程动力液腔，所述上冲程动力液腔能与所述上冲程动力液通道密封连通；所述下冲程隔离缸内设置第二活塞，所述第二活塞的一侧形成下冲程中间介质腔，所述第二活塞的另一侧形成下冲程动力液腔，所述下冲程动力液腔能与所述内管的内腔密封连通；

所述第一接口与所述油箱连通，所述第二接口与通过变量液压油泵与所述油箱连通，所述第三接口与所述上冲程中间介质腔密封连接，所述第四接口与所述下冲程中间介质腔密封连接，所述三位四通换向阀的工作状态包括上冲程工作状态、下冲程工作状态和断开状态，所述第二接口与所述第三接口连通且所述第一接口与所述第四接口连通形成上冲程工作状态，所述第二接口与所述第四接口连通且所述第一接口与所述第三接口连通形成下冲程工作状态，所述第一接口、所述第二接口、所述第三接口和所述第四接口相互断开连接形成断开状态；所述油井产出液集油管线上设置外输油管通断阀。

9.如权利要求8所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述地面动力系统还包括油箱上设置的液位变送器、温度变送器、压力变送器和压力表，所述油箱和所述第二接口之间设置安全阀。

10.如权利要求8所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述下冲程隔离缸上设置第一位置传感器，所述上冲程隔离缸上设置第二位置传感器。

11.如权利要求8所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述地面动力系统还包括冲洗液箱，所述冲洗液箱能通过冲洗液泵和单向阀分别与所述上冲程动力液通道和所述上冲程动力液腔密封连通。

12.如权利要求11所述的自动补液无杆液驱采油装置，其特征在于，所述变量液压油泵和所述油箱之间设置滤油器，所述补液通断阀和所述上冲程动力液腔之间设置动力液过滤器，所述冲洗液泵和所述冲洗液箱之间设置冲洗液过滤器。

13.使用如权利要求1至12任一项所述的自动补液无杆液驱采油装置的采油方法，其特征在于，井下液驱柱塞泵结构进行上冲程作业，内管与油井产出液集油管线呈连通设置，油箱内的液压油进入上冲程隔离缸，上冲程动力液进入上冲程动力液通道，液压力推动第一柱塞带动第二柱塞向上滑动，油井产出液被吸入第二泵筒内；第二柱塞举升第一柱塞、第二柱塞和内管内的油井产出液，一部分油井产出液进入油井产出液集油管线，一部分油井产出液进入下冲程隔离缸为其补液并将液压油排回油箱；

井下液驱柱塞泵结构切换至下冲程作业，内管与油井产出液集油管线呈断开设置，油箱内的液压油进入下冲程隔离缸，下冲程动力液进入下冲程动力液通道，液压力推动第一柱塞带动第二柱塞向下滑动，油井产出液进入第一柱塞和第二柱塞内；下冲程作业末端，将下冲程隔离缸与上冲程隔离缸连通，下冲程隔离缸为上冲程隔离缸补液；

如上反复交替进行上冲程作业和下冲程作业，完成无杆液驱采油。

14.如权利要求13所述的采油方法，其特征在于，第一柱塞上行至上死点位置时上冲程作业结束，上冲程隔离缸内的动力液压力升高，控制部根据下泵深度L确定上冲程作业换向时间提前量Δt_上，根据从上冲程作业开始到上冲程作业结束地面动力液压力升高的时间t_上0和上冲程作业换向时间提前量Δt_上确定上冲程作业时间t_上，则，

式中，t_上为上冲程作业时间；t_上0为从上冲程作业开始到上冲程作业结束地面动力液压力升高的时间；Δt_上为上冲程作业换向时间提前量；L为下泵深度；l为外管的出口与上冲程隔离缸之间的距离；v为压力波在油井产出液中的传播速度。

15.如权利要求13所述的采油方法，其特征在于，控制部通过改变变量液压油泵在上冲程作业过程中的排量，控制换向时机，则，

式中，Δt_上为上冲程作业换向时间提前量；Q_上为上冲程作业变量液压油泵的排量；Q_上0为变量液压油泵与时间t_上0对应的排量；ΔQ_上为Δt_上对应的排量；t_上1为第一活塞从上冲程开始到第二位置传感器第一测点所用时间；Q_上1为与t_上1对应的变量液压油泵的排量；t_上2为第一活塞从上冲程开始到第二位置传感器第二测点所用时间；Q_上2为与t_上2对应的变量液压油泵的排量；L为下泵深度；l为外管的出口与上冲程隔离缸之间的距离；v为压力波在油井产出液中的传播速度。

16.如权利要求13所述的采油方法，其特征在于，第一柱塞下行至下死点位置时下冲程作业结束，下冲程隔离缸内的动力液压力升高，控制部根据下泵深度确定下冲程作业换向时间提前量Δt_下，根据从下冲程作业开始到下冲程作业结束地面动力液压力升高的时间t_下0和下冲程作业换向时间提前量Δt_下确定下冲程作业时间t_下，则，

式中，t_下为下冲程作业时间；t_下0为从下冲程作业开始到下冲程作业结束地面动力液压力升高的时间；Δt_下为下冲程作业换向时间提前量；L为下泵深度；l为内管的出口与下冲程隔离缸之间的距离；v为压力波在油井产出液中的传播速度。

17.如权利要求13所述的采油方法，其特征在于，控制部通过改变变量液压油泵在下冲程作业过程中的排量，控制换向时机，则，

式中，Δt_下为下冲程作业换向时间提前量；Q_下为下冲程作业变量液压油泵的排量；Q_下0为变量液压油泵与时间t_下0对应的排量；ΔQ_下为Δt_下对应的排量；t_下1为第一活塞从下冲程开始到第一位置传感器第一测点所用时间；Q_下1为与t_下1对应的变量液压油泵的排量；t_下2为第一活塞从下冲程开始到第一位置传感器第二测点所用时间；Q_下2为与t_下2对应的变量液压油泵的排量；L为下泵深度；l为内管的出口与下冲程隔离缸之间的距离；v为压力波在油井产出液中的传播速度。

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