CN111795169A - 一种气井自动控水装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气井自动控水装置，主要由阀体、阀体盖、阀芯、杠杆关闭装置四个部分组成，杠杆关闭装置包括杠杆、L型杠杆支撑架、杠杆支撑旋转轴、挡块以及浮球组成。本发明基于气水物性差异及力学理论进行设计，该装置带有可动构件，能根据进入自动控水装置内的水气比的变化情况及时地进行限流及关闭作用，可用来均衡产气剖面，延缓底水脊进，延长气井寿命，提高产气量及采收率。

Description

一种气井自动控水装置
技术领域
本发明涉及油气田开发控水工具技术领域。更具体地，本发明涉及基于气水物性差异及力学理论，可用来均衡产气剖面，延缓底水脊进，延长气井寿命，提高产气量及采收率。
背景技术
相对于直井来说，水平井具有采气指数高、生产压差小且无水采气期长等优势，水平井等复杂结构井成为开发气藏特别是非常规气藏的最主要方式，但水平井也暴露出一些问题。
由于水平井与地下流体接触面积大，其钻遇水层的概率也同样增大，底水脊进情况缩短了气藏的无水采气期，会导致水平井投产一段时间后，出现水气比迅速上升甚至部分气井会由于出水严重导致被迫关井停产的情况，严重影响了气井产量和气田采收率。现在针对出水油井和气井的控水方法也做了很多研究，但是由于气水两相在井筒中的流态变化情况复杂，现在针对于出水气井却没有像油井一样较为成熟的控水工具的设计及研究。
为此，根据气水物性差异及力学理论，设计出了一种气井自动控水装置，该装置带有可动构件，能根据出水气井的水气比的变化情况能及时地进行限流及关闭作用，延长气井寿命，提高产气量及采收率。
发明内容
本发明提供一种气井自动控水装置，该控水装置可以延缓气井见水时间，当水过多时，装置可以及时地进行关闭，以延长气井的寿命。
在一个实施方案中，一种气井自动控水装置，其特征在于，它主要包括：阀体(1)、阀体盖(2)、阀芯(3)、杠杆关闭装置(4)四个部分。
所述阀体(1)上设置有切向入口(5)和出气口(6)，切向入口(5)方向与阀芯(3)内壁圆弧所在的圆相切，出气口(6)与阀体(1)底部的第二旋流腔室(7)连通，阀体(1)底部的外壁上有螺纹(8)，用于连接油管，阀体(1)内部有阀芯(3)和杠杆关闭装置(4)，阀芯(3)内部通过气体流道(9)和第二旋流腔室(7)与出气口(6)进行连通，杠杆装置(4)安装在阀体(1)内壁上。
所述阀体盖(2)的两端通过螺丝(10)与阀体(1)的上部相连。
所述阀芯(3)上设置有出水孔(11)，连通阀芯(3)内部的第一旋流腔室(12)与气体流道(9)，阀芯(3)顶部设置有通向气体流道(9)的第一旋流腔室出口(13)。
所述杠杆关闭装置(4)包括杠杆(14)、L型杠杆支撑架(15)、杠杆支撑旋转轴(16)，挡块(17)以及浮球(18)，L型杠杆支撑架(15)一端设置在阀体(1)内壁面，在切向入口(5)下面的位置，另一端通过杠杆支撑旋转轴(16)与杠杆(14)相连接，支撑旋转轴(16)在杠杆(14)中间位置，杠杆支撑架(15)起到支撑杠杆(14)的作用，挡块(17)设置在杠杆(14)的一端靠近阀体(1)内壁一侧，杠杆(14)另一端设置为浮球(18)，挡块(17)由两部分组成，左半部分为金属，右半部分为可以形变的橡胶材料，挡块(17)整体与阀体(1)内壁保持贴合。
应注意的是：俯视装置时，要求所述切向入口(5)方向与阀芯(3)内壁的圆弧所在的圆为相切关系。
同时应注意的是：所述阀芯(3)上的出水孔(11)的截面形状为圆形、矩形等形状，出水孔(11)截面面积小于切向入口(5)截面面积，水平高度低于切向入口(5)的水平高度。
当杠杆关闭装置(4)不受外力因素时，挡块(17)在入口上面位置静止，与阀体(1)内壁处于贴合状态，装置处于打开状态；当杠杆关闭装置(4)受到外力开始运动时，根据杠杆原理，浮球(18)向上运动带动挡块向下运动，挡住切向入口(5)，装置开始进行关闭；当没有浮力后，挡块(17)又会回到切向入口(5)上面的位置，装置重新打开。
在另一个实施方案中，一种气井自动控水装置，其特征在于，它除了上述结构存在，还包括在阀体(1)顶部的阀体盖(2)内侧壁上设置一块磁铁(19)，位置在浮球正上方。
当杠杆关闭装置(4)受到外力，浮球(18)向上运动到一定位置时，会被磁铁(19)吸住，此时装置将永久关闭，即使杠杆关闭装置(4)不再受外力，装置入口也不会再打开。
本发明采用上述实施方案所具有的优点：能够根据进入自动控水装置内的水气比的不同情况分别进行开启、自动限流和关闭装置操作。当纯气体流动时，装置处于开启状态；当水气比较小时，可以通过两个旋流腔室减少水的流量，起到延缓底水脊进作用；当水气比很大时，可动构件发生运动，可关闭气水流入入口。
附图说明
图1是本发明一种气井自动控水装置的示意性剖面图。
图2是本发明一种气井自动控水装置的俯视图。
图3是气水在旋转腔室内的旋转流动示意图。
图4是本发明一种气井自动控水装置的局部受力分析图。
图5是本发明一种气井自动控水装置的第一实施方案的剖面图。
图6是本发明一种气井自动控水装置的第二实施方案的剖面图。
以上附图各标记说明：
1、阀体；2、阀体盖；3、阀芯；4、杠杆关闭装置；5、切向入口；6、出气口；7、第二旋流腔室；8、螺纹；9、气体流道；10、螺丝；11、出水孔；12、第一旋流腔室；13、第一旋流腔室出口；14、杠杆；15、L型杠杆支撑架；16、杠杆支撑旋转轴；17、挡块；18、浮球；19、磁铁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
图1是本发明一种气井自动控水装置的剖面图。主要由阀体(1)、阀体盖(2)、阀芯(3)、杠杆关闭装置(4)四个部分组成。杠杆关闭装置(4)固定在阀体(1)内壁，杠杆关闭装置(4)主要部分杠杆(14)、挡块(17)、浮球(18)通过杠杆支撑架(15)悬挂在阀芯(3)内部，杠杆(14)与杠杆支撑架(15)通过支撑旋转轴(16)衔接。气水从切向入口(5)进入到阀芯(3)内第一旋转腔室(12)产生旋流效果，气水在旋转腔室内的旋转流动示意图如图3所示，水可以从出水孔(11)排出，气从第一旋转腔室出口(13)排出，通过气体流道(9)进入第二旋流腔室(7)内，进行第二次旋转后通过出气口(6)排出。
图4是本发明一种气井自动控水装置的局部受力分析图。浮球受到自身重力G浮球，以及水对浮球的浮力F浮，方向向上。挡块受到自身重力G挡块，以及挡块与阀体内壁的摩擦力Ff，方向根据挡块的运动变化，挡块向上运动，则Ff方向向下，挡块向下运动，则Ff方向向上。杠杆关闭装置左边所受力矩为：
Figure BDA0002598745220000031
杠杆关闭装置左边所受力矩为：
Figure BDA0002598745220000032
上述描述杠杆关闭装置不受外力因素情况时，挡块在入口上面位置静止，与阀体内壁处于贴合状态，此时Ff＝F浮＝0，力矩关系：
Figure BDA0002598745220000033
装置处于打开状态。
图5是本发明一种气井自动控水装置的第一种实施方案的剖面图。主要结构如上面所述，此实施方案的工作过程如下：气水混合物从切向入口进入阀芯内的第一旋流腔室，由于气水流的质量差异，质量较重的液滴在离心力的作用下被抛到外壁，而质量较轻的气体则留在内圈。被抛到外壁的液滴微粒在其重力和气流的带动下向下运动，会在旋流腔室底部蓄积，直到液面达到出水孔位置处，而气流则会回转向上由旋流腔室出口流出。
可根据水气比大小来衡量出水孔是否起到排水作用：当水气比很小时，水会逐渐在旋流腔室底部蓄积，直到液面达到出水孔位置处；当水气比较小时，会通过出水孔经过气体流道最终进入第二旋流腔室，此时气水混合物会在第二旋流腔室内进行第二次旋流，水依旧在离心力作用下被抛到外壁，气流在腔室内壁运动，最终会通过阀体下部出口进入到油管中；当水气比很大时，液面到达出水孔位置时，少部分水会通过出水孔排出，大部分水会继续沿旋转腔室向上运动，当没过杠杆关闭装置中的浮球时，水对浮球产生浮力，根据杠杆原理，浮球受到向上的浮力会带动杠杆另一端的挡块向下运动，从而挡住阀体上的切向入口，装置开始进行闭合，而只有气或气携带少量液滴通过时不会对浮球产生浮力。
上述描述杠杆关闭装置受到浮力作用时，挡块开始向下运动，挡住切向入口，此时Ff≠0，F浮≠0，力矩关系：
Figure BDA0002598745220000041
装置开始进行关闭。
当旋转腔室中水从出水孔排出，液面下降后，水不再对浮球有浮力，浮球又会下降带动挡块向上运动，重新回到切向入口上面的位置，装置重新打开。
杠杆关闭装置会对水气比不同情况进行调为开启、自动限流和关闭状态。
图6是本发明一种气井自动控水装置的第二种实施方案的剖面图。主要结构如上面所述，不同的是阀体(1)顶部的阀体盖(2)内侧壁上会设置一块磁铁(19)，位置在浮球正上方。
第二种实施方案的工作过程如下：当杠杆关闭装置受到外力，浮球向上运动带动挡块向下运动，挡住切向入口，装置开始关闭，当浮球向上运动到一定位置时，会被磁铁吸住，装置将永久关闭，即使杠杆关闭装置不再受外力，装置入口也不会再打开，此时磁铁吸力要克服重力G浮球。
应注意的是：阀芯上的出水孔的截面形状不限，为圆形、矩形等形状，出水孔截面面积小于切向入口截面面积，水平高度低于切向入口的水平高度。
同样应注意的是：杠杆关闭装置中的浮球是金属或非金属、空心或实心的浮板、浮块等一切能产生浮力的物体。
以上所述仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种气井自动控水装置，其特征在于，它包括：阀体(1)、阀体盖(2)、阀芯(3)、杠杆关闭装置(4)四个部分；
阀体(1)上设置有切向入口(5)和出气口(6)，切向入口(5)方向与阀芯(3)内壁圆弧所在的圆相切，出气口(6)与阀体(1)底部的第二旋流腔室(7)连通，阀体(1)底部的外壁上有螺纹(8)，用于连接油管，阀体(1)内部有阀芯(3)和杠杆关闭装置(4)，阀芯(3)内部通过气体流道(9)和第二旋流腔室(7)与出气口(6)进行连通，杠杆关闭装置(4)安装在阀体(1)内壁上；
阀体盖(2)的两端通过螺丝(10)与阀体(1)的上部相连；
阀芯(3)上设置有出水孔(11)，连通阀芯(3)内部的第一旋流腔室(12)与气体流道(9)，阀芯(3)顶部设置有通向气体流道(9)的第一旋流腔室出口(13)；
杠杆关闭装置(4)包括杠杆(14)、L型杠杆支撑架(15)、杠杆支撑旋转轴(16)，挡块(17)以及浮球(18)，L型杠杆支撑架(15)一端设置在阀体(1)内壁面，在切向入口(5)下面的位置，另一端通过杠杆支撑旋转轴(16)与杠杆(14)相连接，支撑旋转轴(16)在杠杆(14)中间位置，杠杆支撑架(15)起到支撑杠杆(14)的作用，挡块(17)设置在杠杆(14)的一端靠近阀体(1)内壁一侧，杠杆(14)另一端设置为浮球(18)，挡块(17)由两部分组成，左半部分为金属，右半部分为可以形变的橡胶材料，挡块(17)整体与阀体(1)内壁保持贴合；
有水进入时对浮球产生的浮力根据杠杆原理可以使得挡块下降关闭阀入口。
2.根据权利要求1所述的气井自动控水装置，其特征在于，当杠杆关闭装置(4)不受外力因素时，挡块(17)在入口上面位置，保持静止，与阀体(1)内壁处于贴合状态，此时力矩关系为：
Figure FDA0002598745210000011
装置处于打开状态；当杠杆关闭装置(4)受到外力开始运动时，此时力矩关系为：
Figure FDA0002598745210000012
根据杠杆原理，浮球(18)向上运动带动挡块向下运动，挡住切向入口(5)，装置开始进行关闭；当没有浮力后，挡块(17)又会回到切向入口(5)上面的位置，装置重新打开。
3.根据权利要求1所述的气井自动控水装置，其特征在于，处于阀体(1)顶部的阀体盖(2)内侧壁上设置一块磁铁(19)，位置在浮球正上方，当杠杆关闭装置(4)受到外力，浮球(18)向上运动到一定位置时，会被磁铁(19)吸住，此时装置将永久关闭，即使杠杆关闭装置(4)不再受外力，装置入口也不会再打开。
4.根据权利要求1所述的气井自动控水装置，其特征在于，杠杆关闭装置(4)中的浮球(18)，是金属或非金属、空心或实心的浮板、浮块等一切能产生浮力的物体。
5.根据权利要求1所述的气井自动控水装置，其特征在于，俯视装置时，要求切向入口(5)方向与阀芯(3)内壁的圆弧所在的圆为相切关系。
6.根据权利要求1所述的气井自动控水装置，其特征在于，阀芯(3)上的出水孔(11)的截面形状不限，为圆形、矩形等形状，出水孔(11)截面面积小于切向入口(5)截面面积，水平高度低于切向入口(5)的水平高度。
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