CN111997571B - 多柱塞协同气举排液技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多柱塞协同气举排液方法，应用于多柱塞协同气举排液系统中，排液系统往复循环运行，多个柱塞分割油管内大段液柱和气柱为多段液柱、柱塞以及气柱串联，多个柱塞在油管内分别上下、彼此间交接液体载荷协同工作，液体被逐级排出井筒，每排出一小段液柱，该小段液柱形成的压力消失，其下的各级气柱压力降低体积膨胀，气柱得到逐级膨胀，同时气体膨胀能加快柱塞及其上方的液柱上升运动，气体膨胀能得到较为充分利用，所需气液比下降，排液量提升，在气量相同的情况下，可排出更多的液量，或在排液量相同的情况下，排液系统需要的气量大为降低。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气井筒依靠自身能量或注气气举排液开发领域，更具体的说是一种多柱塞协同气举排液方法。
背景技术
气井投产后，随着生产时间延长，部分井筒内会逐步出现积液，生产开始受到积液影响，需要采取合理的工艺技术来及时排除，以维护气井的正常稳定生产。当地层能量充足时，油气井可采用自喷带液方式进行生产；当地层能量降低不足以维持自喷带液生产后，需要补充能量转为人工举升方式开采。常用的人工举升方式有气举、有杆泵和电潜泵等。由于自喷带液方式生产设备简单、管理方便且成本低，人们总是努力延长油气井的自喷生产期。
目前石油与天然气井依靠自身能量排液的技术主要有柱塞气举排液工艺、泡沫排液工艺。
柱塞气举技术是在举升气体和被举升液载之间提供了一种固体的密封界面，减少了气体的窜流和液体的回落。常规柱塞气举是一大段气柱通过柱塞起密封作用举升柱塞及其上的一大段液柱从油管下部运动到油管上部并从井口排出到地面。由于液柱存在着与高度成正比的压力，当用气柱托举液柱时，液柱形成的压力将传递到气柱上，气柱承受的压力为井口油压与液柱压力之和。液柱越长，其下部的压力越大，气柱压力越大。常规柱塞气举，当气体托举着柱塞及柱塞上面的一大段液体从油管下部运动到油管上部时，柱塞下面的气柱具有较大的压力。随着液柱排出地面，液柱下面的气柱也随之排出地面，气体的压力被白白释放，也就是气体的膨胀能被白白释放。柱塞托举的液柱越长，下面气柱具有的压力越高，被浪费的膨胀能越多。所以常规柱塞气举具有不能充分利用气体膨胀能、工作需要的气液比大、排液量小、能量消耗大、气/油井只能间歇开井、生产时率低等缺点。一些产气量低、产液量较大的气/油井因而不能采用常规柱塞气举，或者需消耗更多的地面向井筒内注入气举行常规柱塞气举。
泡沫排液技术存在着需要人工连续或间断向井内加注泡沫剂、需要的气液比大、排液量小、液体排出地面后需要进行消泡处理等缺点。液体中含有油等具有消泡作用的井使用该技术效果受限。
发明内容
常规柱塞气举是一大段气柱通过柱塞起密封作用举升柱塞及其上的一大段液柱到井口，其气柱承受的压力为井口油压与液柱压力之和，气柱不能充分膨胀，因而所需气液比高。而多柱塞协同气举是在油管内安放多个柱塞，这多个柱塞将原一个柱塞举升的一大段液柱和其下的一大段气柱分割为多段液柱和气柱，即一级：液柱+一级柱塞+气柱；二级：液柱+二级柱塞+气柱；三级：液柱+三级柱塞+气柱…，油管内由多级液柱+柱塞+气柱串联组成同时向上运动，具体多少级根据井况确定。显然上面级的气柱由于承受液柱压力远小于一大段液柱压力，故其体积将膨胀，气柱占据油管段长度将增加，上面级气柱体积（长度）大于下面级的气体体积（长度）。在液柱总长度相同的情况下，与常规柱塞气举相比，占据同样剩余油管空间（长度），多级柱塞需要的气体质量要小很多。即随着每一小段液柱排出井口，该小段液柱形成的液柱压力消失，因此下面的所有小段气柱体积将随之膨胀，多柱塞协同气举能让气体充分膨胀，气体膨胀能得到充分利用，所需气液比下降。在气量相同的情况下，多柱塞协同气举可排出更多的液量，或在排液量相同的情况下，多柱塞协同气举需要的气量大为降低。与泡排工艺相比，多柱塞协同气举不需要人工加注泡沫剂，排出地面的液体不需要进行消泡处理。同时，多柱塞协同气举需要的气液比小，排液量大。本发明提供一种多柱塞协同气举排液方法，可解决柱塞气举排液工艺、泡沫排液工艺工作需要的气液比大、排液量小、能量消耗大等问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种多柱塞协同气举排液方法，应用于多柱塞协同气举排液系统中，所述多柱塞协同气举排液系统包括油管和从上到下依次设置在油管内的若干柱塞，所述油管顶部设置有井口捅杆，所述油管底部设置有卡定器，所述柱塞包括阀体，与阀体下部相连接的空腔，设置在空腔内的凡尔和固定连接在凡尔下部且穿过空腔底部的阀杆，所述阀体内开设有贯穿阀体上端面的通孔，所述通孔下部连通有阀座孔，阀座孔贯穿阀体下端面，所述空腔表面设置有若干筛孔。所述多柱塞协同气举排液方法包括以下步骤：
S1先在油管下部安装卡定器，开井生产，油管底部会不断产生积液和气体，此时投入第一个凡尔处于开启状况的柱塞，为最下级柱塞，该柱塞下落到积液内时，积液会通过柱塞的筛孔、阀座孔和通孔流入至柱塞上部，柱塞在积液中继续下行直至该柱塞的阀杆与卡定器发生碰撞，凡尔关闭，该柱塞具有密封效果，油管底部不断产生的气体会推动该柱塞往上运动，该柱塞推动其上的液柱往井口运动。
S2待柱塞上升到一定高度，投入凡尔处于开启状况的第二个柱塞，第二个柱塞会穿过气柱和最下级柱塞推动的液柱与最下级柱塞相遇，第二个柱塞的阀杆会与最下级柱塞凡尔发生碰撞，因该阀杆重量较轻，会被最下级柱塞推动往反方向运动，即向上运动，直至与该阀杆连接的凡尔扣入阀体内设置的阀座内，第二个柱塞的凡尔关闭，此时，第二个柱塞具有密封效果，第二个柱塞在惯性作用下抵开最下级柱塞的凡尔，该凡尔打开，最下级柱塞失去密封效果，油管底部产出的气体会通过最下级柱塞的筛孔、阀座孔和通孔流至第二个柱塞下部，并推动该柱塞及液柱向上运动，第二个柱塞和最下级柱塞完成接力交接，同时最下级柱塞会在重力的作用下下落，该柱塞下行碰撞到卡定器并关闭凡尔，在气体举升下再次推动油管内的液柱上行，此时油管内形成两小段液柱依靠两个柱塞的密封作用，被两段气柱推举上行。
S3待第二个柱塞上升到一定高度，投入第三个凡尔处于开启状态的柱塞，第三个柱塞与第二个柱塞相遇交接液体载荷，第三个柱塞凡尔关闭托举液体转向上行，第二个柱塞凡尔打开转向下行，第二个柱塞与正在上行的最下级柱塞再次相遇交接液体载荷，第二个柱塞凡尔关闭托举液体又转向上行，最下级柱塞凡尔打开转向下行，碰撞到卡定器并关闭凡尔，在气体举升下再次推动油管内的液柱上行，此时油管内形成三小段液柱依靠三个柱塞的密封作用，被三段气柱推举上行。
S4每待上一个柱塞上升到一定高度便继续投入下一个柱塞，柱塞间依次完成液体载荷交接，由此在油管内形成多段液柱和气柱同时上行，投入柱塞的数量根据实际情况决定。
S5安装井口捅杆，当最上级柱塞上的液柱在气体推举下达到井口排出地面后，最上级柱塞的凡尔被安装在井口的井口捅杆打开，该柱塞中心孔畅通不再有密封作用，在重力作用下转向下行，此时油管内下面各段液柱、柱塞、气柱继续上行。
S6最上级柱塞下落直至与其下方的柱塞再次发生碰撞，与其下方的柱塞再次完成液体载荷接力交接，该下方柱塞同样再次下行并与其下面的柱塞进行液体载荷接力交接，以此类推，油管内柱塞开始又一轮液体载荷交接，相邻柱塞间不断交接液体载荷，由此排液系统往复循环运行，多个柱塞在油管内分别上下、彼此间交接液体载荷协同工作，液体被逐级排出井筒。
安装完成后，该系统可在井内长期连续运行排液。
排液系统中的气体膨胀原理：
排液系统往复循环运行，多个柱塞在油管内分别上下、彼此间交接液体载荷协同工作，液体被逐级排出井筒，每排出一小段液柱，该小段液柱形成的压力消失，其下的各级气柱压力降低体积膨胀，气柱得到逐级膨胀，气体膨胀能加快柱塞及其上方的液柱上升运动，气体膨胀能得到较为充分利用，所需气液比下降，排液量提升，在气量相同的情况下，可排出更多的液量，或在排液量相同的情况下，排液系统需要的气量大为降低。
作为本发明的一种改进，所述油管底部的气体可从地面经套管不断注入到油管底部。
作为本发明的另一种改进，也可先安装好卡定器，一次性投入所有柱塞，安装井口捅杆，即安装完成后再开井生产。
本发明具有以下优点：
通过在油管内安放多个柱塞，实现把原一个柱塞时一大段气柱托举一大段液柱的状况分割为多个小段液柱和小段气柱串联而成，即液体载荷分摊在多个柱塞上，顶推柱塞及其上液体向上运动的气柱分散在各个柱塞下,多个柱塞在油管内分别上下、彼此间交接液体载荷协同工作，液体被逐级排出井筒，柱塞下的气柱逐级降压，因此逐级膨胀，由此达到降低气液比的目的，同时气/油井实现连续生产。
与柱塞气举相比，本发明能让气体充分膨胀，气体膨胀能得到充分利用，所需气液比下降，下降幅度可达30%~70%。在气量相同的情况下，本发明可排出更多的液量，或在排液量相同的情况下，本发明需要的气量大为降低。
与泡排工艺相比，多柱塞协同气举不需要人工加注泡沫剂，排出地面的液体不需要进行消泡处理。同时，多柱塞协同气举需要的气液比小，排液量大。
由此可解决柱塞气举排液工艺、泡沫排液工艺工作需要的气液比大、排液量小、能量消耗大等问题。
附图说明
图1 为多柱塞协同气举排液系统示意图；
图2 为柱塞结构示意图；
图3 为上下柱塞接力示意图；
图4 为排液系统工作示意图；
图5 为排液系统工作示意图续图；
图中：1-油管，10-井口捅杆，11-卡定器，2-柱塞，20-阀体，201-通孔，202-阀座孔，2021-防脱孔，21-空腔，211-筛孔，212-阀杆孔，22-凡尔，221-防脱落弹簧，222-防脱凸台，23-阀杆。
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作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，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作出创造性劳动的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。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
实施例一：
如图1~图5所示，一种多柱塞协同气举排液方法，应用于多柱塞协同气举排液系统中，多柱塞协同气举排液系统包括油管1和从上到下依次设置在油管1内的若干柱塞2，油管1顶部设置有井口捅杆10，油管1底部设置有卡定器11，柱塞2包括阀体20，与阀体20下部相连接的空腔21，设置在空腔21内的凡尔22和固定连接在凡尔22下部且穿过空腔21底部的阀杆23，阀体20内开设有贯穿阀体20上端面的通孔201，通孔201下部连通有阀座孔202，阀座孔202贯穿阀体20下端面，空腔21表面设置有若干筛孔211。
多柱塞协同气举排液方法包括以下内容：
在油管内，油管底部有积液，排液系统运作时，油管底部的气体以及油管底部的积液会在该系统的作用下被多级柱塞分成多段，柱塞在气液间起密封作用阻止气体向上窜流和液体回落，在气体推举下柱塞及其上的液柱向上运动。
先在油管下部安装卡定器，开井生产，油管底部会不断产生积液和气体，此时投入第一个凡尔处于开启状况的柱塞，为最下级柱塞，该柱塞下落到积液内时，积液会通过柱塞的筛孔、阀座孔和通孔流入至柱塞上部，柱塞在积液中继续下行直至该柱塞的阀杆与卡定器发生碰撞，凡尔关闭，该柱塞具有密封效果，油管底部不断产生的气体会推动该柱塞往上运动，该柱塞推动其上的液柱往井口运动。
待柱塞上升到一定高度，投入凡尔处于开启状况的第二个柱塞，第二个柱塞会穿过气柱和最下级柱塞推动的液柱与最下级柱塞相遇，第二个柱塞的阀杆会与最下级柱塞凡尔发生碰撞，因该阀杆重量较轻，会被最下级柱塞推动往反方向运动，即向上运动，直至与该阀杆连接的凡尔扣入阀体内设置的阀座内，第二个柱塞的凡尔关闭，此时，第二个柱塞具有密封效果，第二个柱塞在惯性作用下抵开最下级柱塞的凡尔，该凡尔打开，最下级柱塞失去密封效果，油管底部产出的气体会通过最下级柱塞的筛孔、阀座孔和通孔流至第二个柱塞下部，并推动该柱塞及液柱向上运动，第二个柱塞和最下级柱塞完成接力交接，同时最下级柱塞会在重力的作用下下落，该柱塞下行碰撞到卡定器并关闭凡尔，在气体举升下再次推动油管内的液柱上行，此时油管内形成两小段液柱依靠两个柱塞的密封作用，被两段气柱推举上行。
待第二个柱塞上升到一定高度，投入凡尔处于开启状况的第三个柱塞，同理，第三个柱塞与第二个柱塞相遇交接液体载荷，第三个柱塞凡尔关闭托举液体转向上行，第二个柱塞凡尔打开转向下行，第二个柱塞与正在上行的最下级柱塞再次相遇交接液体载荷，第二个柱塞凡尔关闭托举液体又转向上行，最下级柱塞凡尔打开转向下行，碰撞到卡定器并关闭凡尔，在气体举升下再次推动油管内的液柱上行，此时油管内形成三小段液柱依靠三个柱塞的密封作用，被三段气柱推举上行。
每待上一个柱塞上升到一定高度便继续投入下一个柱塞，柱塞间依次完成液体载荷交接，由此在油管内形成多段液柱和气柱同时上行，投入柱塞的数量根据实际情况决定。
安装井口捅杆，当最上级柱塞上的液柱在气体推举下达到井口排出地面后，最上级柱塞的凡尔被安装在井口的井口捅杆打开，该柱塞中心孔畅通不再有密封作用，在重力作用下转向下行，此时油管内下面各段液柱、柱塞、气柱继续上行。
最上级柱塞下落直至与其下方的柱塞再次发生碰撞，与其下方的柱塞再次完成液体载荷接力交接，该下方柱塞同样再次下行并与其下面的柱塞进行液体载荷接力交接，以此类推，油管内柱塞开始又一轮液体载荷交接，相邻柱塞间不断交接液体载荷，由此排液系统往复循环运行，多个柱塞在油管内分别上下、彼此间交接液体载荷协同工作，液体被逐级排出井筒。
安装完成后，该系统可在井内长期连续运行排液。
排液系统中的气体膨胀原理：
排液系统往复循环运行，多个柱塞在油管内分别上下、彼此间交接液体载荷协同工作，液体被逐级排出井筒，每排出一小段液柱，该小段液柱形成的压力消失，其下的各级气柱压力降低体积膨胀，气柱得到逐级膨胀，气体膨胀能加快柱塞及其上方的液柱上升运动，气体膨胀能得到较为充分利用，所需气液比下降，排液量提升，在气量相同的情况下，可排出更多的液量，或在排液量相同的情况下，排液系统需要的气量大为降低。
实施例二：
基于实施例一，凡尔22外表面上通过开设的盲孔设置有防脱落弹簧221，防脱落弹簧221末端设置有防脱凸台222，阀座孔202内表面上设置有与防脱凸台222配合防止凡尔22脱落的防脱孔2021，此处结构的设计可提高系统运行的稳定性，也提高了容错率，在不具备该结构的情况下，阀体20与凡尔22结合，在压力的作用下，结构为密封状态，可较好的完成排液工作，但在该结构有一定缺陷的情况下，防脱落弹簧221可承担部分压力，保证整个排液系统的稳定。
防脱落弹簧221数量可以为多个，且均匀分布在凡尔22外表面，防脱孔2021数量与防脱落弹簧221数量一致，且均匀分布在凡尔22外表面，多个该结构的设置可进一步提高系统稳定性。
实施例三：
基于实施例一，油管底部的气体可从地面经套管不断注入到油管底部，在此种情况下，多级柱塞的应用就显得更为重要，多级柱塞使气柱逐级膨胀，同时加快柱塞及其上方的液柱上升运动，所需气液比下降，排液量提升，在排液量相同的情况下，排液系统需要的气量大为降低，可以节省较多的人力以及物理成本。
实施例四：
基于实施例一，本实施例合理利用柱塞有漏失的情况，在排液系统运行步骤中，可先安装好卡定器，一次性投入所有柱塞，安装井口捅杆，即安装完成后再开井生产，柱塞间会分别有液体和气体，系统照常运行。本实施例可节省投放柱塞的时间，是一种较优的方案。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种多柱塞协同气举排液方法，应用于多柱塞协同气举排液系统中，所述多柱塞协同气举排液系统包括油管(1)和从上到下依次设置在油管(1)内的若干柱塞(2)，所述油管(1)顶部设置有井口捅杆(10)，所述油管(1)底部设置有卡定器(11)，所述柱塞(2)包括阀体(20)，与阀体(20)下部相连接的空腔(21)，设置在空腔(21)内的凡尔(22)和固定连接在凡尔(22)下部且穿过空腔(21)底部的阀杆(23)，所述阀体(20)内开设有贯穿阀体(20)上端面的通孔(201)，所述通孔(201)下部连通有阀座孔(202)，阀座孔(202)贯穿阀体(20)下端面，所述空腔(21)表面设置有若干筛孔(211)，其特征在于：所述多柱塞协同气举排液方法包括如下步骤：
S1在油管下部安装卡定器，开井生产，油管底部不断产生积液和气体，投入第一个凡尔处于开启状态的柱塞，柱塞下落穿过积液，积液流至柱塞上部，柱塞与卡定器发生碰撞，柱塞凡尔关闭，气体推动该柱塞及其上部积液上行；
S2待第一个柱塞上升到一定高度，投入第二个凡尔处于开启状态的柱塞，第二个柱塞穿过第一个柱塞上部积液与第一个柱塞发生碰撞，第一个柱塞凡尔打开，第二个柱塞凡尔关闭，第一个柱塞上部积液流至第二个柱塞上部，气体推动第二个柱塞及其上部积液上行，第一个柱塞因凡尔打开失去密封作用，在重力作用下下落至卡定器处重新关闭凡尔并在气体的作用下再次推动卡定器处新形成的液柱上升，此时油管内形成两小段液柱依靠两个柱塞的密封作用，被两段气柱推举上行；
S3待第二个柱塞上升到一定高度，投入第三个凡尔处于开启状态的柱塞，第三个柱塞与第二个柱塞相遇交接液体载荷，第三个柱塞凡尔关闭托举液体转向上行，第二个柱塞凡尔打开转向下行，第二个柱塞与正在上行的最下级柱塞再次相遇交接液体载荷，第二个柱塞凡尔关闭托举液体又转向上行，最下级柱塞凡尔打开转向下行，碰撞到卡定器并关闭凡尔，在气体举升下再次推动油管内的液柱上行，此时油管内形成三小段液柱依靠三个柱塞的密封作用，被三段气柱推举上行；
S4每待上一个柱塞上升到一定高度便继续投入下一个柱塞，柱塞间依次完成液体载荷交接，由此在油管内形成多段液柱和气柱同时上行；
S5安装井口捅杆，最上级柱塞上行至井口，最上级柱塞上部积液及气体排出油管，最上级柱塞与井口捅杆发生碰撞，该柱塞凡尔打开，最上级柱塞下落；
S6最上级柱塞下落与其下方的柱塞再次发生碰撞，与其下方的柱塞再次完成液体载荷接力交接，最上级柱塞重新上行至井口将积液及气体排出油管，其下方的柱塞下落，各柱塞间依次碰撞交接液体载荷，以此类推，系统往复循环运行排出油管底部产出的积液和气体，每排出一小段液柱和气柱，油管内的各级气柱压力降低，气柱得到逐级膨胀，并作为动力推动各级液柱上行。
2.根据权利要求1所述的一种多柱塞协同气举排液方法，其特征在于：所述油管底部的气体可从地面经套管不断注入到油管底部。
3.根据权利要求1所述的一种多柱塞协同气举排液方法，其特征在于：在所述排液系统运行步骤中，可先安装好卡定器，一次性投入所有柱塞，安装井口捅杆，再开井生产。
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