CN112031712B - 一种井下气驱排采泵及气驱排采方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种井下气驱排采泵及气驱排采方法，属油气开采井下工具技术领域。泵筒内装有分流块；泵筒的一端螺纹安装有排采泵壳体，泵筒的另一端螺纹安装有下接头，排采泵壳体内设置有台阶式的中心孔，中心孔的上端口内螺纹安装有内接头，内接头下方的中心孔内装有阀芯，内接头和阀芯一侧的排采泵壳体上轴向设置有注气流道，内接头和阀芯另一侧的排采泵壳体上轴向设置有举升流道。该排采泵通过对密闭空间中的液体直接传递地面压力能量而实现举升，具有举升效率高、能耗低的特点。与现有技术相比，具有工作可靠性高，工作过程不存在气锁问题，同时不对地层产生回压，特别适用于低能、低产井采油使用。

Description

一种井下气驱排采泵及气驱排采方法
技术领域
本发明涉及一种井下气驱排采泵及气驱排采方法，属油气开采井下工具技术领域。
背景技术
天然气井在生产过程中，常伴有地层水产出，随开发中地层压力不断下降，产气量逐渐降低，当产气量低于气井临界携液流量时，气体无法将产出水全部携带出井筒，导致井筒积液。积液使生产压差变小，产能降低，如不能及时排除井底积液，随累积量增加就会造成气井停产。故产水井的排水是实现生产井高产、稳产的关键。目前常用的排水采气技术主要有：机抽-深井泵排采、螺杆泵排采、电潜泵排采、射流泵排采、常规气举排采、柱塞气举排采等技术。
上述现有技术在现场排水采气工艺中均有应用并在不同的开发阶段发挥了各种的作用。通过应用实践证明，每种技术有它的优势，但同时也存在一些缺陷，这些技术的通用性局限大，突出的问题是不能较好地满足现场大量的低产、低能和开发后期的需求。主要表现一是随开发中地层压力下降、产量降低后，如柱塞排水、气举阀气举和电潜泵排采等技术已不适应此开发阶段；二是工艺技术的效率低、能耗高，如喷射泵排采等；三是抽油泵、螺杆泵这类有杆泵排采不仅能耗高，管杆造成的偏磨、断脱、腐蚀等问题也一直困扰现场应用；四是排量调整范围窄，使用范围受限。针对以上主要问题，有必要对其进行改进。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种通用性好，结构简单，排采参数调整范围宽泛、简单方便、易实现地面自动化控制和管理，且压力仅在管柱和泵内，不对地层产生回压，以及举升效率高、能耗低，可满足开发后期的需求，适用于低能、低产井气驱排采的井下气驱排采泵及气驱排采方法。
本发明的技术方案是：
一种井下气驱排采泵，包括排采泵壳体、泵筒、内接头、阀芯、下接头和分流块；泵筒内装有分流块；泵筒的一端螺纹安装有排采泵壳体，泵筒的另一端螺纹安装有下接头，排采泵壳体内设置有台阶式的中心孔，中心孔的上端口内螺纹安装有内接头，内接头下方的中心孔内装有阀芯，内接头和阀芯一侧的排采泵壳体上轴向设置有注气流道，内接头和阀芯另一侧的排采泵壳体上轴向设置有举升流道。
所述的内接头为桶状体，内接头的中心部位设置有台阶状的中心孔，中心孔的底部为收缩状。
所述的内接头外围的排采泵壳体内壁上设置有内螺纹，用于与油管的螺纹连接。
所述的举升流道上端通过径向孔E与内接头的中心孔连通。
所述的阀芯呈T型，阀芯下端中心部位设置有导流孔，导流孔顶端的阀芯上设置有径向孔C，径向孔C对应的排采泵壳体上设置径向孔D，径向孔D通过径向孔C与导流孔连通。
所述的注气流道通过径向孔A与中心孔的小径段连通；注气流道通过径向孔B与中心孔的大径段连通。
所述的泵筒内壁上设置有内凸缘，泵筒内通过内凸缘装有分流块，分流块上设置有与导流孔连通的分流气道，分流气道一侧的分流块上螺纹安装有举升管，举升管与举升流道连通，举升管底部螺纹安装有举升球座。
所述的举升球座为筒状体，举升球座内螺纹安装有挡球盘，挡球盘上均布有通孔；挡球盘下方的举升球座内活动装有举升凡尔（挡球）。
所述的下接头上设置有T型孔，T型孔内螺纹安装有进液球座，进液球座的中心孔端口上活动装有进液凡尔，进液凡尔上方的下接头T型孔端口装有挡球环。
该井下气驱排采泵的气驱排采步骤为：
1）、排采泵下井后沉没于待排采的液体中，此时泵腔内压力处于低压状态，阀芯位于下端点位置，待排采的井液顶开进液凡尔21进入泵筒的内腔。
4）、由于阀芯3处于下端点时，径向孔C与径向孔D连通，此时，原泵腔内的气体经导流孔、径向孔C、径向孔D被外排到油套环空，泵腔内处于低压状态，待排采的井液顶开进液凡尔进入泵筒的内腔；完成泵腔内进液过程。
2）、向油杆环空内注入高压气体，高压气体进入排采泵壳体的注气流道，经径向孔B进入阀芯阶梯处与排采泵壳体中心孔之间的环空。
3）、由于阀芯与排采泵壳体中心孔之间为滑动密封配合，进入阀芯与排采泵壳体1中心孔之间环空的高压气体推动阀芯上行。
5）、阀芯3上行过程中，径向孔C与径向孔D之间逐步错位形成封堵状态，泵腔内气体不再外排。阀芯3继续上行与内接头2接触到达止点，此时，径向孔A10的封堵状态解除。
6）、高压气体经径向孔A进入泵腔中并不断汇聚，当泵腔内压力足以克服举升凡尔以上举升管的回压时，举升凡尔打开，泵腔内液体被高压气从上到下逐渐驱排并沿着举升流道排到地面。
7）、当泵腔内注入的高压气体与井液界面接近举升凡尔时，在地面井口关闭排水管线阀门，然后启动地面高压泵对举升管16内加压，同时停止注入高压气体，压力作用至阀芯3顶部端面处，阀芯向下运动并关闭径向孔A。
8）、阀芯下行到位后，径向孔C与径向孔D连通。泵腔内高压气体经径向孔C与径向孔D外排释放，泵腔内回复到低压状态，泵腔内再次充液。
9）、当要进行下次工作时，首先开启地面排水管线控制阀，此时举升管泄压，再次向油杆环空内注入高压气体，在高压气体作用下阀芯上行，进入下一工作循环。
本发明的有益效果在于：
1）、本发明的举升方式是通过对密闭空间（泵腔）中的液体直接传递地面压力能量而实现举升，既，在泵腔内采用高压气体置换液体的排驱方式实现排采。
2）、举升效率高、能耗低。与现有排采技术相比，气驱排采泵在井下工作排驱液体时，需要的气体体积与液体置换率可达理论上的100%。即用1m3的高压气（井下高压压缩条件下的体积）可以置换泵腔内1m3的液体，故节能及工作效率优势明显。其在工作过程中除接近忽略的流道摩阻外，无其它能量损失或消耗。
3）、整体结构简单，无管杆的运动件，避免了偏磨等缺点，除控制阀的阀芯有短距离滑动外，无其它运动部件，故工作可靠性高。
4）、排采参数调整范围宽泛、简单方便、易实现地面自动化控制和管理。泵筒容积决定一次排采量，气驱泵泵筒内仅有一根举升管而无其它配合的零部件，故泵筒的加长不受结构等因素限制，加长的泵筒（同时加长其内举升管长度）可以得到更大的一次排采量，由于泵自身一次排量范围宽泛，从而可实现低频次、大排量工作参数。另外，通过地面数字化管理可以方便地调整排采频率、注气压力（量）等参数，以求获得最佳的排采量。
5）、不对地层产生回压，特别适用于低能、低产井，气驱排采的压力仅在管柱和泵内，故该技术不仅适用高产井，更适应开发后期大量出现的低产、低能积液井的及时、深度排采，以达到充分发挥这部分井的潜能目的。
6）、采用气源共用的集群式区域或井组模式，可以充分利用设备和能源，达到更优的经济效益，且气驱排采泵工作过程不存在气锁问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的H—H向的截面结构示意图；
图3为本发明的工作状态示意图；
图4为本发明工作中停止注气时的状态示意图；
图5为本发明工作中注气时的状态示意图。
图中：1、排采泵壳体，2、内接头，3、阀芯，4、下接头，5、泵筒，6、分流块，7、导流孔，8、注气流道，9、举升流道，10、径向孔A，11、径向孔B，12、径向孔E，13、径向孔C，14、径向孔D，15、分流气道，16、举升管，17、举升球座，18、挡球盘，19、举升凡尔，20、进液球座，21、进液凡尔，22、挡球环,23、井口装置，24、油管，25、空心杆，26、连通管，27、注气设备，28、控制柜，29、采气管，30、排水管，31、井内套管。
具体实施方式
该井下气驱排采泵包括排采泵壳体1、泵筒5、内接头2、阀芯3、下接头4和分流块6；泵筒5内壁上设置有内凸缘，泵筒5内通过内凸缘装有分流块6，泵筒5的顶端螺纹安装有排采泵壳体1，排采泵壳体1配合内凸缘对分流块6形成轴向限位。
排采泵壳体1内设置有台阶式的中心孔，中心孔的上端口内螺纹安装有内接头2，内接头2为桶状体，内接头2的中心部位设置有台阶状的中心孔，内接头2的中心孔底部为收缩状，用于向下部传递压力。
内接头2下方的中心孔内装有阀芯3，阀芯3呈T型变径体，阀芯3下端中心部位设置有导流孔7，内接头2和阀芯3一侧的排采泵壳体1上轴向设置有注气流道8，注气流道8通过径向孔A10与排采泵壳体1的中心孔小径段连通，从而形成注气通道；注气流道8通过径向孔B11与排采泵壳体1的中心孔大径段连通，从而形成传压流道。内接头2和阀芯3另一侧的排采泵壳体1上轴向设置有举升流道9，举升流道9上端通过径向孔E12与内接头2的中心孔连通。
导流孔7顶端的阀芯3上设置有径向孔C13，径向孔C13对应的排采泵壳体1上设置径向孔D14，径向孔D14通过径向孔C13与导流孔7间歇连通。
分流块6上设置有与导流孔7连通的分流气道15，分流气道15一侧的分流块6上螺纹安装有举升管16，举升管16与举升流道9连通，举升管16底部螺纹安装有举升球座17。举升球座17为筒状体，举升球座17内螺纹安装有挡球盘18，挡球盘18上均布有通孔；挡球盘18下方的举升球座17内活动装有举升凡尔19（挡球）。
泵筒5的底端螺纹安装有下接头4，下接头4上设置有T型孔，T型孔内螺纹安装有进液球座20，进液球座20的中心孔端口上活动装有进液凡尔21，进液凡尔21上方的下接头4T型孔端口装有挡球环22（参见图1）。
内接头2外围的排采泵壳体1内壁上设置有内螺纹，用于与油管24的螺纹连接，气驱排采泵直接和油管24连接在一起下井，然后下入空心杆25与气驱排采泵的内接头2对接。
该气驱排采泵工作时通过井口装置23的外围管路、电磁阀和控制柜28实现控制。井口装置23由套管头、四通和采气树构成，套管头通过连通管26与注气设备27（气源井）连通，以提供高压气源，为排采泵的举升提供动力。连通管26上设置有注气流量表、压力表和温度表；温度表一侧的连通管26上设置有电磁阀A（气动阀），电磁阀A与控制柜28连接。连通管26下方的井口装置23上设置有采气管29，采气管29上装有电磁阀B, 电磁阀B与控制柜28连接。
空心杆25顶部与排水管30连通，排水管30上设置有电磁阀D和电磁阀C，电磁阀D和电磁阀C分别与控制柜28连接。该气驱排采泵入井后，井内套管31、油管24和空心杆25之间构成了三个通道。即，油管24和井内套,31之间组成的环形空间—油套环空为采气通道，油管24和空心杆25之间的环空为油杆环空为注汽通道，空心杆25下入后与气驱排采泵的内接头2对接并形成排液流道。
该气驱排采泵下井后沉没于待排采的井液中，以便泵腔（泵筒内腔）在低压时井液进入，完成吸液过程。气驱排采泵工作过程中，靠注气压力和举升压力的相对变化施加于阀芯3，使其处于不同下、上端点位置，以实现对不同流道的关闭与开启,从而达到泵腔内吸液和排驱的举升目的。具体为：
排采泵下井后沉没于待排采的液体中，此时泵腔内压力处于低压状态，阀芯3位于下端点位置，待排采的井液顶开进液凡尔21进入泵筒5的内腔，此过程为泵的吸液过程。当向油杆环空内注入高压气体，高压气体进入排采泵壳体1的注气流道8，注气流道8内的高压气体经径向孔B11进入阀芯3阶梯处与排采泵壳体1中心孔之间的环空，由于阀芯3与排采泵壳体1中心孔之间为滑动密封配合，进入阀芯3与排采泵壳体1中心孔之间环空的高压气体推动阀芯3上行。
由于阀芯3顶部端面与举升流道9连通，其始终承受举升流道9内举升液柱在该处的压力Pw，同时由于阀芯3阶梯处与径向孔B11连通，阀芯3阶梯处环面上所受压力始终与该处注气压力Pg相同，使得阀芯3底部端面Sd承受的压力，随阀芯3所处上、下端点位置不同而发生改变。
当阀芯3在下端点位置时，其受力条件为：阀芯3向上总作用力＜向下作用力，即：Pg• (D2- d2)+ Pj• d2＜Pw•D2
式中：D-顶部端面直径；d-底部端面直径；PW-阀芯3阶梯处大径端面压力； Pg-阀芯3阶梯处注入气压力；Pj-井筒井底处压力。
当阀芯3处于下端点时，径向孔C13与径向孔D14连通，此时，原泵腔内的气体经导流孔7、径向孔C13、径向孔D14被外排到油套环空，泵腔内处于低压状态，待排采的井液顶开进液凡尔21进入泵筒5的内腔，完成泵腔内进液过程。泵腔进液过程中，有可能携带部分气体进入泵腔内，但由于气、液密度差作用，气体会上浮并经导流孔7、径向孔C13、径向孔D14被外排，因此，泵腔内不会存留气体，从而避免了排采泵的“气锁”现象。
随注气压力的升高，当阀芯3的向上总作用力＞向下作用力时，即：Pg• (D2- d2)+Pj• d2＞Pw•D2，阀芯3上行，这一过程中，径向孔C13与径向孔D14之间逐步错位形成封堵状态，泵腔内气体不再外排。阀芯3继续上行与内接头2接触到达止点，此时，径向孔A10的封堵状态解除。
高压气体经径向孔A10进入泵腔中并不断汇聚，当泵腔内压力足以克服举升凡尔19以上举升管16的回压Pw时，举升凡尔19打开，泵腔内液体被高压气从上到下逐渐驱排并沿着举升流道9排到地面。当泵腔内注入的高压气体与井液界面接近举升凡尔19时，在地面井口关闭排水管线阀门，然后启动地面高压泵对举升管16内加压，同时停止注入高压气体，压力作用至阀芯3顶部端面处，达到阀芯3向上总作用力＜向下作用力条件，阀芯3向下运动并关闭径向孔A10，阀芯3下行过程中，径向孔C13与径向孔D14逐步连通。泵腔内高压气体经径向孔C13与径向孔D14外排释放，泵腔内回复到低压状态，泵腔内再次充液。当要进行下次工作时，首先开启地面排水管线控制阀，此时举升管16泄压，在高压气体作用下阀芯3上行，进入下一工作循环。
该井下气驱排采泵通过对密闭空间（泵腔）中的液体直接传递地面压力能量而实现举升，即，在泵腔内采用高压气体置换液体的排驱方式实现排采，具有举升效率高、能耗低的特点。与现有技术相比，该排采泵在井下工作排驱液体时，需要的气体体积与液体置换率可达理论上的100%。即，用1m3的高压气（井下高压压缩条件下的体积）可以置换泵腔内1m3的液体，同时整体结构简单，具有无管杆的运动件，避免了偏磨等缺点，除控制阀的阀芯有短距离滑动外，无其它运动部件，故工作可靠性高，工作过程不存在气锁问题，不对地层产生回压，特别适用于低能、低产井采油使用。

Claims (4)

1.一种井下气驱排采泵，包括排采泵壳体（1）、泵筒（5）、内接头（2）、阀芯（3）、下接头（4）和分流块（6）；其特征在于：泵筒（5）内装有分流块（6）；泵筒（5）的一端螺纹安装有排采泵壳体（1），泵筒（5）的另一端螺纹安装有下接头（4），排采泵壳体（1）内设置有台阶式的中心孔，中心孔的上端口内螺纹安装有内接头（2），内接头（2）下方的中心孔内装有阀芯（3），内接头（2）和阀芯（3）一侧的排采泵壳体（1）上轴向设置有注气流道（8），内接头（2）和阀芯（3）另一侧的排采泵壳体（1）上轴向设置有举升流道（9）；
所述的内接头（2）为桶状体，内接头（2）的中心部位设置有台阶状的中心孔，中心孔的底部为收缩状；
所述的举升流道（9）上端通过径向孔E（12）与内接头（2）的中心孔连通；
所述的阀芯（3）呈T型，阀芯（3）下端中心部位设置有导流孔（7），导流孔（7）顶端的阀芯（3）上设置有径向孔C（13），径向孔C（13）对应的排采泵壳体（1）上设置径向孔D（14），径向孔D（14）通过径向孔C（13）与导流孔（7）连通；
所述的注气流道（8）通过径向孔A（10）与排采泵壳体（1）中心孔的小径段连通；注气流道（8）通过径向孔B（11）与排采泵壳体（1）中心孔的大径段连通；
所述的泵筒（5）内壁上设置有内凸缘，泵筒（5）内通过内凸缘装有分流块（6），分流块（6）上设置有与导流孔（7）连通的分流气道，分流气道一侧的分流块（6）上螺纹安装有举升管（16），举升管（16）与举升流道（9）连通，举升管（16）底部螺纹安装有举升球座（17）。
2.根据权利要求1所述的一种井下气驱排采泵，其特征在于：所述的内接头（2）外围的排采泵壳体（1）内壁上设置有内螺纹，用于与油管的螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种井下气驱排采泵，其特征在于：所述的举升球座（17）为筒状体，举升球座（17）内螺纹安装有挡球盘（18），挡球盘（18）上均布有通孔；挡球盘（18）下方的举升球座（17）内活动装有举升凡尔（19）。
4.根据权利要求1所述的一种井下气驱排采泵，其特征在于：所述的下接头（4）上设置有T型孔，T型孔内螺纹安装有进液球座（20），进液球座（20）的中心孔端口上活动装有进液凡尔（21），进液凡尔（21）上方的下接头（4）T型孔端口装有挡球环（22）。
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