CN112065334B - 井下智能截调采气排水机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及井下排水采气智能化工具领域，公开了一种井下智能截调采气排水机器人，其变径截面控制是利用截调变径柱塞的外侧套设的变径胶囊，缸壁上设置有外导压孔和内导压孔，外导压孔与变径胶囊的外部连通，内导压孔与变径胶囊的内部连通，在由活塞杆、截调变径柱塞和变径胶囊形成的内腔内充装有流体，在活塞杆上设置相互连通的导流孔和保压孔，其中导流孔与截调变径柱塞的无杆腔连通，活塞杆的行程设置使其保压孔可与外导压孔之间在连通或阻断状态之间切换，从而由活塞杆的伸缩可导致变径胶囊的直径大小变化，实现变径胶囊的变径智能控制，变径胶囊在加压状态下可形成灵活可调的密封面，其工作稳定可靠、适应性强。

Description

井下智能截调采气排水机器人

技术领域

本发明涉及井下排水采气智能化工具领域，尤其是一种智能化采气排水机器人。

背景技术

排水采气是挖掘产水气井生产潜力，提高天然气采收率的重要措施之一，是气田开发中后期一项长期艰巨的工作。随着气田的开发，许多天然气井已进入低压低产阶段，常因地层能量不足、井筒携液能力变差而发生积液减产现象，严重时甚至发生水淹停产，影响了气井的正常生产。因此，需要一种适用于低压低产气井的排水采气工具，从而提高低压低产气井开发的经济效益。

于2019年10月25日公告的公告号为CN209539329U的中国实用新型专利“智能化柱塞排水采气装置”中，采用由液压泵控制液压弹性内胆进而控制密封件6的径向位移，达到调节柱塞与井壁之间摩擦力的目的，从而实现排水采气。该装置的密封件6为两个半筒状非金属材料的密封片对接组成，两个半筒状密封片之间密封，因此，密封片与井壁之间的接触面积不可调，其调节柱塞与井壁之间摩擦力主要通过调节压力实现，调节效果有限。同时，实际生产中，管井壁可能有在局部发生变形、结垢、腐蚀等，如不能自动调整柱塞形状去适应现场工况，可能导致设备无法运行或损坏，难于形成有效的生产力。

发明内容

为尽可能满足井型适应性要求，本发明所要解决的技术问题是提供一种井下智能截调采气排水机器人，其也是利用传感系统对井下压力、温度进行连续动态测量从而判断是否进行变径调整以完成相应的作业，但其变径结构进行了优化改进，通过截调变径柱塞内活塞杆的导流流道的截断与变径胶囊压力调整，同时依靠气井自身所产生的天然气作为动力来源，提升了机器人对现场工况的适应性，机器人在直井、斜井管道中智能升降行走，实现了自主定量排水和气井不关井连续采气，为各种低产气井提供了一种智能化排液稳产技术手段。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：井下智能截调采气排水机器人，包括分别位于头、尾的引导缓冲器、捕捞定心缓冲器，还包括截调变径柱塞、活塞杆驱动装置，引导缓冲器与截调变径柱塞连接，与截调变径柱塞配合的活塞杆与活塞杆驱动装置连接，截调变径柱塞的无杆腔与外界连通，截调变径柱塞的外侧套设有变径胶囊，截调变径柱塞的缸体的缸壁上分别设置有外导压孔和内导压孔，外导压孔与变径胶囊的外部连通，内导压孔与变径胶囊的内部连通，在由活塞杆、截调变径柱塞和变径胶囊形成的内腔内充装有流体，在活塞杆上设置相互连通的导流孔和保压孔，其中导流孔与截调变径柱塞的无杆腔连通，活塞杆的行程设置使其所述保压孔可与所述外导压孔之间在连通或阻断状态之间切换，从而由活塞杆的伸缩可导致变径胶囊的直径大小变化。该结构中，对胶囊壁的压力传导直接、稳定，胶囊能跟随井壁情况智能变形，实现更好的密封，调节活塞杆的行程，变径胶囊内的压力也随之变化，当变径胶囊的直径扩展到井壁内径后，进一步增大压力可增大胶囊与井壁之间的接触面积，能更灵活地调节胶囊与井壁之间摩阻。

所述截调变径柱塞的缸体包括大径段缸体和小径段缸体，大径段缸体的内径大于小径段缸体的内径，相应的活塞杆也包括大径段活塞和小径段活塞，变径缸体能够预留出合理大小的充装流体的容纳空间，以实现膨胀、收缩控制，所述外导压孔和内导压孔均设置在大径段缸体上，导流孔和保压孔通过开设在活塞杆内部的导流流道连通，所述导流流道宜相对于缸体的轴线呈对称布置，以使其机器人的重心尽量在该轴线上，故在所述大径段活塞的周面上设置所述保压孔，在所述小径段活塞的端面中心设置所述导流孔，小径段活塞和小径段缸体用于配合后封闭活塞杆内部的导流流道，宜设计内导压孔更靠近小径段缸体，以给予变径胶囊较宽的变径调节范围。

所述引导缓冲器、截调变径柱塞、活塞杆驱动装置、控制系统、传感系统、电池组、捕捞定心缓冲器依次顺序连接成一个圆柱状整体，方便与气井壁的圆柱形井壁进行配合控制升降。

所述捕捞定心缓冲器由定心连接头、缓冲弹性件、捕捞头组成，其中捕捞头装在最外端，定心连接头与电池组连接，定心连接头的设计是协助将机器人的重心控制在截调变径柱塞的轴线上，缓冲弹性件用于在机器人上行到终点时缓冲减震，捕捞头用于捕捞时的连接。

所述的变径胶囊的两端为锥形，中间为圆柱形，目的在于减小固定部位的外形尺寸，不至于固定部位的尺寸占用有限的井下作业空间，配合锥形锁扣，能在紧凑的条件下对胶囊进行可靠固定。

所述变径胶囊由锥形锁扣及锥形锁紧螺母拧紧固定，所述锥形锁扣及锥形锁紧螺母均与截调变径柱塞的缸体外壁螺纹连接。锥形的锁扣更贴近膨胀后胶囊外壁的形状，受压状态下胶囊外壁与锥形锁扣的内表面之间有更大的接触面积，能产生更大的摩擦力，故能够更好的对胶囊进行固定，避免受压的情况下胶囊脱出锁扣的限制，锥形锁扣及锥形锁紧螺母的双重螺纹连接不仅起到卡固作用，也能够对加压状态下胶囊内的流体形成密封。

所述变径胶囊的两端内壁各设置有两圈以上的台阶，所述截调变径柱塞的缸壁外侧设置有与所述台阶相匹配的安装槽，从而利用胶囊本体实现对预装流体的密封，不需要额外使用密封圈，利用两处以上台阶和安装槽的密封实现多重密封。

基于以上的设计，若变径胶囊硬度较高，相对而言耐磨性更好，但对驱动压力的要求更高、调节灵敏度有所下降；若硬度降低，耐磨性较差，寿命缩短，但对驱动压力的要求降低，调节灵敏度提高。因此，变径胶囊需要使用硬度适宜又能够变形的材料，最好所述变径胶囊采用高分子材料制造，且高分子材料的邵氏硬度不高于90度。根据其应用环境，所述高分子材料应当是耐磨耐油耐腐蚀耐高温的。

所述引导缓冲器由引导头、缓冲弹性件、连接头组成，其中连接头与截调变径柱塞连接，连接头的中空腔体导通截调变径柱塞的无杆腔与外界，使其活塞杆内部的导流流道能够与外界之间形成环形的流道，减轻机器人下行时阻力。

所述捕捞定心缓冲器由定心连接头、缓冲弹性件、捕捞头组成，引导缓冲器的连接头与定心连接头具有互换性，可在必要时更换引导缓冲器、捕捞定心缓冲器的安装位置，从而调整传感系统的信号采集位置。

本发明的有益效果是：变径胶囊在截调变径柱塞动态加压扩张同时，活塞杆内部的导流流道被截断，可在举升气与采出液之间形成可靠的密封界面，贴紧气井管壁，阻止液体回流，可快速将液体带出井口；可在直井、斜井管道中智能升降行走，容易通过内径不规则的油管，不易出现遇阻遇卡等井下故障；实现了自主定量排水和气井不关井连续采气，为各种低产气井提供了一种智能化排液稳产技术手段；具有无绳测试功能，在排水的同时可实现井筒流体压力和温度的动态监测。

附图说明

图1是本发明的井下智能截调采气排水机器人的整体结构示意图。

图2是图1中引导缓冲器的结构示意图。

图3是图1中捕捞定心缓冲器的结构示意图。

图4是图1中变径胶囊的结构示意图。

图5是图1中截调变径柱塞的初始状态图。

图6是图1中截调变径柱塞的工作状态图。

图中标记为：1-引导缓冲器，2-截调变径柱塞，3-活塞杆驱动装置，4-控制系统，5-传感系统，6-电池组，7-捕捞定心缓冲器，8-流体，9-变径胶囊，10-气井壁，11-引导头，12-缓冲弹性件，13-连接头，20-导流孔，21-大径段缸体，22-锥形锁紧螺母，23-锥形锁扣，24-小径段缸体，25-活塞杆，26-保压孔，27-内导压孔，28-外导压孔，29-安装槽，71-定心连接头，72-缓冲弹性件，73-捕捞头，91-台阶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明的井下智能截调采气排水机器人主要由引导缓冲器1、截调变径柱塞2、活塞杆驱动装置3、控制系统4、传感系统5、电池组 6、捕捞定心缓冲器7依次顺序连接形成，整体呈直径有所变化的圆柱状，与截调变径柱塞2配合的活塞杆25与活塞杆驱动装置3连接，截调变径柱塞2的无杆腔与外界连通，截调变径柱塞2的外侧套设有变径胶囊9，截调变径柱塞2的缸壁上分别设置有外导压孔28和内导压孔27，外导压孔28与变径胶囊9的外部连通，内导压孔27与变径胶囊9的内部连通，在由活塞杆25、截调变径柱塞2和变径胶囊9形成的内腔内充装有流体8，预装的流体8可以是气体、液体或气液混合物，液体可以是水或油等，由于流体为预装，其随活塞杆25行程变化的变径胶囊9直径变化关系相对稳定，控制更为精确，在活塞杆25上设置相互连通的导流孔20和保压孔26，其中导流孔20与截调变径柱塞2的无杆腔连通，活塞杆25的行程设置使其所述保压孔26可与所述外导压孔28之间在连通或阻断状态之间切换，从而由活塞杆25的伸缩可导致变径胶囊9的直径大小变化。

本发明的井下智能截调采气排水机器人的工作原理是：初始状态下，活塞杆25上的导流流道保持畅通，变径胶囊9保持在直径最小的状态，其与周围气井壁10之间保持有间隙而无摩阻，机器人在自身重力作用下缓慢下行，传感系统5采集周围温度、压力数值，当下行到作业区，传感系统5感受到预定数值时，控制系统4按照事先编制的程序对活塞杆驱动装置3发出指令，活塞杆驱动装置3动作，活塞杆25推进，关闭活塞杆25上的导流流道，使变径胶囊9受压扩张而贴紧气井壁10，利用气井自身气压等实现机器人上行作业，甚至在气压较高时，仅缩小或关闭活塞杆25上的导流流道即可利用气井自身气压克服机器人自重而上行，上行行程完成后，控制系统4按照事先编制的程序对活塞杆驱动装置3发出指令，活塞杆驱动装置3动作，活塞杆25缩回，打开活塞杆25上的导流流道，回复初始状态。如此反复下行、上行，从而实现气井分段、逐级排水。

实施例：

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种井下智能截调采气排水机器人，主要由引导缓冲器1、截调变径柱塞2、作为活塞杆驱动装置3的高低温电动缸、控制系统4、传感系统5、电池组6、捕捞定心缓冲器7组成；各部件依次连接成一个整体，引导缓冲器1装在头端并与截调变径柱塞2连接，与截调变径柱塞2配合的活塞杆25与高低温电动缸连接，截调变径柱塞2的无杆腔与外界连通，电池组6向高低温电动缸、控制系统4、传感系统5供电，机器人允许的工作环境温度为-40°～175°，所述传感系统5包括用于测量外界压力的压力传感系统和外界温度的温度传感系统，控制系统4接收传感系统5的信号后向高低温电动缸发出信号从而高低温电动缸控制活塞杆25的伸缩，具有较好的控制精度。

如图2所示，所述的引导缓冲器1由引导头11、缓冲弹性件12、连接头13组成，其中连接头13与截调变径柱塞2连接，连接头13的中空腔体导通截调变径柱塞2的无杆腔与外界，当机器人下行到终点时，利用弹性件缓冲减震。

如图3所示，所述的捕捞定心缓冲器7由定心连接头71、缓冲弹性件72、捕捞头73组成，所述的捕捞头73装在尾端，当机器人上行到终点时，利用弹性件缓冲减震。

如图1、图4、图5和图6所示，截调变径柱塞2的外侧设置有变径胶囊9，变径胶囊9采用耐磨耐油耐腐蚀耐高温的复合橡胶制作，复合橡胶材料的邵氏硬度为70-80度，变径胶囊9的两端内壁各设置有两圈以上的台阶91，截调变径柱塞2的缸壁外侧设置有与所述台阶91相匹配的安装槽29，变径胶囊9由锥形锁扣23及锥形锁紧螺母22固定，锥形锁扣23及锥形锁紧螺母22均与截调变径柱塞2的缸体外壁螺纹连接，截调变径柱塞2的缸壁上分别设置有外导压孔28和内导压孔27，外导压孔28与变径胶囊9的外部连通，内导压孔27与变径胶囊9的内部连通。

如图5、图6所示，截调变径柱塞2的缸体包括大径段缸体21和小径段缸体24，大径段缸体21的内径大于小径段缸体24的内径，相应的活塞杆25也包括大径段活塞和小径段活塞，所述外导压孔28和内导压孔27均设置在大径段缸体21上，其中内导压孔27更靠近小径段缸体24，所述大径段活塞的周面上设置所述保压孔26，所述小径段活塞的端面中心设置所述导流孔20，在由活塞杆25、截调变径柱塞2和变径胶囊9形成的内腔内充装有流体8，流体8为液体，在活塞杆25上设置相互连通的导流孔20和保压孔26，其中导流孔20与截调变径柱塞2的无杆腔连通，活塞杆25的行程设置使其所述保压孔26可与所述外导压孔28之间在连通或阻断状态之间切换，从而由活塞杆25的伸缩可导致变径胶囊9内部的压力变化、直径大小变化。

如图5所示，此时活塞杆25位于其行程的其中一个止点，此时所述保压孔26与所述外导压孔28之间连通，即导流孔20与外导压孔28之间是导通的，从而气井壁内流体可以在截调变径柱塞2内外部之间流动，变径胶囊9的直径维持在其最小状态，可与气井壁10之间保持间隙，机器人外壁与气井壁10之间的环形通道畅通，机器人在自身重力作用下缓慢下行并受下行方向最小的阻力。

如图6所示，此时活塞杆25伸出，所述保压孔26逐渐离开外导压孔28，气井壁内流体不能向截调变径柱塞2内部流动，阻断了机器人外壁与气井壁10之间的环形通道，机器人在上行方向受较大的浮力，且截调变径柱塞2内的充装流体8被压缩，致使变径胶囊9充压扩张贴紧气井壁10，且变径胶囊9可随现场气井壁10的局部形状智能变形，例如检测到卡阻则略收回活塞杆25，减小压力，缩小变径胶囊9的直径以通过卡阻部位，控制活塞杆25伸缩，实现变径胶囊9的变径智能控制，在加压条件下具有灵活可调又可靠的密封面，利用气井自身气压实现机器人缓慢上行。

本发明与现有技术的核心区别在于变径胶囊9本身要发生变形，通过活塞杆25的伸缩使其流体能直接作用于胶囊的胶囊壁而导致变径胶囊9本身发生变形，以具有更好的效果。以上实施例仅以一种非常具体的方式展示了截调变径柱塞2的缸体开孔与其活塞杆25的配合控制形式，还可采用其它形式。

Claims (10)

1.井下智能截调采气排水机器人，包括分别位于头、尾的引导缓冲器（1）、捕捞定心缓冲器（7），其特征是：还包括截调变径柱塞（2）、活塞杆驱动装置（3），引导缓冲器（1）与截调变径柱塞（2）连接，截调变径柱塞（2）包括相互配合的缸体、活塞杆（25）和套接于缸体外侧的变径胶囊（9），截调变径柱塞活塞杆（25）与活塞杆驱动装置（3）连接，截调变径柱塞（2）的无杆腔与外界连通，截调变径柱塞（2）的缸体的缸壁上分别设置有外导压孔（28）和内导压孔（27），外导压孔（28）与变径胶囊（9）的外部连通，内导压孔（27）与变径胶囊（9）的内部连通，在由活塞杆（25）、截调变径柱塞（2）和变径胶囊（9）形成的内腔内充装有流体（8），在活塞杆（25）上设置相互连通的导流孔（20）和保压孔（26），其中导流孔（20）与截调变径柱塞（2）的无杆腔连通，活塞杆（25）的行程设置使其所述保压孔（26）可与所述外导压孔（28）之间在连通或阻断状态之间切换，从而由活塞杆（25）的伸缩可导致变径胶囊（9）的直径大小变化。

2.如权利要求1所述的井下智能截调采气排水机器人，其特征是：所述截调变径柱塞（2）的缸体包括大径段缸体（21）和小径段缸体（24），大径段缸体（21）的内径大于小径段缸体（24）的内径，相应的活塞杆（25）也包括大径段活塞和小径段活塞，所述外导压孔（28）和内导压孔（27）均设置在大径段缸体（21）上，其中内导压孔（27）更靠近小径段缸体（24），所述大径段活塞的周面上设置所述保压孔（26），所述小径段活塞的端面中心设置所述导流孔（20）。

3.如权利要求1所述的井下智能截调采气排水机器人，其特征是：所述引导缓冲器（1）、截调变径柱塞（2）、活塞杆驱动装置（3）、控制系统（4）、传感系统（5）、电池组 （6）、捕捞定心缓冲器（7）依次顺序连接成一个圆柱状整体。

4.如权利要求3所述的井下智能截调采气排水机器人，其特征是：所述捕捞定心缓冲器（7）由定心连接头（71）、缓冲弹性件（72）、捕捞头（73）组成，其中捕捞头（73）装在最外端，定心连接头（71）与电池组 （6）连接。

5.如权利要求1所述的井下智能截调采气排水机器人，其特征是：所述的变径胶囊（9）的两端为锥形，中间为圆柱形。

6.如权利要求5所述的井下智能截调采气排水机器人，其特征是：所述变径胶囊（9）由锥形锁扣（23）及锥形锁紧螺母（22）固定，所述锥形锁扣（23）及锥形锁紧螺母（22）均与截调变径柱塞（2）的缸体外壁螺纹连接。

7.如权利要求1所述的井下智能截调采气排水机器人，其特征是：所述变径胶囊（9）的两端内壁各设置有两圈以上的台阶（91），所述截调变径柱塞（2）的缸壁外侧设置有与所述台阶（91）相匹配的安装槽（29）。

8.如权利要求1所述的井下智能截调采气排水机器人，其特征是：所述变径胶囊（9）采用高分子材料制造，且高分子材料的邵氏硬度不高于90度。

9.如权利要求1所述的井下智能截调采气排水机器人，其特征是：所述引导缓冲器（1）由引导头（11）、缓冲弹性件（12）、连接头（13）组成；其中连接头（13）与截调变径柱塞（2）连接，连接头（13）的中空腔体导通截调变径柱塞（2）的无杆腔与外界。

10.如权利要求9所述的井下智能截调采气排水机器人，其特征是：所述捕捞定心缓冲器（7）由定心连接头（71）、缓冲弹性件（72）、捕捞头（73）组成，引导缓冲器（1）的连接头（13）与定心连接头（71）具有互换性。

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