CN114382448A - 石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，在柱塞内腔端部设有用于提高柱塞举升动力的涡轮助力机构，涡轮助力机构包括电机和扇叶转轴，电机定位密封于柱塞内腔端部，柱塞端口处可拆式固连有涡轮罩，位于涡轮罩内的扇叶转轴与电机的输出轴固定连接，并通过电机驱动扇叶转轴和扇叶转轴上的涡轮扇叶旋转后迫使周围气体旋转形成用于增加举升动量的对流气液。本发明在柱塞上行时由涡轮助力机构提供辅助上升动力，同时强制柱塞整体旋转，使柱塞与油管间隙内形成气体密封段，有效阻止柱塞下部的气体上窜和柱塞上部的液体滑脱，提高携液率；再就是对积液中的固体颗粒起粉碎作用，有效预防固体颗粒卡住柱塞，也可以协同流体冲刷解卡。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气开采技术领域，具体涉及一种石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置。
背景技术
天然气的高效开采是国家动力安全稳固供给的重要技术之一，随着我国气田开采的逐渐深入，部分气井已进入生产中、后期，压力和产能普遍偏低，不能满足气井生产的连续携液要求，导致部分气井井底或井筒内产生积液，水淹现象，对气井产能的稳固释放产生了极其重大的影响。气举柱塞排水采气技术是以柱塞作为气、液之间的机械界面,利用气井自身能量推动油管内的柱塞举水，推动柱塞在油管内进行周期地举液，能够有效地阻止气体上窜和液体回落,减少液体“滑脱”效应，提升间歇气举效率，气举柱塞不需其它动力设备，生产成本低，被认为是最佳的排水采气工艺。但是在气田在实际开采过程中，常规气举柱塞利用气井自身能量推动柱塞，气压和产能会随着气田开采进行逐渐变低，或者气井严重积液，使得柱塞气举时阻力过大，都会导致气井自身能量不足以启动柱塞，进而导致该工艺不能排出气井井筒积液，气井不能正常生产，因此，针对上述问题，有必要进行改进。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，通过在柱塞内腔端部设置包括电机和扇叶转轴的涡轮助力机构，一是在柱塞上行时由涡轮助力机构提供辅助上升动力，同时强制柱塞整体旋转，使得柱塞与油管间隙内形成环形的气体密封段，进而有效阻止柱塞下部的气体上窜和柱塞上部的液体滑脱，提高携液率；二是对积液中的固体颗粒起粉碎作用，有效预防固体颗粒卡住柱塞，即使在柱塞被卡、被埋的情况下，可以通过涡轮旋转协同气流冲刷，起到较好的解卡效果。
本发明采用的技术方案：石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，包括柱塞，所述柱塞内腔端部设有用于提高柱塞举升动力并阻止气体上窜和液体回落的涡轮助力机构，所述涡轮助力机构包括电机和扇叶转轴，所述电机定位密封于柱塞内腔端部，所述柱塞内腔中设有用于向电机供电的电池，所述柱塞端口处可拆式固连有涡轮罩，且位于涡轮罩内的扇叶转轴与电机的输出轴固定连接，并通过电机驱动扇叶转轴和扇叶转轴上的涡轮扇叶旋转后迫使周围气体旋转形成用于增加举升动量的对流气液。
其中，所述柱塞内部固定有电池固定座，且与电机连接的电池安装于电池固定座上，所述柱塞内部设有与电机连接并用于控制电机启停的芯片。
进一步地，所述柱塞内腔壁与电机之间设有密封圈，且密封圈定位于柱塞内腔壁端部的定位台阶上。
进一步地，所述涡轮罩呈外圆周壁上制有多个与轴线平行设置的长条形流体通道口，所述涡轮罩与柱塞端口螺纹固连，所述涡轮罩端部设有位于柱塞内腔壁定位台上的密封垫Ⅰ，所述柱塞端部外圆周壁上制有与内部连通的沉头螺孔，且适配于沉头螺孔内的顶丝适配抵紧于涡轮罩连接部位外壁上的定位槽内。
进一步地，所述柱塞包括上柱塞和下柱塞，所述上柱塞下端与下柱塞上端螺纹固连，且上柱塞下端与下柱塞上端的端面之间设有密封垫。
优选地，所述上柱塞上端内腔中安装有涡轮助力机构，所述上柱塞内腔中的电机下端与定位于上柱塞内腔中的电池固定座之间设有上定位套。
优选地，所述下柱塞下端内腔中安装有涡轮助力机构，所述下柱塞内腔中的电机上端与定位于上柱塞内腔中的电池固定座之间设有下定位套。
优选地，所述上柱塞上端和下柱塞下端内腔中均设有涡轮助力机构。
进一步地，所述上柱塞上端口处可拆式密封固连的涡轮罩上端设有打捞头，且打捞头和涡轮罩为一体式结构，所述打捞头端面中部的轴线方向制有与涡轮罩连通的流体通道孔，所述涡轮罩外圆周壁上的多个长条形流体通道口为流体进口。
进一步地，所述下柱塞下端口处可拆式密封固连的涡轮罩下端口设有防止柱塞下落时保护扇叶转轴和涡轮扇叶的十字端板，所述十字端板上的多个扇形口为流体进口，且涡轮罩外圆周壁上的多个长条形流体通道口为流体出口。
本发明与现有技术相比的优点：
1、本技术方案通过在柱塞内腔端部设置包括电机和安装有涡轮扇叶的扇叶转轴的涡轮助力机构，由电机驱动涡轮扇叶转动，从而将电机的驱动力转换为柱塞上升的助力，为柱塞提供辅助动力，一方面在低压低产井应用过程中能有效提高带积液能力，另一方面，辅助动力使得柱塞的上升加速度增加，在位移不变的情况下，时间缩短，单次作业循环周期缩短，提高了排水采气的效率；
2、本技术方案通过电机驱动涡轮扇叶转动后对气体做功，使气体动量增加，流体在离心力的作用下，由涡轮扇叶四周甩出，与经由柱塞和油管间隙上窜的气体形成对流，强制柱塞旋转，能有效阻止柱塞下部的气体上窜和柱塞上部的液体滑脱，也能提高柱塞在运行过程中遇阻通过性；
3、本技术方案涡轮扇叶的转动，使得积液中存在的固体颗粒在油管内腔中受到挤压、撕裂、碰撞，剪切等多种机理作用，从而达到粉碎目的，对积液中的固体颗粒起粉碎作用，有效防止固体颗粒卡住柱塞，即使在柱塞被卡、被埋的情况下，可以通过涡轮旋转协同气流冲刷，起到较好的解卡效果；
4、本技术方案将涡轮罩螺纹固连于柱塞内腔端口处，并通过螺纹连接于柱塞上的顶丝抵于涡轮罩连接部位外壁上的定位槽内，实现涡轮罩在柱塞上的可拆式固连，避免柱塞上升时涡轮罩滑脱或滑移的现象，安装结构稳定可靠。
附图说明
图1为本发明内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1描述本发明的一种实施例，从而对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，包括柱塞1，所述柱塞1内腔端部设有用于提高柱塞1举升动力并阻止气体上窜和液体回落的涡轮助力机构2，所述涡轮助力机构2包括电机2-1和扇叶转轴2-2，所述电机2-1定位密封于柱塞1内腔端部，所述柱塞1内腔中设有用于向电机2-1供电的电池2-4，所述柱塞1端口处可拆式固连有涡轮罩4，且位于涡轮罩4内的扇叶转轴2-2与电机2-1的输出轴固定连接，并通过电机2-1驱动扇叶转轴2-2和扇叶转轴2-2上的涡轮扇叶2-7旋转后迫使周围气体旋转形成用于增加举升动量的对流气液；上述结构中，通过在柱塞1内腔端部设置包括电机2-1和安装有涡轮扇叶2-7的扇叶转轴2-2的涡轮助力机构2，由电机2-1驱动涡轮扇叶2-7转动，从而将电机2-1的驱动力转换为柱塞1上升的助力，为柱塞1提供辅助动力，一方面在低压低产井应用过程中能有效提高带积液能力，另一方面，辅助动力使得柱塞1的上升加速度增加，在位移不变的情况下，时间缩短，单次作业循环周期缩短，提高了排水采气的效率；再者，通过电机2-1驱动涡轮扇叶2-7转动后对气体做功，使气体动量增加，流体在离心力的作用下，由涡轮扇叶2-7四周甩出，与经由柱塞1和油管间隙上窜的气体形成对流，能有效阻止柱塞1下部的气体上窜和柱塞1上部的液体滑脱；
其中，电池2-4的安装结构如下：所述柱塞1内部固定有电池固定座2-5，且与电机2-1连接的电池2-4安装于电池固定座2-5上，所述柱塞1内部设有与电机2-1连接并用于控制电机2-1启停、正反转、转速的芯片2-6。
电机2-1与柱塞1内腔壁的密封结构如下：所述柱塞1内腔壁与电机2-1之间设有密封圈3，且密封圈3定位于柱塞1内腔壁端部的定位台阶上，密封圈3的设置，可有效阻绝液体进入柱塞1内部而影响电器元件的正常工作。
气体在涡轮罩4内的流通结构如下：所述涡轮罩4呈外圆周壁上制有多个与轴线平行设置的长条形流体通道口4-1，所述涡轮罩4与柱塞1端口螺纹固连，所述涡轮罩4端部设有位于柱塞1内腔壁定位台上的密封垫Ⅰ2-3，所述柱塞1端部外圆周壁上制有与内部连通的沉头螺孔，且适配于沉头螺孔内的顶丝8适配抵紧于涡轮罩4连接部位外壁上的定位槽内；上述结构中，将涡轮罩4螺纹固连于柱塞1内腔端口处，并通过螺纹连接于柱塞1上的顶丝8抵于涡轮罩4连接部位外壁上的定位槽内，实现涡轮罩4在柱塞1上的可拆式固连，避免柱塞1上升时涡轮罩4滑脱或滑移的现象，安装结构稳定可靠。
为了方便涡轮助力机构2的安装，柱塞1采用分段式密封固连结构，具体如下：所述柱塞1包括上柱塞1-1和下柱塞1-2，所述上柱塞1-1下端与下柱塞1-2上端螺纹固连，且上柱塞1-1下端与下柱塞1-2上端的端面之间设有密封垫1-3。
在上述结构的基础上，涡轮助力机构2在柱塞1上的安装位置有以下三种方式：
实施例1
所述上柱塞1-1上端内腔中安装有涡轮助力机构2，所述上柱塞1-1内腔中的电机2-1下端与定位于上柱塞1-1内腔中的电池固定座2-5之间设有上定位套2-9。
实施例2
所述下柱塞1-2下端内腔中安装有涡轮助力机构2，所述下柱塞1-2内腔中的电机2-1上端与定位于上柱塞1-1内腔中的电池固定座2-5之间设有下定位套2-8。
实施例3
如图1所示，所述上柱塞1-1上端和下柱塞1-2下端内腔中均设有涡轮助力机构2，为本技术方案最佳实施例。
实施例1和实施例3中，所述上柱塞1-1上端口处可拆式密封固连的涡轮罩4上端设有打捞头5，且打捞头5和涡轮罩4为一体式结构，所述打捞头5端面中部的轴线方向制有与涡轮罩4连通的流体通道孔6，所述涡轮罩4外圆周壁上的3个长条形流体通道口4-1为流体进口。
实施例2和实施例3中，所述下柱塞1-2下端口处可拆式密封固连的涡轮罩4下端口设有保护柱塞1内部的扇叶转轴2-2和涡轮扇叶2-7的十字端板7，所述十字端板7上的多个扇形口为流体进口，且涡轮罩4外圆周壁上的多个长条形流体通道口2-8为流体出口。
上述实施例中，涡轮扇叶2-7的转动，使得积液中存在的固体颗粒在油管内腔中受到挤压、撕裂、碰撞，剪切等多种机理作用，从而达到粉碎目的，对积液中的固体颗粒起粉碎作用，有效防止固体颗粒卡住柱塞1；
上述实施例中，电机2-1的主要作用是产生驱动转矩，作为辅助动力源，给柱塞1提供机械能，其中，电机2-1选用伺服电机，其转速较高，轻量化、体积小、并且电机2-1内部结构非常简单，运行稳定可靠；涡轮扇叶2-7是由电机2-1带动扇叶转轴2-2旋转，涡轮扇叶2-7迫使流体旋转，对流体做功，使其动量增加，流体在离心力的作用下，向涡轮扇叶2-7四周甩出，与经由柱塞1滑脱的气体形成对流，能有效阻止气体上窜；其中，涡轮扇叶2-77由四片旋转扇叶组成，四片旋转扇叶呈90度分布，旋转扇叶转动时，倾斜的旋转扇叶会不断地把的下面的空气挤出，从而就产生了风，旋转扇叶旋转时，会产生离心力，所以流动是因离心力并通过旋转扇叶导向产生的，旋转扇叶与扇叶转轴2-2中心线成45度角时流体力及速度最大，成90度时流体最分散。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，其特征在于：包括柱塞(1)，所述柱塞(1)内腔端部设有用于提高柱塞(1)举升动力并阻止气体上窜和液体回落的涡轮助力机构(2)，所述涡轮助力机构(2)包括电机(2-1)和扇叶转轴(2-2)，所述电机(2-1)定位密封于柱塞(1)内腔端部，所述柱塞(1)内腔中设有用于向电机(2-1)供电的电池(2-4)，所述柱塞(1)端口处可拆式固连有涡轮罩(4)，且位于涡轮罩(4)内的扇叶转轴(2-2)与电机(2-1)的输出轴固定连接，并通过电机(2-1)驱动扇叶转轴(2-2)和扇叶转轴(2-2)上的涡轮扇叶(2-7)旋转后迫使周围气体旋转形成用于增加举升动量的对流气液。
2.根据权利要求1所述的石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，其特征在于：所述柱塞(1)内部固定有电池固定座(2-5)，且与电机(2-1)连接的电池(2-4)安装于电池固定座(2-5)上，所述柱塞(1)内部设有与电机(2-1)连接并用于控制电机(2-1)启停的芯片(2-6)。
3.根据权利要求2所述的石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，其特征在于：所述柱塞(1)内腔壁与电机(2-1)之间设有密封圈(3)，且密封圈(3)定位于柱塞(1)内腔壁端部的定位台阶上。
4.根据权利要求3所述的石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，其特征在于：所述涡轮罩(4)呈外圆周壁上制有多个与轴线平行设置的长条形流体通道口(4-1)，所述涡轮罩(4)与柱塞(1)端口螺纹固连，所述涡轮罩(4)端部设有位于柱塞(1)内腔壁定位台上的密封垫Ⅰ(2-3)，所述柱塞(1)端部外圆周壁上制有与内部连通的沉头螺孔，且适配于沉头螺孔内的顶丝(8)适配抵紧于涡轮罩(4)连接部位外壁上的定位槽内。
5.根据权利要求4所述的石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，其特征在于：所述柱塞(1)包括上柱塞(1-1)和下柱塞(1-2)，所述上柱塞(1-1)下端与下柱塞(1-2)上端螺纹固连，且上柱塞(1-1)下端与下柱塞(1-2)上端的端面之间设有密封垫(1-3)。
6.根据权利要求5所述的石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，其特征在于：所述上柱塞(1-1)上端内腔中安装有涡轮助力机构(2)，所述上柱塞(1-1)内腔中的电机(2-1)下端与定位于上柱塞(1-1)内腔中的电池固定座(2-5)之间设有上定位套(2-9)。
7.根据权利要求5所述的石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，其特征在于：所述下柱塞(1-2)下端内腔中安装有涡轮助力机构(2)，所述下柱塞(1-2)内腔中的电机(2-1)上端与定位于上柱塞(1-1)内腔中的电池固定座(2-5)之间设有下定位套(2-8)。
8.根据权利要求5所述的石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，其特征在于：所述上柱塞(1-1)上端和下柱塞(1-2)下端内腔中均设有涡轮助力机构(2)。
9.根据权利要求6或8所述的石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，其特征在于：所述上柱塞(1-1)上端口处可拆式密封固连的涡轮罩(4)上端设有打捞头(5)，且打捞头(5)和涡轮罩(4)为一体式结构，所述打捞头(5)端面中部的轴线方向制有与涡轮罩(4)连通的流体通道孔(6)，所述涡轮罩(4)外圆周壁上的多个长条形流体通道口(4-1)为流体进口。
10.根据权利要求7或8所述的石油天然气井下涡轮助力式气举柱塞排水采气装置，其特征在于：所述下柱塞(1-2)下端口处可拆式密封固连的涡轮罩(4)下端口设有防止柱塞(1)下落时保护扇叶转轴(2-2)和涡轮扇叶(2-7)的十字端板(7)，所述十字端板(7)上的多个扇形口为流体进口，且涡轮罩(4)外圆周壁上的多个长条形流体通道口(2-8)为流体出口。
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