CN115199233A - 一种二氧化碳驱高压采气井口装置 - Google Patents

Abstract

一种二氧化碳驱高压采气井口装置，涉及油田采气井口技术领域，与现有井口不同的是其结构包括除砂总成和降压总成，其中除砂总成位于油管挂上方，除砂总成包括除砂短接和外壳体，除砂短接内固接有砂阻板，从油管喷出的携砂天然气经过砂阻板除去砂质，从而降低高速砂对井口装置的冲击破坏；砂进入到外壳体与除砂短接之间的环形空间后再进行有效的清理，除砂总成还包括环形密封装置，使得整个过程可在线进行，且安装可靠；降压总成包括两个交替工作降压体，每个降压体均有两个降压腔，降压腔又控制着一次降压腔入口的开与关，从而实现两个降压体的交替工作，实现持续降压，使到达井口阀门的气压大幅降低，降低对阀门密封性的要求。

Description

一种二氧化碳驱高压采气井口装置

技术领域

本发明属于油田采气井口技术领域，尤其涉及一种二氧化碳驱高压采气井口装置。

背景技术

天然气水合物是天然气(甲烷)和水在高压、低温环境下形成的一种似冰笼状固体化合物，主要分布在极地、高原等冻土带环境和深海、深水等水下地层环境。由于其燃烧对环境影响较小，属于一种新型高效清洁能源，具备替代传统燃料的巨大资源潜力，因此近年来备受各国和各大能源公司青睐。

向地层注入二氧化碳可提高了地层压力，并可以驱替地层中的天然气，提高天然气的开采率。由于二氧化碳驱的采气井井口压力较高，因此多为自喷井，虽然采出物主要为天然气，但是天然气中掺杂有砂和液，砂跟随天然气高速喷出达到井口会对主阀门产生严重的冲击（主控阀门直接控制来自地层中气流），造成主控阀门失效，密封件损伤，严重时会造成井口泄露。因此除掉到达井口的天然气中的砂，显得尤为重要。另外，自喷压力过高，对采气树的整体阀门密封性提出较大考验，易发生密封泄露的事故。

发明内容

为了去除高压井口采出物中的砂，降低砂对井口主阀门的破坏，本发明提供一种二氧化碳驱高压采气井口装置，本发明中的除砂总成能有效降低砂的速度并将砂去除，从而大幅减少高速砂对井口装置的阀门的破坏力。

本发明提供的技术方案是：一种二氧化碳驱高压采气井口装置，包括套管头、油管头、套管挂、油管挂和采气树，所述的采气树包括主控阀门和分控阀门，所述的油管挂上方连接有除砂总成，除砂总成位于油管挂与采气树的主控阀门之间，除砂总成包括除砂短接和外壳体，除砂短接内固接有砂阻板，砂阻板的一端与除砂短接内壁固定连接，砂阻板的另一端悬空且向上倾斜，砂阻板数量不少于两块，每上下相邻的两块砂阻板呈180度相位角，每一块砂阻板上方的除砂短接侧壁带有过砂口，所述的外壳体与除砂短接之间带有环形空间，最高的过砂口和最低的过砂口之间的环形空间分布有与过砂口数量一致的螺旋叶片，每一个过砂口位于一个螺旋通道内，砂阻板下方的外壳体上设置有环形密封装置，环形密封装置下方的外壳体设置清砂口；所述的环形密封装置包括中空的环形密封橡胶和与环形密封橡胶硫化连接的冲液嘴，外壳体内侧带有用于安装环形密封橡胶的凹槽，冲液嘴与外壳体密封配合。

作为进一步的技术方案是：所述的外壳体外侧设置有活塞座，活塞座带有上下设置的两个孔，两个孔的轴向与外壳体的径向一致，两个孔连通，其中冲液嘴插装在上侧的孔内，下侧的孔内滑动密封插装有限位活塞，限位活塞向内伸入到环形空间内，并且承托在环形密封橡胶下方，远离环形空间的限位活塞一端设置有拉力弹簧，在拉力弹簧的作用下限位活塞具有靠近拉力弹簧的运动趋势。

作为进一步的技术方案是：与环形密封橡胶对位的除砂短接外壁带有用于增加密封面积的凹环。

作为进一步的技术方案是：除砂总成上方固定连接有降压总成，所述的降压总成包括左右对称设置的两个降压体，降压体包括并列设置的一次降压腔和二次降压腔，一次降压腔和二次降压腔内均带有膜片和膜片室，膜片室内充满液体且膜片室内设置有碟簧，膜片通过碟簧支撑，两个降压腔的一端设置有连通阀，所述的连通阀包括阀体A、阀芯A和堵头A，阀体A带有阀芯孔A，阀芯孔A分别与一次降压腔和二次降压腔连通，阀芯A滑动密封于阀芯孔A内，堵头A连接在阀芯孔A的一端，靠近堵头A的阀芯A一端带有扩径段，扩径段的一侧的阀芯孔A内设置有压缩弹簧，压缩弹簧抵在扩径段与堵头A之间，扩径段的另一侧的阀芯孔A与一次降压腔的膜片室连通；两个降压腔的另一端设置有切换阀，所述的切换阀包括阀体B、阀芯B和堵头B，阀体带有阀芯孔B，阀芯B位于阀芯孔B的中部，阀芯孔B的两端分别与两个降压体的二次降压腔的膜片室连通，阀芯B上带有两个凹环，阀体B上设置有两个与凹环相匹配的通道，除砂总成通过两个通道分别向两个一次降压腔进气；两个二次降压腔的出口分别设置单向阀并分别与主控阀门连通。

作为进一步的技术方案是：所述的两个二次降压腔的膜片室内的碟簧的支撑载荷不相等。

本发明的有益效果为：

1.除砂总成的砂阻板能够有效阻挡采出气中携带的砂，使砂掉落在下一层砂阻板上，砂在倾斜的砂阻板上滑落至过砂口后进入环形空间内，从环形空间最下方的清砂口清理掉，因此本发明能够有效去除采出的天然气中的砂，从而降低高速砂对井口装置的破坏。

2.除砂总成可以在线清砂，清砂前先向活塞座注入液压，液压一方面将环形密封橡胶胀封，一方面将限位活塞推入到环形空间内，限位活塞用于支撑环形密封橡胶，使其承受井底高压而不发生位移，因此除砂总成可实现在线清砂，且密封可靠性高。

3.除砂总成的高低不同的过砂口彼此之间通过螺旋叶片分隔开，避免采出气流经高低过砂口使高位的过砂口处的砂不能顺利下落。

4.降压总成的两个降压体交替工作，交替降压，确保采出气自喷过程中持续降压；每个降压体又包括两个降压腔，实现两次降压，降压幅度更大；二次降压腔的膜片室又控制着采出气是进入一次降压腔的开关，当一个降压体的二次降压腔内压强超过的膜片室的支撑载荷时，就会迫使该降压体的一次降压腔的进气通道关闭，同时又打开了另一个降压体的一次降压腔的进气通道，采出气进入另一个降压体进行降气压，因此本发明通过两个降压体不断的交替降压，确保实现出气自喷过程中持续降压，从而也大幅的降低了高压采出气流对主控阀门的冲击，有利于提升主控阀门的使用周期。

附图说明

图1是本发明的井口装置的总体结构示意图。

图2是本发明中除砂总成的结构示意图。

图3是除砂总成中除砂管外壁带有螺旋叶片的展开视图。

图4是本发明中降压总成的原理图。

图中：1、油管挂；2、除砂总成；3、降压总成；4、主控阀门；5、分控阀门；201、除砂短接；202、环形空间；203、外壳体；204、砂阻板；205、活塞座；206、冲液嘴；207、拉力弹簧；208、限位活塞；209、清砂口；210、环形密封橡胶；211、过砂口；212、螺旋叶片；301、阀体A；302、阀芯孔A；303、阀芯A；304、扩径段；305、压缩弹簧；306、堵头A；307、膜片室；308、碟簧；309、膜片；310、二次降压腔的出口；311、阀体B；312、阀芯孔B；313、通道；314、阀芯B；315、堵头B；316、二次降压腔；317、一次降压腔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例包括套管头、油管头、套管挂、油管挂1和采气树，采气树包括主控阀门4和分控阀门5，以上所述与现有井口装置无异，在此不再赘述。

与现有技术不同的是，本实施例在油管挂1上方连接一个除砂总成2，除砂总成2位于油管挂1与采气树的主控阀门4之间，高压井口自喷的天然气先经过除砂总成2后才到达主控阀门4，除砂总成2用以去除采出天然气中的砂，降低高压井口高速流砂对主控阀门4的直接冲击，避免主控阀门4受到冲蚀而损坏。

除砂总成2的结构包括除砂短接201和外壳体203、螺旋叶片212、环形密封橡胶210、活塞座205和限位活塞208；外壳体203套装在除砂短接201外侧二者之间带有环形空间202。

除砂短接201下端与油管挂1连接，上端与降压总成3的下连接口连接，井下油管内自喷的天然气通过油管挂1到达除砂短接201内，除砂短接201内壁固接有砂阻板204，砂阻板204的一端与除砂短接201内壁固定连接，砂阻板204的另一端悬空且向上倾斜，数量上砂阻板204不能少于两块，少于两块起不到除砂效果，本实施例公开了带有4块砂阻板204的除砂短接201，每上下相邻的两块砂阻板204呈180度相位角。携砂的自喷天然气在遇到砂阻板204时首先会降低速度，其次会落在下一层砂阻板204上，加之每一块砂阻板204上方的除砂短接201侧壁带有过砂口211，因此砂在倾斜的砂阻板204上滑落至过砂口211后进入环形空间202内，采出的天然气中的砂被去除以后，解决了高速砂对井口装置特别是对主控阀门4的破坏，有利于延长主控阀门4的使用周期。环形空间202的最下方的外壳体203连接有清砂口209，在常规状态下，清砂口209通过法兰盖密封。

最高的过砂口211和最低的过砂口211之间的环形空间202分布有与过砂口211数量一致的螺旋叶片212，两个螺旋叶片212之间构成一个螺旋通道，每一个过砂口211位于一个螺旋通道内，其目的是避免采出气流在低位的过砂口211与高位的过砂口211之间过流，一旦有过流气，那么势必导致高位的过砂口211的砂不能顺利下落，也就不利于除砂。为了降低成本以及便于安装，本实施例设计两个乳胶材质的同心筒并在两个同心筒之间设计同为乳胶材质的螺旋叶片212，两个同心筒与螺旋叶片212一体成型，将两个同心筒分别粘附在外壳体203内壁及除砂短接201外壁，且在过砂口211位置对应的乳胶材质上开口，这样螺旋叶片212很好安装也节省成本。

砂在环形空间202的底部越积越多以后，需要定期的清理，但是清砂最好不影响采气，不关井为宜，为了达成不关井在线清砂的目的，本实施例在砂阻板204下方的外壳体203上设置环形密封装置。具体的所述的环形密封装置包括中空的环形密封橡胶210和与环形密封橡胶210硫化连接的冲液嘴206。外壳体203内侧带有用于安装环形密封橡胶210的凹槽。通过冲液嘴206向环形密封橡胶210内充入液体，由于液体是不能被压缩的，因此液压将环形密封橡胶210胀封，将环形空间202封堵，此时可以打开清砂口209清砂。冲液嘴206与外壳体203密封配合。

由于胀封以后的环形密封橡胶210要抵抗井底高压，因此在巨大的压强下很难保证环形密封橡胶210不串位，为了达到不串位的目的，本实施例在外壳体203外侧设置了活塞座205，活塞座205带有上下设置的两个孔，两个孔的轴向与外壳体203的径向一致，两个孔连通，其中冲液嘴206插装在上侧的孔内，下侧的孔内滑动密封插装有限位活塞208，向活塞座205注入液压时，上侧的孔将液压传入到环形密封橡胶210内，使环形密封橡胶210胀封；下侧的孔的液压推动限位活塞208滑动，限位活塞208克服拉力弹簧207的弹力向内伸入到环形空间202内，并且承托在环形密封橡胶210下方，从而起到对环形密封橡胶210限位的作用。本实施例中环形密封橡胶210的胀封和限位活塞208的限位同时进行，保证密封可靠，液压去除后二者也同时复位，不阻碍砂下落。

为了进一步的增加环形密封橡胶210的密封面积，与环形密封橡胶210对位的除砂短接201外壁带有用于增加密封面积的凹环，所述的凹环的形状与环形密封橡胶210胀封后的形状相匹配即可。

去除天然气自喷井中携带的砂以后，考虑到井口压力过高仍然对采气树阀门的密封性提出过高的考验，因此还需要进一步降低井口高压。本实施例在除砂总成2上方固定连接有降压总成3，降压总成3位于除砂总成2与采气树主控阀门4之间，降压总成3的目的是持续降压，降低对采气树阀门的密封性考验。

所述的降压总成3包括左右对称设置的两个降压体，两个降压体交替工作。每一个降压体包括并列设置的一次降压腔317和二次降压腔316，一次降压腔317和二次降压腔316内均带有膜片309和膜片室307，膜片室307内充满液体且膜片室307内设置有碟簧308，膜片309通过碟簧308支撑，当降压腔内的气压达到设定值时，膜片309挤压碟簧308向内收缩，将膜片室307内的液体压出。

每个降压体的两个降压腔都带有入口和出口，两个降压腔并排设置，在一次降压腔317的出口端，也是二次降压腔316的入口端，在这一端设置连通阀，所述的连通阀包括阀体A301、阀芯A303和堵头A306，阀体A301带有阀芯孔A302，阀芯孔A302分别与一次降压腔317和二次降压腔316连通，阀芯A303滑动密封于阀芯孔A302内，堵头A306连接在阀芯孔A302的一端，靠近堵头A306的阀芯A303一端带有扩径段304，扩径段304的一侧的阀芯孔A302内设置有压缩弹簧305，压缩弹簧305抵在扩径段304与堵头A306之间，扩径段304的另一侧的阀芯孔A302与一次降压腔317的膜片室307连通，一次降压腔317的膜片室307内的液压进入到阀芯孔A302后，推动阀芯A303滑动，将一次降压腔317和二次降压腔316连通，采出气得以从一次降压腔317进入二次降压腔316，一次降压腔317的膜片室307的碟簧308的承压能力大于二次降压腔316，从而形成两级降压，有利于提升降压幅度，降压幅度越大，越有利于减少采气树阀门的负担。

两个降压体的另一端设置有切换阀，所述的切换阀包括阀体B311、阀芯B314和堵头B315，阀体B311带有阀芯孔B312，阀芯B314位于阀芯孔B312的中部，阀芯孔B312的两端分别与两个降压体的二次降压腔316的膜片室307连通，两个膜片室307的液压均可以从两端推动阀芯B314滑动，为了避免两个力持恒导致阀芯B314无法滑动，在设计上，使其中一个二次降压腔316的膜片室307的碟簧308的支撑载荷大于另一个，从而规避推力对顶的情况。阀芯B314上带有两个凹环，阀体B311上设置有两个与凹环相匹配的通道313，两个通道313分别是两个一次降压腔317的进口通道，除砂总成2通过两个通道313分别向两个一次降压腔317进气，阀芯B314滑动过程中，当其中一个凹环与一个通道313连通时，另一个凹环与另一个通道313断开，从而使两个降压体交替的工作，维持持续的降压。两个二次降压腔的出口310分别设置单向阀并分别与主控阀门4连通，单向阀能够避免两个二次降压腔316连通，从二次降压腔316采出的天然气到达采气树的主控阀门4时的压力已然降低，这样对整个采气树的阀门的密封性要求降低，同时采出气对阀门的冲击也减小，也更有利于减小阀门的腐蚀。

降压装置的工作过程:由除砂总成2出来的采出气到达降压总成3的下连接口后，气通过一个通道313进入到其中一个一次降压腔317，此时的一次降压腔317的出口是处于关闭状态的，当气越集越多，一次降压腔317内压强不断增大，膜片309对碟簧308施加压力，碟簧308受力压缩，膜片室307内的液体进入连通阀，将阀芯A303推开，使一次降压腔317内的压强进入二次降压腔316，二次降压腔316的出口是处于开启状态的，当二次降压腔316内的压强达到设定值后，二次降压腔316的膜片室307液体进入切换阀，将阀芯B314推向另一个降压体，同时也关闭了左侧通道313打开右侧通道313，实现降压体的交替切换，确保采出气自喷过程中持续降压，从而也大幅的降低了高压采出气流对主控阀门4的冲击，有利于提升主控阀门4的使用周期。

Claims (5)

1.一种二氧化碳驱高压采气井口装置，包括套管头、油管头、套管挂、油管挂（1）和采气树，所述的采气树包括主控阀门（4）和分控阀门（5），其特征在于：所述的油管挂（1）上方连接有除砂总成（2），除砂总成（2）位于油管挂（1）与采气树的主控阀门（4）之间，除砂总成（2）包括除砂短接（201）和外壳体（203），除砂短接（201）内固接有砂阻板（204），砂阻板（204）的一端与除砂短接（201）内壁固定连接，砂阻板（204）的另一端悬空且向上倾斜，砂阻板（204）数量不少于两块，每上下相邻的两块砂阻板（204）呈180度相位角，每一块砂阻板（204）上方的除砂短接（201）侧壁带有过砂口（211），所述的外壳体（203）与除砂短接（201）之间带有环形空间（202），最高的过砂口（211）和最低的过砂口（211）之间的环形空间（202）分布有与过砂口（211）数量一致的螺旋叶片（212），每一个过砂口（211）位于一个螺旋通道内，砂阻板（204）下方的外壳体（203）上设置有环形密封装置，环形密封装置下方的外壳体（203）设置清砂口（209）；所述的环形密封装置包括中空的环形密封橡胶（210）和与环形密封橡胶（210）硫化连接的冲液嘴（206），外壳体（203）内侧带有用于安装环形密封橡胶（210）的凹槽，冲液嘴（206）与外壳体（203）密封配合。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳驱高压采气井口装置，其特征在于：所述的外壳体（203）外侧设置有活塞座（205），活塞座（205）带有上下设置的两个孔，两个孔的轴向与外壳体（203）的径向一致，两个孔连通，其中冲液嘴（206）插装在上侧的孔内，下侧的孔内滑动密封插装有限位活塞（208），限位活塞（208）向内伸入到环形空间（202）内，并且承托在环形密封橡胶（210）下方，远离环形空间（202）的限位活塞（208）一端设置有拉力弹簧（207），在拉力弹簧（207）的作用下限位活塞（208）具有靠近拉力弹簧（207）的运动趋势。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳驱高压采气井口装置，其特征在于：与环形密封橡胶（210）对位的除砂短接（201）外壁带有用于增加密封面积的凹环。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳驱高压采气井口装置，其特征在于：除砂总成（2）上方固定连接有降压总成（3），所述的降压总成（3）包括左右对称设置的两个降压体，降压体包括并列设置的一次降压腔（317）和二次降压腔（316），一次降压腔（317）和二次降压腔（316）内均带有膜片（309）和膜片室（307），膜片室（307）内充满液体且膜片室（307）内设置有碟簧（308），膜片（309）通过碟簧（308）支撑，两个降压腔的一端设置有连通阀，所述的连通阀包括阀体A（301）、阀芯A（303）和堵头A（306），阀体A（301）带有阀芯孔A（302），阀芯孔A（302）分别与一次降压腔（317）和二次降压腔（316）连通，阀芯A（303）滑动密封于阀芯孔A（302）内，堵头A（306）连接在阀芯孔A（302）的一端，靠近堵头A（306）的阀芯A（303）一端带有扩径段（304），扩径段（304）一侧的阀芯孔A（302）内设置有压缩弹簧（305），压缩弹簧（305）抵在扩径段（304）与堵头A（306）之间，扩径段（304）的另一侧的阀芯孔A（302）与一次降压腔（317）的膜片室（307）连通；两个降压腔的另一端设置有切换阀，所述的切换阀包括阀体B（311）、阀芯B（314）和堵头B（315），阀体B（311）带有阀芯孔B（312），阀芯B（314）位于阀芯孔B（312）的中部，阀芯孔B（312）的两端分别与两个降压体的二次降压腔（316）的膜片室（307）连通，阀芯B（314）上带有两个凹环，阀体B（311）上设置有两个与凹环相匹配的通道（313），除砂总成（2）通过两个通道（313）分别向两个一次降压腔（317）进气；两个二次降压腔（316）的出口分别设置单向阀并分别与主控阀门（4）连通。

5.根据权利要求4所述的二氧化碳驱高压采气井口装置，其特征在于：所述的两个二次降压腔（316）的膜片室（307）内的碟簧（308）的支撑载荷不相等。

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