CN105257256B - 井下采气管柱及采气方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及井下采气管柱及采气方法，具有通过第一直连接头连接的速度管柱和双流道式射流泵，以及与双流道式射流泵对应的动力气进口和井下积液进口，双流道式射流泵的另一端通过第二直连接头连接有吸管，并且速度管柱、双流道式射流泵和吸管的外径相一致。本发明的井下采气管柱及采气方法，能够有效的对低压低产、产水量大的气井进行高效的排水采气，尤其对多层合采、下层水淹井以及水平井的排采能够显著提高产层的开采程度，非常明显的减缓了气井产量和压力递减速率，有效延长了气井稳产期。

Description

井下采气管柱及采气方法

技术领域

本发明涉及天然气井排水采气的装置和方法，具体讲是井下采气管柱及采气方法。

背景技术

在天然气井排水采气的工程作业中，当中浅层气藏的气井进入低压低产开发期时，其产能普遍低、稳产期短，提高低压阶段的稳产是提高采收率的关键，尤其对于气水比低、产水量大的气井，对排液提出了更高要求；对于深层气藏的高压、低产、产水量大的气井，由于投产初期的井底段产能达不到举升井内液体的要求，导致多口自喷井投产后气、水产量、井口压力递减过快，油套压差大，井底积液严重，生产过程中的排液难题将会凸显；目前水平井已经成为气藏的主要开发方式，产水风险大，特殊的井身结构经常影响气井排液，如何解决水平井的排水问题将是急需攻克的难题。

常规的排采措施主要包括泡排、速度管柱排水采气、气举等方式。对于低产、产水量大的气井，泡排的效果不明显，对水平井只能缓解积液程度，无法彻底排液；速度管柱由于管径较小易于形成大段段塞，能否启动流体存在风险，对水平井无法实现水平段积液排出，并且排采后期的排液效果变差。气举排采仅能实现循环滑套以上的积液举升，无法实现水平段积液排出；针对低压低产气井，水力射流泵、气体加速泵均为采用外加能量的排采方式，需利用配套设备泵注高压介质携液到地面，一旦地面停泵后，水力射流泵在井下因缺少动力水源而不具备自激功能，井底将重新积液；气体加速泵的自激功能受限，气举后一旦地面停止泵注高压气，井底有重新积液的风险，这是由于油管内径远高于速度管柱内径，所需的临界携液流量高，而该泵的强力雾化效果有一定的作用距离，因而气体加速泵只能对气水比高、产水量少的气井延长气井的自喷期。

发明内容

本发明提供了一种井下采气管柱及采气方法，以克服现有对低压低产、产水量大的气井排采措施的不足，进行一种应用模式灵活、有效启动流体、带水性能好的排水采气方式，以使井下液面位置快速下降、产层完全暴露，提高产层开采程度，以及有效减缓气井产量和压力递减速率、进一步延长气井稳产期。

本发明的井下采气管柱，具有通过第一直连接头连接的速度管柱和双流道式射流泵，以及与双流道式射流泵对应的动力气进口和井下积液进口，双流道式射流泵的另一端通过第二直连接头连接有吸管，并且速度管柱、双流道式射流泵和吸管的外径相一致。将所述的速度管柱、双流道式射流泵和吸管通过第一直连接头和第二直连接头从上到下顺序连接，速度管柱可和吸管的结构与现有结构相同或类似，双流道式射流泵的结构可以与现有的类似，其主要部件包括了喷嘴、喉道和扩散管等，不同类型的双流道式射流泵的基本工作部件大致一样。尽管现有技术中有曾使用双流道式射流泵以地面泵注流体作为动力源抽汲井下积液，例如水力射流泵、气体加速泵等，但均为通过外加能量的排采方式。本发明利用了双流道式射流泵独特的工作原理，同时结合低产气井自身工况特点，出一种无需借助外部动力源即可自动抽汲井底积液的凡是，利用气井中的天然气从产出到井筒过程中自身存在压力抽汲效应的原理，实现了射流泵功能。当双流道式射流泵在外径较小的前提下，要求其内的双流道(动力气流道、积液流道)的过流直径要足够大，并且两流道间的最小壁厚足够厚，便能够满足双流道的冲蚀要求。可以通过铣流道槽、加工成形流道等加工方式满足以上要求。

针对传统方式中对气液比低、产水量大的气井时采用速度管柱排水采气时，传统设备在单流道的作用下会使气流携液流进速度管柱时易形成大段段塞，气流很难分散到段塞里，导致流动启动效率低，一旦速度管柱内的段塞过长，回压过大，将导致产层压死；流体启动后，一般初期排液效果较好，但随着产量、压力的降低，井底段速度管柱内的大段段塞无法破碎为直径微小的雾滴，流动易于呈段塞流流型，井底积液的举升效率降低，滑脱量不断增加，携液难度增加，产水量下降，随着井底积液的增加、回压上升，将导致产量的继续下降，甚至停产。。本发明的井下采气管柱的双流道式射流泵直接应用于速度管柱上，通过双流道式射流泵的抽汲和雾化作用将井底积液的举升转化为雾流的举升，使得气体携液自双流道式射流泵出口至井口的整个流动过程中得以呈现“全程雾流”的流型，有效实现了低产、产水量大的气井对井底积液的举升和气井的自喷。由于双流道式射流泵下方连接的吸管的内径远小于所述油管的内径，在一定抽汲力下其积液流量更低，更有利于携液。在双流道式射流泵的双流道(动力气流道、积液流道)作用下，动力气通过双流道式射流泵的喷嘴时将压能转换成高速流束的动能，启动了动力气流动，井下积液在抽汲及雾化等联合作用下，积液液滴破碎为直径微小的雾滴，气液充分混合，这样使动力气具有了较好的携液能力，从而有效启动速度管柱内的积液流动。由于速度管柱排水采气所需的临界产能远低于油管的临界值，在一定产能下，速度管柱内的动力气可获得较高的流速，可有效防止经雾化作用的直径微小的积液雾滴重新汇集成直径较大的液滴，使积液的雾化效果得以持续，这样从双流道式射流泵出口至井口的“全程雾流”的流动过程中，在地层能量不变的情况下，非常明显的降低了举升能量在井底积液举升过程中的重力和滑脱损失，同时也充分降低了低产、产水量大的气井在油管内携液时所需的沿程压耗，有效实现了低产气井对井底积液的举升和气井的自喷。

同时，在针对高压、低产、产水量大的气井时，不仅自具有双流道式射流泵的管柱的出口至井口的整个流动过程中获得“全程雾流”的流型，而且通过双流道式射流泵的喷嘴上、下游获得的较大压力降，排水采气的同时能够有效进行井下节流、降低井口压力，有利于气井的安全生产及生产管理。该类气井还可以采用能够直接卡定在油管上的活动式的双流道式射流泵，双流道式射流泵的喷嘴下游、上游压力之比可达到0.546:1，因此气流经过喷嘴后将达到临界流动状态，作用在喷嘴上下游的最大压力降将达到最大值，气相体积膨胀、气段伸长，使积液的雾化效果得以持续，同样较低的产能就能高效的将大产水量携液至地面。通过活动式自激泵及配套工具的可靠性设计，得以实现气井井下节流的同时将井内积液雾流携带出井，不仅能够有效降低速度管柱技术成本，节省包括连续油管管材费用在内的整体成本，还可最大程度的降低井口压力，非常有利于气井的安全生产及生产管理。

因此，连接双流道式射流泵的速度管柱能够充分利用气藏自身能量，不需要额外动力就能够克服对井底积液排水时气井中气藏作为动力源的不足问题，在双流道射流泵的双流道作用下对井底积液产生抽汲作用和雾化作用，结合速度管柱的作用将井底积液举升至井口，以此便满足了对气水比低、产水量大的低压低产气井的排液采气的需要。

进一步的，吸管的进液端与设有所述井下积液进口的筛管连接。筛管是目前在井下采气管柱中的一种常用过滤设备，例如割缝筛管、钻孔筛管等，其主要作用就是防砂等井下脏物流入流道。井下积液通过筛管上的井下积液进口进入，经筛管过滤后进入双流道射流泵。

其中一种较优结构的筛管结构包括了在接头端设有密封圈的筛管外筒，筛管外筒内套置有可沿外筒轴向运动的活动芯子，在筛管外筒内还设有对活动芯子限位的筛管轨道销钉，以及可被活动芯子剪断的筛管剪切销钉。通过活动芯子处于的不同位置来实现筛管的开关功能。当速度管柱座挂，吸管内灌满流体后，使筛管的活动芯子憋压至一定压力后剪断筛管剪切销钉，活动芯子下行。筛管轨道销钉迫使活动芯子上的轨道槽旋转，使活动芯子下行到位，从而打开了筛管的流道，这时筛管处于打开状态，防止砂土等井下脏物流入流道。在井内动力气的上顶力作用下，活动芯子上行，直至筛管轨道销钉卡挂在活动芯子轨道槽的限位台阶处，这样便能够有效防止筛管的流道在意外情况下关闭。

具体的，所述的双流道式射流泵包括设有所述动力气进口的射流泵外筒，和在其内通过喷嘴相连接的上芯轴和下芯轴，其中上芯轴包括贯通连接的扩径管部和等直径管部，其中等直径管部的一端与所述喷嘴连接，在下芯轴内设有与动力气进口对应的动力气流道，以及设于下芯轴和射流泵外筒之间且通过密封结构与所述动力气流道相互封隔的与所述井下积液进口对应的积液流道，在下芯轴的下游处还设有射流泵剪切销钉和设于下芯轴轴向运动轨道上的射流泵轨道销钉。由于双流道式射流泵外径小，限制了动力气流道和积液流道的加工，为了方便小尺寸零部件的加工制造，采用装配后共同形成流体的流动通道的设计方法。通过采用在射流泵外筒的内圆面和下芯轴的外圆面分别铣流道槽，这样装配后在射流泵外筒和下芯轴之间便形成了环形空间的积液流道。下芯轴和射流泵外筒之间的密封结构可以为O形密封圈，用以封隔动力气流道和积液流道，确保两个流道依次打开的前后，两个流道都能实现完全封隔。

本发明还提供了一种井下采气的方法，是将上述的井下采气管柱下入采气井中后，使井下采气管柱的双流道式射流泵的下端位于采气井的上产层之上，井下采气管柱的吸管下端位于下产层之下。如果仅有一个产层，则将双流道式射流泵的下端与吸管都置于该产层之下。由于双流道式射流泵直接作用于井底积液，使井下积液在动力气作用下由吸管吸入，随动力气一并进入双流道式射流泵并被破碎成雾滴而相互混合。吸管吸入的井下积液在双流道式射流泵的双流道作用下，动力气通过井下采气管柱的喷嘴时将压能转换成高速射流的动能，在喷嘴压降所产生的抽汲作用下，井下积液经过滤后由吸管流道吸入，在高速射流与吸入的井底积液的交界面上形成一种强化的剪切边界层，在边界层上连续不断产生旋涡，边界层外液团不断向气流中混掺，使积液液滴破碎为直径微小的雾滴，从而实现了举升介质从液态到气态的转变，绝大部分井底积液以雾滴的形式存在于气体中，在双流道式射流泵的抽汲和雾化作用下能够有效的使速度管柱内的积液流动，然后通过速度管柱使积液的雾化效果得以持续，气液充分混合后，在双流道式射流泵的抽汲作用下实现井底积液的流动并实现井气的自喷。由此便避免了举升过程中段塞流等流型的出现，而且在整个升举过程中不需要外界的额外动力，充分利用了气藏自身能量进行高效的排水采气作业，大幅度提高了气水比低、产水量大的低产气井的排水采气效率。该方法能够适用于井底有积液的生产井，若井底积液不严重，只需将井下采气管柱直接带压下入；若井底积液严重，井下采气管柱带压下入后可配合气举复活产层。同时，由于吸管直接作用于井底积液，使得积液的液面位置快速下降、降低井底回压、产层完全暴露，快速并且大幅度提高了产层开采程度，有效减缓了气井产量和压力递减速率。本发明的采气管柱和采气方法对产层无污染，而且对产层适应性强，排除井筒积液的同时还开放了地层产气微细裂缝、大幅度提高了单井产能，非常明显的延长了气井稳产期。

进一步的，对水平井采气时，将所述的井下采气管柱的双流道式射流泵下入至造斜段井斜角为40°～60°范围内的井段位置，这样能够有效提高井下自激泵在水平井段的带水性能，使井下积液的液面位置快速下降，同时将吸管末端伸入水平井的最低点进行水平段积液的排出。在井下采气管柱的双流道式射流泵的强力雾化作用以及速度管柱的双重作用下，有效改善了积液液膜最厚的造斜段40°～60°范围内的流动效果。

具体的，井下采气管柱下入至所述位置后，采用速度管柱井口装置座挂井下采气管柱进行定位。

本发明的井下采气管柱及采气方法，能够有效的对低压低产、产水量大的气井进行高效的排水采气，尤其对多层合采、下层水淹井的排采能够显著提高产层的开采程度，非常明显的延长了气井稳产期。

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1为本发明井下采气管柱的轴向剖面结构示意图。

图2为图1中筛管的剖面结构示意图。

图3为图1中双流道式射流泵的剖面结构示意图。

具体实施方式

如图1所示本发明井下采气管柱，具有通过第一直连接头4连接的速度管柱3和双流道式射流泵5。双流道式射流泵5的另一端通过第二直连接头6连接有吸管7，吸管直接作用于井底积液，具有更好的带水性能好。在吸管7的下端还连接有筛管8。所述速度管柱3、双流道式射流泵5和吸管7的外径相一致。实际应用时，在井下采气管柱外还套置有油管1。

如图2所示的筛管8，包括了在接头端设有密封圈83的筛管外筒81，筛管外筒81上设有井下积液进口86。筛管外筒81内套置有可沿外筒81轴向运动的活动芯子82，在筛管外筒81内还设有对活动芯子82限位的筛管轨道销钉84，以及可被活动芯子82剪断的筛管剪切销钉85。通过活动芯子82处于不同位置实现筛管8的开关功能。在活动芯子82剪断筛管剪切销钉85前，筛管8处于关闭状态；当井下采气管柱的吸管7内灌满流体后，憋压活动芯子82到一定压力直到剪断筛管剪切销钉85后，推动活动芯子82下行，筛管轨道销钉84迫使活动芯子82上的轨道槽旋转，活动芯子82下行到位后，筛管8便处于打开状态，防止砂土等井下脏物流入流道；活动芯子82受筛管轨道销钉84限位，防止筛管8意外关闭。

如图3所示，本实施例中采用的双流道式射流泵5，包括了设有动力气进口512的射流泵外筒51，和在其内通过喷嘴53相连接的上芯轴52和下芯轴54。射流泵外筒51用Φ38.1mm×4.45mm的速度管柱短节直接加工而成，上芯轴52包括了贯通连接的扩径管部和等直径管部，其中等直径管部的一端与所述喷嘴53连接。在下芯轴54内设有与所述动力气进口512对应的动力气流道55，以及设于下芯轴54和射流泵外筒51之间且通过O形密封圈的密封结构56与所述动力气流道55相互封隔的与所述井下积液进口86对应的积液流道57，在下芯轴54的下游处还设有射流泵剪切销钉58和设于下芯轴54轴向运动轨道上的射流泵轨道销钉59。在喷嘴53与下芯轴54之间安装了铜垫510，用以密封喷嘴53上游的动力气流道55。喷嘴53与上芯轴52之间的喉嘴距则通过两者啮合螺纹的有效圈数进行调节，调节到位后旋入止退销钉511固定上芯轴52。在使用Φ38.1mm及以下规格的速度管柱3时，在双流道式射流泵5的外径足够小的前提下，要求其中的双流道(动力气流道55和积液流道57)的过流直径要足够大，并且两流道间需要有相应的最小壁厚，以能够满足双流道的冲蚀要求。通过采用铣流道槽、加工成形流道等加工方式，装配后在射流泵外筒51和下芯轴54之间便形成了环形空间的积液流道57。可以满足以上要求。动力气流道55和积液流道57之间都通过安装的O形密封圈的密封结构56进行封隔，同时也封隔了装配后形成的积液流道57。此外，整个芯轴(包括上芯轴52、喷嘴53和下芯轴54)可轴向活动，通过其处于不同位置实现双流道式射流泵5的开关功能。当筛管8处于打开状态后，提高泵注排量，当积液流道57的节流压差作用下剪断射流泵剪切销钉58后，射流泵轨道销钉59迫使下芯轴54的轨道槽旋转，下芯轴54带动整个芯轴(包括上芯轴52、喷嘴53和下芯轴54)下行到位后，双流道式射流泵5便处于打开状态，防止砂土等井下脏物流入流道；下芯轴54受射流泵轨道销钉59限位，防止双流道式射流泵5意外关闭。

上述的井下采气管柱适用于井底有积液的生产井，若井底积液不严重，只需直接带压下入；若井底积液严重，带压下入后可配合气举复活产层。利用连续油管车对井下采气管柱下入，入到双流道式射流泵5的下端位于井下上产层之上，吸管7的下端在下产层之下后，将井下采气管柱坐封于悬挂器上。在双流道式射流泵5的双流道作用下，动力气通过喷嘴53时将压能转换成高速射流的动能，在喷嘴压降所产生的抽汲作用下，带有井下脏物的积液经过筛管8滤后由吸管7吸入，在高速射流与吸入的井底积液的交界面上形成一种强化的剪切边界层，在边界层上连续不断产生旋涡，边界层外液团不断向气流中混掺，积液液滴破碎为直径微小的雾滴，并且气液充分混合，在双流道式射流泵5、吸管7的抽汲、强力雾化等联合作用下，有效启动井底积液的流动并实现气井的自喷。有效启动流体后，由于吸管7下端在下产层之下，吸管7可直接作用于井底积液，使积液的液面位置快速下降、降低井底回压、产层完全暴露，大幅度提高了产层的开采程度，并且还有效减缓了气井产量和压力递减速率、进一步延长气井稳产期。

针对水平井的排水采气，将上述井下采气管柱的双流道式射流泵5下入到井斜角的造斜段为40°～60°的位置，吸管7下深可根据水平井段的钻井井眼轨迹确定，将吸管7的下端伸入水平井段的最低点，能够有效提高双流道式射流泵5在水平井段的带水性能；在双流道式射流泵5的强力雾化作用以及速度管柱3的双重作用下，能够极其有效的改善液膜最厚处的流动效果。

Claims (5)

1.井下采气管柱，其特征为：具有通过第一直连接头(4)连接的速度管柱(3)和双流道式射流泵(5)，以及与双流道式射流泵(5)对应的动力气进口(512)和井下积液进口(86)，双流道式射流泵(5)的另一端通过第二直连接头(6)连接有吸管(7)，并且速度管柱(3)、双流道式射流泵(5)和吸管(7)的外径相一致；

所述的双流道式射流泵(5)包括设有所述动力气进口(512)的射流泵外筒(51)，和在其内通过喷嘴(53)相连接的上芯轴(52)和下芯轴(54)，其中上芯轴(52)包括贯通连接的扩径管部和等直径管部，其中等直径管部的一端与所述喷嘴(53)连接，在下芯轴(54)内设有与动力气进口(512)对应的动力气流道(55)，以及设于下芯轴(54)和射流泵外筒(51)之间且通过密封结构(56)与所述动力气流道(55)相互封隔的与所述井下积液进口(86)对应的积液流道(57)，在下芯轴(54)的下游处还设有射流泵剪切销钉(58)和设于下芯轴(54)轴向运动轨道上的射流泵轨道销钉(59)。

2.如权利要求1所述的井下采气管柱，其特征为：吸管(7)的进液端与设有所述井下积液进口(86)的筛管(8)连接。

3.如权利要求2所述的井下采气管柱，其特征为：所述筛管(8)包括了在接头端设有密封圈(83)的筛管外筒(81)，筛管外筒(81)内套置有可沿外筒(81)轴向运动的活动芯子(82)，在筛管外筒(81)内还设有对活动芯子(82)限位的筛管轨道销钉(84)，以及可被活动芯子(82)剪断的筛管剪切销钉(85)。

4.井下采气的方法，其特征为：将权利要求1至3之一所述的井下采气管柱下入采气井中，使井下采气管柱的双流道式射流泵的下端位于采气井的上产层之上，井下采气管柱的吸管下端位于下产层之下，对水平井采气时，将所述的井下采气管柱的双流道式射流泵下入至造斜段井斜角为40°～60°范围内的井段位置，并将吸管末端伸入水平井的最低点进行水平段积液的排出，使井下积液在动力气作用下由吸管吸入，随动力气一并进入双流道式射流泵并被破碎成雾滴而相互混合，在双流道式射流泵的抽汲和雾化作用下实现井底积液的流动并实现井气的自喷。

5.如权利要求4所述的方法，其特征为：井下采气管柱下入至所述位置后，采用速度管柱井口装置座挂井下采气管柱进行定位。