CN111749634A - 一种气液双压力定压补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤层气保压取心技术领域，特别涉及一种气液双压力定压补偿装置。该装置包括氮气室，氮气室上端封闭，氮气室下端连接定压启动室，氮气室内部充有高压氮气，定压启动室内部设有定压腔，定压启动室上端通过定压启动室堵封密封该定压腔，定压启动室下端连接气阀滑动室，气阀滑动室上部设有气阀滑动腔，浮动气阀安装在该气阀滑动腔内。本发明实现了气压转变为液压并传递至保压取心筒，最终实现保压取心筒精准压力控制的目的，可根据原位地层压力对所获的煤样实施精准的压力保持，为深层煤岩保温保压取心提供技术支撑。
Description
技术领域：
本发明涉及煤层气保压取心技术领域，特别涉及一种气液双压力定压补偿装置。
背景技术：
随着煤层气勘探开发深度的增加，准确测算煤层气含量更为重要，因为它直接影响着煤层气井产能预测、开发靶区优选和井网布局等诸多关键开发决策。由于煤储层自身强度低、变形大，具有双重孔隙结构特征，导致煤体结构具有强烈的非均质性和储层物性的各向异性，以及明显的应力敏感性，再加上煤层气本身容易分解和逸散，从而导致深层煤层气保压取心存在一定的技术难度。
常规地质与煤田勘探所用的系列常规绳索式取心工具，由于其管体薄、丝扣强度低、岩心直径小等诸多问题，且大多缺乏保压密闭功能，导致煤层气含量测试精确度低，仅适用于埋藏较浅的煤层勘探开发。另外，传统的油气井取心工具在煤层钻井取心过程中存在钻头水力冲蚀、钻柱扰动等原因造成深层煤岩在取心过程中易遭受污染，且大多不具备原位地层压力保持功能，难以获得高价值的煤心样品。而适用于深海天然气水合物取心工具因租赁日费高、核心技术多被国外石油公司所垄断，不符合国内深层煤层气高效经济开发的现状。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种气液双压力定压补偿装置，该装置与常规保压取心工具配合使用，实现了气压转变为液压并传递至保压取心筒，最终实现保压取心筒精准压力控制的目的，可根据原位地层压力对所获的煤样实施精准的压力保持，为深层煤岩保温保压取心提供技术支撑。克服了现有油气井保压取心工具在深层煤岩取心过程中难以获得原位地层压力的煤心样品，过高或过低的围压都可能对煤心样品带来损害，从而影响煤心样品的测试化验数据的不足。
本发明所采取的技术方案是：一种气液双压力定压补偿装置，包括下连接套；还包括氮气室，氮气室上端封闭，氮气室下端连接定压启动室，氮气室内部充有高压氮气，定压启动室内部设有定压腔，定压启动室上端通过定压启动室堵封密封该定压腔，定压启动室下端连接气阀滑动室，气阀滑动室上部设有气阀滑动腔，浮动气阀安装在该气阀滑动腔内；
浮动气阀上端通过定压启动室底壁上的流通孔道与定压腔相连通，浮动气阀外壁上设有上密封凸壁和下密封凸壁，在上密封凸壁和下密封凸壁之间为气阀凹槽，上密封凸壁、下密封凸壁分别与气阀滑动腔腔壁之间密封，气阀滑动腔腔壁上开有凹槽，浮动气阀底端轴向开有气阀主气道，浮动气阀底端周向开有与气阀主气道相连通的气阀旁通气道；
定压启动室本体内加工有气道Ⅰ，气阀滑动室本体内分别加工有气道Ⅴ、气道Ⅱ、气道Ⅲ、气道Ⅳ，气道Ⅰ一端连通氮气室内部，气道Ⅰ另一端连通气道Ⅴ一端，气道Ⅴ另一端连通浮动气阀的气阀凹槽，当浮动气阀下移使下密封凸壁下移至气阀滑动腔腔壁上凹槽内时，气阀凹槽通过下密封凸壁与凹槽之间间隙与气阀旁通气道相连通，气阀主气道与气道Ⅲ一端相连通，气道Ⅲ另一端伸出气阀滑动室侧壁并安装有测压接头，气道Ⅱ一端与气道Ⅲ相连通，气道Ⅱ另一端伸出气阀滑动室侧壁，气道Ⅳ一端伸出气阀滑动室侧壁，气道Ⅳ另一端与气阀滑动室下部腔室相连通；
定压启动室和气阀滑动室外侧通过固定销钉连接机械滑套开关，机械滑套开关内壁上设有连通凹槽，在气阀滑动室与机械滑套开关发生相对运动时能够使固定销钉被剪断，当机械滑套开关行至气阀滑动室下端外壁限位台阶处时，连通凹槽连通气道Ⅱ和气道Ⅳ；气阀滑动室下端连接下连接套，下连接套内安装有隔离活塞，下连接套下端连接保压取心内筒，隔离活塞下端的下连接套内充有液体介质。
氮气室内部充有100MPa的高压氮气。
定压启动室堵封上安装有单流阀，通过该单流阀能够向定压启动室内部定压腔注气。
浮动气阀上端截面积大小与下端截面积大小相同。
机械滑套开关通过固定销钉与定压启动室外壁相连接。
本发明的有益效果是：
1、实现定压补偿：定压启动室预置的氮气压力为井底静液柱压力，当保压取心筒压力低于定压启动室压力时，高压氮气的通道打开，对保压取心筒进行压力补偿；随着高压氮气补偿，保压取心筒压力回升至定压启动室压力时，高压氮气的通道被阻断，实现定压补偿的目的。
2、补偿能量充足，效率高：联合利用气液压缩性强、液体不可压缩的特性，依靠气体的可压缩性的性质进行高压储能，利用液体的不可压缩性质进行压力传递，实现活塞移动较少距离即可实现保压取心筒压力的快速回升。
3、机械滑套开关与浮动气阀联合作用，补偿机构安全可靠：机械滑套开关起初由销钉固定，防止该开关提前打开；浮动气阀依靠两端的压力不同而左右移动，实现高压氮气补偿的自动化控制。
附图说明：
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明未启动时的结构示意图。
图2为本发明启动时的结构示意图。
图3为定压启动室的结构示意图。
图4为浮动气阀的结构示意图。
图5为气阀滑动室的结构示意图。
图6为浮动气阀与气阀滑动室的结构示意图。
具体实施方式：
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种气液双压力定压补偿装置，包括下连接套8；还包括氮气室1，氮气室1上端封闭，氮气室1下端连接定压启动室3，氮气室1内部充有高压氮气，定压启动室3内部设有定压腔，定压启动室3上端通过定压启动室堵封2密封该定压腔，定压启动室3下端连接气阀滑动室7，气阀滑动室7上部设有气阀滑动腔21，浮动气阀4安装在该气阀滑动腔21内；
浮动气阀4上端通过定压启动室3底壁上的流通孔道与定压腔相连通，浮动气阀4外壁上设有上密封凸壁18和下密封凸壁16，在上密封凸壁18和下密封凸壁16之间为气阀凹槽19，上密封凸壁18、下密封凸壁16分别与气阀滑动腔21腔壁之间密封，气阀滑动腔21腔壁上开有凹槽23，浮动气阀4底端轴向开有气阀主气道17，浮动气阀4底端周向开有与气阀主气道17相连通的气阀旁通气道20；
定压启动室3本体内加工有气道Ⅰ11，气阀滑动室7本体内分别加工有气道Ⅴ22、气道Ⅱ12、气道Ⅲ14、气道Ⅳ15，气道Ⅰ11一端连通氮气室1内部，气道Ⅰ11另一端连通气道Ⅴ22一端，气道Ⅴ22另一端连通浮动气阀4的气阀凹槽19，当浮动气阀4下移使下密封凸壁16下移至气阀滑动腔21腔壁上凹槽23内时，气阀凹槽19通过下密封凸壁16与凹槽23之间间隙与气阀旁通气道20相连通，气阀主气道17与气道Ⅲ14一端相连通，气道Ⅲ14另一端伸出气阀滑动室7侧壁并安装有带有单流阀的测压接头，气道Ⅱ12一端与气道Ⅲ14相连通，气道Ⅱ12另一端伸出气阀滑动室7侧壁，气道Ⅳ15一端伸出气阀滑动室7侧壁，气道Ⅳ15另一端与气阀滑动室7下部腔室相连通；
定压启动室3和气阀滑动室7外侧通过固定销钉5连接机械滑套开关6，机械滑套开关6内壁上设有连通凹槽13，在气阀滑动室7与机械滑套开关6发生相对运动时能够使固定销钉5被剪断，当机械滑套开关6行至气阀滑动室7下端外壁限位台阶处时，连通凹槽13连通气道Ⅱ12和气道Ⅳ15；气阀滑动室7下端连接下连接套8，下连接套8内安装有隔离活塞9，下连接套8下端连接保压取心内筒，隔离活塞9下端的下连接套8内充有液体介质。
氮气室1内部充有100MPa的高压氮气。
定压启动室堵封2上安装有单流阀10，通过该单流阀10能够向定压启动室3内部定压腔注气充压。
浮动气阀4上端截面积大小与下端截面积大小相同。
机械滑套开关6通过固定销钉5与定压启动室3外壁相连接。
在取心钻进结束之前，机械滑套开关6处于关闭状态，并由固定销钉5固定。在取心完成后，通过井口投球憋压，液压差动结构反向抬升，进而带动氮气室1、定压启动室3、气阀滑动室7向上运动，而机械滑套开关6因外径比定压启动室3、气阀滑动室7上部大而被其他部件限制无法向上运动，在液压差动结构向上运动的力达到一定程度时，即可剪断固定销钉5，使机械滑套开关6行至气阀滑动室7下端外壁限位台阶处，连通凹槽13连通气道Ⅱ12和气道Ⅳ15，即打开机械滑套开关6。与此同时，保压取心筒下部的球阀密封装置也被关闭，即下连接套8的下端形成密闭空间。
氮气室1内部可预充100MPa的高压氮气，是本发明的主要能量来源；定压启动室3的定压腔预置的压力P1一般为井底静液柱压力，即原位煤岩地层压力。浮动气阀4上端压力等于预置压力P1，浮动气阀4下端压力在机械滑套开关6打开时等于下连接套8内部的压力P2，P2即为保压取心筒压力。浮动气阀4上下截面积相等即S1＝S2，当P2<P1时，由F＝PS公式得F2<F1，浮动气阀4在压力差的作用下，浮动气阀4向下端移动，当浮动气阀4下移使下密封凸壁16下移至气阀滑动腔21腔壁上凹槽23内时，氮气室1内的高压氮气通过气道Ⅰ11、气道Ⅴ22、气阀凹槽19、下密封凸壁16与凹槽23之间间隙、气阀旁通气道20、气阀主气道17、气道Ⅲ14、气道Ⅱ12、连通凹槽13、气道Ⅳ15进入到下连接套8内部，推动隔离活塞9向下移动挤压液体介质流向下部保压取心筒(此时下部已形成密闭空间)，进而实现保压取心筒压力的回升，从而实现气-液双压力定压补偿，完成煤心样品的原位地层压力保护。由于气体高压储能特性和液体不可压缩特性，气液双液力补偿方式相较于单纯的气体或液体补偿更加高效、稳定。
随着压力的补偿，当P2>P1时，F2>F1，在压力差的作用下，浮动气阀4开始向上移动，此时下密封凸壁16上移出气阀滑动腔21腔壁上凹槽23，封堵高压氮气的气流通道，高压氮气停止补偿。
气阀滑动室7上部设计为阶梯状，通过螺纹与定压启动室3连接，气阀滑动室7的气道Ⅲ14外端设计有带单流阀的测压接头，该测压接头用于检测其压力与定压启动压力P1差异程度，以此评价保压取心的保压率。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种气液双压力定压补偿装置，包括下连接套(8)；其特征在于：还包括氮气室(1)，氮气室(1)上端封闭，氮气室(1)下端连接定压启动室(3)，氮气室(1)内部充有高压氮气，定压启动室(3)内部设有定压腔，定压启动室(3)上端通过定压启动室堵封(2)密封该定压腔，定压启动室(3)下端连接气阀滑动室(7)，气阀滑动室(7)上部设有气阀滑动腔(21)，浮动气阀(4)安装在该气阀滑动腔(21)内；
浮动气阀(4)上端通过定压启动室(3)底壁上的流通孔道与定压腔相连通，浮动气阀(4)外壁上设有上密封凸壁(18)和下密封凸壁(16)，在上密封凸壁(18)和下密封凸壁(16)之间为气阀凹槽(19)，上密封凸壁(18)、下密封凸壁(16)分别与气阀滑动腔(21)腔壁之间密封，气阀滑动腔(21)腔壁上开有凹槽(23)，浮动气阀(4)底端轴向开有气阀主气道(17)，浮动气阀(4)底端周向开有与气阀主气道(17)相连通的气阀旁通气道(20)；
定压启动室(3)本体内加工有气道Ⅰ(11)，气阀滑动室(7)本体内分别加工有气道Ⅴ(22)、气道Ⅱ(12)、气道Ⅲ(14)、气道Ⅳ(15)，气道Ⅰ(11)一端连通氮气室(1)内部，气道Ⅰ(11)另一端连通气道Ⅴ(22)一端，气道Ⅴ(22)另一端连通浮动气阀(4)的气阀凹槽(19)，当浮动气阀(4)下移使下密封凸壁(16)下移至气阀滑动腔(21)腔壁上凹槽(23)内时，气阀凹槽(19)通过下密封凸壁(16)与凹槽(23)之间间隙与气阀旁通气道(20)相连通，气阀主气道(17)与气道Ⅲ(14)一端相连通，气道Ⅲ(14)另一端伸出气阀滑动室(7)侧壁并安装有测压接头，气道Ⅱ(12)一端与气道Ⅲ(14)相连通，气道Ⅱ(12)另一端伸出气阀滑动室(7)侧壁，气道Ⅳ(15)一端伸出气阀滑动室(7)侧壁，气道Ⅳ(15)另一端与气阀滑动室(7)下部腔室相连通；
定压启动室(3)和气阀滑动室(7)外侧通过固定销钉(5)连接机械滑套开关(6)，机械滑套开关(6)内壁上设有连通凹槽(13)，在气阀滑动室(7)与机械滑套开关(6)发生相对运动时能够使固定销钉(5)被剪断，当机械滑套开关(6)行至气阀滑动室(7)下端外壁限位台阶处时，连通凹槽(13)连通气道Ⅱ(12)和气道Ⅳ(15)；气阀滑动室(7)下端连接下连接套(8)，下连接套(8)内安装有隔离活塞(9)，下连接套(8)下端连接保压取心内筒，隔离活塞(9)下端的下连接套(8)内充有液体介质。
2.按照权利要求1所述的气液双压力定压补偿装置，其特征在于：所述氮气室(1)内部充有100MPa的高压氮气。
3.按照权利要求1所述的气液双压力定压补偿装置，其特征在于：所述定压启动室堵封(2)上安装有单流阀(10)，通过该单流阀(10)能够向定压启动室(3)内部定压腔注气。
4.按照权利要求1所述的气液双压力定压补偿装置，其特征在于：所述浮动气阀(4)上端截面积大小与下端截面积大小相同。
5.按照权利要求1所述的气液双压力定压补偿装置，其特征在于：所述机械滑套开关(6)通过固定销钉(5)与定压启动室(3)外壁相连接。
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