专利名称：地面注气增压采油和排液采气装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种特别适用于深井、超深井的采油和排液采气的装置及方法，属于石油与天然气开采领域。
背景技术：
在开采石油和天然气过程中，当地层能量充足时，油气井可采用自喷方式进行生产；当地层能量降低和含水率上升不足以维持自喷生产时，需要补充能量转为人工举升方式开采。常用的人工举升方式有有杆泵、气举、电潜泵、水力活塞泵、水力喷射泵、气体喷射泵、水力气动泵、泡沫排液等。目前国内外许多油气田已进入开发中后期，随着地层产能不断降低、含水上升和其它复杂情况，石油和天然气的开采难度和生产成本不断增高，生产效率不断降低，迫切要求采油和采气工艺技术向多品种、高效节能方向发展。有杆泵是目前国内外应用最广泛的机械采油方法，我国各大油田多数井采用有杆泵，但由于抽油杆限制了有杆泵用于深井和超深井。连续气举具有产液量变化范围大、举升深度深、井下无机械磨损件、操作管理方便等优点，尤其适应于气液比、出砂严重、含腐蚀性介质、深井和定向井等复杂条件的油气井，气举较其它机械采油方式更具优势。我国已初步形成了一定的气举生产规模。由于连续气举仅适用于地层产能较高且能量较充足的油井条件，随着我国油气田含水上升、地层能量和地层产能的逐渐降低，油井和排水采气井的注气压力和注气量不断增高，气举效率随之降低。在原供气能力条件下，气举井井数正逐渐减少。因此，寻求和探索新的人工举升工艺技术，从新的思路入手，研究新的人工举升装置，形成新的工业应用产品，研究新工艺的工程设计方法，诊断、监测和控制方法，形成一系列配套技术，已成为我国甚至国外油气田开发后期提高采收率的迫切需求。
采用流体压力传动的人工举升技术包括液体和气体两大类，目前采用液压传动的有水力活塞泵、喷射泵；采用气压传动的有腔室气举、水力气动泵、气体喷射泵。
1932年美国应用水力活塞泵采油，50年代推广使用，前苏联1974年开始应用水力活塞泵采油，1967年我国胜利油田开始应用水力活塞采油。水力活塞泵由地面动力泵将动力液增压后经油管或专用通道泵入井下，驱动马达做上下往复运动，来帮助井下柱塞泵抽油，水力活塞泵对高油气比、出砂、高凝油、含蜡、稠油、深井、斜井、及水平井具有较强的适应性。
1956年Camp and Winkler提出在气举井中增加腔室来提高气举效率。这是一种特殊的间歇气举——腔室气举，利用比油管面积大很多的腔室降低液面高度，从而降低井底压力，工作时地层流体通过腔室底部的固定阀充满腔室，地面注入气通过油套环空进入腔室，压低腔室中液面，使液体从伸入腔室底部的插入管上的孔眼进入油管，液体被全部压入油管后，注入气也进入油管举升其上部的液体段塞。该装置适用于低压、低产井，可以将井底压力降低到接近井筒气柱压力。后来DeMoss对这一技术进行了改进，解决了气举阶段地层液体不能进入腔室和地层气对腔室效率的影响。
1980年在《升举法采油工艺》卷二(下)第八章中，C.R.Ca-nalizo介绍了一种气泵，1994年美国M.Amani发明了一种水力气动泵，这两种装置与腔室气举都有些类似。Canalizo介绍的气泵在泵筒中井液与注入气之间有隔离活塞，注入气从一条专用通道注入井下泵筒，推动活塞，将泵筒中活塞另一端的液体从油管排出，注入气将液体全部排到油管后，气体排出阀打开，泵筒中气体从油套环空排出。M.Amani的水力气动泵工作时，注入气从一条专用通道注入井下泵筒，压低泵筒中液面，压出液体从油套环空排出，注入气将液体全部压入油套环空后，通过地面控制器打开泵筒与油管间的阀，注入气体从油管排出。
本发明提出的气体增压泵装置的工作原理与水力活塞泵相比有较大提高，水力活塞泵是采用地面注入液体作驱动井下马达的动力；气体增压泵利用地面注入气推动井下气体增压泵的多个气动马达带动泵活塞运动，将泵筒中液体排出井口。该工艺既具有气举的优点又具有有杆泵的优点。气体增压泵装置与水力气动泵和腔室气举的差别在于，水力气动泵和腔室气举的注入气直接作用在泵筒中液面上或液体与注入气隔离的活塞上，而推动气体增压泵工作的气体是作用在多个气动马达上，水力气动泵需要的注气压力必须大于井深液柱压力，而气体增压泵是利用低压气将井液增压到需要的排出压力或井深液柱压力以上。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，以提高油气藏采收率为目标，将气举井的井底压力降到更低的水平，有利于解决低压低产能油气井、深井和超深井的人工举升问题，特提出一种地面注气增压采油和排液采气装置及方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案地面注气增压采油和排液采气装置是由高压气源、地面注气管、井口、套管、油管、封隔器、气体增压泵、采出管组成，其特征是高压气井或压缩机等高压气源通过地面注气管与井口相连，注气管可以是油管或油套管环行空间；套管从井口延伸到井底，油管位于套管中，油套管在井口与采油树相连，井下油管有封隔器将油套管环空与井底和油管分隔；油管底部安装气体增压泵，油套管环空中的注入气能进入泵马达的动力气入口，泵端与井底相通；采出管位于井口，一端与井口油管连接，另一端与地面集输管相连。
地面注气增压采油和排液采气装置所使用的气体增压泵，为一圆柱体，由多个马达和泵组成，马达由马达气缸、马达阀、马达活塞、马达轴、动力气入口通道、马达排出阀、马达排出通道组成；泵由泵筒、泵活塞、泵轴、泵吸入通道、泵吸入阀、泵排出通道、泵排出阀组成。其特征在于马达位于泵的上部，马达和泵通过连接轴相连，所述连接轴穿过隔离马达和泵的圆形密封体中心，连接泵轴和马达轴，并在马达气缸和泵筒间形成密封；马达活塞位于马达气缸中，用于将马达气缸分隔成活塞上下两个腔室，所述腔室中的一个腔室用作动力气缸，另一个腔室用作乏气缸，马达活塞中心连接马达轴，多个马达间通过马达轴相连；泵活塞位于泵筒中，用于将泵筒分隔成活塞上下两个腔室，所述腔室中的一个腔室用作吸液腔室，另一个腔室用作排液腔室，泵活塞中心连接泵轴。
本发明的方法，其工作过程是高压气源按一定注气压力和注气量通过地面注气管进入油套环空，到达井下气体增压泵动力气入口。马达阀是动力气的换向阀，当马达阀处于上位时，推动马达运动的动力气进入马达各个动力气缸，推动马达活塞向上运动(乏气缸一端)，所述乏气缸的乏气经乏气排出通道通过马达排出阀排出；马达活塞运动通过轴带动泵活塞向所述排液腔室一端运动，所述吸液腔室的泵吸入阀打开，井液从泵吸入通道被吸入所述吸液腔室，所述排液腔室中的井液通过打开的泵排出阀由泵排出通道排出。马达排出的乏气与泵排出的井液混合排到油管，混合流体以气液多相管流方式从油管排到井口采出管。
当马达活塞到达气缸上端，马达活塞撞击马达阀排气阀的阀针，马达阀排气阀打开，马达阀下部腔室的高压动力气从马达阀排气阀排入乏气排出通道，马达阀上端面动力气作用力大于下端面乏气的作用力，马达阀向下运动并处于下位，乏气缸与动力气缸的作用交换，马达活塞运动换向；动力气从动力气入口进入马达各个动力气缸，推动马达活塞向下运动，所述乏气缸中的乏气经乏气排出通道通过马达排出阀排出；当马达活塞到达气缸下端，马达活塞撞击马达阀进气阀的阀针，马达阀进气阀打开，高压动力气从马达阀进气阀进入马达阀下部腔室，马达阀下端面的面积大于上端面，马达阀下端面动力气作用力大于上端面的作用力，马达阀向上运动并处于上位。如此循环，完成马达的往复循环运动，马达活塞往复循环运动带动泵活塞往复循环运动，吸液腔室与排液腔室的作用交换，从而完成采油和排液采气。
当地层气体对泵的效率影响较大时，应采用井下气锚，并安装排气管，将井下分离出的气体直接排到地面。油管也可作注气管，这时油套环空作混合流体采出管。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果(1)既有气举的优点，又有有杆泵的优点，能将井底压力降到比气举更低的水平，对低压低产能油气井条件具有较强的适用性；(2)不需要抽油杆以及特殊的井下与地面连接部件，特别适用于深井和超深井的人工举升技术；(3)可以采用钢丝或气压循环投捞作业，操作管理方便。
图1为本发明地面注气增压采油和排液采气装置的结构示意图。图中1.采出管，2.地面注气管3油管，4.套管，5.封隔器，6.气体增压泵，7.产层。
图2为本发明气体增压泵装置的结构示意图。图中1.马达排出阀，2.动力气通道，3.泵体，4.乏气排出通道，5.马达阀，6.马达阀排气阀，7.马达活塞，8.马达轴，9.通道，10.泵排出通道，11.泵活塞，12.泵排出阀，13.泵吸入阀，14.泵吸入通道，15.马达阀进气阀，16.通道，17.动力气入口
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1，高压气源按一定注气压力和注气量通过地面注气管2进入油套环空，到达井下气体增压泵6动力气入口17(图2)，注入高压气进入增压泵多个气动马达的一端，推动马达活塞7(图2)运动，马达活塞7(图2)的另一端将乏气从通道9(图2)经乏气排出通道4(图2)通过马达排出阀1(图2)排出。马达活塞7(图2)运动带动泵活塞11(图2)运动，泵吸入端的吸入阀13打开，井液(图2底部箭头)从泵吸入通道14(图2)进入泵筒吸入端，同时泵排出端的排出阀12(图2)打开，泵活塞11运动将泵排出端井液从泵排出通道10(图2)排出，马达排出的乏气(图2.1上方箭头)与泵排出的井液(图2.10右方的箭头)混合排到油管3，混合流体以气液多相管流方式从油管3排到井口采出管1。当马达活塞运动到马达一端的终点时，注入气进入马达活塞的另一端，马达活塞运动换向，如此循环，从而完成采油和排液采气。当地层气体对泵的效率影响较大时，应采用井下气锚，并安装排气管，将井下分离出的气体直接排到地面。油管也可作注气管，这时油套环空作混合流体采出管。
实施例2，气体增压泵的工作过程是见图2，上行程，马达阀5处于上位，推动马达运动的动力气从动力气入口17经通道16进入马达各个动力气缸，推动马达活塞7向上运动(乏气缸一端)，所述乏气缸中的乏气由通道9经乏气排出通道4通过马达排出阀1排出；马达阀是动力气的换向阀，当马达活塞7到达气缸上端，马达活塞7撞击马达阀排气阀6的阀针，马达阀排气阀6打开，马达阀5下部腔室的高压动力气从马达阀排气阀6排入乏气排出通道4，马达阀5上端面动力气作用力大于下端面乏气的作用力，马达阀5向下运动并处于下位，乏气缸与动力气缸的作用交换，马达活塞运动换向；下行程，动力气从动力气入口17经通道2和9进入马达各个动力气缸，推动马达活塞7向下运动，所述乏气缸中的乏气由通道16经乏气排出通道4通过马达排出阀1排出；当马达活塞7到达气缸下端，马达活塞7撞击马达阀进气阀15的阀针，马达阀进气阀15打开，高压动力气从马达阀进气阀15进入马达阀5下部腔室，马达阀5下端面的面积大于上端面，马达阀5下端面动力气作用力大于上端面的作用力，马达阀5向上运动并处于上位，回到上行程，如此循环，从而完成马达的往复循环运动。马达活塞7运动通过轴8带动泵活塞11向所述排液腔室一端运动，所述吸液腔室的泵吸入阀13打开，井液从泵吸入通道14被吸入所述吸液腔室，所述排液腔室中的井液通过打开的泵排出阀12由泵排出通道10排出，马达活塞7往复循环运动带动泵活塞11往复循环运动，吸液腔室与排液腔室的作用交换。
权利要求
1.一种地面注气增压采油和排液采气装置及方法，其特征是，高压气井或压缩机等高压气源通过地面注气管与井口相连，注气管可以是油管或油套管环行空间；套管从井口延伸到井底，油管位于套管中，油管套管在井口与采油树相连，井下油管有封隔器将油套管环空与井底和油管分隔；油管底部安装气体增压泵，油套管环空中的注入气能进入泵马达的动力气入口，泵端与并底相通；采出管位于井口，一端与井口油管连接，另一端与地面集输管相连。
2.根据权利要求1所述的装置及方法，其特征在于所使用的气体增压泵，为一圆柱体，由多个马达和泵组成；马达位于泵的上部，马达和泵通过连接轴相连，所述连接轴穿过隔离马达和泵的圆形密封体中心，连接泵轴和马达轴，并在马达气缸和泵筒间形成密封；马达活塞位于马达气缸中，将马达气缸分隔成上下两个腔室，一个腔室作动力气缸，另一个腔室作乏气缸，马达活塞中心连接马达轴，多个马达间通过马达轴相连；泵活塞位于泵筒中，将泵筒分隔成活塞上下两个腔室，一个腔室作吸液腔室，另一个腔室作排液腔室，泵活塞中心连接泵轴。
3.根据权利要求1所述的装置及方法，其特征在于高压气源通过地面注气管到达井口，注入油套环空，进入井下气体增压泵动力气入口，高压气充入增压泵多个气动马达的一端，推动马达活塞运动；马达活塞运动带动泵活塞运动，泵吸入阀打开，井液进入泵筒吸入端，同时泵排出阀打开，井液压入泵排出口；马达排出的乏气与泵排出的井液混合排到油管，混合流体以气液多相管流方式从油管排到井口采出管。
4.根据权利要求1所述的装置及方法，其特征在于当地层气体对泵的效率影响较大时，应采用井下气锚，并安装排气管，将井下分离出的气体直接排到地面。
全文摘要
本发明涉及一种适用于深井、超深井的采油和排液采气的装置及方法。它以提高油气藏采收率为目标，将气举井的井底压力降到更低的水平，解决低压低产能油气井、深井和超深井的人工举升问题。本发明采用的技术方案高压气源通过地面注气管到达井口，注入油套环空，进入井下气体增压泵多个气动马达，推动马达活塞运动，带动泵活塞运动；泵吸入阀打开，井液进入泵筒吸入端，同时泵排出阀打开，井液压入泵排出口；马达排出的乏气与泵排出的井液混合从油管排到井口采出管。本发明既有气举的优点，又有有杆泵的优点，能将井底压力降到比气举更低的水平，对低压低产能油气井、深井和超深井的人工举升有较强的适用性。
文档编号E21B43/18GK1648406SQ200410081590
公开日2005年8月3日 申请日期2004年12月22日 优先权日2004年12月22日
发明者刘建仪 申请人:西南石油学院