CN1066514C - 使用气举塞进行间歇采油的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
从井口到邻近产油区的地方设置两个生产套管，并在该地方设置一个构件以连通两个套管，使一个从井面释放的气举塞能沿一个套管下降并沿另一个上升，推动随之一起的所有管内的油。
该气举塞的移动是通过将高压气体注入气举塞所处的管道内而实现的。
Description
本发明涉及一种在采油井中促进油的人工提升的方法及设备。
本发明的目的是促进油井生产套管中积累的油的人工提升。
本发明使用了两个相互连接的生产套管，加上一个非常灵活的气举塞，后者的使用是移动生产套管内积聚的石油，将油推送至井面，从而减轻静压头施加在产油区上的静压力。
在一个油井完工之后，只有当油罐的压力足以克服生产套管中积聚的油的端部所施加的反压力时，油才会流出井面。
在油罐压力不足以克服这一反压力的情况下，就需要利用一些人工提升手段，以使油流出至井面。
这些方法中包括机械泵压系统，井下离心泵压系统以及连续空腔泵压系统。
所有这些系统的一个共同特点是它们需要某种能源的提供，以驱动通常位于产油区附近的泵压设备，这就导致需要使用一些用于提供能源的物质手段，它也许是一根为浸没的离心泵的发动机供电的电缆，或者是一排用于驱动地下泵或连续空腔泵的机械杆。所有这些系统的共同特点是它们包括大量的易出故障的组件。
一种广泛应用的方法是气压泵送法，即那些精通该行业的人所知的“气举法”；它基本是将气体注入生产套管和井壁间存在的环形空间。气体借助特殊的阀门注入生产套管以使油气化。这种气化减轻了油的比重，有利于油流出井面。
基本上有两种“气举”系统，分别称为“连续气举”和“间歇气举”。在“连续气举”中，如同它的名称所表明的，气体连续地注入环形空间，直到它达到井底的一个阀门，该阀门使气体能够进入生产套管的内部。
在“间歇气举”中，与前一方法相反，在某些时候，油井可以不用注入气体而工作。然后，气体在相当高的压力下注入环形空间。设置在“气举”杆上的特殊阀门使气体能够注入生产套管，达到将油压送至井面的效果。
除了一些优点以外，人工气举法有一些严重的缺陷，比如，气相和液相间的滑动，这是一种气体流出井面而油却留在井内的情况，油井常会出现这种现象，产生高度粘性的油。
另一个严重缺点是难以在定向井中应用这种技术，在这种井中，井的倾斜会利于气体隔离区的形成，这甚至会使该方法无法实施。作为油井的另一个特点，产油区的巨大深度也妨碍“气举”法的应用。
人工气升法的另一个严重缺点在于井底压力的增加又是一个采油的限制因素。
不过，另一个解决问题的办法是使用称为“柱塞提升”的方法，它基本是使用一种柱塞使生产套管内容纳的油上升。
气体注入到井底，使柱塞上升到井口。在上移过程中，柱塞推压聚集在套管内的油以使油流出。
虽然这种方法有好的效果，但它的一个重要不足是需要的柱塞到达最高位置时，关闭井面处的阀门，使得柱塞能再下降至井底，以开始一轮新的循环；这导致生产的中断并且使该方法的应用只局限于深度不大的井，因为在较深的井中，等待柱塞下降的时间会很长。
另外一种方法利用合成橡胶球使生产套管内积聚的油流出。这种被专家称为“球泵气举系统”的方法基本是使用一个直径与生产套管相同的、称为增压套管的第二套管。该第二套管用于使球体下降。两个套管在接近产油区的地方相互连通。
这种方法有一些缺点，主要的一点是球体有变粘或在套管内停止的危险。另一个缺点是由于该方法的效果基本取决于球体的密封性能，而考虑到球体的几何形状，它无法保证完美的密封。
另一个要考虑的问题是在短时间内就磨损掉的球体的高成本以及井面和地下的设施的复杂性。
本发明提出一种解决上述所有缺陷的方法和设备。
本发明的主题是一种使用气举塞的间歇采油的设备和方法。
本发明的第一个方面是一种使用气举塞的间歇采油设备，它主要包括：
两个生产套管，在一个壳体内部从井口延伸至井下的一个接头，与产油区相邻，所述接头将两个生产套管的下端连接到一个短采油管，短采油管向井下延伸并在底端配有一个单向阀；
一个气体源与两个生产套管相连，以供给高压气体，一个进气阀设置在每个生产套管和气体源之间，以便有选择地分别向两个生产套管供给高压气体；
一个调压罐，用于接纳位于靠近井口的石油；
每个生产套管的上端设有一个发射/接收装置，具有一个阀门，用于使一个气举塞输入到各自的生产套管内；
每个生产套管设有一个支路装置，连接一个上连接点和一个下连接点，用于在所述气举塞通过上连接点和下连接点之间时，平衡上游和下游的压力；
每个所述支路装置设有一个单向阀，使气流只能沿一个方向通过；
每个生产套管设有一个生产线，连接到一个出油管，出油管与所述调压罐相连；
每个生产套管的生产线设有一个生产阀，当阀开启时，使油流经生产套管流到调压罐；
一个气/液界面传感器设置在出油管上，用于探测当从每个生产套管流到调压罐的流出物主要是注入的气体时，控制各个进气阀的关闭和各个生产阀的开启。
本发明的第二个方面是一种通过上述设备使用气举塞的间歇采油方法，它包括以下步骤：
打开一个阀门，使所述气举塞输入到一个发射/接收装置中，并将气举塞置于所述上连接点和下连接点之间；
打开两个生产阀，同时保持两个进气阀关闭，使石油在两个生产套管内积聚；
在一个预定的时间间隔之后，关闭一个生产阀，同时打开相应的一个进气阀，使来自所述气体源的高压气体推动所述气举塞向下进入到一个生产套管中，通过所述接头，再向上通过所述至少两个生产套管中的另一个，从而使石油从所述两个生产套管移动到所述调压罐；
在所述气举塞通过所述另一个生产套管的下连接点之后，中断它的向上运动，使气流流过相应的支路装置，使位于所述另一个生产套管的上连接点和下连接点之间的所述气举塞的上游和下游的压力平衡；
使用所述气/液界面传感器探测出当流到所述调压罐的物流主要是注入的气体的准确时刻，从而控制起初开启的一个进气阀的关闭，以中断气流；
使用所述气/液界面传感器控制起初关闭的一个生产阀的开启，从而使所述气举塞沿一个相反的方向在所述两个生产套管中开始新的一轮循环运动。
现根据附图，对本发明进行详细描述。
图1a、1b和1c是一个完工的油井的示意图，油井配有使用已知的“球泵气举”法的设备。
图2示意地表示出如何在一个完工的油井中使用本发明主题的方法及设备，其中，在稍微高于产油区的位置处设有一个密封器。
图3示意地表示出本发明主题的方法及设备，其中，油井使用了一个位于产油区稍高处的密封器以及一条将气体排入环形空间的管道。
图4示意地表示出在一个不使用密封器的完工的油井中使用本发明主题的方法及设备的情况。
图5示意地表示出本发明主题的方法及设备在一个油井中的应用，其中，生产套管的底端在产油区的下方。
在描述本发明之前，先参照附图1a、1b和1c，它们示意地表示出“球泵气举”法的应用。
两个套管(41)和(42)具有相同的内径。套管(42)(称为注射套管)用于输入球体和注入气体。套管(41)(称为生产套管)用于排出开采的油以及球体的输出。
从图1a中可见，一个事先输入注射套管的球体(45)停留在靠近采油区的一个收敛段(43)处。
收敛段(43)和井面之间的注射套管(42)部分容纳有其压力足以使油上升的气体，但该压力还不足以使球体通过收敛段(43)。此时，由于位于井面的阀门(47)是打开的，生产套管(41)内的压力等于分离压力。
如图1b所示，在一给定时刻，气体注入阀(44)打开，使气体通入注射套管(42)并使阀门(47)关闭。
此时，位于井口的球体释放/接收装置(52)释放出另一个球体(46)；由于气流及其重力，球体进入注射套管(42)的内部，直到位于球体(45)的上方。
作用于球体(45)的压力继续增加，直到达到一个足够的数值，迫使球体通过收敛段(43)，并将它带向已积蓄了静压头(48)的拐弯段(49)。由于球体(45)通过了收敛段(43)，由后者所保存的气体体积最终也通过了收敛段(43)。
随后，如图1c所示，气体注入阀(44)关闭，使阀门(47)打开。通过注入阀(44)的打开而放入注射套管(42)的气体体积由于球体(46)阻止其通过收敛段(43)而被保存住。该注射套管(42)内保存的气体体积将担负起下个循环中油的提升。
与此同时，由于球体(45)通过收敛段(43)而被释放的气体的膨胀不断推动球体(45)，结果也推动静压头(48)，将其带至井面。
拐弯段(51)的设计使开采的油能够从终端(50)流出，并使球体(45)回到球体释放/接收装置(52)。
这种方法有一些缺陷，特别是，所涉及的设备高度复杂，球体的消耗很大且这些球有很大的被粘住的危险。
作为本说明书和权利要求的主题的本发明提出采用两个套管来提升石油，且两个套管在井底相互连通。这些套管可有不同的直径。
至少一个气举塞由气体压力推动，沿一个方向或者另一个方向，在两个套管内移动，使油流出到井面。
图2示出在一个完工的油井中使用本发明主题的方法的设备的布置，油井在产油区(2)的上方设有密封器(3)。
可以看见，两个生产套管(4，4A)从井口延伸至接头(8)，该接头负责生产套管和短的采油管(6)的相互连通。
在短的采油管(6)的底端，可以看见有一固定阀(7)。密封器(3)负责密封住环形空间(32)，该密封器(3)位于短管(6)上，其位置刚好在产油区(2)的上方。
由于使用两个生产套管，所以几种井面构件都成对地使用，这就是说，如果某一构件出现在与一个套管相连的一个部位上，则在与另一个套管相连的另一个部位上将有一个相同的构件，两个构件具有同样的功能。
这些共同的构件在本文中将以相同的参考号出现，它们中的一个总带有字母“A”，就像两个套管(4，4A)那样。这样，位于与套管(4A)相连的部位上并在与套管(4)相连的另一部位上具有其等同物的井面构件将用一个相同的数字加上字母“A”来表示。
仍然从图2可以看见两个带有各自阀门(14，14A)的发射/接收器(11，11A)，两个带有各自单向阀(20，20A)的支路(29，29A)，两个生产阀(15，15A)以及两个进气阀(18，18A)。
气体源(9)承担注入套管的高压气体的提供。生产套管开采的石油由出油管(21)送到调压罐(17)。在出油管(21)上还设有一个气/液界面传感器(26)，该传感器有几个相当重要的功能，在本文的叙述中将对其有清楚的了解。
作为本发明主题的方法的第一步是打开发射/接收装置(11或11A)的一个阀门(14或14A)，以便能使至少一个气举塞(10)输入到选定的发射/接收装置中，且该气举塞(10)必须定位于支路(29或29A)的点(12或12A)和点(13或13A)之间，如图2所示。
气举塞(10)的制造材料必须使其具有很大的灵活性，以便利于它在生产套管中的移动。
随后，打开生产阀(15)和(15A)，同时关闭进气阀(18)和(18A)。该步骤的目的是在生产套管(4)和(4A)中积累原油。
在前面的过程完成之后，释放气举塞(10)。为此，生产阀(15或15A)中的一个关闭而进气阀(18或18A)中的一个开启，它们必须是设置在气举塞(10)所输入的同一部分上的两个阀门。这样，如图2所示，在气举塞输入发射/接收装置(11)的情况下，必须关闭生产阀(15)并打开进气阀(18)。
由于来自气体源(9)的气体压力高于生产套管(4，4A)中存在的油的压力，气体推动气举塞(10)进入与气举塞事先输入的部分相连的生产套管的内部，在为支路(29或29A)上的单向阀(20或20A)挡住了气体的通过，使气流不能从该路径穿过。
在气体的推动下，气举塞(10)沿生产套管(4或4A)的整体下降，一直到接头(8)处；随即，它使得聚积在生产套管内的油端开始沿另一生产套管(4A或4)上升并移动至井面。出油管(21)引导冒出的石油从生产套管流入调压罐(17)。
气举塞(10)的上升运动在其通过点(13A或13)后将停止，因为刚好在这一时刻，气流开始流入支路(29A或29)，这导致气举塞(10)上游和下游的压力变得相同，因此气举塞(10)将停在发射/接收装置(11A或11)中，位于点(12A或12)和(13A或13)之间。
设置在出油管(21)上的一个气/液界面传感器(26)探测到流出的物质变为仅是注入的气体的准确时刻，在该时刻，该传感器控制了在操作开始时打开的进气阀(18或18A)的关闭，以此中断气流。
传感器(26)同样也可以使在操作开始阶段处于关闭状态的生产阀(15或15A)打开，以启动新的一轮的生产套管(4和4A)的填充循环。
当生产套管(4，4A)中油的总量达到足够的程度之后，可以开始新的一轮的气举塞(10)通过生产套管(4，4A)的循环，不过是沿相反的方向。在新的路径上，经过必要的变换，必须执行上述相同的操作，也就是说，如果刚才的路径上生产阀(15)被关闭，那么新的路径上，阀门(15A)必定要关闭，对于其它也是如此，以便使操作正常地进行。
如果想防止每次提升循环完成后生产套管(4，4A)中的残余气体产生一个会阻碍这些管道的填充的反压力，可利用一条排气管(31)，将出油管(21)与井的环形空间(32)相连通，以便将生产套管(4，4A)和出油管(21)内积聚的气体排入环形空间(32)，如同图3所示。
位于排气管(31)上并也由传感器(26)控制的一个排气控制阀(28)控制排向环形空间(32)的气流。一个单向阀(27)防止从调压罐(17)和出油管(21)到环形空间(32)的可能的回流。
图4示出在一个没有使用密封器的完工油井中的设备的配置；而图5示出一个产油区位于短采油管(6)的上方的油井的设备的配置，这样的位置关系有利于本发明方法的使用，因为由于液态物质是在产油区的下方聚积，所以减小了产油区内的反压力。
应该注意，本发明的应用不会由于井相对于垂直的倾斜而受影响，甚至在极端情况下，例如在定向井中也是如此。
本发明的不同实施例的展示旨在表明其应用的多样性。在图示的所有情况中，可以看到在实施该方法时所用设备的基本布置都是一样的。有必要强调的是，所有这些示例均具有通用的例证性特点，决不可看做是对本发明的限制。
为使本发明能良好地实施，重要的一点是气举塞(10)具有极大的灵活性，以便能沿着套管和井面设备容易地移动。
本实施过程中所使用的气举塞由低密度的聚氨脂泡沫材料制成，因为它的高度灵活性，所以被认为是最适当的材料。
但是，也可以用其它的材料，只要它们有所需的机械特性。因此，决不能认为低密度的聚氨脂泡沫材料的使用是对本发明的限制。
Claims (6)
1．一种使用气举塞(10)的间歇采油设备，它包括：
两个生产套管(4，4A)，在一个壳体(1)内部从井口延伸至井下的一个接头(8)，与产油区(2)相邻，所述接头将两个生产套管(4，4A)的下端连接到一个短采油管(6)，短采油管向井下延伸并在底端配有一个单向阀(7)；
一个气体源(9)与两个生产套管(4，4A)相连，以供给高压气体，一个进气阀(18，18A)设置在每个生产套管(4，4A)和气体源(9)之间，以便有选择地分别向两个生产套管(4，4A)供给高压气体；
一个调压罐(7)，用于接纳位于靠近井口的石油；
每个生产套管(4，4A)的上端设有一个发射/接收装置(11，11A)，具有一个阀门(14，14A)，用于使一个气举塞(10)输入到各自的生产套管(4，4A)内；
每个生产套管(4，4A)设有一个支路装置(29，29A)，连接一个上连接点(12，12A)和一个下连接点(13，13A)，用于在所述气举塞(10)通过上连接点和下连接点之间时，平衡上游和下游的压力；
每个所述支路装置(29，29A)设有一个单向阀(20，20A)，使气流只能沿一个方向通过；
每个生产套管(4，4A)设有一个生产线，连接到一个出油管(21)，出油管与所述调压罐(17)相连；
每个生产套管(4，4A)的生产线设有一个生产阀(15，15A)，当阀开启时，使油流经生产套管流到调压罐(17)；
一个气/液界面传感器(26)设置在出油管(21)上，用于探测当从每个生产套管(4，4A)流到调压罐(17)的流出物主要是注入的气体时，控制各个进气阀(18，18A)的关闭和各个生产阀(15，15A)的开启。
2．根据权利要求1所述的设备，其特征在于，它还包括一个密封装置(3)，位于所述产油区(2)上方的短采油管(6)的一个下端部分上，用于密封在两个生产套管(4，4A)和所述壳体(1)之间的一个环形空间(32)。
3．根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述产油区(2)位于所述短采油管(6)的上方。
4．根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，它还包括：
一个排气管(31)，将所述出油管(21)与所述环形空间(32)相连；
一个排气控制阀(28)，设置在所述排气管(31)上并由所述气/液界面传感器(26)控制，以控制气流向环形空间(32)的排放，
一个单向阀(27)，设置在所述出油管(21)上，位于所述调压罐(17)与所述排气管(31)和所述出油管(21)的连接点之间，以防止油从调压罐(17)到环形空间(32)的回流。
5．一种在一个设备中使用气举塞(10)的间歇采油的方法，所述设备包括：
两个生产套管(4，4A)，在一个壳体(1)内部从井口延伸至井下的一个接头(8)，与产油区(2)相邻，所述接头(8)将两个生产套管(4，4A)的下端连接到一个短采油管(6)，短采油管向井下延伸；
每个生产套管(4，4A)的上端设有一个发射/接收装置(11，11A)，具有一个阀门(14，14A)，用于使一个气举塞(10)输入到所述生产套管(4，4A)内；
一个气体源(9)与两个生产套管(4，4A)相连，以供给高压气体；
一个进气阀(18，18A)设置在每个生产套管(4，4A)和气体源(9)之间，以便有选择地分别向两个生产套管(4，4A)供给高压气体；
一个调压罐(17)，用于接纳位于靠近井口的石油；
每个生产套管(4，4A)设有一个生产线，具有一个生产阀(15，15A)，连接到一个出油管(21)，出油管连接到所述调压罐；
每个生产套管(4，4A)设有一个支路装置(29，29A)，连接一个上连接点(12，12A)和一个下连接点(13，13A)，用于在所述气举塞通过上、下连接点之间时，平衡上游和下游的压力；
每个支路装置(29，29A)设有一个单向阀(20，20A)，使气流只能沿一个方向通过，一个气/液界面传感器(26)设置在出油管(21)上；
所述方法包括以下步骤：
打开一个阀门(14，14A)，使所述气举塞(10)输入到一个发射/接收装置(11，11A)中，并将气举塞置于所述上连接点(12，12A)和下连接点(13，13A)之间；
打开两个生产阀(15，15A)，同时保持两个进气阀(18，18A)关闭，使石油在两个生产套管(4，4A)内积聚；
在一个预定的时间间隔之后，关闭一个生产阀(15，15A)，同时打开相应的一个进气阀(18，18A)，使来自所述气体源(9)的高压气体推动所述气举塞(10)向下进入到一个生产套管(4，4A)中，通过所述接头(8)，再向上通过所述至少两个生产套管中的另一个(4A，4)，从而使石油从所述两个生产套管(4，4A)移动到所述调压罐(17)；
在所述气举塞(10)通过所述另一个生产套管(4A，4)的下连接点(13A，13)之后，中断它的向上运动，使气流流过相应的支路装置(29A，29)，使位于所述另一个生产套管(4A，4)的上连接点(12A，12)和下连接点(13A，13)之间的所述气举塞(10)的上游和下游的压力平衡；
使用所述气/液界面传感器(26)探测出当流到所述调压罐(17)的物流主要是注入的气体的准确时刻，从而控制起初开启的一个进气阀(18，18A)的关闭，以中断气流；
使用所述气/液界面传感器(26)控制起初关闭的一个生产阀(15，15A)的开启，从而使所述气举塞(10)沿一个相反的方向在所述两个生产套管(4A，4)中开始新的一轮循环运动。
6．根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
使用所述气/液界面传感器(26)控制设置在一个排气管(31)上的一个排气控制阀(28)，使得在气举塞的流通循环结束后，存在于所述两个生产套管(4A，4)和所述排气管(31)内的气体可以排入所述两个生产套管(4，4A)和壳体(1)之间的环形空间(32)；
在所述排气管(31)上设置一个单向阀(28)，以防止油从所述调压罐(17)流回所述环形空间(32)。
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