CN115977568B - 一种二氧化碳驱采油井口防气窜装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳驱采油井口防气窜装置，包括：采油树主管，密封设置于采油井口上；油管出口管，设置于采油树主管的一侧，且油管出口管与采油树主管相对的一端连通原油收集端；气管出口管，设置于采油树主管的另一侧，且气管出口管与采油树主管相对的一端连通二氧化碳安全泄放出口；油管出口管上设置有第一自动截断阀，气管出口管上设置有第一压力控制阀；待定出口管，设置于采油树主管的上端，且待定出口管连通气窜判定室，气窜判定室内设置有二氧化碳浓度检测装置；待定出口管上设置有第二压力控制阀以及第二自动截断阀，且第二自动截断阀位于第二压力控制阀的上游；控制系统，能够接收第一压力控制阀以及第二压力控制阀打开时的反馈信号，且能够指令第一自动截断阀以及第二自动截断阀打开或关闭。

Description

一种二氧化碳驱采油井口防气窜装置及方法

技术领域

本发明涉及二氧化碳驱封窜体系和二氧化碳驱油的技术领域，特别涉及一种二氧化碳驱采油井口防气窜装置及方法。

背景技术

二氧化碳驱已逐渐成为一种成熟的开采方法，目前应用于各个油田，增油效果明显。

在注入二氧化碳驱油时，二氧化碳与地层水及地层原油性质的差异，以及地层条件等复杂因素，例如孔隙度大小不均、裂缝的存在、砂体大小等，容易造成优势通道的气窜。因此，注入二氧化碳驱油势必要考虑预防以及治理气窜。

对于气窜的治理，首先考虑的是通过注入封堵体系来对气窜流通道封堵，以此来抑制气窜。但在实践中，气窜不可避免的会发展到井口，此时，需要井口装置来对气窜进行安全泄放。

现有技术中，采油树主管分支有原油及伴生气支管以及气窜安全泄放支管，原油及伴生气支管以及气窜安全泄放支管上均设置阀门，并且在采油树主管内设置压力传感器，根据压力传感器采集到的压力值是否达到阈值来选择打开原油及伴生气支管阀门或气窜安全泄放支管阀门，从而实现井口气窜超压自动泄放功能。

然而，实际二氧化碳驱采油过程中，随着采油过程的进行，判断进口是否发生气窜的阈值是会产生变化的，这就导致采油树主管内压力传感器采集的流体压力小于预先规定的阈值时，也有可能发生二氧化碳气窜，这无疑带来了极大的安全隐患。

发明内容

为了解决背景技术中的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种二氧化碳驱采油井口防气窜装置，包括：

采油树主管，呈竖直状，且密封设置于采油井口上；

油管出口管，设置于采油树主管的一侧，且油管出口管与采油树主管相对的一端连通原油收集端；

气管出口管，设置于采油树主管的另一侧，且气管出口管与采油树主管相对的一端连通二氧化碳安全泄放出口；

其中，油管出口管上设置有第一自动截断阀，气管出口管上设置有第一压力控制阀；

还包括：

待定出口管，设置于采油树主管的上端，且待定出口管连通气窜判定室，气窜判定室内设置有二氧化碳浓度检测装置；

其中，待定出口管上设置有第二压力控制阀以及第二自动截断阀，且第二自动截断阀位于第二压力控制阀的上游；

控制系统，能够接收第一压力控制阀以及第二压力控制阀打开时的反馈信号，且能够指令第一自动截断阀以及第二自动截断阀打开或关闭。

进一步的，气窜判定室上设置有第一排出端和第二排出端，第一排出端通过原油中间管连通原油收集端，第二排出端通过气窜中间管连通二氧化碳安全泄放出口；

原油中间管上设置有第三自动截断阀，气窜中间管设置有第四自动截断阀；

其中，控制系统能够接收二氧化碳浓度检测装置对气窜判定室内流体进行判断的结果，且能够指令第三自动截断阀以及第四自动截断阀打开或关闭。

进一步的，初始状态下，第一自动截断阀、第二自动截断阀以及第三自动截断阀处于打开状态，第四自动截断阀处于关闭状态，第一压力控制阀8以及第二压力控制阀处于自然关闭状态；

其中，设定P≥P_high时，第一压力控制阀自动打开；P≥P_low时，第二压力控制阀自动打开；

式中，P为采油树主管内流体的压力，P_high为试验确定的发生气窜的阈值，P_low为试验确定的未发生气窜的阈值。

进一步的，若P<P_low，维持所述初始状态；

若P_low≤P<P_high，第二压力控制阀自动打开并将打开信号发送给控制系统，控制系统指令第一自动截断阀以及第三自动截断阀关闭，流体通过待定出口管流入气窜判定室，并通过二氧化碳浓度检测装置判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统：

如果判断未发生气窜，则控制系统指令第三自动截断阀打开，第四自动截断阀维持关闭；

如果判断发生气窜，则控制系统指令第四自动截断阀打开，第三自动截断阀维持关闭；

若P≥P_high，第一压力控制阀自动打开并将打开信号发送给控制系统，控制系统指令第一自动截断阀以及第二自动截断阀关闭。

进一步的，油管出口管与采油树主管相对的一端连通气窜判定室；

第一自动截断阀配置有压力表，且压力信号能够反馈给控制系统。

进一步的，第二压力控制阀配置有压力表，且压力信号能够反馈给控制系统；

其中，将区间[P_low，P_high)均匀划分为n个子区间[P₀，P₁)、[P₁，P₂)、……、[P_i，P_i+1)、……、[P_n-1，P_n)；

式中，P₀＝P_low，P_n＝P_high，i＝1,2,……,n；

若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为发生气窜，则控制系统调整第一压力控制阀的自动打开条件为P_i；

若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为未发生气窜，则控制系统暂不调整第二压力控制阀自动打开的条件，且控制系统记录下此次时未发生气窜，一旦控制系统记录[P_i，P_i+1)内的压力值连续超过m次为非气窜，则调整第二压力控制阀的自动打开条件为P_i+1。

进一步的，第一压力控制阀与第二压力控制阀均包括阀体、固定安装于阀体上端的阀连接座、以及固定安装于阀连接座上端的阀安装座；

阀体内固定安装有阀芯，且阀芯将阀体内空腔分隔为流入通道和流出通道；阀芯为中空配置，且阀芯外壁配置有与流入通道匹配的流入口以及与流出通道匹配的流出口；阀芯内可移动地设置有阀芯堵头；

阀芯堵头的上端固定安装有阀杆，阀杆贯穿阀连接座和阀安装座，且阀杆可相对阀连接座和阀安装座上下滑动；

其中，阀杆的外侧固定套设有下抵接座，阀杆的外侧套设有螺旋弹簧，且螺旋弹簧的下端抵接所述下抵接座的上端面，螺旋弹簧的上端抵接阀安装座；

阀杆的外侧还固定套设有上抵接座，阀杆的外侧设置有磁流变弹簧，且磁流变弹簧的下端抵接所述上抵接座的上端面，磁流变弹簧的上端抵接安装座。

一种二氧化碳驱采油井口防气窜方法，使用上述的二氧化碳驱采油井口防气窜装置，包括如下步骤：

S1、通过前期试验确定：

P<P_low时，井口未发生气窜；

P≥P_high时，井口发生气窜，且P_high>P_low；

其中，P为采油树主管内流体的压力；

S2、初始状态下，设定第一自动截断阀、第二自动截断阀以及第三自动截断阀处于打开状态，第四自动截断阀处于关闭状态，第一压力控制阀以及第二压力控制阀处于自然关闭状态；

其中，设定P≥P_high时，第一压力控制阀自动打开；P≥P_low时，第二压力控制阀自动打开；

S3、若P<P_low，维持初始状态；

S4、若P_low≤P<P_high，第二压力控制阀自动打开并将打开信号发送给控制系统，控制系统指令第一自动截断阀以及第三自动截断阀关闭，流体通过待定出口管流入气窜判定室，并通过二氧化碳浓度检测装置判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统：

如果判断未发生气窜，则控制系统指令第三自动截断阀打开，第四自动截断阀维持关闭；

如果判断发生气窜，则控制系统指令第四自动截断阀打开，第三自动截断阀维持关闭；

S5、若P≥P_high，第一压力控制阀自动打开并将打开信号发送给控制系统，控制系统指令第一自动截断阀以及第二自动截断阀关闭。

进一步的，所述S3中，若P<P_low：

S31、维持初始状态；

S32、第一自动截断阀将油管出口管内的流体压力实时反馈给控制系统，流体通过油管出口管流入气窜判定室，并通过二氧化碳浓度检测装置判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统：

如果判断未发生气窜，则不改变初始状态；

如果判断发生气窜，则控制系统指令第四自动截断阀打开，第三自动截断阀维持关闭，并且，控制系统根据此次气窜时第一自动截断阀反馈的压力值来调整P_low值。

进一步的，所述S4中，若P_low≤P<P_high：

S41、第二压力控制阀自动打开并将打开信号发送给控制系统，控制系统指令第一自动截断阀以及第三自动截断阀关闭，流体通过待定出口管流入气窜判定室，并通过二氧化碳浓度检测装置判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统；

S42、第二压力控制阀将待定出口管内的流体压力值P实时反馈给控制系统；

S43、将区间[P_low，P_high)均匀划分为n个子区间[P₀，P₁)、[P₁，P₂)、……、[P_i，P_i+1)、……、[P_n-1，P_n)；

式中，P₀＝P_low，P_n＝P_high，i＝1,2,……,n；

S44、若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为发生气窜，则控制系统指令第四自动截断阀打开，第三自动截断阀维持关闭，并且调整第一压力控制阀的自动打开条件为P_i；

S45、若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为未发生气窜，则控制系统指令第三自动截断阀打开，第四自动截断阀维持关闭，并且，暂不调整第二压力控制阀自动打开的条件，控制系统记录下此次时未发生气窜，一旦控制系统记录[P_i，P_i+1)内的压力值连续超过m次为非气窜，则调整第二压力控制阀的自动打开条件为P_i+1。

本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：

通过设置待定出口管、气窜判定室以及第二压力控制阀等结构，提出了一种采油树主管内流体压力的中间状态区间[P_low，P_high)，对压力值在该区间内的流体进行判断来确定是否发生气窜，既能完全排除井口气窜二氧化碳气体对于原油收集设备的破坏，同时又能尽可能地避免原油和伴生气错误的进入安全泄放出口，既保证了安全性又提升了经济性。

本发明的二氧化碳驱采油井口防气窜装置，具有自我学习、自我修复的功能，对于P_high值、P_low值的确定更精确，使得防气窜装置更安全、高效。

油管出口管与采油树主管相对的一端也同样连通气窜判定室，以便于对油管出口管内的流体进行实时监测，一旦出现小于P_low值判定为气窜，则对P_low值进行调整，既能对油管出口管内的流体进行实时监测，以提高装置整体安全浴度，又能使装置具有自我修复能力，提升了经济性。

对于区间[P_i，P_i+1)内的压力值，只要第一次判定为气窜事件，就要调整第一压力控制阀的自动打开条件，确保发生井口气窜时；同时，若区间[P_i，P_i+1)内的压力值连续多次判定为非气窜，则调整第二压力控制阀的自动打开条件，缩短了需要判断的区间，提升了装置的效率和经济性。

通过磁流变弹簧与机械弹簧配合使用，不仅能根据实际情况控制压力控制阀的弹簧组合的刚度，从而实现压力控制阀能够根据实际情况调整各自自动打开时所匹配的压力值；而且还能保证阀杆以及阀芯堵头的最大行程，提高了压力控制阀打开时的通过性。

两片相邻磁流变弹性体之间设有一片的软铁片用以增强磁路中的磁导，提高磁流变弹性体周围的磁场强度，扩展了磁流变弹簧的弹性系数的变化范围。

附图说明

图1为装置整体结构图；

图2为装置另一视角整体结构图；

图3为压力控制阀结构图；

图4为压力控制阀剖视图；

图5为阀芯结构图；

图6为图4中A处局部放大图；

图7为图4中B处局部放大图；

图8为装置控制系统示意图，图中带箭头的实线代表流体的流动方向，虚线代表控制关系。

具体实施方式

以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本实施方式提供了一种二氧化碳驱采油井口防气窜装置，包括密封设置于采油井口1上的竖直状的采油树主管2，采油树主管2的一侧设置有油管出口管3，且油管出口管3与采油树主管2相对的一端连通原油收集端4，采油树主管2的另一侧设置有气管出口管5，且气管出口管5与采油树主管2相对的一端连通二氧化碳安全泄放出口6。

可以理解的是，采油井口未发生二氧化碳气窜时，原油以及伴生气由油管出口管3输送至原油收集端4，采油井口发生二氧化碳气窜时，二氧化碳气体由气管出口管5输送至二氧化碳安全泄放出口6。

其中，油管出口管3上设置有第一自动截断阀7，气管出口管5上设置有第一压力控制阀8。

由此，采油井口未发生二氧化碳气窜时，伴生气的气压较小，尚未达到第一压力控制阀8自动打开的状态，第一自动截断阀7初始处于打开状态，原油以及伴生气由油管出口管3输送至原油收集端4；采油井口发生二氧化碳气窜时，大量的二氧化碳气体导致气压升高，二氧化碳气体冲开第一压力控制阀8进入气管出口管5，二氧化碳气体由气管出口管5输送至二氧化碳安全泄放出口6。

值得注意的是，第一压力控制阀8打开会反馈信号至控制系统100，控制系统100进而会指令第一自动截断阀7关闭，以保证二氧化碳气体不会进入油管出口管3。

可以理解的是，第一压力控制阀8的打开应该预先匹配一个压力值(为便于表述，以下称为第一压力值)，当采油树主管2内压力大于该第一压力值时，第一压力控制阀8才会自动打开。该第一压力值可以根据前期试验来确定。

然而，申请人在一定量的试验以及实际的实践中发现，试验中测定的上述第一压力值与实践中会有差异，而且实践中，该第一压力值也会随着客观条件的变化而变化，这就导致采油树主管2内流体压力小于该第一压力值时，也有可能发生二氧化碳气窜。

为了解决上述问题，本实施方式中，采油树主管2的上端还设置有待定出口管9，且待定出口管9连通气窜判定室10，气窜判定室10内设置有二氧化碳浓度检测装置11，以判断进入气窜判定室10内的流体是正常的原油+伴生气还是二氧化碳气窜。

其中，待定出口管9上设置有第二压力控制阀12。

由此，采油树主管2内压力超过一定的值(称为第二压力值)而又未达到第一压力值时，流体冲开第二压力控制阀12，进入待定出口管9以及气窜判定室10，由二氧化碳浓度检测装置11对流体进行判别后再判定该流体的流向。

值得注意的是，第二压力控制阀12打开时，也会反馈信号至控制系统100，控制系统100进而会指令第一自动截断阀7关闭，以杜绝二氧化碳气体进入油管出口管3。

可以理解，第二压力控制阀12打开的第二压力值明显小于第一压力控制阀8打开的第一压力值。为了进一步便于表述，第一压力控制阀8自动打开的压力值为P_high，第二压力控制阀12自动打开的压力值为P_low，采油树主管2内的压力为P。

即，初始状态下，第一自动截断阀7打开，第一压力控制阀8与第二压力控制阀12自然关闭，P小于P_low时，维持初始状态；P大于等于P_low，而又小于P_high时，第二压力控制阀12自动打开，第一自动截断阀7关闭，第一压力控制阀8自然关闭。

特别说明的是，P大于P_high时，第一压力控制阀8自动打开，第一自动截断阀7关闭，第二压力控制阀12也应处于关闭状态。

因此，待定出口管9上还设置有第二自动截断阀13，且第二自动截断阀13位于第二压力控制阀12的上游，第二自动截断阀13初始为打开状态。

进而，第一压力控制阀8打开会反馈信号至控制系统100，控制系统100进而会指令第一自动截断阀7和第二自动截断阀13均关闭，以保证二氧化碳气体全部进入气管出口管5。

由此，P<P_low，维持初始状态；P_low≤P<P_high，第二压力控制阀12自动打开，第一自动截断阀7关闭，第一压力控制阀8自然关闭；P≥P_high时，第一压力控制阀8自动打开，第一自动截断阀7和第二自动截断阀13均关闭。

还需说明的是，对气窜判定室10内流体进行判别后，若判定为正常原油和伴生气，则流体应该流向原油收集端4，否则，流体应该流向二氧化碳安全泄放出口6。

具体的，气窜判定室10上设置有两个流体排出端口，分别记为第一排出端和第二排出端；其中，第一排出端通过原油中间管14连通原油收集端4，第二排出端通过气窜中间管15连通二氧化碳安全泄放出口6；

其中，原油中间管14上设置有第三自动截断阀16，气窜中间管15设置有第四自动截断阀17。

可以理解的是，二氧化碳浓度检测装置11对气窜判定室10内流体进行判别并将判别结果反馈至控制系统100，若判定为正常原油和伴生气，则控制系统100指令第三自动截断阀16打开，第四自动截断阀17关闭，流体流向原油收集端4；反之，控制系统100指令第三自动截断阀16关闭，第四自动截断阀17打开，流体流向二氧化碳安全泄放出口6。

至此，总结本实施方式中二氧化碳驱采油井口防气窜方法如下：

初始状态下，第一自动截断阀7、第二自动截断阀13以及第三自动截断阀16处于打开状态，第四自动截断阀17处于关闭状态，第一压力控制阀8以及第二压力控制阀12处于自然关闭状态；其中，第一压力控制阀8自动打开的条件是压力值超过P_high，第二压力控制阀12自动打开的条件是压力值超过P_low；

若P<P_low，维持初始状态；原油和伴生气依次通过油管出口管3、气窜判定室10以及原油中间管14流向原油收集端4；

若P_low≤P<P_high，第二压力控制阀12自动打开并将打开信号发送给控制系统100，控制系统100指令第一自动截断阀7以及第三自动截断阀16关闭，流体通过待定出口管9流入气窜判定室10，并通过二氧化碳浓度检测装置11判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统100；若进一步判断流体为正常原油和伴生气，则控制系统100指令第三自动截断阀16打开，第四自动截断阀17维持关闭，流体流向原油收集端4；反之，控制系统100指令第四自动截断阀17打开，第三自动截断阀16维持关闭，流体流向二氧化碳安全泄放出口6；

若P≥P_high，第一压力控制阀8自动打开并将打开信号发送给控制系统100，控制系统100指令第一自动截断阀7以及第二自动截断阀13关闭，流体通过气管出口管5流向二氧化碳安全泄放出口6。

本实施方式的二氧化碳驱采油井口防气窜装置，通过设置待定出口管9、气窜判定室10以及第二压力控制阀12等结构，既能完全排除井口气窜二氧化碳气体对于原油收集设备的破坏，同时又能尽可能地避免原油和伴生气错误的进入安全泄放出口，既保证了安全性又提升了经济性。

可以理解的是，由于井口发生气窜所匹配的压力值会随着工况变化，即使P<P_low时，也不能完全保证没有发生气窜。

因此，本实施方式中，油管出口管3与采油树主管2相对的一端也同样连通气窜判定室10，以便于对油管出口管3内的流体进行实时监测，一旦出现小于P_low值判定为气窜，则对P_low值进行调整，即调节第二压力控制阀12自动打开的压力值。

通过上述设置，既能对油管出口管3内的流体进行实时监测，以提高装置整体安全浴度，又能使装置具有自我修复能力，提升了经济性。

进一步的，第一自动截断阀7配置有压力表，且压力信号能够反馈给控制系统100。从而，当发生油管出口管3内的流体为气窜流体时，控制系统100能够根据该状况下流体的压力值来对P_low值进行调整。

同样的，井口发生气窜所匹配的压力值会随着工况变化，为了进一步提升装置的安全性以及效能，对于P_low≤P<P_high这一状态也需要调整。

本实施方式中，将区间[P_low，P_high)均匀划分为n个子区间[P₀，P₁)、[P₁，P₂)、……、[P_i，P_i+1)、……、[P_n-1，P_n)；

其中，P₀＝P_low，P_n＝P_high，且明显的，(P_high-P_low)/n＝P_i+1-P_i，i＝1,2,……,n。

若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为气窜，则调整第一压力控制阀8的自动打开条件为P_i，即P_low保持不变，P_high调整为P_i；若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为非气窜，则暂不调整第二压力控制阀12自动打开的条件，并且控制系统100记录下此次时未发生气窜，一旦控制系统100记录[P_i，P_i+1)内的压力值连续超过m次为非气窜，则调整第二压力控制阀12的自动打开条件为P_i+1，即P_high保持不变，P_low调整为P_i+1。

由此，对于区间[P_i，P_i+1)内的压力值，只要第一次判定为气窜事件，就要调整第一压力控制阀8的自动打开条件，确保发生井口气窜时，流体通过进入第一压力控制阀8流向二氧化碳安全泄放出口6。同时，若区间[P_i，P_i+1)内的压力值连续多次判定为非气窜，则调整第二压力控制阀12的自动打开条件，缩短了需要判断的区间，提升了装置的效率和经济性。

通过以上设置，本实施方式的二氧化碳驱采油井口防气窜装置，具有自我学习、自我修复的功能，对于P_high值、P_low值的确定更精确，使得防气窜装置更安全、高效。

进一步的，第二压力控制阀12同样也需要配置压力表，且压力信号能够反馈给控制系统100。从而，控制系统100能够记录每次流入待定出口管9内流体的压力值，进而控制系统100能够根据上述情况来对P_high值、P_low值进行调整。

本实施方式中，第一压力控制阀8与第二压力控制阀12结构基本相同。具体的，第一压力控制阀8与第二压力控制阀12均包括阀体200、固定安装于阀体200上端的阀连接座210、以及固定安装于阀连接座210上端的阀安装座220。

阀体200内固定安装有阀芯230，且阀芯230将阀体200内空腔分隔为流入通道201和流出通道202；阀芯230为中空234配置，且阀芯230外壁配置有与流入通道201匹配的流入口231以及与流出通道202匹配的流出口232；阀芯230内可移动地设置有阀芯堵头233，以便将流入口231封闭或打开。

更具体的，阀芯堵头233的上端固定安装有阀杆240，阀杆240贯穿阀连接座210和阀安装座220，且阀杆240可相对阀连接座210和阀安装座220上下滑动；阀连接座210的上端开设有安装槽211，阀杆240的外侧固定套设有下抵接座241，且下抵接座241位于安装槽211内；阀杆240的外侧套设有螺旋弹簧242，且螺旋弹簧242的下端抵接所述下抵接座241的上端面，螺旋弹簧242的上端抵接阀安装座220的下端面。

由此，初始状态时，在螺旋弹簧242的作用下，阀杆240以及阀芯堵头233均有向下运动的趋势，以将流入口231封闭；相应的，流入通道201内的流体压力会给阀芯堵头233以及阀杆240向上运动的趋势，若流体压力超过螺旋弹簧242的弹力，则阀芯堵头233向上运动以将流入口231打开。

本实施方式中，阀杆240的外侧还固定套设有上抵接座243，且上抵接座243位于阀安装座220内；阀安装座220的上端固定设置有顶部固定座221，且阀杆240贯穿所述顶部固定座221；

其中，阀杆240的外侧还设置有磁流变弹簧250，且磁流变弹簧250的下端抵接所述上抵接座243的上端面，磁流变弹簧250的上端抵接顶部固定座221的下端面。

由此，在磁流变弹簧250的作用下，阀杆240以及阀芯堵头233均有向下运动的趋势，以将流入口231封闭；相应的，流入通道201内的流体压力会给阀芯堵头233以及阀杆240向上运动的趋势，若流体压力超过磁流变弹簧250的弹力，则阀芯堵头233向上运动以将流入口231打开。

可以理解的是，磁流变弹簧250的弹性系数可以调整以实现主动控制，从而实现了第一压力控制阀8与第二压力控制阀12能够根据实际情况调整各自自动打开时所匹配的压力值。

本实施方式通过磁流变弹簧250与机械弹簧242配合使用，不仅能根据实际情况控制压力控制阀8、12的弹簧组合的刚度，从而实现压力控制阀8、12能够根据实际情况调整各自自动打开时所匹配的压力值；而且还能保证阀杆240以及阀芯堵头233的最大行程，提高了压力控制阀8、12打开时的通过性。

具体的，磁流变弹簧250包括线圈支架251、励磁线圈252、磁流变弹性体253以及软铁片254，线圈支架251固定安装于阀安装座220的内周面，且套设于顶部固定座221及上抵接座243的外侧，线圈支架251上缠绕着励磁线圈3；顶部固定座221和上抵接座243之间设有若干片磁流变弹性体253，且磁流变弹性体253位于励磁线圈252中部，磁流变弹性体253的高度小于励磁线圈252的高度；两片相邻磁流变弹性体253之间设置有一片软铁片254，且磁流变弹性体253及软铁片254均为环状，套接在阀杆240的外侧。

可以理解的是，顶部固定座221、上抵接座243和阀安装座220均为导电金属材质，顶部固定座221、上抵接座243、阀安装座220以及磁流变弹性体253和软铁片254构成了一个闭合的磁路。

通过以上设置，两片相邻磁流变弹性体253之间设有一片的软铁片254用以增强磁路中的磁导，提高磁流变弹性体253周围的磁场强度，扩展了磁流变弹簧250的弹性系数的变化范围，调节励磁线圈252中的电流，即可以改变磁流变弹性体253的弹性系数，实现压力控制阀8、12能够根据实际情况调整各自自动打开时所匹配的压力值。

本实施方式还提供了一种二氧化碳驱采油井口防气窜方法，包括如下步骤：

S1、通过前期试验确定：

P<P_low时，井口未发生气窜；

P≥P_high时，井口发生气窜，且P_high>P_low；

其中，P为采油树主管2内流体的压力；

S2、初始状态下，设定第一自动截断阀7、第二自动截断阀13以及第三自动截断阀16处于打开状态，第四自动截断阀17处于关闭状态，第一压力控制阀8以及第二压力控制阀12处于自然关闭状态；

其中，设定P≥P_high时，第一压力控制阀8自动打开；P≥P_low时，第二压力控制阀12自动打开；

S3、若P<P_low，维持初始状态；

S4、若P_low≤P<P_high，第二压力控制阀12自动打开并将打开信号发送给控制系统100，控制系统100指令第一自动截断阀7以及第三自动截断阀16关闭，流体通过待定出口管9流入气窜判定室10，并通过二氧化碳浓度检测装置11判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统100：

如果判断未发生气窜，则控制系统100指令第三自动截断阀16打开，第四自动截断阀17维持关闭；

如果判断发生气窜，则控制系统100指令第四自动截断阀17打开，第三自动截断阀16维持关闭；

S5、若P≥P_high，第一压力控制阀8自动打开并将打开信号发送给控制系统100，控制系统100指令第一自动截断阀7以及第二自动截断阀13关闭。

进一步的，上述S3中，若P<P_low：

S31、维持初始状态；

S32、第一自动截断阀7将油管出口管3内的流体压力实时反馈给控制系统100，流体通过油管出口管3流入气窜判定室10，并通过二氧化碳浓度检测装置11判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统100：

如果判断未发生气窜，则不改变初始状态；

如果判断发生气窜，则控制系统100指令第四自动截断阀17打开，第三自动截断阀16维持关闭，并且，控制系统100根据此次气窜时第一自动截断阀7反馈的压力值来调整P_low值。

进一步的，上述S4中，若P_low≤P<P_high：

S41、第二压力控制阀12自动打开并将打开信号发送给控制系统100，控制系统100指令第一自动截断阀7以及第三自动截断阀16关闭，流体通过待定出口管9流入气窜判定室10，并通过二氧化碳浓度检测装置11判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统100；

S42、第二压力控制阀12将待定出口管9内的流体压力值P实时反馈给控制系统100；

S43、将区间[P_low，P_high)均匀划分为n个子区间[P₀，P₁)、[P₁，P₂)、……、[P_i，P_i+1)、……、[P_n-1，P_n)；

其中，P₀＝P_low，P_n＝P_high，i＝1,2,……,n；

S44、若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为发生气窜，则控制系统100指令第四自动截断阀17打开，第三自动截断阀16维持关闭，并且调整第一压力控制阀8的自动打开条件为P_i；

S45、若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为未发生气窜，则控制系统100指令第三自动截断阀16打开，第四自动截断阀17维持关闭，并且，暂不调整第二压力控制阀12自动打开的条件，控制系统100记录下此次时未发生气窜，一旦控制系统100记录[P_i，P_i+1)内的压力值连续超过m次为非气窜，则调整第二压力控制阀12的自动打开条件为P_i+1。

以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种二氧化碳驱采油井口防气窜装置，包括：

采油树主管，呈竖直状，且密封设置于采油井口上；

油管出口管，设置于采油树主管的一侧，且油管出口管与采油树主管相对的一端连通原油收集端；

气管出口管，设置于采油树主管的另一侧，且气管出口管与采油树主管相对的一端连通二氧化碳安全泄放出口；

其中，油管出口管上设置有第一自动截断阀，气管出口管上设置有第一压力控制阀；

其特征在于，还包括：

待定出口管，设置于采油树主管的上端，且待定出口管连通气窜判定室，气窜判定室内设置有二氧化碳浓度检测装置；

其中，待定出口管上设置有第二压力控制阀以及第二自动截断阀，且第二自动截断阀位于第二压力控制阀的上游；

控制系统，能够接收第一压力控制阀以及第二压力控制阀打开时的反馈信号，且能够指令第一自动截断阀以及第二自动截断阀打开或关闭；

气窜判定室上设置有第一排出端和第二排出端，第一排出端通过原油中间管连通原油收集端，第二排出端通过气窜中间管连通二氧化碳安全泄放出口；

原油中间管上设置有第三自动截断阀，气窜中间管设置有第四自动截断阀；

其中，控制系统能够接收二氧化碳浓度检测装置对气窜判定室内流体进行判断的结果，且能够指令第三自动截断阀以及第四自动截断阀打开或关闭；

第一压力控制阀与第二压力控制阀均包括阀体、固定安装于阀体上端的阀连接座、以及固定安装于阀连接座上端的阀安装座；

阀体内固定安装有阀芯，且阀芯将阀体内空腔分隔为流入通道和流出通道；阀芯为中空配置，且阀芯外壁配置有与流入通道匹配的流入口以及与流出通道匹配的流出口；阀芯内可移动地设置有阀芯堵头；

阀芯堵头的上端固定安装有阀杆，阀杆贯穿阀连接座和阀安装座，且阀杆可相对阀连接座和阀安装座上下滑动；

其中，阀杆的外侧固定套设有下抵接座，阀杆的外侧套设有螺旋弹簧，且螺旋弹簧的下端抵接所述下抵接座的上端面，螺旋弹簧的上端抵接阀安装座；

阀杆的外侧还固定套设有上抵接座，阀杆的外侧设置有磁流变弹簧，且磁流变弹簧的下端抵接所述上抵接座的上端面，磁流变弹簧的上端抵接安装座。

2.如权利要求1所述的二氧化碳驱采油井口防气窜装置，其特征在于，初始状态下，第一自动截断阀、第二自动截断阀以及第三自动截断阀处于打开状态，第四自动截断阀处于关闭状态，第一压力控制阀以及第二压力控制阀处于自然关闭状态；

其中，设定P≥P_high时，第一压力控制阀自动打开；P≥P_low时，第二压力控制阀自动打开；

式中，P为采油树主管内流体的压力，P_high为试验确定的发生气窜的阈值，P_low为试验确定的未发生气窜的阈值。

3.如权利要求2所述的二氧化碳驱采油井口防气窜装置，其特征在于，若P<P_low，维持所述初始状态；

若P_low≤P<P_high，第二压力控制阀自动打开并将打开信号发送给控制系统，控制系统指令第一自动截断阀以及第三自动截断阀关闭，流体通过待定出口管流入气窜判定室，并通过二氧化碳浓度检测装置判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统：

如果判断未发生气窜，则控制系统指令第三自动截断阀打开，第四自动截断阀维持关闭；

如果判断发生气窜，则控制系统指令第四自动截断阀打开，第三自动截断阀维持关闭；

若P≥P_high，第一压力控制阀自动打开并将打开信号发送给控制系统，控制系统指令第一自动截断阀以及第二自动截断阀关闭。

4.如权利要求1所述的二氧化碳驱采油井口防气窜装置，其特征在于，油管出口管与采油树主管相对的一端连通气窜判定室；

第一自动截断阀配置有压力表，且压力信号能够反馈给控制系统。

5.如权利要求3所述的二氧化碳驱采油井口防气窜装置，其特征在于，第二压力控制阀配置有压力表，且压力信号能够反馈给控制系统；

其中，将区间[P_low，P_high)均匀划分为n个子区间[P₀，P₁)、[P₁，P₂)、……、[P_i，P_i+1)、……、[P_n-1，P_n)；

式中，P₀＝P_low，P_n＝P_high，i＝1,2,……,n；

若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为发生气窜，则控制系统调整第一压力控制阀（8）的自动打开条件为P_i；

若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为未发生气窜，则控制系统暂不调整第二压力控制阀自动打开的条件，且控制系统记录下此次时未发生气窜，一旦控制系统记录[P_i，P_i+1)内的压力值连续超过m次为非气窜，则调整第二压力控制阀的自动打开条件为P_i+1。

6.一种二氧化碳驱采油井口防气窜方法，使用如权利要求1～5中任意一项所述的二氧化碳驱采油井口防气窜装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过前期试验确定：

P<P_low时，井口未发生气窜；

P≥P_high时，井口发生气窜，且P_high>P_low；

其中，P为采油树主管内流体的压力；

S2、初始状态下，设定第一自动截断阀、第二自动截断阀以及第三自动截断阀处于打开状态，第四自动截断阀处于关闭状态，第一压力控制阀以及第二压力控制阀处于自然关闭状态；

其中，设定P≥P_high时，第一压力控制阀自动打开；P≥P_low时，第二压力控制阀自动打开；

S3、若P<P_low，维持初始状态；

S4、若P_low≤P<P_high，第二压力控制阀自动打开并将打开信号发送给控制系统，控制系统指令第一自动截断阀以及第三自动截断阀关闭，流体通过待定出口管流入气窜判定室，并通过二氧化碳浓度检测装置判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统：

如果判断未发生气窜，则控制系统指令第三自动截断阀打开，第四自动截断阀维持关闭；

如果判断发生气窜，则控制系统指令第四自动截断阀打开，第三自动截断阀维持关闭；

S5、若P≥P_high，第一压力控制阀自动打开并将打开信号发送给控制系统，控制系统指令第一自动截断阀以及第二自动截断阀关闭。

7.如权利要求6所述的二氧化碳驱采油井口防气窜方法，其特征在于，所述S3中，若P<P_low：

S31、维持初始状态；

S32、第一自动截断阀将油管出口管内的流体压力实时反馈给控制系统，流体通过油管出口管流入气窜判定室，并通过二氧化碳浓度检测装置判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统：

如果判断未发生气窜，则不改变初始状态；

如果判断发生气窜，则控制系统指令第四自动截断阀打开，第三自动截断阀维持关闭，并且，控制系统根据此次气窜时第一自动截断阀反馈的压力值来调整P_low值。

8.如权利要求7所述的二氧化碳驱采油井口防气窜方法，其特征在于，所述S4中，若P_low≤P<P_high：

S41、第二压力控制阀自动打开并将打开信号发送给控制系统，控制系统指令第一自动截断阀以及第三自动截断阀关闭，流体通过待定出口管流入气窜判定室，并通过二氧化碳浓度检测装置判断是否发生气窜，并将判断结果反馈至控制系统；

S42、第二压力控制阀将待定出口管内的流体压力值P实时反馈给控制系统；

S43、将区间[P_low，P_high)均匀划分为n个子区间[P₀，P₁)、[P₁，P₂)、……、[P_i，P_i+1)、……、[P_n-1，P_n)；

式中，P₀＝P_low，P_n＝P_high，i＝1,2,……,n；

S44、若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为发生气窜，则控制系统指令第四自动截断阀打开，第三自动截断阀维持关闭，并且调整第一压力控制阀的自动打开条件为P_i；

S45、若P∈[P_i,P_i+1)，i＝1,2,……,n，且判定为未发生气窜，则控制系统指令第三自动截断阀打开，第四自动截断阀维持关闭，并且，暂不调整第二压力控制阀自动打开的条件，控制系统记录下此次时未发生气窜，一旦控制系统记录[P_i，P_i+1)内的压力值连续超过m次为非气窜，则调整第二压力控制阀的自动打开条件为P_i+1。