空气驱产出井的安全控制装置和空气驱注采系统的制作方法

本实用新型涉及一种空气驱产出井的安全控制装置和空气驱注采系统。

背景技术：

室内试验和现场实践证明，注空气低温氧化技术具有烟道气驱和热效应作用，气源丰富、成本低廉，是一项用于低渗透、轻质油油藏提高采收率的新技术，但是，注空气工艺过程中存在很多安全问题。其中爆炸(产出气-空气混合物体积分数达到爆炸范围)是制约其发展的主要安全隐患。空气里的氧气与产出天然气混合，容易发生爆炸。

目前空气驱起步较晚，未在油田得到较大规模的推广与应用，理论和现场经验缺乏；注空气提高采收率安全控制理论分析与技术研究尚不完善，尚未确定可靠、有效的空气驱产出井安全控制方法。

综上所述，现有技术中存在以下问题：缺乏有效的空气驱产出井的安全控制。

技术实现要素：

本实用新型提供一种空气驱产出井的安全控制装置和空气驱注采系统，以解决现有空气驱产出井不安全的问题。

为此，本实用新型提出一种空气驱产出井的安全控制装置，所述空气驱产出井的安全控制装置包括：磁性开窗管柱；

所述磁性开窗管柱包括：管柱本体、设置在所述管柱本体上的开窗、以及设置在所述管柱本体上并位于所述开窗之外的第一磁极对；

所述第一磁极对所述管柱本体内位于所述开窗处的氧气进行磁场磁化，被磁化的氧气从所述管柱本体内经过所述开窗离开所述管柱本体。

进一步地，所述空气驱产出井的安全控制装置还包括：连接在所述磁性开窗管柱下方的集气罩；

所述集气罩包括：环状的罩体和连接所述罩体的连接管，所述连接管与所述管柱本体连接。

进一步地，所述第一磁极对位于所述开窗的上下两端。

进一步地，所述开窗至少包括第一组开窗，所述第一组开窗包括：多个依次上下排布并沿所述管柱本体轴线方向设置的第一开窗。

进一步地，所述开窗还包括第二组开窗，所述第二组开窗包括：多个依次上下排布并沿所述管柱本体轴线方向设置的第二开窗，所述第二组开窗与所述第一组开窗以及所述管柱本体轴线位于同一平面内，并且所述第二组开窗与所述第一组开窗在所述管柱本体轴线方向上相互错开。

进一步地，所述第二组开窗与所述第一组开窗形成一套开窗，所述开窗包括：两套开窗，分别为第一套开窗和第二套开窗，第一套开窗和第二套开窗的相位差为90度。

进一步地，所述连接管上设有第二磁极对。

进一步地，所述第二磁极对的设置方向为水平方向。

进一步地，所述空气驱产出井的安全控制装置还包括：设置在所述磁性开窗管柱和集气罩之外的套管，以及设置在所述磁性开窗管柱和集气罩之内的油管和抽油泵，所述套管与所述磁性开窗管柱之间形成环空，该环空为氧气通道，所述被磁化的氧气经过所述氧气通道从井底向井上流动。

进一步地，所述空气驱产出井的安全控制装置还包括：连接在所述磁性开窗管柱之上的上段管柱、以及位于井口处的井口装置，所述上段管柱连接在所述井口装置的下方，所述井口装置包括：与所述上段管柱连接的氧气排出套管接口，所述被磁化的氧气从氧气排出套管接口中排出到井上。

进一步地，所述井口装置还包括：用于探测井下液面的液面测试套管接口，所述液面测试套管接口连接所述环空。

进一步地，所述井口装置还包括：连接所述上段管柱的注入空气套管接口。

进一步地，所述集气罩还包括：套设在所述环状的罩体之外的封隔胶环，所述封隔胶环位于所述环状的罩体与所述套管之间。

本实用新型还提出一种空气驱注采系统，所述空气驱注采系统包括：

磁性开窗管柱，所述磁性开窗管柱包括：管柱本体、设置在所述管柱本体上的开窗、以及设置在所述管柱本体上并位于所述开窗之外的第一磁极对；

连接在所述磁性开窗管柱下方的集气罩，所述集气罩包括：环状的罩体和连接所述罩体的连接管，所述连接管与所述管柱本体连接；

设置在所述磁性开窗管柱和集气罩之外的套管，所述套管与所述磁性开窗管柱之间形成环空；

设置在所述磁性开窗管柱和集气罩之内的油管和抽油泵；

位于井口处的井口装置，所述井口装置分别连接所述环空、和所述油管；

连接在所述磁性开窗管柱之上的上段管柱，所述上段管柱连接在所述井口装置的下方；

火炬塔，连接所述井口装置；

外输油管线，连接所述井口装置；

外输气管线，连接所述井口装置。

进一步地，所述空气驱注采系统还包括：缓冲罐，连接在所述火炬塔与所述井口装置之间。

进一步地，所述空气驱注采系统还包括：地面分离器，连接在所述外输气管线与所述井口装置之间。

本实用新型将前面所述的空气驱产出井的安全控制装置放入井下；

然后进行空气驱，抽采天然气，在井下通过磁力作用，将氧气逐渐从产出的天然气与空气的混合气体中分离出来。

本实用新型在井下通过磁力作用，将氧气逐渐从产出的天然气与空气的混合气体中分离出来，从而降低了混合气体中的氧气含量，减小爆炸隐患，大大提高空气驱产出井的安全性，而且磁极较稳定，且能耗低。

附图说明

图1为本实用新型的空气驱注采系统的整体结构示意图；

图2为本实用新型的空气驱注采系统的井下部分的结构示意图；

图3为本实用新型的集气罩的主视结构示意图；

图4为本实用新型的集气罩的俯视结构示意图，其中去除了封隔胶环；

图5为本实用新型的磁性开窗管柱的主视结构示意图；

图6为本实用新型的磁性开窗管柱的俯视结构示意图；

图7从主视方向的剖视结构示出了本实用新型的磁性开窗管柱的工作原理；

图8从俯视方向的剖视结构示出了本实用新型的磁性开窗管柱的工作原理；

图9为本实用新型的油管和抽油泵的连接结构示意图；

图10为本实用新型的油管的结构示意图；

图11为本实用新型的井口装置的主视方向的结构示意图；

图12为本实用新型的井口装置与油管的连接结构示意图；

图13为图12的俯视方向的结构示意图；

图14为甲烷浓度与燃爆关系图。

附图标号说明：

1火炬塔 2井口装置 3井下管柱 4油层

10缓冲罐 20地面分离器 21外输油管线 22外输气管线

30套管 31磁性开窗管柱 32集气罩 33无缝管柱 34上段管柱 35油管 36抽油杆

37抽油泵 38环空 41产出油 42油气界面

318管柱本体 310开窗 3101第一开窗 3102第二开窗 312第一磁极对 3121n极 3122 s极 3123氧气 3125氮气和天然气 3101第一开窗 3102第二开窗

320罩体 321连接管 322导向轮 323封隔胶环 324第二磁极对 3241 n极 3242s极

21第一井口装置 22第二井口装置

210法兰盘 211油管密封套 212油管密封套接口 213分离管接口 214内丝扣

220套管接头 221阀门

351单向密封塞 371凡尔

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型。

如图1、图2和图5、图6所示，本实用新型实施例的空气驱产出井的安全控制装置包括：磁性开窗管柱31；

所述磁性开窗管柱31包括：管柱本体318、设置在所述管柱本体上的开窗310、以及设置在所述管柱本体318上并位于所述开窗310之外的第一磁极对312；第一磁极对312包括：分别设置在开窗310上下两端的n极3121和s极3122，这样，能够使氧气在上下或竖直方向被磁化；n极3121和s极3122均为永久磁体，磁极较稳定，且能耗低。

如图7和图8所示，所述第一磁极对312所述管柱本体内位于所述开窗处的氧气3123进行磁场磁化，被磁化的氧气从所述管柱本体318内经过所述开窗310离开所述管柱本体318。

如图14所示，根据燃烧理论，甲烷等可燃气体在空气内燃爆，存在一个最小的燃爆氧浓度，其对应的点称为燃爆临界点，与可燃气体的爆炸上下限浓度点构成了一个三角形，通常称为Coward爆炸三角形，只有当混合物浓度范围处于此爆炸三角形内，系统才有可能发生爆炸。

图14中，区域I：爆炸三角区；区域II：欠氧区，增加氧气(空气)可爆炸；区域III：欠甲烷区，增加甲烷可爆炸；区域IV：安全区，不爆炸。

磁化分离氧(气)：主要由构成不均匀磁场的永久磁体、氧气通道以及加热氧气的电加热体等基本部分组成。当空气处于不均匀磁场附近时，其中的氧气被磁场磁化，体积磁化率升高，并被磁极吸引进入氧气通道并使氧气连续不断地向前移动，形成热磁对流，于是氧气从空气中分离出来。

进一步地，如图2、图3和图4所示，所述空气驱产出井的安全控制装置还包括：连接在所述磁性开窗管柱下方的集气罩32；集气罩32起到收集油气界面42上的气体(空气和天然气的混合气体)的作用，所述集气罩32包括：环状的罩体320和连接所述罩体的连接管321，所述连接管321与所述管柱本体318连接。环状的罩体320收集的气体经过连接管321进入到磁性开窗管柱31中，环状的罩体320相当于油烟机的罩体，连接管321相当于油烟机的排烟管。

进一步地，如图7和图8所示，所述开窗310至少包括第一组开窗，所述第一组开窗包括：多个依次上下排布并沿所述管柱本体轴线方向设置的第一开窗3101。

进一步地，所述开窗还包括第二组开窗，所述第二组开窗包括：多个依次上下排布并沿所述管柱本体318轴线方向设置的第二开窗3102，所述第二组开窗与所述第一组开窗以及所述管柱本体轴线位于同一平面内，并且所述第二组开窗与所述第一组开窗在所述管柱本体轴线方向上相互错开，以形成不均匀磁场。

进一步地，所述第二组开窗与所述第一组开窗形成一套开窗，所述开窗包括：两套开窗，分别为第一套开窗和第二套开窗，第一套开窗和第二套开窗的相位差为90度。如图8所示，环形的管柱本体318上设有4组开窗，这四组开窗两两相对设置，相对的两组开窗的连线相互垂直，这样，能够使整个管柱本体318内的其他基本上在周向方向上都能受到磁化，没有漏洞。

进一步地，如图3和图4所示，集气罩32的所述连接管321上设有第二磁极对324，第二磁极对324包括n极3241和s极3242，起到初步磁化气体的作用。

进一步地，所述第二磁极对324的设置方向为水平方向，与磁性开窗管柱的第一磁极对312的方向垂直，以相互配合。

进一步地，所述集气罩还包括：套设在所述环状的罩体320之外的封隔胶环323，所述封隔胶环323位于所述环状的罩体与所述套管之间，起到密封作用，以使油气界面42上的气体不泄露，都收集到罩体320内。所述集气罩32还包括：设置在封隔胶环323之下的导向轮，以使集气罩32能够在套管中移动。

进一步地，如图2所示，所述空气驱产出井的安全控制装置还包括：设置在所述磁性开窗管柱和集气罩之外的套管30，以及设置在所述磁性开窗管柱和集气罩之内的油管35和抽油泵37，抽油泵37伸入到产出油41中。如图9和图10所示，油管35中设有抽油泵37，以及连接抽油泵37的抽油杆36，抽油杆36下方连接有单向密封塞351，抽油泵37的下方设有凡尔371，以实现抽油。

如图2、图7和图8所示，所述套管30与所述磁性开窗管柱31之间形成环空38，该环空38为氧气通道，油管35位于磁性开窗管柱31内，产出油从油管内抽走，氧气3123从油管35与于磁性开窗管柱31之间的环空上升，在上升过程中，氮气和天然气3125没有被磁化，一直沿着油管35与于磁性开窗管柱31之间的环空上升，氧气3123由于被磁化，在开窗处310处离开管柱本体318，进入环空38，所述被磁化的氧气3123经过所述氧气通道从井底向井上流动。从而实现氧气3123与氮气和天然气3125之间的分离。

进一步地，如图1和图2所示，所述空气驱产出井的安全控制装置还包括：连接在所述磁性开窗管柱之上的上段管柱34、以及位于井口处的井口装置2，所述上段管柱34例如为无缝管柱，连接在所述井口装置的下方。如图13所示，所述井口装置2包括：依次上下连接的第一井口装置21和第二井口装置22。第一井口装置21为普通油管井口装置，连接油管，起到普通的输油的作用。第二井口装置22为特殊套管井口装置，起到分离或输送氧气的作用。

如图11和图12所示，第一井口装置21包括：法兰盘210，法兰盘210为双层结构，法兰盘的上层设有油管密封套接口212，油管密封套接口212的内壁为光滑密封面，油管密封套接口212中安装有油管密封套211。法兰盘的下层设有分离管接口213，连接上段管柱34分离管也称为上段管柱34，分离管接口213的内壁为内丝扣。

第二井口装置22包括：与所述上段管柱连接的氧气排出套管接口，所述被磁化的氧气从氧气排出套管接口中排出到井上。

进一步地，第二井口装置22还包括：用于探测井下液面的液面测试套管接口，用于液面测试。测试液面的声波可沿分离管(磁性开窗管柱)与油管的环空进入，探测液面。所述液面测试套管接口连接所述环空38。

进一步地，如图13所示，第二井口装置22还包括：连接所述上段管柱的注入空气套管接口220，用于注入空气。注入空气套管接口220上设有阀门221。

如图1和图2所示，本实用新型还提出一种空气驱注采系统，所述空气驱注采系统包括：

井下管柱3，伸入到油层4中，井下管柱3包括：磁性开窗管柱31、集气罩32、套管30、油管35和抽油泵37。

位于井口处的井口装置2，所述井口装置分别连接所述环空38、井下管柱3和所述油管35；

连接在所述磁性开窗管柱之上的上段管柱34，所述上段管柱连接在所述井口装置2的下方；

火炬塔1，连接所述井口装置2；

外输油管线21，连接所述井口装置2；

外输气管线22，连接所述井口装置2。

所述磁性开窗管柱包括：管柱本体、设置在所述管柱本体上的开窗、以及设置在所述管柱本体上并位于所述开窗之外的第一磁极对；

连接在所述磁性开窗管柱下方的集气罩32包括：环状的罩体和连接所述罩体的连接管，所述连接管与所述管柱本体连接；

套管30设置在所述磁性开窗管柱和集气罩之外，所述套管与所述磁性开窗管柱之间形成环空38；

油管35和抽油泵37，设置在所述磁性开窗管柱和集气罩之内；

天然气浓度低于1％时，无经济价值，在井口通过火炬塔1放空引燃；若天然气浓度高于30％时，则无安全隐患；天然气浓度介于1％～30％时，存在安全隐患，则采用以上管柱设计，分离混合气体中的氧气。由于氧分子为顺磁分子，而天然气内气体(甲烷为主要含量)及氮气为非顺磁分子。利用磁力及长距离作用过程，将氧气逐渐从混合气体中分离出来。

$F=\frac{\mathrm{\χ}}{{\mathrm{\μ}}_0}B\frac{dB}{dX}---\left(1\right)$

其中F为X方向受到的磁化力，μ₀为真空磁导率，χ为介质的体积磁化率，B为磁感应强度，为场强梯度。氧气和氮气具有不同的磁性，氧气呈现顺磁性，χ＞0，在梯度磁场中所受磁化力方向为磁场强度增大方向；而天然气内气体(甲烷为主要含量)及氮则呈抗磁性，χ＜0，在梯度磁场中所受磁化力方向为磁场强度降低方向。因此空气在高梯度强磁场作用下，其中的甲烷分子及氮分子向磁场强的地方聚集，而氮分子则向磁场弱的地方集中从而达到氧氮分离的目的。由式(1)可知，磁场越强，场强梯度越大，氧分子受到的磁化力就越大，分离效果就越明显。(本实用新型中磁场例如需要达到0.1T或0.1T左右)氧气分子分离效果明显；磁性开窗管柱较长，(越长越好，例如为0.8m以上)且在沿途不同位置设置磁极。

进一步地，如图1所示，所述空气驱注采系统还包括：缓冲罐10，连接在所述火炬塔1与所述井口装置2之间，以起到缓冲作用。

进一步地，如图1所示，所述空气驱注采系统还包括：地面分离器20(进一步分离天然气与氧气，保障安全性)，连接在所述外输气管线22与所述井口装置2之间。

本实用新型还提出一种空气驱产出井的安全控制方法，所述空气驱产出井的安全控制方法包括：

将前面所述的空气驱产出井的安全控制装置放入井下；

然后进行空气驱，抽采天然气，在井下通过磁力作用，将氧气逐渐从产出的天然气与空气的混合气体中分离出来。

本实用新型具有以下优点：

1.将空气驱产出井的天然气浓度在安全范围之内，减小爆炸隐患，大大提高空气驱产出井的安全性；

2.磁性开窗管柱较长，例如为0.8m以上，且在沿途不同位置设置磁极，氧气分子分离效果明显；

2.磁极较稳定，且能耗低。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。为本实用新型的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。