零余隙油气混抽装置及方法与流程

本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种零余隙气液混抽装置及方法。

背景技术：

石油开发过程中如何将油井中的原油高效地举升到地面至关重要，通过在油井中下入抽油泵将原油举升到地面是目前主要用到的方法，目前常用的抽油泵种类包括：管式泵和杆式泵，它们存在以下三个方面缺点。

1、余隙大，泵效低。图1给出了已有抽油泵工作示意图，图中“下死点”表示柱塞位于最低位置，“上死点”表示柱塞位于最高位置。当柱塞位于下死点时，柱塞底面与泵筒底面之间的空隙被称为余隙，即图中的vs。vp为泵筒有效体积；v1为柱塞运动到上死点时泵筒中液体总体积；v2为柱塞运动到上死点时泵筒中吸入液体体积；vg为柱塞运动到上死点时泵筒中气体体积。根据已有理论，用泵筒充满系数β表征抽油泵的泵效，β越大表明泵效越高，β越小泵效越低，其计算公式为：

β＝v2/vp(1)

用r表示泵内气液比为：

r＝vg/v1(2)

余隙比k为：

k＝vs/vp(3)

将式(2)和(3)带入式(1)则可以得到：

从图1中可以看出由于已有抽油泵固定阀位于泵筒底部，为了保护固定阀安全和防止柱塞与泵筒底部发生碰撞，需要在柱塞与泵筒底部设置一个安全距离，一般为一个防冲距，即余隙vs为一个大于0常数。考虑到实际生产过程中，油藏中的砂等固体颗粒可能随着地层液被抽吸到泵筒中，余隙往往需要设计的较大。根据式(1)-(4)可知，余隙vs越大β越小，泵效越低。

2、不能实现气液混抽。根据式(1)-(4)可知，当地层液中含有大量气体时已有抽油泵的泵效将会显著降低。同时，由于气体密度显著低于地层液体的，余隙空间的上部被气体充满，对于高气油比的油气藏，可能导致整个余隙全部被气体充满，而气体具有较好的压缩性。当柱塞向下运行时，气体将会发生压缩，导致泵筒中的液体不能被柱塞有效排出。严重时，将会发生“气锁”，导致泵筒中的液体完全不能被举升至地面。第三，由于泵筒内存在一定量的气体，在柱塞向下运动时会发生“液击”现象，加速柱塞和泵筒的磨损以及地面设备损坏。上述原因大大降低了已有抽油泵在高气油比油藏中的适用性。

3、不能利用原油中的气体膨胀能辅助举升。由于已有抽油泵不能适用于高气油比的油气藏开采，在生产过程中将地层液(原油和水)中气体分离出来，通过油套环空将气体排出，然后再进行地层液的抽采。因此，无法充分利用地层液中高压气体的压缩能来辅助举升提高效率。

因此，亟需发明一种零余隙油气混抽装置及方法，降低抽油泵的余隙，实现对高气油比油藏的高效开发，提高抽油泵的效率。

技术实现要素：

针对目前采用的抽油泵普遍存在余隙大、不能适用于高气油比油藏和压缩气体膨胀能不能利用的缺点，本发明提供一种零余隙油气混抽装置及方法，以克服已有抽油泵存在的上述缺点，显著提高抽油泵效率，降低井下及地面设备的故障率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

零余隙油气混抽装置，包括：第三油管、进液控制短节、第二油管、第二泵筒、第一泵筒、固定阀、第一油管；第三油管顶部与进液控制短节底部相连，进液控制短节顶部与第二油管下部相连，第二油管上部与第二泵筒底部相连，第一泵筒上部与第一油管底部相连。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：将抽油泵余隙降为0，显著提高泵效，避免“气锁”和消除“液击”对设备的损伤；适用于高气油比的油藏开采，可以利用地层液中的气体压缩能辅助举升，降低能耗；经济效益高，与已有抽油泵相比可以提高泵效50％以上。

附图说明

图1是已有抽油泵工作示意图；

图2是零余隙油气混抽装置工作示意图；

图3是零余隙油气混抽装置结构示意图；

图中：1、抽油杆；2、第一油管；3、第一泵筒；4、圆锥壳体；5、出液口；6、圆柱壳体；7、固定阀；8、柱塞；9、游动阀；10、死腔；11、第二泵筒；12、掺稀油；13、第二油管；14、掺稀洗井阀；15、进液阀；16、进液控制短节；17、地层液和气体；18、减磨套管封；19、第三油管；20、套管。

具体实施方式

如图2所示，根据余隙的定义：当柱塞位于下死点时，柱塞底面与泵筒底面之间的空隙被称为余隙，即图中的vs；由于本发明中固定阀位于泵筒侧面，当柱塞位于下死点时，柱塞位于固定阀之下，可以实现余隙vs为零或者负值；当柱塞向上运动时，固定阀打开，地层液体和气体进入泵筒中；当地层液及气体通过固定阀进入泵筒后，由于气体密度小、地层液密度大，在重力作用下气体自动向泵筒顶部运移，地层液向泵筒底部运行；当柱塞向下运动时，泵筒顶部中的气体首先通过柱塞底部的游动阀排出；由于本发明中固定阀位于死腔以上且柱塞可以运动到固定阀以下位置处，可以保证泵筒死腔被液体充满，此时在死腔和余隙(等于零)中不会存在气体，因此不会存在“气锁”和“液击”，可以实现对油气混抽；另外，通过实现油气混抽，可以充分利于气体膨胀能，协助提高举升效率，降低能耗；上述即为本发明的零余隙油气混抽装置主要技术原理和具备的技术优点；

如图3所示，零余隙油气混抽装置，包括：第三油管19、进液控制短节16、第二油管13、第二泵筒11、第一泵筒3、固定阀7、第一油管2；第三油管19顶部与进液控制短节16底部相连，进液控制短节16顶部与第二油管13下部相连，第二油管13上部与第二泵筒11底部相连，第一泵筒3上部与第一油管2底部相连；其中：

第三油管19通过减磨套管封18与套管20固定，减磨套管封18将油套环空分为上下两个独立空间；减磨套管封18下部的油套环空被地层液和气体充满，减磨套管封18上部的油套环空被掺稀油充满；

进液控制短节16为空心圆筒，空心圆筒中部设置隔档将进液控制短节16分为左右两个独立空间；左边空间底部安装有进液阀15，右边空间顶部安装有掺稀洗井阀14；进液阀15与第三油管连通，用于控制地层液和气体通过；掺稀洗井阀14与减磨套管封18上部油套环空相连，用于控制掺稀油12通过；

第二油管13用于将进液阀15和掺稀洗井阀14中传输过来的地层液和气体、掺稀油输送到第二泵筒11中；进液阀15与第二泵筒11底部的距离为0.5m～1.5m；第二泵筒11为无底的圆筒，其内部安装有第一泵筒3，第一泵筒3为无顶有底的圆筒，第一泵筒外径比第二泵筒内径小；第二泵筒11与第一泵筒3在左侧紧密连接，第二泵筒11底部低于第一泵筒3底部，第二泵筒底部与第一泵筒底部存在间距；第二泵筒11与第一泵筒3的右侧构成间隙，该间隙中安装固定阀7，固定阀7用于控制第二泵筒中地层液和气体、掺稀油进入第一泵筒；

第一泵筒内设置柱塞8，柱塞8为组合结构，柱塞8下部为无顶有底的圆柱壳体6，上部为无底的圆锥壳体4，圆柱壳体6顶部与圆锥壳体4的底部相连；圆锥壳体4顶面上设置出液口5，出液口5用于排出柱塞8中的地层液体和气体17、掺稀油12；柱塞底端设置游动阀9，用于控制第一泵筒中的地层液体和气体、掺稀油向柱塞8中流动；柱塞8顶端与抽油杆1底部相连，用于带动柱塞进行上下往复运动；当柱塞运动到下死点位置处时第一泵筒底部与圆柱壳体6底部间的空间称为死腔10；由于地层液的主要成分为水和原油，其中水的密度最大，油的密度其次，气体的密度最小，在重力作用下死腔被水或者油水混合物充满；

固定阀7位于处于下死点位置(见图2)时的柱塞8底面以上，优选地，处于下死点位置时的柱塞底面与固定阀之间的距离为0.5m～1.0m；由于固定阀位于死腔以上且柱塞可以运动到固定阀以下位置处，抽油泵的余隙降为0，可以保证死腔被液体充满，彻底消除了死腔内存在气体对泵效的影响；当柱塞向上运动时，固定阀打开，地层液体和气体、掺稀油进入第一泵筒中；当地层液和气体、掺稀油通过固定阀进入第一泵筒后，由于气体密度小、地层液密度大，在重力作用下气体向第一泵筒顶部运移，地层液向第一泵筒底部运行；当柱塞向下运动时，第一泵筒中的气体首先通过柱塞底部的游动阀排出，实现油气混抽。

零余隙油气混抽方法，采用上述零余隙油气混抽装置，包括以下步骤：

s1、井筒准备

根据选定目标井筒深度、井眼尺寸、井眼轨迹和井眼供液能力确定出第一油管内外径尺寸、第二油管内外径尺寸、第三油管内外径尺寸、第一泵筒尺寸、第二泵筒尺寸、减磨套管封型号和尺寸、第一油管下入深度、第二油管下入深度、第三油管下入深度、减磨套管封下入深度、第一泵筒下入深度、第二泵筒下入深度；将选定的目标井筒清洗干净，确保第一油管、第二油管、第三油管、第一泵筒、第二泵筒、抽油杆、进液控制短节和减磨套管封可以顺利下入到设计深度；收集井史资料，并结合现场施工作业要求，完成抽油泵安装施工设计；

s2、第三油管和减磨套管封安装

根据第三油管下入深度和将减磨套管封下入深度，将减磨套管封安装在对应的第三油管单根上；安装前后检查减磨套管封的质量，确保其安装前后的完整性、下入井筒后可以正常工作；

s3、进液控制短节安装

对进液控制短节中的进液阀和掺稀洗井阀进行检查，确保其完整；根据进液控制短节设计下入深度，将进液控制短节底部安装在对应深度的第三油管单根顶部上；将第二油管底部与进液控制短节顶端相连；进液控制短节安装完成后对其性能进行检测，确保进液阀和掺稀洗井阀可以正常工作；

s4、泵筒及固定阀安装

将第一泵筒和第二泵筒安装在一起，将固定阀安装在第二泵筒和第一泵筒右侧的设计位置处，并检测固定阀的完整性；当柱塞处于下死点位置状态时的柱塞底面与固定阀之间的距离为0.5m～1.0m；第二泵筒底部与进液阀之间的距离为0.5m～1.5m；根据第二泵筒设计下入深度，将第二泵筒底部与对应设计深度的第二油管单根顶部相连；将第一泵筒顶部安装在对应的第一油管单根底部；

s5、下入第一油管

依次完成s2、s3、s4中部件的安装，采用油管接单根的形式将步骤s2、s3、s4中的部件依次下入到井眼中，油管下入速度不大于1根/2分钟，直至设计深度，完成第一油管的下入；然后完成减磨套管封的坐封，并对减磨套管封的密封效果进行检测；

s6、柱塞下入

将游动阀安装在柱塞底部内侧，柱塞顶部与抽油杆相连；通过接抽油杆单根的方式将抽油杆和柱塞下入到油管中，下入速度不大于1根/分钟，直到井口悬重为零、抽油杆不能下入为止，此时柱塞与泵筒底部相接触；静置10分钟后，将抽油杆往上提升一个防冲距(0.3m～0.5m)，完成柱塞下入；

s7、生产运行

通过井口动力装置带动抽油杆和柱塞做往复运动，实现对井底地层液和气体的抽采；根据实际油藏物性参数，确定掺稀油的类型和掺稀油注入速度。

至此，利用本发明方法可以有效解决利用已有抽油泵余隙大、泵效低、不能实现油气混抽、不能利于地层液中气体膨胀能辅助地层液举升的缺点，具有操作步骤明确、参数明晰和可操作性强的优点。