井下采气管柱及采气方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及天然气井排水采气的装置和方法，具体讲是井下采气管柱及采气方法。
【背景技术】
[0002]在天然气井排水采气的工程作业中，当中浅层气藏的气井进入低压低产开发期时，其产能普遍低、稳产期短，提高低压阶段的稳产是提高采收率的关键，尤其对于气水比低、产水量大的气井，对排液提出了更高要求；对于深层气藏的高压、低产、产水量大的气井，由于投产初期的井底段产能达不到举升井内液体的要求，导致多口自喷井投产后气、水产量、井口压力递减过快，油套压差大，井底积液严重，生产过程中的排液难题将会凸显；目前水平井已经成为气藏的主要开发方式，产水风险大，特殊的井身结构经常影响气井排液，如何解决水平井的排水问题将是急需攻克的难题。
[0003]常规的排采措施主要包括泡排、速度管柱排水采气、气举等方式。对于低产、产水量大的气井，泡排的效果不明显，对水平井只能缓解积液程度，无法彻底排液；速度管柱由于管径较小易于形成大段段塞，能否启动流体存在风险，对水平井无法实现水平段积液排出，并且排采后期的排液效果变差。气举排采仅能实现循环滑套以上的积液举升，无法实现水平段积液排出；针对低压低产气井，水力射流栗、气体加速栗均为采用外加能量的排采方式，需利用配套设备栗注高压介质携液到地面，一旦地面停栗后，水力射流栗在井下因缺少动力水源而不具备自激功能，井底将重新积液；气体加速栗的自激功能受限，气举后一旦地面停止栗注高压气，井底有重新积液的风险，这是由于油管内径远高于速度管柱内径，所需的临界携液流量高，而该栗的强力雾化效果有一定的作用距离，因而气体加速栗只能对气水比高、产水量少的气井延长气井的自喷期。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种井下采气管柱及采气方法，以克服现有对低压低产、产水量大的气井排采措施的不足，进行一种应用模式灵活、有效启动流体、带水性能好的排水采气方式，以使井下液面位置快速下降、产层完全暴露，提高产层开采程度，以及有效减缓气井产量和压力递减速率、进一步延长气井稳产期。
[0005]本发明的井下采气管柱，具有通过第一直连接头连接的速度管柱和双流道式射流栗，以及与双流道式射流栗对应的动力气进口和井下积液进口，双流道式射流栗的另一端通过第二直连接头连接有吸管，并且速度管柱、双流道式射流栗和吸管的外径相一致。将所述的速度管柱、双流道式射流栗和吸管通过第一直连接头和第二直连接头从上到下顺序连接，速度管柱可和吸管的结构与现有结构相同或类似，双流道式射流栗的结构可以与现有的类似，其主要部件包括了喷嘴、喉道和扩散管等，不同类型的双流道式射流栗的基本工作部件大致一样。尽管现有技术中有曾使用双流道式射流栗以地面栗注流体作为动力源抽汲井下积液，例如水力射流栗、气体加速栗等，但均为通过外加能量的排采方式。本发明利用了双流道式射流栗独特的工作原理，同时结合低产气井自身工况特点，出一种无需借助外部动力源即可自动抽汲井底积液的凡是，利用气井中的天然气从产出到井筒过程中自身存在压力抽汲效应的原理，实现了射流栗功能。当双流道式射流栗在外径较小的前提下，要求其内的双流道(动力气流道、积液流道)的过流直径要足够大，并且两流道间的最小壁厚足够厚，便能够满足双流道的冲蚀要求。可以通过铣流道槽、加工成形流道等加工方式满足以上要求。
[0006]针对传统方式中对气液比低、产水量大的气井时采用速度管柱排水采气时，传统设备在单流道的作用下会使气流携液流进速度管柱时易形成大段段塞，气流很难分散到段塞里，导致流动启动效率低，一旦速度管柱内的段塞过长，回压过大，将导致产层压死；流体启动后，一般初期排液效果较好，但随着产量、压力的降低，井底段速度管柱内的大段段塞无法破碎为直径微小的雾滴，流动易于呈段塞流流型，井底积液的举升效率降低，滑脱量不断增加，携液难度增加，产水量下降，随着井底积液的增加、回压上升，将导致产量的继续下降，甚至停产。。本发明的井下采气管柱的双流道式射流栗直接应用于速度管柱上，通过双流道式射流栗的抽汲和雾化作用将井底积液的举升转化为雾流的举升，使得气体携液自双流道式射流栗出口至井口的整个流动过程中得以呈现“全程雾流”的流型，有效实现了低产、产水量大的气井对井底积液的举升和气井的自喷。由于双流道式射流栗下方连接的吸管的内径远小于所述油管的内径，在一定抽汲力下其积液流量更低，更有利于携液。在双流道式射流栗的双流道(动力气流道、积液流道)作用下，动力气通过双流道式射流栗的喷嘴时将压能转换成高速流束的动能，启动了动力气流动，井下积液在抽汲及雾化等联合作用下，积液液滴破碎为直径微小的雾滴，气液充分混合，这样使动力气具有了较好的携液能力，从而有效启动速度管柱内的积液流动。由于速度管柱排水采气所需的临界产能远低于油管的临界值，在一定产能下，速度管柱内的动力气可获得较高的流速，可有效防止经雾化作用的直径微小的积液雾滴重新汇集成直径较大的液滴，使积液的雾化效果得以持续，这样从双流道式射流栗出口至井口的“全程雾流”的流动过程中，在地层能量不变的情况下，非常明显的降低了举升能量在井底积液举升过程中的重力和滑脱损失，同时也充分降低了低产、产水量大的气井在油管内携液时所需的沿程压耗，有效实现了低产气井对井底积液的举升和气井的自喷。
[0007]同时，在针对高压、低产、产水量大的气井时，不仅自具有双流道式射流栗的管柱的出口至井口的整个流动过程中获得“全程雾流”的流型，而且通过双流道式射流栗的喷嘴上、下游获得的较大压力降，排水采气的同时能够有效进行井下节流、降低井口压力，有利于气井的安全生产及生产管理。该类气井还可以采用能够直接卡定在油管上的活动式的双流道式射流栗，双流道式射流栗的喷嘴下游、上游压力之比可达到0.546:1，因此气流经过喷嘴后将达到临界流动状态，作用在喷嘴上下游的最大压力降将达到最大值，气相体积膨胀、气段伸长，使积液的雾化效果得以持续，同样较低的产能就能高效的将大产水量携液至地面。通过活动式自激栗及配套工具的可靠性设计，得以实现气井井下节流的同时将井内积液雾流携带出井，不仅能够有效降低速度管柱技术成本，节省包括连续油管管材费用在内的整体成本，还可最大程度的降低井口压力，非常有利于气井的安全生产及生产管理。
[0008]因此，连接双流道式射流栗的速度管柱能够充分利用气藏自身能量，不需要额外动力就能够克服对井底积液排水时气井中气藏作为动力源的不足问题，在双流道射流栗的双流道作用下对井底积液产生抽汲作用和雾化作用，结合速度管柱的作用将井底积液举升至井口，以此便满足了对气水比低、产水量大的低压低产气井的排液采气的需要。
[0009]进一步的，吸管的进液端与设有所述井下积液进口的筛管连接。筛管是目前在井下采气管柱中的一种常用过滤设备，例如割缝筛管、钻孔筛管等，其主要作用就是防砂等井下脏物流入流道。井下积液通过筛管上的井下积液进口进入，经筛管过滤后进入双流道射流栗。
[0010]其中一种较优结构的筛管结构包括了在接头端设有密封圈的筛管外筒，筛管外筒内套置有可沿外筒轴向运动的活动芯子，在筛管外筒内还设有对活动芯子限位的筛管轨道销钉，以及可被活动芯子剪断的筛管剪切销钉。通过活动芯子处于的不同位置来实现筛管的开关功能。当速度管柱座挂，吸管内灌满流体后，使筛管的活动芯子憋压至一定压力后剪断筛管剪切销钉，活动芯子下行。筛管轨道销钉迫使活动芯子上的轨道槽旋转，使活动芯子下行到位，从而打开了筛管的流道，这时筛管处于打开状态，防止砂土等井下脏物流入流道。在井内动力气的上顶力作用下，活动芯子上行，直至筛管轨道销钉卡挂在活动芯子轨道槽的限位台阶处，这样便能够有效防止筛管的流道在意外情况下关闭。
[0011]具体的，所述的双流道式射流栗包括设有所述动力气进口的射流栗外筒，和在其内通过喷嘴相连接的上芯轴和下芯轴，其中上芯轴包括贯通连接的扩径管部和等直径管部，其中等直径管部的一端与所述喷嘴连接，在下芯轴内设有与动力气进口对应的动力气流道，以及设于下芯轴和射流栗外筒之间且通过密封结构与所述动力气流道相互封隔的与所述井下积液进口对应的积液流道，在下芯轴的下游处还设有射流栗剪切销钉和设于下芯轴轴向运动轨道上的射流栗轨道销钉。由于双流道式射流栗外径小，限制了动力气流道和积液流道的加工，为了方便小尺寸零部件的加工制造，采用装配后共同形成流体的流动通道的设计方法。通过采用在射流栗外筒的内圆面和下芯轴的外圆面分别铣流道槽，这样装配后在射流栗外筒和下芯轴之间便形成了环形空间的积液流道。下芯轴和射流栗外筒之间的密封结构可以为0形密封圈，用以封隔动力气流道和积液流道，确保两个流道依次打开的前后，两个流道都能实现完全封隔。
[0012]本发明还提供了一种井下采气的方法，是将上述的井下采气管柱下入采气井中后，使井下采气管柱的双流道式射流栗的下端位于采气井的上产层之上，井下采气管柱的吸管下端位于下产层之下。如果仅有一个产层，则将双流道式射流栗的下端与吸管都置于该产层之下。由于双流道式射流栗直接作用于井底积液，使井下积液在动力气作用下由吸管吸入，随动力气一并进入双流道式射流栗并被破碎成雾滴而相互混合。吸管吸入的井下积液在双流道式射流栗的双流道作用下，动力气通过井下采气管柱的喷嘴时将压能转换成高速射流的动能，在喷嘴压降所产生的抽汲作用下，井下积液经过滤后由吸管流道吸入，在高速射流与吸入的井底积液的交界面上形成一种强化的剪切边界层，在边界层上连续不断产生旋涡，边界层外液团不断向气流中混掺，使积液液滴破碎为直径微小的雾滴，从而实现了举升介质从液态到气态的转变，绝大部分井底积液以雾滴的形式存在于气体中，在双流道式射流栗的抽汲和雾化作用下能够有效的使速度管柱内的积液流动，然后通过速度管柱使积液的雾化效果得以持续，气液充分混合后，在双流道式射流栗的抽汲作用下实现井底积液的流动并实现井气的自喷。由此便避免了举升过程中段塞流等流型的出现，而且在整个升举过程中不需要外界的额外动力，充分利用了气藏自身能量进行高效的排水采气作业，大幅度提高了气水比低、产水量大的低产气井的排水采气效率。该方法能够适用于井底有积液的生产井，若井底积液不严重，只需将井下采气管柱直接带压下入；若井底积液严重，井下采气管