气井自动排水柱塞的制作方法

本发明涉及石油天然气开采领域，具体讲的是一种气井自动排水柱塞。

背景技术：

天然气井在开采过程中，通常都会产出一定量的凝析水或地层水，当产气量递减至携液临界气量以下时，气流速度则不足以将水带出井筒，此时将发生井底积液，造成气井迅速减产甚至停产。因此如何有效排除井底积液成为了气井中后期能否稳产的关键。

柱塞排水采气工艺是一种利用柱塞的机械界面，将气体与被举升液体分开，减小气体窜流和液体回落，在油管内进行周期性举液的排水工艺。与其他排水工艺相比，柱塞工艺具有设备投资少、使用寿命长、维修成本低、无需其他能量消耗的优势，对于低压、低产、小液量气井的排水具有显著的经济效益。

目前的排水柱塞主要包括以下四类：第一类是最传统的实心棒式柱塞，其采用一体化设计，无任何运动件，关井后柱塞沉入井底，开井后柱塞上升排液；为了进一步降低液体滑脱，提高柱塞对变径油管的通过性，产生了第二类如公开号为CN104389782A，名称为“一种衬垫式排水采气柱塞”的专利文献公开的衬垫式柱塞，其柱塞体外表面嵌有与弹簧相连的可缩颈的垫块，能够顺利通过油管变径处；为了克服前两类柱塞下落速度缓慢、关井时间长的问题，出现了第三类如公开号为CN101858330A，名称为“气井排水采气柱塞”的专利文献公开的旁通式柱塞，其通过阀杆与卡定器的撞击实现柱塞旁通的开与合，在井口时旁通打开柱塞快速下落，在井底时旁通关闭柱塞上升排液；为了追求更高的柱塞下落速度，实现不关井连续生产，产生了第四类如公开号为CN103670337A，名称为“不关井连续生产的分体式柱塞装置”的专利文献公开的分体式柱塞，其柱塞体与分体密封件在井口分离后快速下落，在井底合体后上升排液。

然而，柱塞运行频率过低或过高均不利于排水采气，其原因是：当排液频率过低时，液体形成堆积，会造成柱塞上部液载过大，柱塞可能无法到达井口，致使工艺失败，且增加修井作业；而当排液频率过高时，井底未充分形成积液，且井底压力恢复时间短，柱塞上升缓慢，滞留时间长，液体漏失严重，降低排液效率，同时柱塞空载运行，加剧柱塞磨损，降低柱塞寿命，故一味追求较高的下落速度和运行频率并不能从达到最佳气井排液效果。由此可见，现有的排水柱塞普遍面临的技术问题是:如何实现排液的智能化，并获得最佳的排液频率。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种气井自动排水柱塞，旨在实现柱塞的自动上升排液和自动下落，从而达到不关井智能化排液的目的。

本发明的气井自动排水柱塞，包括沿轴向设有通孔的柱塞筒体，所述柱塞筒体内设有将所述通孔分隔成上腔室和下腔室的控制机构，该柱塞筒体至少包括外径由大到小的第一筒体单元和第二筒体单元，所述第一筒体单元和第二筒体单元内设有限位槽，所述第二筒体单元沿所述限位槽径向设有能与通孔连通的旁通道，所述控制机构设有能将所述上腔室和下腔室之间的压差变换成轴向位移的弹性敏感元件，以及与所述弹性敏感元件相连并能在弹性敏感元件的作用下沿所述限位槽往复滑动以开启/关闭所述旁通道的执行元件。

在实际应用时，所述柱塞筒体的第一筒体单元是与气井油管相配合的，即所述上腔室是与井口连通的，其压力随井口压力的变化而变化；所述下腔室是与井底连通的，其压力随井底压力的变化而变化。当所述执行元件位于限位槽的上端时，旁通道处于开启状态并连通上腔室当执行元件位于限位槽的下端时，旁通道处于关闭状态。

该柱塞的工作原理如下：

初始状态：在开井生产时，将该气井自动排水柱塞投放至井底，并且旁通道处于开启状态，(即：旁通道与通孔连通，执行元件位于限位槽的上端)。

上行阶段：随着井底积液的聚集，积液经旁通道进入并淹没上腔室，井口压力将逐渐增大，所述弹性敏感元件将在井口和井底的压差作用下沿轴向压缩，从而带动与之相连的执行元件向下运动，当执行元件下行至限位槽的下端时，所述旁通道与通孔隔开，旁通道关闭，此时在油管中即形成密封的柱塞整体，随着井底气体的聚集，在气体的推动作用下柱塞整体沿油管上升运动，最终到达井口使积液排出，气井恢复产气。

下行阶段：当该气井自动排水柱塞在井口滞留一段时间后，随着井底积液的重新聚集，井底压力将增加，而井口剩余压力因积液的排出而降低，即此时下腔室的压力将大于上腔室的压力，弹性敏感元件将在下腔室与上腔室之间的压差作用下膨胀并带动执行元件向上运动，当执行元件上行至限位槽的上端时，所述旁通道与通孔相连通，即旁通道开启，气流经旁通道在上腔室和下腔室之间发生窜漏，柱塞整体将在重力作用下发生下落。

由于存在井底积液，在柱塞整体落入积液后上腔室中的压力将有所增大，弹性敏感元件将带动执行元件向下运动，若井底积液较少，上腔室与下腔室之间的压差不足以使弹性敏感元件带动执行元件下行至限位槽下端时，所述旁通道将仍处于开启状态，柱塞整体将继续下落至井底，待积液进一步增加后再重复所述上行阶段的上升排液；若井底积液较多，柱塞整体落入积液但尚未落至井底前，执行元件已经下行至限位槽下端，所述旁通道将提前关闭，柱塞整体就将在落至井底前提前上升排液。

该气井自动排水柱塞通过设置弹性敏感元件和旁通道，在实现不关井连续生产的同时，能根据井底积液程度的变化，利用弹性敏感元件控制旁通道的开启/关闭，实现自动排液，不仅有利于将柱塞的排液频率控制在最佳水平，从而提高排液效率，降低生产和管理成本，还能够在积液进一步恶化前及时排液，有效避免了因排液不及时、液载过大而导致柱塞无法到达井口的问题，提高了排液成功率，减小了修井作业的可能性，并防止在井底积液增加前过早上升排液，避免柱塞空载运行和液体过度漏失，有利于延长柱塞的使用寿命；同时对于严重积液的井，柱塞能在落至井底前提前上升排液，有利于控制每次携带的液载量，防止柱塞落至井底后因液载量过大而导致上升困难的问题。

进一步的，根据经验，上腔室与下腔室之间的压差变化范围通常较小，故所述弹性敏感元件优选为波纹管，其灵敏度较高，对较小压差的响应速度较快。根据井底环境的不同，还可以选择其他能将压差变换成轴向位移的弹性敏感元件，例如弹簧管、波登管等。所述波纹管将位于其管壁两侧的柱塞筒体的通孔分隔开，与井口相应一侧的通孔部分即为所述上腔室，与井底相应一侧的通孔部分即为所述下腔室。

具体的，为了简化结构，便于组装，所述执行元件包括与弹性敏感元件相连的推拉杆，和与所述推拉杆相连并能沿限位槽往复滑动以开启/关闭所述旁通道的活塞，所述活塞设有至少一个与上腔室连通的导流孔。在实际应用时，所述推拉杆是与弹性敏感元件的上端密封连接的，弹性敏感元件压缩/膨胀时能带动推拉杆向下或向上运行，从而带动活塞在限位槽内做轴向运动。设置所述导流孔的目的是：当旁通道处于开启状态时，旁通道与上腔室之间能经导流孔连通。

进一步的，所述推拉杆包括顺次设置的上柱杆、中柱杆和下柱杆，所述中柱杆的直径小于所述上柱杆和下柱杆的直径，所述活塞设有与中柱杆相配合的中心孔，所述中柱杆的轴向长度大于所述中心孔的轴向长度并能在中心孔内上下滑动。由于在柱塞上行阶段，积液被逐渐排出但未完全排出时，井口压力略有降低，所述弹性敏感元件略有膨胀并会推动推拉杆上行一段距离，故采用中柱杆长度大于中心孔的轴向长度，能够确保在积液未完全排出时，下柱杆向上运动不会立即接触并推动活塞的下端面，防止在柱塞上行阶段，旁通道与通孔提前连通而发生气体窜漏的情况，能够提高排液成功率，降低修井作业的概率。

优选的，所述活塞可以由现有的合金钢构成，并优选由铬钼合金钢构成，其耐磨性、抗压强度、耐腐蚀性、尺寸稳定性及对冲击的吸收性能较好，在限位槽中长期往复运动，不易损坏。此外，所述活塞还可以由不锈钢或者铝合金等构成。所述限位槽的轴向两端分别设有第一环形磁铁和第二环形磁铁。以上行阶段为例，在积液还未完全排出的过程中，井口压力略有降低，弹性敏感元件略有膨胀并会推动推拉杆上行一段距离，在下柱杆不会立即接触并推动活塞的下端面的前提下，合金钢材质(例如由铬钼合金钢构成)的活塞能够在第二环形磁铁的引力作用下与仍与限位槽下端保持接触，确保活塞不会因中柱杆与中心孔之间的摩擦力而被推拉杆带动上行，从而进一步防止在柱塞上行阶段，旁通道与通孔提前连通而发生气体窜漏的情况，能够提高排液成功率，降低修井作业的概率。

优选的，所述柱塞筒体包括设有所述第一筒体单元和第二筒体单元的上柱塞筒体，以及与第二筒体单元配合并且外径小于第一筒体单元的下柱塞筒体。这样的结构更加方便制作和安装。所述下柱塞筒体的外径小于第一筒体单元是为了保证下柱塞筒体与油管之间的环空与旁通道保持连通。

优选的，所述下柱塞筒体与弹性敏感元件的下端相连，并设有至少作为所述下腔室的一部分的气室。所述气室贯穿下柱塞筒体底部。当所述弹性敏感元件为波纹管等类似结构时，波纹管的内腔与所述气室连通并共同构成所述下腔室。在实际应用时，能够通过向气室充气以增大气压，改变波纹管的轴向长度，从而有利于方便的根据井底的实际情况，尤其是在积液严重时控制柱塞及时排液。

具体的，所述第一筒体单元包括上部和下部，所述下部内径大于上部内径并形成台阶结构，所述下柱塞筒体至少部分外壁与第二筒体单元内壁配合连接，并在所述下柱塞筒体的上端面和所述台阶结构之间形成所述限位槽。利用下柱塞筒体的上端面作为限位槽的下端，有利于进一步简化结构，并方便安装。所述下柱塞筒体与第二筒体单元之间优选通过螺纹连接配合。

进一步的，所述第一筒体单元外壁设有间隔分布的环形凹槽。这样的结构有利于使柱塞在油管内上下往复运动时，利用第一筒体单元的外壁即可自动清除油管内壁的沉砂、结垢和蜡，省略了单独进行清洗作业的环节，有利于提高工作效率。

优选的，所述旁通道至少有两个，各旁通道沿第二筒体单元径向均布。均布设置的多个旁通道有利于减小柱塞下行时的气流阻力。

本发明的气井自动排水柱塞至少具有以下有益效果：

1、实现了不关井连续生产；

2、通过设置所述弹性敏感元件和旁通道，能根据井底积液程度的变化，利用弹性敏感元件控制旁通道的开启/关闭，实现自动排液，使排液频率控制在最佳水平，能够极大的提高排液效率，降低管理成本；

3、在积液进一步恶化前能及时排液，有效避免了因排液不及时、液载过大以及气体窜漏而导致柱塞无法到达井口的问题，提高了排液成功率，减小了修井作业的可能性；

4、能够防止在井底积液增加前过早上升排液，避免柱塞空载运行和液体过度漏失，从而有利于延长柱塞的使用寿命；

5、对于严重积液的井，柱塞能在落至井底前提前上升排液，有利于控制每次携带的液载量，防止柱塞落至井底后因液载量过大而导致上升困难的问题。

本发明的以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1为本发明的气井自动排水柱塞上行阶段结构示意图。

图2为图1中活塞的轴向剖视示意图。

图3为图1中活塞的径向剖视示意图。

图4为图1中推拉杆的结构示意图。

图5为本发明的气井自动排水柱塞下行阶段结构示意图。

具体实施方式

如图1和图5所示，本发明的气井自动排水柱塞，包括沿轴向设有通孔100的柱塞筒体，所述柱塞筒体内设有将所述通孔100分隔成上腔室和下腔室的控制机构，该柱塞筒体至少包括外径由大到小的第一筒体单元210和第二筒体单元220，所述第一筒体单元210和第二筒体单元220内设有限位槽400，所述第二筒体单元220沿所述限位槽400径向设有能与通孔100连通的旁通道500，所述控制机构设有能将所述上腔室和下腔室之间的压差变换成轴向位移的弹性敏感元件600，以及与所述弹性敏感元件600相连并能在弹性敏感元件600的作用下沿所述限位槽400往复滑动以开启/关闭所述旁通道500的执行元件。

所述旁通道500有四个并沿第二筒体单元220的径向均布。所述弹性敏感元件600为波纹管。所述柱塞筒体包括设有所述第一筒体单元210和第二筒体单元220的上柱塞筒体200，以及与第二筒体单元220配合并且外径小于第一筒体单元210的下柱塞筒体300。所述第一筒体单元210是与气井油管相配合的，即所述上腔室是与井口连通的，其压力随井口压力的变化而变化；所述下腔室是与井底连通的，其压力随井底压力的变化而变化。所述第一筒体单元210外壁设有间隔分布的环形凹槽213。所述下柱塞筒体300与油管之间的环空与旁通道500保持连通。所述下柱塞筒体300与波纹管的开口端固定连接，并设有气室310，所述气室310贯穿下柱塞筒体300底部，波纹管的内腔与所述气室310连通并共同构成所述下腔室，柱塞筒体内与波纹管的管壁外侧相应的空间即为所述上腔室。所述第一筒体单元210包括上部211和下部212，所述下部212内径大于上部211内径并形成台阶结构，所述下柱塞筒体300部分外壁与第二筒体单元220内壁配合连接，并在所述下柱塞筒体300的上端面和台阶结构之间形成所述限位槽400，下柱塞筒体300的上端面和台阶结构上分别设有第二环形磁铁820和第一环形磁铁810。

所述执行元件包括与波纹管自由端连接的推拉杆710，和与所述推拉杆710相连并能沿限位槽400往复滑动以开启/关闭所述旁通道500的活塞720。如图2和图3所示，所述活塞720设有三个沿径向均布并与上腔室连通的导流孔721。所述活塞720由铬钼合金钢构成。

如图4所示，所述推拉杆710包括顺次设置的上柱杆711、中柱杆712和下柱杆713，所述中柱杆712的直径小于所述上柱杆711和下柱杆713的直径，所述活塞720设有与中柱杆712相配合的中心孔722，所述中柱杆712的轴向长度大于所述中心孔722的轴向长度并能在中心孔722内上下滑动。

该柱塞的工作过程包括：

初始状态：在开井生产时，所述活塞720是与第一环形磁铁810相接触的，即所述旁通道500处于开启状态，柱塞被投放至井底。

上行阶段:随着井底积液的聚集，积液经旁通道500进入并淹没上腔室，井口压力将逐渐增大，波纹管将在井口和井底的压差作用下沿轴向压缩，从而带动推拉杆710向下运动，当上柱杆711的下端面接触活塞720的上端面时，推拉杆710带动活塞720向下运动，当活塞720下行至下柱塞筒体300的上端面并与第二环形磁铁820接触时，即为图1中所示结构，旁通道500与通孔100隔开，旁通道500关闭，此时在油管中即形成密封的柱塞整体，随着井底气体的聚集，在气体的推动作用下柱塞整体沿油管上升运动，最终到达井口使积液排出，气井恢复产气。

由于所述中柱杆712长度大于中心孔722的轴向长度，故在柱塞整体上行阶段，积液被逐渐排出但未完全排出时，井口压力略有降低，所述波纹管略有膨胀并推动推拉杆710向上运动时，下柱杆713不会立即接触并推动活塞720的下端面，并且活塞720能够在第二环形磁铁820的引力作用下仍与下柱塞筒体300的上端面保持接触，从而有利于防止在柱塞上行阶段，活塞720与推拉杆710同步运动以及活塞720因中柱杆712与中心孔722之间的摩擦力而被推拉杆710带动上行，使旁通道500与通孔100提前连通导致气体窜漏的情况。

下行阶段：当该气井自动排水柱塞在井口滞留一段时间后，随着井底积液的重新聚集，井底压力将增加，而井口剩余压力因积液的排出而降低，即此时下腔室的压力将大于上腔室的压力，波纹管将在下腔室与上腔室之间的压差作用下膨胀并带动推拉杆710向上运动，当推拉杆710上行至台阶结构处与第一环形磁铁810接触时，即为如图5所示的结构，旁通道500开启，气流经旁通道500在上腔室和下腔室之间发生窜漏，柱塞整体在重力作用下下落。

由于存在井底积液，在柱塞整体落入积液后上腔室中的压力将有所增大，波纹管将带动推拉杆710向下运动，若井底积液较少，上腔室与下腔室之间的压差不足以使波纹管带动执行元件下行至下柱塞筒体300的上端面时，所述旁通道500将仍处于开启状态，柱塞整体将继续下落至井底，待积液进一步增加后再重复所述上行阶段的上升排液；若井底积液较多，柱塞整体在落入积液但尚未落至井底前，推拉杆710已经下行至下柱塞筒体300的上端面并与第二环形磁铁820接触，所述旁通道500将提前关闭，柱塞整体就将在落至井底前提前上升排液。