全金属螺杆泵稠油注采一体控制装置及方法与流程

本发明涉及一种石油工业采油辅助装置及方法，特别涉及一种全金属螺杆泵稠油注采一体控制装置及方法。

背景技术：

在石油开采过程中，稠油具有特殊的高粘度和高凝固点特性，在开发和应用的各个方面都遇到一些技术难题，胶质、沥青质和长链石蜡造成原油在储层和井筒中的流动性变差，对应用广泛的有杆抽油井而言，在开采稠油时，由于粘度过高，含蜡量大，使得油管的油流通道减小，抽油杆柱的上、下行阻力增加，下冲程时易出现驴头“打架”现象，上冲程时驴头负荷增加，严重时会使抽油杆卡死在油管中，甚至造成抽油杆断裂的井下事故。此外，对于油层温度较低的井，在抽油泵固定阀、固定阀罩及其以下部位由于压力低，在生产过程中也容易形成堵井，而要被迫进行修井。

对于电潜泵生产井而言，由于电潜泵井排量大，吸入口处压力低，当油层温度较低时，此处容易结蜡并造成叶导轮流道堵塞，钻井液阻力增加，使泵的排量下降，同时会使电机负荷增加，严重的可造成电机经常停机，使电泵机组不能正常运转。

目前，国内外对稠油和高凝油开采一般均采用蒸汽热采方式，也就是通过在井口注入高温高压蒸汽，再配合使用螺杆泵进行稠油开采，螺杆泵的突出的优点是输送介质时不形成涡流、对介质的粘性不敏感，可输送高粘度介质，因此，这是一种有效的稠油开采方式。但是，现有的螺杆泵采用的定子橡胶衬套作为主要组成部分，采用的橡胶材料通常为丁腈橡胶(nbr)。在油田恶劣的环境下，螺杆泵定子橡胶材料受油、定转子间磨耗和疲劳等因素的影响，容易使定子橡胶发生老化失效，限制了螺杆泵的使用。特别是由于从井口注入高温高压蒸汽，更容易使橡胶老化，降低螺杆泵的使用寿命，这就迫使螺杆泵井在采油过程中，需要通过油田作业施工将螺杆泵整体从油井的套管中提出，然后，向油井内部注入高温高压的蒸汽，并进行焖井一段时间，第三步进行回采，也就是再将橡胶螺杆泵再次通过油田作业施工将其下入油井的套管中，但是，油井的深度少则几十米，多则几百米甚至上千米，这就耗费了大量的作业时间和成本，因此迫切需要一种全金属的螺杆泵，可以承受高温蒸汽，避免螺杆泵整体提出带来的高昂的作业费用。

中国专利文献公开号为104847323a，专利名称为《全金属螺杆泵稠油注采一体化成套装置》，包括光杆总成、永磁电机驱动头保护装置、直驱三相永磁同步电动机、高温高压密封总成、专用注汽装置、油管头、套管头、表层套管、油管、扭矩杆、转矩锚、金属螺杆泵、扶正器、尾管、螺杆泵地面控制柜；自上而下依次为光杆总成、永磁电机驱动头保护装置、直驱三相永磁同步电动机、高温高压密封总成、专用注汽装置、油管头、套管、扭矩杆、转矩锚、扶正器、尾管，油管套在套管内，金属螺杆泵装在转矩锚内；螺杆泵地面控制柜与直驱三相永磁同步电动机连接。上述专利将金属定子与油管连接，金属转子与抽油杆连接，实现了全金属的定子和转子。但是该发明在注入蒸汽时，仍然需要光杆总成上提带动转子离开螺杆泵的定子，将注汽通道打开，然后再注入蒸汽，注汽完成后再将光杆总成下放，将转子放入定子内，再进行采油。但是其存在的问题是：虽然不需要将螺杆泵完全提出井口，只是上提一段距离，可以减少作业时间，但是仍然需要上提螺杆泵的转子部分，而每次金属转子的上提和下放都可能会对金属定子进行一次磨损，而且其下放一般都会有误差，这就造成全金属的转子每一次下放都可能对定子进行一次碰撞，进而降低螺杆泵的使用寿命，虽然该发明也采用了一些技术手段来减少其碰撞或磨损，但是仍然存在磨损或碰撞的可能性，降低螺杆泵的使用寿命；另外，螺杆泵的转子的上提需要大型的吊装设备完成，这也增加了作业成本和施工的危险性。

中国专利文献号为102877821a，专利名称为《稠油蒸汽吞吐注采一体化装置》，包括驱动装置、注汽采油一体式井口、油管、抽油杆、双金属螺杆泵、凸轮锚，驱动装置包括底座、箱体、电机及电机座，注汽采油一体式井口上设置油井套管，油井套管套设在油管外，油管底部连接有双金属螺杆泵的定子，定子下端设有凸轮锚，油管内设有抽油杆，抽油杆下端与双金属螺杆泵的转子相连，其上端与光杆相连，光杆与电机传动连接，底座内设置有密封器，底座下端与注汽采油一体式井口相连，且底座与注汽采油一体式井口之间设有第一隔热垫，底座上端与箱体连接，且底座与箱体之间设有第二隔热垫，箱体与电机座铰接。本发明将注汽装置和采油装置一体化，提高了稠油井的生产时效。但是其仍然存在的问题是：本发明通过增设电机带动光杆上提或下放，不需要采用大型吊装设备，但是仍然需要通过光杆上提将转子上移一段距离，将注汽通道打开，然后再注入蒸汽，注汽完成后再将光杆总成下放，将转子放入定子内，再进行采油。该发明存在的问题是：仍然需要上提螺杆泵的转子部分，而每次金属转子的上提和下放都可能会对金属定子进行一次磨损，虽然其上提和下放的过程是采用电机和注汽采油一体化井口完成，降低了误差，减少了转子与定子的碰撞的几率，但是这仍不能避免全金属的转子每一次下放和上提对定子的磨损，所以，其仍然会降低螺杆泵的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种全金属螺杆泵稠油注采一体控制装置及方法，在稠油开采时，不需要上提或下放转子，而是另外增设注汽通道，通过注汽通道来完成注汽与采油的一体化作业。

本发明提到的一种全金属螺杆泵稠油注采一体控制装置，其技术方案是：包括中心管（2）、转子连接杆（3）、泄压活塞（6）、缸套（7）、泄压弹簧（8）、注汽活塞（10）、注汽弹簧（11）、弹簧挡块（12）、螺杆泵接头（13）、固定环（14）、活动环（15）、滑动环（16）、连接凸起（18），所述的中心管（2）安装在套管（1）内腔，中心管（2）的内腔安装转子连接杆（3），转子连接杆（3）通过螺杆泵接头（13）连接到全金属螺杆泵的转子，在中心管（2）的中下部内腔安装固定环（14），转子连接杆（3）的外壁安装有滑动环（16），在固定环（14）与滑动环（16）之间安装有活动环（15）；所述中心管（2）的中部外侧通过连接凸起（18）固定缸套（7），且中心管（2）的中部下侧设有注汽孔（9），上侧设有泄压孔（5），在所述缸套（7）的下部通过注汽活塞（10）与注汽孔（9）配合实现开关，所述注汽活塞（10）的下部通过注汽弹簧（11）与弹簧挡块（12）连接；所述缸套（7）的上部通过泄压活塞（6）与泄压孔（5）配合实现泄压孔的开关，且泄压活塞（6）的下部安设有泄压弹簧（8）。

优选的，上述泄压活塞（6）的上部设有限位环（4），所述限位环（4）的外壁上部设有凸起部，通过凸起部与缸套（7）配合，限位环（4）内设有泄压缝（4.1），泄压缝（4.1）的顶部安设金属过滤网（4.2），高压气体通过金属过滤网（4.2）和泄压缝（4.1）进入缸套（7）与中心管（2）之间的环空，进而压缩泄压活塞（6）向下移动。

优选的，上述泄压活塞（6）为弓形结构，且泄压活塞（6）的中部正对着泄压孔（5），两侧分别设有金属密封件与中心管实现密封，所述泄压活塞（6）的外侧通过一个金属密封件与缸套（7）密封。

优选的，上述连接凸起（18）的内侧与中心管（2）外壁固定连接，外侧设有螺纹，通过螺纹与缸套（7）活动连接。

优选的，上述注汽孔（9）的外侧与缸套（7）之间形成注汽缓冲腔，在注汽缓冲腔的下方为注汽活塞（10），所述注汽活塞（10）为上窄下粗的结构，且上侧外壁通过金属密封件与缸套（7）接触，注汽活塞（10）的下侧内壁通过金属密封件与中心管（2）接触。

优选的，上述注汽活塞（10）的顶部为截面为直角梯形结构。

优选的，上述固定环（14）的上表面为斜面，所述活动环（15）的上、下表面为斜面，且活动环（15）的下表面与固定环（14）的上表面接触，所述活动环（15）的上表面与滑动环（16）配合。

优选的，上述滑动环（16）的上、下表面为斜面结构，所述滑动环（16）的下表面与活动环（15）的上表面接触，且所述滑动环（16）的内侧通过金属密封件与转子连接杆（3）连接。

本发明提到的一种全金属螺杆泵稠油注采一体控制装置的使用方法，其技术方案是包括以下过程：

a、组装全金属螺杆泵稠油注采一体控制装置：将缸套（7）与中心管（2）连接固定，并安装泄压弹簧（8）和泄压活塞（6），再安装注汽活塞（10）和注汽弹簧（11），将装好部件的中心管（2）的下端连接金属螺杆泵定子后，下入套管（1）内腔；再将活动环（15）下入中心管（2）内腔，再在中心管（2）内腔下入安装金属螺杆泵转子的转子连接杆（3），中心管（2）的上端连接井口装置，转子连接杆（3）的顶部连接螺杆泵电机；

b、向井下注入高温高压蒸汽：蒸汽锅炉通过井口装置向中心管（2）与转子连接杆（3）之间的夹壁腔注入高温高压蒸汽，套管与中心管之间的顶部通过井口装置封闭，高温高压蒸汽顺着夹壁腔下行，经过滑动环（16）、活动环（15）和固定环（14）的阻挡后，沿着注汽孔（9）进入缸套（7）与中心管（2）之间的环空，推动注汽活塞（10）和注汽弹簧（11）下行，此时泄压活塞（6）紧闭不动，开始向稠油层注入高温高压蒸汽，蒸汽注入一段时间后，蒸汽锅炉停止工作进行焖井；

c、焖井后泄压：焖井结束后，由于井下的稠油层的蒸汽压力大于中心管（2）与转子连接杆（3）之间的夹壁腔的压力，注汽弹簧（11）推动注汽活塞（10）上行堵塞缸套（7）与中心管（2）之间的环空，注汽孔（9）被封闭；此时，泄压活塞（6）的上部承受的压力大于下部的泄压弹簧（8）的压力，所以推动泄压活塞（6）下行，进而打开泄压孔（5），直至压力平衡后，泄压活塞（6）回位；

d、金属螺杆泵采油：泄压活塞（6）回位后，此时可以开启螺杆泵，通过转子与定子的配合带动降低粘度的稠油被开采出来，实现稠油开采，直至稠油的粘度再次增大到不满足金属螺杆泵的抽动时，再重复步骤b和c，实现稠油注采一体操作。

优选的，上述步骤a中，将缸套（7）通过连接凸起（18）与中心管（2）连接固定，将泄压弹簧（8）和泄压活塞（6）依次装入缸套（7）与中心管（2）的上侧环空中，再将限位环（4）通过螺纹固定在缸套（7）的顶部；在缸套（7）与中心管（2）的下侧环空中安装注汽活塞（10）和注汽弹簧（11），且注汽弹簧（11）的底部与弹簧挡块（12）连接。

本发明的有益效果是：一是采用本发明的控制装置来控制注采，使稠油开采时不需要频繁作业施工，注汽和泄压时不需要上提和下放螺杆泵，降低了作业成本，也减少了作业造成的安全事故的发生概率；二是避免了金属螺杆泵的转子与定子由于上提或下放造成的磨损问题，延长了螺杆泵的使用寿命，彻底解决了作业中的可能发生误操作问题，不会出现转子与定子的碰撞问题；三是注汽灵活，不需要一次性向地层注入大量的高温高压蒸汽，降低了由于压力大造成的安全隐患，本发明可以根据地层的需要随时注汽，降低了施工的费用和作业的时间，大幅度提高了稠油开采的效率。

附图说明

附图1是本发明下入井下时的结构示意图；

附图2是本发明注汽时的结构示意图；

附图3是本发明泄压时的结构示意图；

上图中：套管1、中心管2、转子连接杆3、限位环4、泄压孔5、泄压活塞6、缸套7、泄压弹簧8、注汽孔9、注汽活塞10、注汽弹簧11、弹簧挡块12、螺杆泵接头13、固定环14、活动环15、滑动环16、金属密封件17、连接凸起18、泄压缝4.1、金属过滤网4.2。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，参照附图1，本发明提到的一种全金属螺杆泵稠油注采一体控制装置，其技术方案是：包括中心管2、转子连接杆3、泄压活塞6、缸套7、泄压弹簧8、注汽活塞10、注汽弹簧11、弹簧挡块12、螺杆泵接头13、固定环14、活动环15、滑动环16、连接凸起18，所述的中心管2安装在套管1内腔，中心管2的内腔安装转子连接杆3，转子连接杆3通过螺杆泵接头13连接到全金属螺杆泵的转子，在中心管2的中下部内腔安装固定环14，转子连接杆3的外壁安装有滑动环16，在固定环14与滑动环16之间安装有活动环15；所述中心管2的中部外侧通过连接凸起18固定缸套7，且中心管2的中部下侧设有注汽孔9，上侧设有泄压孔5，在所述缸套7的下部通过注汽活塞10与注汽孔9配合实现开关，所述注汽活塞10的下部通过注汽弹簧11与弹簧挡块12连接；所述缸套7的上部通过泄压活塞6与泄压孔5配合实现泄压孔的开关，且泄压活塞6的下部安设有泄压弹簧8。

其中，泄压活塞6的上部设有限位环4，所述限位环4的外壁上部设有凸起部，通过凸起部与缸套7配合，限位环4内设有圆环形的泄压缝4.1，泄压缝4.1的上方设有金属过滤网4.2，高压气体通过金属过滤网4.2和泄压缝4.1进入缸套7与中心管2之间的环空，避免砂子喷出造成磨损，由于泄压时，内外存在压差，所以压缩泄压活塞6向下移动；该泄压活塞6的中部正对着泄压孔5，两侧分别设有金属密封件与中心管实现密封，所述泄压活塞6的外侧通过一个金属密封件与缸套7密封。

本发明的连接凸起18的内侧与中心管2外壁固定连接，外侧设有螺纹，通过螺纹与缸套7活动连接，便于安装和拆卸缸套，也便于制作加工，使其更易于推广使用。

本发明的注汽孔9的外侧与缸套7之间的环空安设注汽活塞10，所述注汽活塞10上侧外壁通过金属密封件与缸套7接触，注汽活塞10的下侧内壁通过金属密封件与中心管2接触，通过注汽弹簧11与弹簧挡块12连接，实现注汽时向下移动注汽活塞10，打开注汽孔；泄压时，注汽弹簧11带动注汽活塞10上移，实现注汽孔的关闭。

另外，本发明的中心管内壁的固定环14的上表面为斜面，所述活动环15的上、下表面为斜面，且活动环15的下表面与固定环14的上表面接触，所述活动环15的上表面与滑动环16配合；上述滑动环16的上、下表面为斜面结构，所述滑动环16的下表面与活动环15的上表面接触，且所述滑动环16的内侧通过金属密封件与转子连接杆3连接；并且上述斜面的外侧均为向上倾斜，也就是外径的水平高度高于内径的水平高度。

本发明的活动环15的外径小于中心管的内径，大于固定环14的外径；而且滑动环16的外径大于活动环15内径，而且，固定环14、活动环15和滑动环16的接触面均为斜面，相互配合形成一个单向工作阀，也称为伯努利单向工作阀。滑动环16与转子连接杆3通过金属密封件连接，这样，当注汽时，活动环15和滑动环16上侧的气体压力大于活动环15和滑动环16下侧压力时，活动环15和滑动环16对固定环形成挤压作用，达到机械密封的作用，整个单向工作阀处于关闭状态；当螺杆泵工作开始采油时，下侧的液体压力大于上侧的压力，活动环15和滑动环16有远离固定环的运动，从而打开了机械密封，单向工作阀处于导通状态，也就是开采的稠油液体沿着活动环15与滑动环16之间的缝隙，还有活动环15与固定环14之间的缝隙向上流出，实现正常的采油过程。

需要说明的是，本发明适用于不同型号的井口装置，井口装置为现有常规技术，不再描述。

本发明提到的一种全金属螺杆泵稠油注采一体控制装置的使用方法，其技术方案是包括以下过程：

a、组装全金属螺杆泵稠油注采一体控制装置：将缸套7与中心管2连接固定，并安装泄压弹簧8和泄压活塞6，再安装注汽活塞10和注汽弹簧11，将装好部件的中心管2的下端连接金属螺杆泵定子后，下入套管1内腔；再将活动环15下入中心管2内腔，再在中心管2内腔下入安装金属螺杆泵转子的转子连接杆3，中心管2的上端连接井口装置，转子连接杆3的顶部连接井口装置上安装的螺杆泵电机；

b、向井下注入高温高压蒸汽：蒸汽锅炉通过井口装置向中心管2与转子连接杆3之间的夹壁腔注入高温高压蒸汽，套管与中心管之间的顶部通过井口装置封闭，高温高压蒸汽顺着夹壁腔下行，经过滑动环16、活动环15和固定环14的阻挡后，沿着注汽孔9进入缸套7与中心管2之间的环空，推动注汽活塞10和注汽弹簧11下行，此时泄压活塞6紧闭不动，由于套管与中心管之间的顶部通过井口装置封闭，所以实现向套管下部外侧的稠油层注入高温高压蒸汽，蒸汽注入一段时间后，蒸汽锅炉停止工作进行焖井；

c、焖井后泄压：焖井结束后，由于井下的稠油层的蒸汽压力大于中心管2与转子连接杆3之间的夹壁腔的压力，注汽弹簧11推动注汽活塞10上行堵塞缸套7与中心管2之间的环空，注汽孔9被封闭；此时，泄压活塞6的上部承受的压力大于下部的泄压弹簧8的压力，所以推动泄压活塞6下行，进而打开泄压孔5，直至压力平衡后，泄压活塞6回位；

d、金属螺杆泵采油：泄压活塞6回位后，此时可以开启螺杆泵，通过转子与定子的配合带动降低粘度的稠油被开采出来，实现稠油开采，直至稠油的粘度再次增大到不满足金属螺杆泵的抽动时，再重复步骤b和c，实现稠油注采一体操作。

需要进一步解释的是：上述步骤a中，将缸套7通过连接凸起18与中心管2连接固定，将泄压弹簧8和泄压活塞6依次装入缸套7与中心管2的上侧环空中，再将限位环4通过螺纹固定在缸套7的顶部；在缸套7与中心管2的下侧环空中安装注汽活塞10和注汽弹簧11，且注汽弹簧11的底部与弹簧挡块12连接。

实施例2，本发明与实施例1不同之处是：本发明提到的泄压活塞6为弓形结构，泄压活塞6的中心位置正对泄压孔5，且两侧的长度相等，这样更有利于注汽时，泄压孔保持关闭状态。

实施例3，本发明与实施例1不同之处是：本发明的注汽孔9的外侧与缸套7之间形成注汽缓冲腔，在注汽缓冲腔的下方为注汽活塞10，所述注汽活塞10为上窄下粗的结构，且上侧外壁通过金属密封件与缸套7接触，注汽活塞10的下侧内壁通过金属密封件与中心管2接触。另外，注汽活塞10的顶部为截面为直角梯形结构，注汽缓冲腔和注汽活塞10的形状，都有利于高温高压蒸汽顺利的推动注汽活塞10向下移动，避免注汽活塞10出现锁住的故障。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。