一种水平井排水采气装置和方法

1.本发明涉及气井采气技术领域，具体涉及一种水平井排水采气装置和方法。


背景技术：

2.在油气资源断勘探开发的领域中，柱塞气举技术被认为是最经济有效的排水采气工艺，柱塞气举是间歇气举的一种特殊形式，其能量主要来源于地层气，但如果地层能量不足时，也可向井底注入高压气体进行补充。
3.该工艺技术是把柱塞充当为一种固体界面，在井筒中将上方的积液与下面的气体分隔开，起到密封的作用，以尽可能地减少液体漏失，防止气体窜流，从而提高工作效率和气井产量，柱塞是一个直径略小于油管直径的活塞，可以在油管内上下运动，开井生产时，柱塞在下部气体的举升作用下带着上部液段一起向上运动，直至上行到井口位置，被卡定在捕捉器上。
4.在现有技术中，用于捕捉举升柱塞的装置功能较为单一，仅能对在管柱内上升至最高位置的柱塞进行卡合捕捉，然而柱塞在气举的过程中会携带一定的势能，不仅会在移动至最高位置后对捕捉器进行冲击，且因冲击造成的反弹可能会导致捕捉器捕捉柱塞的成功率有所下降。
5.另外，柱塞在气举的过程中仅能通过捕捉器进行捕捉，但捕捉器未能成功捕捉柱塞时，柱塞会在自身重力和上部液段的作用下沿管柱再次下降，从而降低了排液的效率。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种水平井排水采气装置，以解决现有技术中的捕捉举升柱塞的装置功能较为单一，以及柱塞仅能通过捕捉器进行捕捉的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
8.一种水平井排水采气装置，包括自地面延伸至储层的管柱，并在管柱内活动连接有柱塞，在所述管柱的顶端连接有柱塞捕捉器，在所述管柱上位于所述柱塞捕捉器的底端设有柱塞限制器，在所述管柱上位于所述柱塞捕捉器和所述柱塞限制器之间设有用于排出积液的排液结构；
9.所述管柱内通过储层的气体举升所述柱塞以所述柱塞气举上部液段；
10.所述柱塞捕捉器用于和所述柱塞的顶端扣接，在所述柱塞举升至与所述柱塞捕捉器扣接时能够连同所述柱塞捕捉器机械形变至锁定所述柱塞的顶端结构，并且所述柱塞捕捉器能够对所述柱塞举升的势能进行缓冲；
11.所述柱塞限制器能够在所述管柱的内侧形成三个突出的限位结构，以限制位于所述柱塞限制器上方的所述柱塞下落。
12.作为本发明的一种优选方案，所述柱塞捕捉器包括顶筒、筒内滑块、弹性支撑组件和自动扣合组件；
13.所述顶筒固定在所述管柱的顶端，所述筒内滑块活动连接在所述顶筒的内部并能
够沿所述顶筒内侧上下滑动，所述弹性支撑组件设置在所述顶筒的内部并用于弹性压合所述筒内滑块的顶端，所述自动扣合组件设置在所述筒内滑块的底端并用于和所述柱塞的顶端扣接。
14.作为本发明的一种优选方案，所述弹性支撑组件包括通过螺纹固定在所述顶筒顶端的螺纹盖，所述螺纹盖的底端中心位置设有阻尼杆，并且所述螺纹盖的内侧位于所述阻尼杆的外侧固定连接有弹簧；
15.其中，所述阻尼杆始终与所述顶筒内的所述筒内滑块顶端接触；
16.其中，所述弹簧的长度小于所述筒内滑块在所述顶筒内上升的行程。
17.作为本发明的一种优选方案，所述筒内滑块的底端开设有螺孔，所述筒内滑块的内部设有用于控制所述自动扣合组件闭合的行程开关，所述行程开关的触发端朝向延伸至所述自动扣合组件的内部，所述筒内滑块的内部设有用于控制所述自动扣合组件开合的控制器，所述控制器与外界控制终端连接。
18.作为本发明的一种优选方案，所述自动扣合组件包括通过螺纹连接在所述筒内滑块底端的连接座，所述连接座的外侧设有两个对称分布的突出结构用于各安装有第一推杆，所述连接座的内侧设有两个对称分布的凸出结构用于各安装有卡爪，在所述连接座的内侧中心位置开设有用于供所述行程开关触发端穿过的通孔。
19.作为本发明的一种优选方案，所述卡爪上通过设有第一扭簧轴转动连接在所述连接座的内侧突出结构上，所述卡爪的顶端设有朝向另一所述卡爪横向延伸的上横档，并且所述卡爪的底端设有朝向另一所述卡爪分布的内卡棱；
20.其中，两个所述第一扭簧轴能够使两个所述卡爪的顶端趋向靠近且底端趋向远离，所述柱塞朝向两个所述卡爪之间上升能够使两个所述卡爪保持垂直状态，在所述卡爪处于垂直状态能够通过所述上横档触发所述通孔，以及通过所述内卡棱扣合所述柱塞的外侧；
21.其中，所述通孔触发能够控制两个所述通孔锁定两个所述卡爪的垂直状态。
22.作为本发明的一种优选方案，所述柱塞限制器包括管外连接壳、主横档组件和第二推杆，以及两个对称分布在所述第二推杆上的副横档组件；
23.所述管外连接壳设置在所述管柱的外侧，所述主横档组件设置在所述管外连接壳的内部并能够沿所述管外连接壳朝向所述管柱的方向伸缩，所述第二推杆设置在所述管外连接壳的外侧并用于控制所述主横档组件的伸缩，两个所述副横档组件对称分布在所述管外连接壳两侧，并且所述主横档组件能够连同两个所述副横档组件同步朝向所述管柱的中心位置延伸，由所述主横档组件和两个所述副横档组件伸入所述管柱的内的部分用于支撑所述柱塞的底端；
24.其中，所述管柱上位于所述管外连接壳的内侧开设有三个均分分布在所述管柱外圆周面的槽口，所述管外连接壳的内部为中空结构并通过所述槽口与所述管柱的内部连通，所述主横档组件和两个所述副横档组件能够通过所述槽口延伸入所述管柱的内部。
25.作为本发明的一种优选方案，所述主横档组件包括固定连接在所述管外连接壳内部的滑轨，所述滑轨横向滑动连接有横滑块，所述横滑块的两侧各设有连接绳与两个所述副横档组件连接；
26.其中，所述横滑块的前端通过沿所述滑轨伸入所述管柱的内侧并用于支撑所述柱
塞的底端。
27.作为本发明的一种优选方案，所述副横档组件包括固定连接在所述管外连接壳内部的固定框，所述固定框的内侧设有纵向分布的第二扭簧轴，所述第二扭簧轴的外侧横向转动连接有横转块；
28.其中，所述横转块绕所述第二扭簧轴转动能够穿过所述管柱上的槽口并横向延伸至所述管柱的内部，所述第二扭簧轴能够弹性支撑所述横转块趋向所述管柱的方向转动；
29.其中，所述横转块的尾部与所述连接绳连接，所述连接绳朝向所述管外连接壳的外侧移动能够通过两个所述连接绳牵拉两个所述横转块脱离所述管柱的内部。
30.为解决上述技术问题，本发明还进一步提供一种水平井排水采气方法，包括如下步骤：
31.步骤100、柱塞上行，通过环空中的气体发生膨胀流入管柱，和地层气体一起举升柱塞及上部液段向井口运动，此时，井口油压和井口套压一直在不断地下降，直至气体举升柱塞及上部液段到达井口，气井立即开始排液生产；
32.步骤200、续流生产，在柱塞到达井口时，通过井口缓冲器对上行柱塞进行捕捉并对势能进行缓冲，此时柱塞上的液段完全进入生产管线，此时，地层产出水和环空中的积液又重新在油管下部聚积，随着井底积液增加，井底流压不断升高；
33.步骤300、柱塞下降，续流生产阶段结束后关井，柱塞在自身重力作用下从井口开始下落，柱塞穿过气体和积液最终下降至卡定器位置，井口套压和井口油压开始逐渐恢复；
34.步骤400、压力恢复，当井口油套压的恢复已满足要求，就重新开井进行新一轮的循环；如果井口油套压的恢复还未满足要求，就继续关井等待压力恢复到需要值。
35.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
36.(1)本发明通过在管柱的顶端设置柱塞捕捉器，在柱塞举升的过程中，柱塞的顶端会垂直伸入柱塞捕捉器中从而自动与柱塞捕捉器扣接，之后柱塞捕捉器通过内部的缓冲结构对柱塞多余的举升势能进行缓冲，不仅降低了柱塞在使用过程中因过度碰撞而损坏的几率，且柱塞捕捉器自动扣接柱塞能够增强捕捉柱塞的效果；
37.(2)本发明通过在管柱上设置柱塞限制器，在柱塞举升至被柱塞捕捉器扣接后其底端高于柱塞限制器，此时控制柱塞限制器向管柱内伸入三个突出结构，从而对管柱的底端进行支撑，降低了柱塞意外下落的几率。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
39.图1为本发明提供装置整体的示意图。
40.图2为本发明提供柱塞捕捉器的剖视图。
41.图3为本发明提供自动扣合组件的初始状态示意图。
42.图4为本发明提供自动扣合组件的扣合状态示意图。
43.图5为本发明提供柱塞限制器的回缩状态示意图。
44.图6为本发明提供柱塞限制器的卡合状态示意图。
45.图中的标号分别表示如下：
46.1-管柱；2-柱塞；3-柱塞捕捉器；4-柱塞限制器；5-排液结构；
47.31-顶筒；32-筒内滑块；33-弹性支撑组件；34-自动扣合组件；
48.321-螺孔；322-行程开关；323-控制器；331-螺纹盖；332-阻尼杆；333-弹簧；341-连接座；342-第一推杆；343-卡爪；344-通孔；
49.3431-第一扭簧轴；3432-上横档；3433-内卡棱；
50.41-管外连接壳；42-主横档组件；43-第二推杆；44-副横档组件；
51.421-滑轨；422-横滑块；423-连接绳；441-固定框；442-第二扭簧轴；443-横转块。
具体实施方式
52.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.如图1至图6所示，本发明提供了一种水平井排水采气装置，包括自地面延伸至储层的管柱1，并在管柱内活动连接有柱塞2，在管柱1的顶端连接有柱塞捕捉器3，在管柱1上位于柱塞捕捉器3的底端设有柱塞限制器4，在管柱1上位于柱塞捕捉器3和柱塞限制器4之间设有用于排出积液的排液结构5；
54.管柱1内通过储层的气体举升柱塞2以柱塞2气举上部液段；
55.柱塞捕捉器3用于和柱塞2的顶端扣接，在柱塞2举升至与柱塞捕捉器3扣接时能够连同柱塞捕捉器3机械形变至锁定柱塞2的顶端结构，并且柱塞捕捉器3能够对柱塞2举升的势能进行缓冲；
56.柱塞限制器4能够在管柱1的内侧形成三个突出的限位结构，以限制位于柱塞限制器4上方的柱塞2下落。
57.在现有技术中，用于捕捉举升柱塞的装置功能较为单一，仅能对在管柱内上升至最高位置的柱塞进行卡合捕捉，然而柱塞在气举的过程中会携带一定的势能，不仅会在移动至最高位置后对捕捉器进行冲击，且因冲击造成的反弹可能会导致捕捉器捕捉柱塞的成功率有所下降。
58.本发明通过在管柱1的顶端设置柱塞捕捉器3，在柱塞2举升的过程中，柱塞2的顶端会垂直伸入柱塞捕捉器3中从而自动与柱塞捕捉器3扣接，之后柱塞捕捉器3通过内部的缓冲结构对柱塞2多余的举升势能进行缓冲，不仅降低了柱塞2在使用过程中因过度碰撞而损坏的几率，且柱塞捕捉器3自动扣接柱塞2能够增强捕捉柱塞2的效果。
59.柱塞在气举的过程中仅能通过捕捉器进行捕捉，但捕捉器未能成功捕捉柱塞时，柱塞会在自身重力和上部液段的作用下沿管柱再次下降，从而降低了排液的效率。
60.本发明通过在管柱1上设置柱塞限制器4，在柱塞2举升至被柱塞捕捉器3扣接后其底端高于柱塞限制器4，此时控制柱塞限制器4向管柱1内伸入三个突出结构，从而对管柱1的底端进行支撑，降低了柱塞2意外下落的几率。
61.其中，柱塞捕捉器3包括顶筒31、筒内滑块32、弹性支撑组件33和自动扣合组件34；
62.顶筒31固定在管柱1的顶端，筒内滑块32活动连接在顶筒31的内部并能够沿顶筒31内侧上下滑动，弹性支撑组件33设置在顶筒31的内部并用于弹性压合筒内滑块32的顶端，自动扣合组件34设置在筒内滑块32的底端并用于和柱塞2的顶端扣接。
63.弹性支撑组件33包括通过螺纹固定在顶筒31顶端的螺纹盖331，螺纹盖331的底端中心位置设有阻尼杆332，并且螺纹盖331的内侧位于阻尼杆332的外侧固定连接有弹簧333；
64.其中，阻尼杆332始终与顶筒31内的筒内滑块32顶端接触；
65.其中，弹簧333的长度小于筒内滑块32在顶筒31内上升的行程。
66.筒内滑块32的底端开设有螺孔321，筒内滑块32的内部设有用于控制自动扣合组件34闭合的行程开关322，行程开关322的触发端朝向延伸至自动扣合组件34的内部，筒内滑块32的内部设有用于控制自动扣合组件34开合的控制器323，控制器323与外界控制终端连接。
67.自动扣合组件34包括通过螺纹连接在筒内滑块32底端的连接座341，连接座341的外侧设有两个对称分布的突出结构用于各安装有第一推杆342，连接座341的内侧设有两个对称分布的凸出结构用于各安装有卡爪343，在连接座341的内侧中心位置开设有用于供行程开关322触发端穿过的通孔344。
68.卡爪343上通过设有第一扭簧轴3431转动连接在连接座341的内侧突出结构上，卡爪343的顶端设有朝向另一卡爪343横向延伸的上横档3432，并且卡爪343的底端设有朝向另一卡爪343分布的内卡棱3433；
69.其中，两个第一扭簧轴3431能够使两个卡爪343的顶端趋向靠近且底端趋向远离，柱塞2朝向两个卡爪343之间上升能够使两个卡爪343保持垂直状态，在卡爪343处于垂直状态能够通过上横档3432触发通孔344，以及通过内卡棱3433扣合柱塞2的外侧；
70.其中，通孔344触发能够控制两个通孔344锁定两个卡爪343的垂直状态。
71.在柱塞2沿管柱1气举上升的过程中，柱塞2顶端的液段会通过排液结构5排出，并随着柱塞2的顶端伸入柱塞捕捉器3中时，柱塞捕捉器3内部的结构会产生相应的形变从而扣接柱塞2并对柱塞2上方的势能进行缓冲。
72.由于连接座341上的两个卡爪343，会通过两个第一扭簧轴3431使两个卡爪343呈八字的对称倾斜状态，在柱塞2的顶端顶合两个卡爪343顶端的上横档3432，此时两个上横档3432会随着柱塞2的顶合趋向水平状态转动，同时两个卡爪343趋向垂直状态转动，并随着卡爪343转动至垂直状态时底端设置的内卡棱3433会扣接在柱塞2的外侧，另外，在两个上横档3432转动至水平状态时会触发位于连接座341内侧中心位置的行程开关322的触发端，从而使行程开关322控制两个第一推杆342的伸缩端伸出，从而限制两个卡爪343发生转动，此时筒内滑块32通过自动扣合组件34与柱塞2连接为一体结构。
73.在柱塞2与柱塞捕捉器3扣接后，柱塞上升的势能会通过筒内滑块32施加在弹性支撑组件33上，弹性支撑组件33会先通过阻尼杆332对筒内滑块进行依次的缓冲，直至筒内滑块32上升至与弹簧333接触后，由弹簧333进行二次的缓冲，从而对柱塞2上升的势能进行缓冲。
74.其中，柱塞限制器4包括管外连接壳41、主横档组件42和第二推杆43，以及两个对称分布在第二推杆43上的副横档组件44；
75.管外连接壳41设置在管柱1的外侧，主横档组件42设置在管外连接壳41的内部并能够沿管外连接壳41朝向管柱1的方向伸缩，第二推杆43设置在管外连接壳41的外侧并用于控制主横档组件42的伸缩，两个副横档组件44对称分布在管外连接壳41两侧，并且主横档组件42能够连同两个副横档组件44同步朝向管柱1的中心位置延伸，由主横档组件42和两个副横档组件44伸入管柱1的内的部分用于支撑柱塞2的底端；
76.其中，管柱1上位于管外连接壳41的内侧开设有三个均分分布在管柱1外圆周面的槽口，管外连接壳41的内部为中空结构并通过槽口与管柱1的内部连通，主横档组件42和两个副横档组件44能够通过槽口延伸入管柱1的内部。
77.主横档组件42包括固定连接在管外连接壳41内部的滑轨421，滑轨421横向滑动连接有横滑块422，横滑块422的两侧各设有连接绳423与两个副横档组件44连接；
78.其中，横滑块422的前端通过沿滑轨421伸入管柱1的内侧并用于支撑柱塞2的底端。
79.副横档组件44包括固定连接在管外连接壳41内部的固定框441，固定框441的内侧设有纵向分布的第二扭簧轴442，第二扭簧轴442的外侧横向转动连接有横转块443；
80.其中，横转块443绕第二扭簧轴442转动能够穿过管柱1上的槽口并横向延伸至管柱1的内部，第二扭簧轴442能够弹性支撑横转块443趋向管柱1的方向转动；
81.其中，横转块443的尾部与连接绳423连接，连接绳423朝向管外连接壳41的外侧移动能够通过两个连接绳423牵拉两个横转块443脱离管柱1的内部。
82.在柱塞2与柱塞捕捉器3扣接时，此时柱塞2的底端高度高于柱塞限制器4，此时控制第二推杆43的伸缩端伸出，从而连同横滑块422沿滑轨421上朝向管柱1的方向滑动，直至横滑块422的前端伸入管柱1的内部。
83.与此同时，横滑块422沿滑轨421朝向管柱1的方向滑动，会使横滑块422逐渐靠近两个副横档组件44，因此横滑块422上连接的两个连接绳423不再牵拉两个横转块443，此时两个副横档组件44的两个横转块443会在两个第二扭簧轴442的作用下横向转动至延伸入管柱1的内部，此时横滑块422的前端和两个横转块443的前端皆处于管柱的内部，从而防止柱塞2沿管柱掉落。
84.为解决上述技术问题，本发明还进一步提供一种水平井排水采气方法，包括如下步骤：
85.步骤100、柱塞上行，通过环空中的气体发生膨胀流入管柱，和地层气体一起举升柱塞及上部液段向井口运动，此时，井口油压和井口套压一直在不断地下降，直至气体举升柱塞及上部液段到达井口，气井立即开始排液生产；
86.步骤200、续流生产，在柱塞到达井口时，通过井口缓冲器对上行柱塞进行捕捉并对势能进行缓冲，此时柱塞上的液段完全进入生产管线，此时，地层产出水和环空中的积液又重新在油管下部聚积，随着井底积液增加，井底流压不断升高；
87.步骤300、柱塞下降，续流生产阶段结束后关井，柱塞在自身重力作用下从井口开始下落，柱塞穿过气体和积液最终下降至卡定器位置，井口套压和井口油压开始逐渐恢复；
88.步骤400、压力恢复，当井口油套压的恢复已满足要求，就重新开井进行新一轮的循环；如果井口油套压的恢复还未满足要求，就继续关井等待压力恢复到需要值。
89.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围
由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。