一种用于非常规油气井的油气采集系统

1.本发明涉及石油开采的技术领域，尤其涉及一种用于非常规油气井的油气采集系统。


背景技术：

2.在石油开采的过程中，通常采用石油专用管对油井和气井进行钻探及对油、气进行输送。石油专用管包括石油钻管、石油套管、抽油管。石油钻管主要用于连接钻铤和钻头并传递钻井动力。石油套管主要用于在钻井过程中和钻井完成后支撑井壁，以保证钻井过程的正常进行和钻井完成后油井的正常运行。抽油管主要将油井底部的油、气输送到地面。
3.目前，石油套管下井后需要采用水泥将其固定在油井或气井的井壁上，用以支撑井壁，再通过设置于石油套管内部的抽油管将石油和天然气从地表下的储藏层里导出并输送到地面。现有的抽油管与石油套管之间的空隙通过浇注混凝土填充，以使抽油管固定在石油套管上。
4.在非常规油气井的开采过程中，会出现开采点极深、外部高应力、井底温度升高，以及井内可能含有温室气体的状况。因此，页岩气和致密油储层的渗透率非常低，需要进行过多的增产措施，目前的增产措施主要是通过水力压裂来促进商业油气的生产。但是由于现有的抽油管与石油套管之间通过混凝土固定连接，受水力裂缝、天然裂缝、断层活化、滑移、过度增产和地层剪切位移等因素的影响，易导致套管或者抽油管破裂失效。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种用于非常规油气井的油气采集系统，其解决了在非常规油气井的开采过程中由于现有的抽油管与石油套管之间通过混凝土固定连接导致在水力裂缝、天然裂缝、断层活化、滑移、过度增产和地层剪切位移等因素进而导致套管或者抽油管失效的技术问题。
7.(二)技术方案
8.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
9.一种用于非常规油气井的油气采集系统，包括石油套管、抽油管还包括连接机构；
10.所述抽油管的外部套设所述石油套管，且所述石油套管与所述抽油管之间具有间隙；
11.所述连接机构设置于所述间隙内，且所述连接机构的一端与所述石油套管相连，所述连接机构的另一端与所述抽油管相连；
12.当采用增产措施生产油气时，所述连接机构能够承载作用在轴向载荷及径向载荷。
13.可选地，所述连接机构包括多个轴向力平衡组件和多个径向力平衡组件；
14.所述轴向力平衡组件连接所述抽油管的外侧壁和所述石油套管的内侧壁，且所述
轴向力平衡组件沿所述抽油管的外侧壁周向间隔设置，所述轴向力平衡组件能够平衡作用在所述抽油管和所述石油套管上的轴向载荷；
15.所述径向力平衡组件连接所述抽油管的外侧壁和所述石油套管的内侧壁，所述径向力平衡组件沿所述抽油管的外侧壁周向间隔设置，且所述径向力平衡组件和所述轴向力平衡组件交错且垂直设置，所述径向力平衡组件能够平衡作用在所述抽油管和所述石油套管上的径向载荷。
16.可选地，所述轴向力平衡组件包括第一连接件、轴向力平衡主体以及所述第二连接件；
17.所述第一连接件与所述石油套管内壁固定连接；
18.所述第二连接件与所述抽油管外壁固定连接；
19.所述轴向力平衡主体设置于所述第一连接件和所述第二连接件之间，所述轴向力平衡主体包括竖直固定端和竖直活动端；所述竖直固定端与所述第一连接件相铰接，所述竖直活动端与所述第二连接件相铰接，所述竖直活动端能够相对于所述石油套管的轴向发生竖直转动。
20.可选地，所述径向力平衡组件包括第三连接件、径向力平衡主体以及第四连接件；
21.所述第三连接件与所述石油套管内壁固定连接；
22.所述第四连接件与所述抽油管外壁固定连接；
23.所述径向力平衡主体设置于所述第三连接件和所述第四连接件之间，所述径向力平衡主体包括水平固定端和水平活动端；所述水平固定端与所述第三连接件相铰接，所述水平活动端与所述第四连接件相铰接，所述水平活动端能够绕所述石油套管的径向水平转动。
24.可选地，所述竖直固定端与所述第一连接件采用轴铰接，所述竖直活动端与所述第二连接件采用轴铰接；
25.所述水平固定端与所述第三连接件采用轴铰接，所述水平活动端与所述第四连接件采用轴铰接。
26.可选地，所述竖直固定端与所述第一连接件采用球铰接，所述竖直活动端与所述第二连接件采用球铰接；
27.所述水平固定端与所述第三连接件采用球铰接，所述水平活动端与所述第四连接件采用球铰接。
28.可选地，所述轴向力平衡主体包括筒状安装壳、第一活塞头、第二活塞头、活塞杆、第一耗能弹簧和第二耗能弹簧；
29.所述筒状安装壳具有中空腔室；
30.所述筒状安装壳的一端面与所述第一连接件固定连接；
31.所述第一活塞头、所述第二活塞头、所述活塞杆、所述第一耗能弹簧和所述第二耗能弹簧均位于所述筒状安装壳的所述中空腔室内；
32.所述第一活塞头的靠近所述第一连接件的一端面与所述第一耗能弹簧的一端相抵，所述第一耗能弹簧的另一端面与所述筒状安装壳内壁一端相抵，所述第一活塞头的远离所述第一连接件的一端面设置所述活塞杆，且所述活塞杆依次穿过所述第二活塞头和所述筒状安装壳后与所述第二连接件相连；
33.所述第二耗能弹簧套接于所述活塞杆的外部，且所述第二耗能弹簧一端与所述第二活塞头远离所述第一连接件的一端面相抵，所述第二耗能弹簧的另一端与所述筒状安装壳的内壁另一端相抵。
34.可选地，所述轴向力平衡主体还包括应力传感器，所述应力传感器用于实时监测注采过程中的应力状态以及所述轴向力平衡主体的工作状态。
35.可选地，所述轴向力平衡组件还包括两个第一断裂报警单元；
36.一个所述第一断裂报警单元设置于所述竖直固定端与所述第一连接件之间，另一个所述第一断裂报警单元设置于所述竖直活动端与所述第二连接件之间；
37.所述径向力平衡组件还包括两个第二断裂报警单元；
38.一个所述第二断裂报警单元设置于所述水平固定端与所述第三连接件之间，另一个所述第二断裂报警单元设置于所述水平活动端与所述第四连接件之间；
39.所述第一断裂报警单元和所述第二断裂报警单元用于检测所述石油套管与所述抽油管是否发生破坏，并将所述石油套管与所述抽油管是否发生破坏的信号通过无线传递的方式发送至井上地面的操作台。
40.可选地，所述轴向力平衡主体与所述径向力平衡主体的结构相同。
41.(三)有益效果
42.本发明的有益效果是：本发明提供一种用于非常规油气井的油气采集系统，通过连接机构设置于石油套管以及抽油管之间的空隙内，且连接机构分别与石油套管以及抽油管相连，连接机构能够承载作用在轴向载荷及径向载荷，从而减小抽油管之间的变形；进一步地，通过增加连接机构的活动工作范围为抽油管提供更大的让位空间，从而减小抽油管受力变形。
附图说明
43.图1为本发明的用于非常规油气井的油气采集系统的立体结构示意图；
44.图2为本发明的图1中俯视的结构示意图；
45.图3为本发明的图2中径向力平衡组件的结构示意图；
46.图4为本发明的图1中轴向力平衡组件主视结构示意图；
47.图5为本发明的图4的轴向力平衡主体的剖面示意图。
48.【附图标记说明】
49.1：石油套管；2：抽油管；3：连接机构；31：轴向力平衡组件；311：第一连接件；312：轴向力平衡主体；3121：筒状安装壳；3122：第一活塞头；3123：第二活塞头；3124：活塞杆；3125：第一耗能弹簧；3126：第二耗能弹簧；3127：应力传感器；313：第二连接件；314：第一断裂报警单元；324：第二断裂报警单元；32：径向力平衡组件；321：第三连接件；322：径向力平衡主体；323：第四连接件；324：第二断裂报警单元。
具体实施方式
50.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”和“外”等方位名词以图1的定向为参照。将图1中石油套管1相对于抽油管2所在的一侧定义为“外”侧；将图2轴向力平
衡组件31所在的两侧分别定义为“左”端和“右”端。
51.参照图1-图3所示，本发明实施例提出的一种用于非常规油气井的油气采集系统，包括石油套管1、抽油管2，还包括连接机构3。
52.抽油管2的外部套设石油套管1，且石油套管1与抽油管2之间具有间隙，且沿石油套管1以及抽油管2的轴向方向形成环形空间。
53.连接机构3设置于间隙内，且连接机构3的一端与石油套管1相连，连接机构3的另一端与抽油管2相连。
54.需要说明的是，连接机构3能够是一个或者多个。且多个连接机构3呈上下依次叠置地设置于环形空间内。连接机构3的轴向布置间距根据现场测井数据的地应力值选取合适的连接机构3的数量。
55.当采用增产措施生产油气时，连接机构3能够承载作用在抽油管2与石油套管1上的轴向载荷和径向载荷力，以使抽油管2与石油套管1同轴设置。
56.进一步地，连接机构3包括多个轴向力平衡组件31和多个径向力平衡组件32。在本实施例中，轴向力平衡组件31有两个。径向力平衡组件32有两个。两个轴向力平衡组件31设置的目的是为了相互之间协同，且确保石油套管1与抽油管2的径向稳定。两个径向力平衡组件32设置的目的也是为了相互之间协同，且确保石油套管1与抽油管2的轴向之间稳定。
57.需要说明的是，轴向力平衡组件31和径向力平衡组件32的环向阵列数量是根据工程现场水文地质条件，应着重对具有断层、具有较丰富，发育的节理岩层和具有软弱夹层或互层岩层的层位进行稳定性分析，确定合理的阻尼器布置方案。
58.轴向力平衡组件31连接抽油管2的外侧壁和石油套管1的内侧壁，且轴向力平衡组件31沿抽油管2的外侧壁周向间隔设置。轴向力平衡组件31能够平衡作用在抽油管2和石油套管1上的轴向载荷，进而抵抗轴向拉力或者压力。
59.进一步地，参见图1、图2和图4所示，轴向力平衡组件31包括第一连接件311、轴向力平衡主体312和第二连接件313。
60.第一连接件311与石油套管1内壁固定连接。
61.第二连接件313与抽油管2外壁固定连接。
62.轴向力平衡主体312位于第一连接件311和第二连接件313之间，轴向力平衡主体312包括竖直固定端(靠近抽油管2的一端)和竖直活动端(即靠近石油套管1的一端)。竖直固定端与第一连接件311相铰接形成轴向铰接点，竖直活动端与第二连接件313相铰接，竖直活动端能够绕石油套管1的轴向竖直转动。
63.具体而言，第一连接件311呈竖直的状态布置(即沿石油套管1或者抽油管2的轴向方向)，目的是为了确保其能够平衡轴向载荷。也就是说，当抽油管2相对于石油套管1之间出现轴向的拉力或者压力时，多个轴向力平衡组件31的竖直活动端能够沿第一连接件311与轴向力平衡主体312之间的轴向铰接点转动，以使抽油管2沿轴向平衡拉力载荷或者压力载荷。
64.进一步地，轴向力平衡主体312包括筒状安装壳3121、第一活塞头3122、第二活塞头3123、活塞杆3124、第一耗能弹簧3125和第二耗能弹簧3126。
65.筒状安装壳3121具有中空腔室。
66.筒状安装壳3121的一端面与竖直固定端相连，所述竖直固定端与第一连接件311
相铰接。
67.第一活塞头3122、第二活塞头3123、活塞杆3124、第一耗能弹簧3125和第二耗能弹簧3126均位于筒状安装壳3121的中空腔室内。
68.第一活塞头3122靠近第一连接件311的一端面与第一耗能弹簧3125的一端相抵，第一耗能弹簧3125的另一端面与筒状安装壳3121内壁一端相抵，第一活塞头3122的远离第一连接件311的一端面设置活塞杆3124，且活塞杆3124依次穿过第二活塞头3123和筒状安装壳3121后与所述竖直活动端固定连接，所述竖直活动端与第二连接件313相铰接。
69.第二耗能弹簧3126套接于活塞杆3124的外部，且第二耗能弹簧3126一端与第二活塞头3123远离第一连接件311的一端面相抵，第二耗能弹簧3126的另一端与筒状安装壳3121的内壁另一端相抵。
70.而且，轴向力平衡组件31不仅能够平衡轴向荷载，同时还能够对径向的剪切力进一步地进行平衡。主要是通过第一耗能弹簧3125、第二耗能弹簧3126和第一活塞头3122、第二活塞头3123、活塞杆3124协同耗能，从而减小石油套管1和抽油管2在径向剪切力上的变形。即通过两个相对的轴向力平衡组件31的竖直活动端在第一耗能弹簧3125以及第二耗能弹簧3126的径向上出现压缩或者伸长的状态，以及自动恢复的特征，也就是说，轴向力平衡组件31既能够实现平衡轴向力载荷的功能，又能够实现平衡径向力载荷的功能。进一步地，轴向力平衡主体312还包括应力传感器3127，应力传感器3127固定安装于筒状安装壳3121的内侧壁，且应力传感器3127与第一耗能弹簧3125的一端相抵，应力传感器3127能够通过采集第一耗能弹簧3125的受力，进行实时监测注采过程中的应力状态以及轴向力平衡主体312的工作状态。对轴向力平衡主体312的内部设置应力传感器3127，并将无线电信号发送至井上的地面的控制设备内，对石油套管1和抽油管2之间的正常工作状态的应力指标进行实时监控，以确保轴向力平衡主体312能够正常平稳地工作，从而保护石油套管1和抽油管2的结构相对安全。
71.进一步地，第一活塞头3122、第二活塞头3123的阻尼系数、第一耗能弹簧3125、第二耗能弹簧3126的弹簧刚度以及应力传感器3127量程范围的选取，可根据现场测井数据的地应力数据、孔隙压力以其设计注压参数等条件对阻尼器的性能和应力传感器的工作范围进行设计。
72.进一步地，轴向力平衡组件31的竖直固定端与第一连接件311采用轴铰接，竖直活动端与第二连接件313采用轴铰接。
73.水平固定端与第三连接件321采用轴铰接，水平活动端与第四连接件323采用轴铰接。
74.需要说明的是，采用轴铰接的方式适用于较为平稳的工作环境，进而平衡轴向以及径向的荷载的效果更好。
75.进一步地，轴向力平衡组件31还包括两个第一断裂报警单元314。
76.一个第一断裂报警单元314设置于竖直固定端与第一连接件311之间，另一个第一断裂报警单元314设置于竖直活动端与第二连接件313之间。
77.径向力平衡组件32还包括两个第二断裂报警单元324。
78.一个第二断裂报警单元324设置于水平固定端与第三连接件321之间，另一个第二断裂报警单元324设置于水平活动端与第四连接件323之间。
79.第一断裂报警单元314和第二断裂报警单元324用于检测石油套管1与抽油管2是否发生破坏，并将石油套管1与抽油管2是否发生破坏的信号通过无线传递的方式发送至井上地面的操作台。
80.需要说明的是，在轴铰接处分别设置第一断裂报警单元314，从而实现对石油套管1和抽油管2的套管结构可能发生的破坏起到预警作用，为调整注采参数和检修管体结构提供及时的反馈指标，其工作原理是一旦当轴铰接的链接处竖直固定端与第一连接件311或者竖直活动端与第二连接件313断开时，两处所对应的第一断裂报警单元314便分别能够对地面信号接收设备发送无线电信号，做到对套管结构服役状态和破坏情况的实时感知并及时处理，以确保连接机构3的正常工作。
81.进一步地，第一断裂报警单元314和第二断裂报警单元324的失效强度设计应保证其小于石油套管1和抽油管2的屈服强度且尽量接近满足注采要求达到的强度，以确保其对石油套管1和抽油管2的保护并能够在石油套管1和抽油管2发生破坏前进行报警。
82.径向力平衡组件32连接抽油管2的外侧壁和石油套管1的内侧壁，径向力平衡组件32沿抽油管2的周向间隔设置，且径向力平衡组件32和轴向力平衡组件31交错且垂直设置于相邻两个轴向力平衡组件31之间。径向力平衡组件32能够平衡作用在抽油管2和石油套管1上的径向载荷。目的是为了提高力的均衡性。交错对称设置的轴向平衡力组件31和径向平衡力组件32能够使得连接机构3对于轴向载荷以及径向载荷的平衡较为均匀，能够避免抽油管2相对于石油套管1上的力出现过大或者过小，进而导致抽油管2变形。
83.进一步地，径向力平衡组件32包括第三连接件321、径向力平衡主体322和第四连接件323。
84.第三连接件321与石油套管1内壁固定连接。
85.径向力平衡主体322设置于第三连接件321和第四连接件323之间，径向力平衡主体322包括水平固定端和水平活动端；水平固定端与第三连接件321相铰接，水平活动端与第四连接件323相铰接，水平活动端能够绕石油套管1的径向水平转动。
86.具体而言，第三连接件321呈水平的状态布置(即沿石油套管1或者抽油管2的径向方向)，目的是为了确保其能够平衡径向载荷。也就是说，当抽油管2相对于石油套管1之间出现径向的剪切力时，多个径向力平衡组件32的水平活动端能够沿第三连接件321与径向力平衡主体322之间的径向铰接点转动，以使抽油管2沿周向平衡一定的承载力。而且，径向力平衡主体322平衡径向剪切力的方式与轴向力平衡组件31的平衡方式均相同。
87.进一步地，轴向力平衡主体312与径向力平衡主体322的结构相同。
88.需要说明的是，当产生径向的剪切力发生在轴向力平衡组件31和径向力平衡组件32之间时，由结构力学和材料力学的知识可以明确地判断，当剪切力作用于石油套管1和抽油管2的外部时，本实施例中的抽油管2-轴向力平衡组件31-径向力平衡组件32-石油套管1组成的结构刚度明显小于套管的弹性模量，因此无论任何位置受到剪切作用，均会率先触发轴向力平衡组件31-径向力平衡组件32工作，只有当系统无让位空间之后(失去剪切方向上的自由度)，才会发生材料强度破坏(即石油套管1、抽油管2、或轴向力平衡主体312以及径向力平衡主体322的构件发生破坏)。
89.在本实施例中，对于连接机构3与石油套管1和抽油管2两端的连接方法的难度体现在安装连接机构3时，抽油管2可能与石油套管1之间存在相对转动。因此，尽量在井上的
地面上完成必要的连接。但是若第一断裂报警单元314或者第二断裂报警单元324检测到轴向力平衡组件31和径向力平衡组件32出现断裂的情况时，即必需在井下进行连接，则可设置一种连接装置保证抽油管2与石油套管1之间在连接时不发生相对转动。具体地，本实施例中，通过在第一连接件311与竖直固定端的铰接处、第二连接件312与竖直活动端的铰接处、第三连接件321与水平固定端的铰接处以及第四连接件322与水平活动端的铰接处均罩设有具有一定刚性且能够在轴向力和径向力的作用下出现破坏，确保轴向力平衡组件31-径向力平衡组件32正常工作的塑胶罩。
90.本发明提供一种用于非常规油气井的油气采集系统，通过连接机构3设置于石油套管1以及抽油管2之间的空隙内，且连接机构3分别与石油套管1以及抽油管2相连，连接机构3能够承载作用在轴向载荷及径向载荷，从而减小抽油管2之间的变形。进一步地，连接机构3能够提供轴向及径向自由度，通过增加连接机构3的活动工作范围为抽油管2提供更大的让位空间，从而减小抽油管受力变形。
91.实施例2：
92.进一步地，竖直固定端与第一连接件311采用球铰接，竖直活动端与第二连接件313采用球铰接。
93.水平固定端与第三连接件321采用球铰接，水平活动端与第四连接件323采用球铰接。
94.需要说明的是，采用球铰接的方式适用于工况较为复杂的工作环境，进而能够从多自由度去平衡轴向以及径向的荷载。
95.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
96.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
97.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
98.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进
行结合和组合。
99.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。