CN106996281B - 一种智能流入控气装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能流入控气装置。装置主要由流动室、导压孔、入口油嘴、封包、锯齿型可动构件、关闭结构组成。可以根据油井实际生产要求，设定允许通过入口油嘴的最大气量Q_max。当通过气量Q不超过设定的最大气量Q_max时，装置正常工作；当气量Q达到设定最大气量Q_max时，装置关闭，不再允许流体通过。该装置工作原理为气体在入口油嘴中的流量达到最大气量Q_max时，气体在入口油嘴中达到临界流动；入口油嘴前端压力P₁与后端压力P₂之比为临界压力比，由临界压力比控制该装置关闭。本发明可运用在气顶油藏以及注气生产的直井、水平井、斜井中，能够及时关闭超过规定气量的气体流动通道，增加油田经济效益，提高油藏采收率。

Description

一种智能流入控气装置及方法

技术领域

本发明涉及油井控气技术领域。更具体而言，本发明涉及可至少被用于提高气顶油藏和注气生产油藏气体流量控制能力的装置及方法。

背景技术

目前国内能够自喷开采的油田大都已经被开发，剩下一些难以开采的油藏，这些油藏大多都需要采用注入能量的方式进行开发，例如注入气体。在向油藏注气的过程中，由于气体与地层原油物理性质相差大(例如气的密度、粘度低)，使得气体相对于地层原油更容易流动。进一步在油层中发生气锥、气窜现象，比原油更易流入井筒而被采出。气体大量产出的同时，井口注入压力会升高，甚至有可能超过原来设计的安全压力，给生产带来风险。

传统的流入控制装置(Inflow Control Devices简称ICD)，在气体快到达井筒时，能够延缓油井见气时间，但油井一旦见气，装置就不再有效果。这样在注入井和生产井，或气顶和生产井之间会产生一条气体快速通道，使气体从注入井、气顶流入生产井被直接采出，产油量急剧下降。注入气或气顶气不能继续向油层下方驱替，驱油面积减少，波及系数降低，最终导致油藏采收率低。

针对上诉传统ICD在气体突破后不再起作用的问题，后续研究者对ICD进行了改进。研究了几种自动流入控制装置(Auto Inflow Control Devices简称AICD)。例如：浮动圆盘型AICD、平衡片型AICD^[1]。这些AICD，一般是根据油气粘度差异大，油气在流过装置时会产生不同的压差，并且气的压差大于油的压差。利用这个附加压差，在生产时油比气更容易通过装置。比如浮动圆盘型AICD依据伯努利方程中流体动态压力与局部压力损失之和恒定的理论，流经装置的不同流体粘度变化影响装置内圆盘的开度。当相对粘度较高的油流经装置时，圆盘开度较大；当相对粘度较低的气流经装置时，圆盘因粘度变化引起的压降自动减小开度。而平衡片型AICD利用阿基米德原理，根据油、气之间的密度差异来控制平衡片的开启和关闭，该浮片型AICD目前仅处在室内研究阶段，还未在现场进行应用。

油井见气后，上述AICD不能及时关闭，处于一种打开、关闭的循环中，产量会忽高忽低，无法保持稳定生产。针对这些装置不能解决有效封堵超过规定气量的流动通道，以及不能及时关闭问题，设计了一种智能流入控气装置，该装置至少适用于自带气顶与注气生产的直井、斜井、定向井、水平井。

参考文献：[1]梁丹，康晓东，杨俊茹，王旭东.水平井控气技术在海上气顶油藏应用研究[J].石油化工高等学校学报，2017，(01):49-53.

发明内容

本发明针对现有AICD不能有效关闭气体突破油藏后流道问题，提供一种智能流入控气装置。该装置可以有效地控制流入气体。

智能流入控气装置部件组成特征，主要包括：流动室，所述室有一个入口和一个出口，入口与第一流动通道相连，出口与油管相连；腔体，其安装在所述室内部，将流动室分为第二流动通道和腔体内部；导压孔，其为所述腔体顶部开的两个孔；入口油嘴，其为所述腔体下部开的两个圆孔；封包，其安装在所述腔体内部，将腔体内部分为上下两部分；弹簧，其在所述封包内，两端分别连接所述腔体顶部下壁面和所述封包底板上表面；锯齿型可动构件，其安装在封包底板下表面，并可以随封包底板移动；关闭结构，其安装在所述腔体内壁面。

优选地，所述腔体需要开入口油嘴的面应为平面，以保证入口油嘴为圆形。

优选地，所述封包能够使腔体上下两部分不连通。

优选地，所述关闭结构能够绕着短杆摆动，其下端与所述锯齿型可动构件紧密接触。

本发明采用以上实施例具有的优点：能够根据油田实际生产要求，设定一个允许通过入口油嘴的最大气量Q_max。当通过入口油嘴的气量Q不超过最大允许通过量Q_max时，由两相流流动型态可知，气体有利于举升原油；当产气量Q达到最大允许通过气量Q_max时，智能流入控气装置会自动关闭，且关闭是不可逆的，即使产气量减小，该装置也不会再打开，进而封堵气流通道，迫使气体向下驱替原油，提高气体驱替效率，同时避免气体突破后井口压力升高造成生产安全问题。对于不同油井要求不同的最大产气量，可以通过改变入口油嘴的直径来实现。

附图说明

图1是本发明运用在垂直井的局部剖视图。

图2是本发明运用在水平井的局部剖视图。

图3是本发明装置的示意性剖视图。

图4是流体在本发明中的流动示意图。

图5是智能流入控制装置的另一个构造示意图。

图6是智能流入控制装置的又一个构造示意图。

图7是嘴流特性曲线示意图。

以上附图各标记说明：

1、油气界面；2油层；3、套管；4、智能流入控制装置；5、封隔器；6、隔离层；7、流体流动方向；8、油管；9、第一流动通道；10、流动室入口；11、导压孔；12—12A—12B、第二流动通道；13—13A—13B、入口油嘴；14A—14B、关闭结构；15、锯齿型可动构件；16、封包底板；17、封包；18、弹簧；19、腔体；20、流动室出口；21、流动室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本装置安装在垂直井筒中的工作局部示意图。套管3、油管8垂直穿过油层2和隔离层6，同时套管3和油管8会形成环型空间，在所述环型空间中加封隔器5，且封隔器5的位置正对隔离层6。在套管3上射孔，将油层2与所述环型空间沟通起来。油层2中的流体到达井筒周围，通过射孔孔眼进入所述环型空间，经过智能流入控制装置4流进油管8内，并沿着流动方向7达到地面被产出。

为便于理解，图1仅标注了一个气锥界面1、一个隔离层6、一个油层2、一个智能流入控制装置4，即发明只描述了一个实施例。考虑到油藏的多层性，以及地层立体多维性等，地层流体可能从多个油层，多个方向，经过多个智能流入控制装置流入油管内而被采出。该装置也可用于其它方式完井的井筒中，不一定限定于所诉射孔完井中。

同样不一定将本发明限制在垂直井中，可以运用在任何可能的油井中。例如，如图2所示，可运用在水平井中。

因此，不能以任何方式理解为对本发明的运用细节的限制。本行业技术人员可能基于本发明构想任意可能的实施例，这些都应属于本发明的保护范围。

图3是本发明装置的剖视图，将装置划分为流体流动，压力传导两部分进行说明。

流体流动部分：第一流动通道9进口端与所述环型空间相连，出口端作为流动室21的流动室入口10。流动室入口10尺寸较大，阻力小便于流体流动。第二流动通道12A—12B进口端与流动室入口10相连，出口端与入口油嘴13A—13B相连。入口油嘴13A—13B开在腔体19下部，通过所述油嘴进入腔体19内部的流体从流动室出口20流出，流动室出口20呈倒锥型。

压力传导受力部分：正对着流动室入口10的是导压孔11。导压孔11尺寸较小，能够将通过流动室入口10后的流体压力传递到腔体19内部。所述腔体19被封包17分隔为上部和下部，将弹簧18安装在腔体19内的上部。弹簧18一端连接在腔体19上部内壁上，另一端连接在封包底板16上表面。封包底板16下表面连接锯齿型可动构件15，当封包底板16由于受力不平衡而运动时，会带动弹簧18和锯齿型可动构件15运动。关闭结构14A—14B安装在腔体19上，可以摆动，下端与锯齿型可动构件15紧密接触。若锯齿型可动构件15运动达到最大允许位移时，会抵紧在流动室出口20上，关闭结构14A—14B就使锯齿型可动构件15不再运动，整个装置关闭。

为方便技术人员理解，给出了地层流体在本装置中的流动示意图图4。

应当理解的是，上述将腔体19内部分为上下两部分的不一定限定为封包17，可以是具有类似功能的任何其它构件，例如弹性膜、活塞等。

需要注意的是，不一定限制具有关闭流动室出口20功能的构件为锯齿型可动构件15，可以是其它具有关闭功能的构件。

同样值得注意的是，弹簧18数量不一定限制为一个，并且弹簧18可以换成任何能够提供力的构件。

图3中导压孔11数量不一定限制为两个，也可以是一个或多个。如图6所示。

图3中导压孔11不一定限制在腔体19顶部，也可以在腔体其它位置。如图7所示。

图3中入口油嘴13A—13B数量不一定限制为两个，也可以是一个或多个。如图7所示。

因此，应当这样理解，以上实施例描述只是为了更加清楚的了解本发明，仅用于解释本发明，不限于实施例的任何细节。

结合图3，对本发明工作原理，实施步骤作如下阐述：

根据油嘴临界流动，临界流动压力比亦即油嘴特性曲线(图7)进行设计。

第一步：根据油田生产要求，给定一个气量Q_max作为允许气体流过入口油嘴13A—13B的最大流量，并设入口油嘴的个数为n。得到最大流量和油嘴个数后，依据以下临界流动公式(式1、式2)计算入口油嘴的直径d。

其中上两式中，各字母含义分别是：

Q_max—设计通过入口油嘴的最大气量，10⁴m³/d；

P₁—入口油嘴上游压力，Mpa；

d—入口油嘴直径，mm；

k—绝热系数；

r_g—气体相对密度；

T₁—地层温度，K；

Z₁—气体偏差因子；

n—入口油嘴个数；

第二步：根据流量Q_max以及得到的入口油嘴直径d计算气体通过入口油嘴时的速度v。

第三步：计算声波在气体中的传播速度c(式4、式5)，并计算马赫数M_a(式6)。验证气体在油嘴处的流动是否达到临界流动，若马赫数大于1，则达到声速流动。

其中：

R—摩尔气体常数；

M—气体相对分子量；

ρ—通过入口油嘴气体密度，kg/m³

第四步：对封包底板16受力分析，建立平衡方程组，以向下为正方向。设封包底板16受力面积为A；锯齿型可动构件15所受重力以及关闭结构14A—14B对锯齿型可动构件15产生的附加摩擦力合力为G，方向向下；弹簧18个数为N，极限位移为X_max，由此选定弹性系数K，得到一个方程(式7)；流体在入口油嘴13A—13B前的压力为P₁，通过入口油嘴13A—13B后的压力降为P₂；入口油嘴13A—13B达到临界流动时，根据热力学原理，临界压力比为(式8)。联立式7、式8可以求得弹簧18的弹性系数K。

P₁A-P₂A-NKX_max+G＝0 (式7)

其中：

A—封包底板受力面积，mm²；

K—弹簧弹性系数，N/mm；

X_max—弹簧极限位移，mm；

G—合力，N；

P₂—入口油嘴下游压力，Mpa；

将流体在入口油嘴13A—13B中的流动分为非临界流动和临界流动。

非临界流动：根据以上理论设计，非临界流动期间，流过入口油嘴13A—13B后的流体压力P₂较大，该压力对封包底板16向上的作用力P₂A与弹簧18实时产生的弹力NKX之和(P₂A+NKX)也很大。该合力能够使锯齿型可动构件15只产生很小的位移，远小于极限位移X_max，装置正常工作。

临界流动：随着注入气量增加，或气体锥进等原因，通过入口油嘴13A—13B气量也会逐渐增加。当通过入口油嘴13A—13B的气量Q达到最大设计气量Q_max时，气体的流动达到临界流动。在达到临界流动的一瞬间，流过入口油嘴13A—13B后的流体压力P₂对封包底板16的作用力P₂A已经减小很多，弹簧18会运动一个极限位移X max来使封包底板6受力达到平衡。锯齿型可动构件15会同步运动一个极限位移X max，并与流动室出口20紧密接触抵紧。此时关闭结构14A—14B就会卡住锯齿型可动构件15，不让锯齿型可动构件15移动，达到使装置关死，不可逆转的关井目的。

Claims (9)

1.一种智能流入控气装置，其特征在于，它包括流动室(21)、腔体(19)、导压孔(11)、封包(17)、入口油嘴(13—13A—13B)、弹簧(18)、锯齿型可动构件(15)和关闭结构(14A—14B)；

其中，所述流动室(21)仅有一个流动室入口(10)和一个流动室出口(20)，流动室入口(10)尺寸较大，流动室出口(20)呈倒圆锥形，地层流体经流动室入口(10)进入流动室(21)内，从流动室出口(20)流出；

所述腔体(19)位于流动室(21)内部，并将流动室(21)分为第二流动通道(12—12A—12B)和腔体内部；

所述导压孔(11)位于腔体(19)顶端，且尺寸较小，并正对着流动室入口(10)；

所述封包(17)位于腔体(19)内部，并将腔体(19)划分为上下两部分，且含有一个封包底板(16)，当封包底板(16)受力不均时，会发生上下运动；

所述入口油嘴(13—13A—13B)作为第二流动通道(12—12A—12B)的出口，被安装在腔体(19)上；

所述弹簧(18)两头分别安装在腔体(19)的顶端内壁和封包底板(16)的上表面，可被封包底板(16)压缩或拉伸；

所述锯齿型可动构件(15)安装在封包底板(16)的下表面，跟随封包底板(16)上下运动，当锯齿型可动构件(15)达到下极限位移时，将与流动室出口(20)抵紧；

所述关闭结构(14A—14B)由一个短杆和一个长弯片组成，短杆安装在腔体(19)内壁面，而长弯片绕着短杆摆动；长弯片的一端也与腔体(19)内壁面接触，而另一端与锯齿型可动构件(15)接触，当锯齿型可动构件(15)运动到下极限位置时，关闭结构(14A—14B)将卡住锯齿型可动构件(15)并阻止其发生运动。

2.根据权利要求1所述的智能流入控气装置，其特征在于，腔体(19)为多面体，使入口油嘴(13—13A—13B)能够为圆柱形。

3.根据权利要求1所述的智能流入控气装置，其特征在于，至少需要一个导压孔(11)，且导压孔(11)出现在腔体(19)顶端的任何可能的位置。

4.根据权利要求1所述的智能流入控气装置，其特征在于，至少需要一个入口油嘴(13—13A—13B)，入口油嘴(13—13A—13B)直径由允许通过流动室入口(10)的气体流量和入口油嘴(13—13A—13B)数量决定。

5.根据权利要求1所述的智能流入控气装置，其特征在于，封包(17)是任意具有封包功能的构件。

6.根据权利要求1所述的智能流入控气装置，其特征在于，至少需要一个弹簧(18)。

7.根据权利要求1所述的智能流入控气装置，其特征在于，锯齿型可动构件(15)运动极限位移由装置尺寸所决定。

8.根据权利要求1所述的智能流入控气装置，其特征在于，至少需要一个关闭结构(14A—14B)。

9.根据权利要求1所述的智能流入控气装置，其特征在于，流动室入口(10)为第一流动通道(9)出口。