温控伞式气举柱塞的制作方法

专利名称：温控伞式气举柱塞的制作方法技术领域：本发明是油气田开发与开采生产井中用于举升液体的装置，在井筒中用来分隔气液的固体界面，以减少气的窜流和液体的滑脱。特点是其分隔气液的固体界面为伞状物，而控制伞张开与收拢的时机和能量是温度。背景技术： 目前，国内外柱塞举升原油和排液采气都是间歇式工作方式，即当柱塞举升液体到达井口后，需要关井停产才能使柱塞重新落到井底。所用阀体的开合靠撞击上下卡定器或其它方式完成(不同本技术)。当柱塞下行时，由于柱塞与油管的间隙及旁通都很小，使柱塞下行速度很慢，也不能在开井生产时依靠自重自动下落到井底，使式况为间歇式。解决的主要途径就是当柱塞在下行时，使柱塞的横截面积与油管的内横截面积的差值增大。或者当柱塞下行时，柱塞的横截面要小，而举升液体时能有效地封堵整个油管截面，以防止液体滑脱而下落。发明内容本发明是一种可用于连续生产(不关井停产)的气举柱塞，其工作特点是以伞的张开和合拢可以大幅改变其遮挡面积的特征来改变气举柱塞的工况。利用井筒中的温度和热能使材料产生热变形或磁温材料的磁性变化，使气举柱塞上的机构产生位移来控制伞的开合，并为伞的开合提供能量。同时，伞式柱塞中伞的开合动作只在井底和井口发生，即伞在油管中运动时，下行保持合拢直达井下开启温度段，上行时保持张开直到井口。由于温控伞式气举柱塞在伞片收合在一起时，柱塞体的横截面积只有油管柱内截面积的1/3或更小，因此可以在不关井连续生产的状态下，依靠自重下落到井底，并且下行速度很快，循环周期较短。这一发明改变了现有气举柱塞进行排液举升时，只能用间歇方式进行的生产过程，使间歇式生产变为连续不间断(不关井)的生产方式，工作效率大幅提高，气举柱塞的应用面也变得更加宽泛。由温度控制伞面开合的方法有两类，即热双金属变形片和因温度变化而产生的位移来推动杠杆运动，分述如下。一、热双金属变形片将两片热膨胀系数不同的金属片叠合在一起，在温度发生变化时，热能使金属片发生绕性变形。在圆柱体的周边上均匀安装一组能产生突跳式变形的热双金属变形片，就可以在一定温度变化范围内产生伞状开、合的现象。伞式柱塞的伞式热变形片利用井底与井口的温度差使伞面在井口时收拢，此时柱塞与油管的间隙变大，下落时受到的上升流体的阻力变小。而当柱塞下落到井底时，利用井底温度和热能使伞式热变形片发生变形，伞打开并封堵油管截面。用这一特点设计的柱塞，可使柱塞在工作中利用油气井井底和井口温差在井口时变形片收拢，而在井底时变形片张开。因热变形片的变形会以突变的方式产生，所以只有开、合两种状态。这一工作特征非常适合于气井排水采气和气举采油时对柱塞工作的基本要求，即柱塞在井底时，伞打开并封闭柱塞体与油管组成的环形空间，形成封隔气液的固体界面；而当柱塞到达井口时，伞收拢并打开环形空间。柱塞由支柱、扶正器与一组或两组伞形片组成。支柱由400到600mm长的小直径的金属柱体构成，上下接扶正器，中间为伞，见图2。每组伞形片由6至12片热双金属变形片组成。为防止伞片在工作中的失稳破坏，需要保证伞片的厚度，以提供足够的支撑强度。柱塞体的直径为油管内径的一半加一附加量，这样就可以保证伞打开时能有效封闭柱塞体和油管组成的环形空间。二、温度控制位移推动杠杆运动通过位移和杠杆作用使伞产生张开和合拢同样能达到大幅改变其遮挡面积的要求。用温度控制位移可通过如下两种方法实现1.利用磁温材料原理是特殊的磁温材料会在高温下失去磁性，而温度恢复后磁性又随之恢复。磁温材料这一在某一温度范围消磁与恢复磁性的特点正好能满足利用温度控制伞式气举柱塞的要求。可以利用磁性同性相斥、异性相吸的原理使柱塞内的杠杆产生往复运动，即在某一温度范围内产生推动杠杆运动所需的位移和能量。当再配合碟型热双金属片时，就可以在特定温度范围内产生更加稳定和可靠的位移量并保持伞面状态的能量。由于磁温材料的消磁、磁性恢复及碟型热双金属片的变形都是突变性的，因此这一方法能保证伞的开合状态与某一温度相关联。柱塞由无磁不锈钢外筒、上下扶正器、伞(与L型杠杆为一体)、碟型热双金属片、磁温体、永磁体等组成。永磁体与外筒相连，碟型热双金属片外缘与外筒相接，中心与永磁体连接，磁温体与杠杆铰接。杠杆运动所需的位移由碟型热双金属的热变型位移和磁力共同提供，保持伞面的状态所需能量由磁性力提供。2.热膨胀伸缩杆本机构的工作原理是利用热膨胀率大的材料在温度变化时产生的变形量推动杠杆作围绕支点的摆动。将热膨胀率大的细长杆一端固定在热膨胀率低的外筒的一端，另一端与L型杠杆铰接，如图3。利用井底与井口几十度的温度差使热膨胀杆产生的伸缩位移来推动L型杠杆作围绕支点的转动。在柱塞到井口时，由于温度相对较低，伞处于收拢状态。而在井底时，因温度升高，热膨胀产生的位移推动杠杆使伞张开，如图1。柱塞由外筒、扶正器、热膨胀杆、开口O型卡簧和一组伞形片组成。外筒和热膨胀杆由400到600mm长的金属体构成，外筒中、下部接扶正器，上端为伞，见图4。每组伞形片由8至14片薄钢片和高强度金属片组成，分内外两层，外层为高强度的合金片，内层为薄钢片。高强度金属片兼作杠杆，用于控制伞的开合，并提供足够的支撑强度，以防工作中的失稳破坏，薄钢片辅助封隔油管空间。为使伞式柱塞只在井底或井口才发生开合动作，设计中可采取两种方法。一种方法是将热膨胀率大的材料杆件的固定端与弹簧进行串接(或杆件自身为弹簧状并具备储能特点)，并在L型杠杆上加一阻力点，如图3。当膨胀杆在温度作用下发生线性变形时，在阻力的作用下首先使弹簧产生压缩变形，当弹簧压缩后产生的反作用力超过阻力时，杠杆运动端会突破阻力向前运动。由于阻力消失，弹簧完全伸展，达到热变形时的伸长量，即杠杆的转动在短时间内完成。杠杆运动使柱塞上的伞张开，伞面封堵油管截面(如图1)，达到封闭油管空间的目的。当温度降低时，杠杆收缩引起的变形再次受阻力点的运动限制，因此杆件首先使弹簧伸长，而杠杆并不转动，当拉伸使弹簧产生的反作用力超过阻力时，杠杆突破阻力点限制而发生转动，带动柱塞体上的伞形片收拢，被伞面封闭的环形空间打开，柱塞与油管的间隙变大。另一种方法是杠杆与外筒有一定间隙，并在杠杆上加一阻力，热膨胀首先使杠杆在间隙范围内平移，而杠杆并不围绕支点转动。当杠杆平移到达间隙顶端时，平移受阻，热变形产生的力会逐渐增大并超过阻力，使杠杆围绕支点旋转，并打开伞片，达到用伞面封堵油管截面的目的。当温度降低时，杠杆再次受到阻力点的运动限制，因此收热形首先使杠杆在间隙范围内反向平移，而杠杆并不围绕支点转动。当杠杆平移到达间隙顶端时，平移受阻，热变形产生的力会逐渐增大并超过阻力，使杠杆发生转动，并收拢伞片打开环空。气举柱塞是在长筒型的钢管内部安装一个热膨胀率大的材料制成的柱体，在一定温度变化范围内利用热膨胀后的伸缩推动杠杆运动，使伞状体作开合动作。用这一特点设计的气举柱塞，利用油气井井底和井口温差，使柱塞上的伞体在井口时合拢，而在井底时张开。这一设计可以使气举柱塞上的伞面只有开、合两种状态，所以能满足采气井和采油井在举升液体时的基本要求。图1，柱塞在油管内的两种工作状态俯视图，1-油管；2-扶正器；3-高强度金属片；4-温度变形片(薄钢片)。图2柱塞在井内的工作图，1-油管；2-扶正器；3-气举柱塞图3热变形杆的工作原理，1-阻力点；2-铰接点；3-支点；4-热变形杆；5-弹簧；6-固定架。图4有间隙的膨胀杆工作原理图，图中→O型圈产生力的方向； 间隙的距离、一杠杆、 热膨胀杆。图5柱塞在井内的工作图，1-油管；2-扶正器；3-气举柱塞。图6热膨胀伞式气举柱塞剖面图，1-伞片；2-卡簧；3-外筒；4-热膨胀杆；5-弹簧。具体实施例方式由油管的内径确定伞式气举柱塞在收拢时的直径，确定原则是柱塞直径＝油管内径/2+4～6mm在伞式气举柱塞收拢时的横截面积均为油管内截面积的30～35％。对于用热双金属片组成的伞式柱塞，热双金属片发生变形的起始温度和恢复温度是伞式柱塞能否正常工作的关键。由于不同井深的油气井，井底和井口温度差异很大，因此有必要将温度变形片的变形温度(井底温度)和恢复温度(井口温度)作一个使用上的分类。对于温差大的井，组成变形片的两种材料的热膨胀系数差可小一些，另一方面，也可以通过改变热变形片的长度来调整变形片的变形和恢复温度。每一组热双金属片的变形温度和恢复温度应保持一致，这是热双金属片伞式气举柱塞能正常工作的关键点，也是生产这种气举柱塞的难点。热双金属片的长度应控制在80～120mm，活动端在变形与恢复时产生的位移控制在8～15mm。位移的具体确定可参考如下方法位移＝油管内径/4。图1中，为了保证强度，热双金属片的厚度不小于2mm，支撑端的厚度应略大于运动端。组成伞的金属片数不宜太多，原则上是柱塞直径越小，片数越少，片的宽度控制在9～12mm，片数在6～10片。为了提高封隔效果，活动端的横截面为弧形，弧度与油管的内径的弧度相同。图2中，扶正器的作用是确保柱塞体在上下运动过程中不与油管发生碰撞，并且在到达下卡定器和井口缓冲弹簧时不发生偏斜，有利于防卡。对于由温度控制位移的伞式气举柱塞，伞的开合主要由位移推动杠杆来控制，位移量由温度和材料特性来决定。只要达到设计的伸缩位移量，就可以保证柱塞在井内正常工作。以60.5mm(21/2″)内径的油管为例，位移计算如下柱塞直径＝60.5/2+4＝34.25mm环形空间间隙＝(60.5-34.25)/2＝13.125mm为提高封闭效果，伞体打开时活动端的位移量要大于环形空间间隙，使伞体活动端在弹性力的作用下紧靠油管内壁。位移附加量不小于2mm。由温度控制的位移量＝伞体活动端位移×短臂/长臂＝15×10/100＝1.5mm考虑到装配间隙等原因，由温度控制的位移不能小于1.8mm。热变形杆产生的位移受温度差、所选材料的热膨胀系数和膨胀杆件的长度控制。其中，材料的热膨胀系数受材质因素的影响，可选范围并不大，而膨胀杆的长度受到井口设备的限制，最长也不能超过1000mm，因此，决定性因素是在温度，或者说是温差。以热膨胀杆的长度等于500mm，温度差等于30度为例，要产生1.5mm的伸长变形，则材料的热膨胀系数应该大于10×10-5mm/(mm·℃)。其中还要扣除钢质外筒的热变形。可选的材料有有机树脂和高热膨胀系数的合金。图3中，与热膨胀伸缩杆相接的弹簧起存贮位移作用，即利用弹簧的变形先吸收一部分因温度升高而产生的变形位移，随温度升高并达到设计温度后，再释放弹簧，使其完全伸展并达到应有的热膨胀而产生的位移。这一设计的目的是当柱塞在下行时，温度随井深不断增加，热膨胀量也不断增加，如果不加控制，则伞会随膨胀伸长而渐渐打开，使下行受阻。或者说，柱塞无法依靠自重自行下落到设计要求的井深。有了这一机构后，不到设定温度(井深)时，气举柱塞的伞不会自行打开。图4，在设计中，利用间隙使伞式柱塞在油管中间运动时保持状态。图4(a)为柱塞处于井口时的低温状态，随着柱塞的下行，温度上升，使杆体伸长，由于O型圈弹性力的作用，使膨胀杆推动杠杆整体上行，杠杆不转动(伞不开)；当热膨胀使杠杆到达图4(b)的位置后，O型圈开始张开，伞面也开始张开，但幅度很小；当热膨胀使杠杆到达图4(c)的位置时，O型圈张开最大，由于此时已近井底，热膨胀产生的变形也接近设计值，柱塞碰到下卡定器，在惯性力作用下使O型圈下移，O型圈依靠弹性力使杠杆围绕膨胀杆支点转动，使伞面完全打开，如图4(d)。当柱塞在气体推动下上行时，温度下降，膨胀杆收缩，使膨胀杆拉动杠杆整体下行，直到图4(e)，这一段行程伞保持张开。由于柱塞上行速度很快，当柱塞到达井口时，柱塞体的温度并没有降至井口温度，柱塞碰到上缓冲弹簧，并在上升气流的推动下保持在井口，直到柱塞整体温度降至井口温度，使伞收拢，进入下一个循环过程。图6中，卡簧是一开口的O型圈，由弹性材料制成。作用有三个一是用作杠杆的支点；二是在弹性力的作用下产生阻力；三是利用弹性力确保伞的开与合。杠杆装配时的上下活动间隙小于1mm。热膨胀伞式气举柱塞在装配时，O型圈的中心截面比杠杆与伸缩杆的铰支点的截面高(如图4所示)。当热膨胀杆件随温度升高而伸长时，在O型圈的弹性力作用下，上行受阻，热膨胀使弹簧产生压缩变形。随着温度升高，热膨胀使伸长量不断增加，弹簧压缩变形增大，此时弹簧的反作用力也使开口的弹性O型圈张开，杠杆支点平面与O型圈的中心截面的距离有接近的趋势。当伞式柱塞到达设计井深(温度)时，在伸长位移的作用下，弹簧因压缩变形而产生的弹性力超过了O型圈弹性阻力，O型圈张开，杠杆支点平面到达并超过O型圈中心平面(如图4c所示)，上行阻力消失，热膨胀杆在弹簧反作用力的作用下上行，并推动杠杆使伞完全打开。此时杠杆支点平面已超过O型圈中心平面，O型圈在弹性力的作用下回收，并使伞面保持张开(如图4d所示)。这样做的目的是确保柱塞工作的两种状态。权利要求1.温控伞式气举柱塞是开采石油与天然气可程中，一种可用于连续生产的举升液体的装置，由柱塞体、扶正器、温度控制元件、伞面等组成。其特点是伞面的张开和收拢受温度控制，利用伞面的张开与收拢可以大幅改变遮挡面积的特点，使气举柱塞在不同工况下横截面积差异很大。2.根据权利要求1所述的温控伞式气举柱塞，其特点是由具有储能性质的热双金属片组成温度控制元件，同时也构成柱塞的伞面，使温度控制元件与伞面合二为一；当一组围绕在柱塞体上的双热金属片受热发生绕性变形时，就完成了伞的开合动作。3.根据权利要求1所述的温控伞式气举柱塞，其特点是利用磁温元件受热后磁性会发生变化的特点使磁温元件产生位移；用磁温控制元件产生的位移带动一组围绕在柱塞体上的由型杠杆组成的伞面作围绕支点的转动，完成伞的开合动作。4.根据权利要求1所述的温控伞式气举柱塞，其特点是利用磁温元件和碟型热双金属片共同控制磁温元件的位移来完成伞的开合动作。5.根据权利要求1所述的温控伞式气举柱塞，其特点是由热膨胀率高的材料构成的元件受热时发生线性变形，利用变形位移带动一组由L型杠杆组成的伞面完成开合动作。全文摘要温控伞式气举柱塞是油气田开发与开采中用于举升液体的装置，用作分隔气液的固体界面，以减少气的窜流和液体的滑脱。特点是利用伞的开合能大幅改变其遮挡面积的原理来改变气举柱塞的工况，而控制伞开合的时机和能量是温度。这是一种可用于连续生产(不关井停产)的气举柱塞，利用井下的温度和热能使材料产生热变形或磁温材料的磁性变化，使气举柱塞上的机构产生位移来控制伞的开合。柱塞在下行时保持合拢直达井下开启温度段，上行时保持张开直到井口。由于此柱塞在伞片收拢时的横截面积只有油管内截面积的1/3左右，因此正常生产的状态下，依靠自重下落到井底，并且下行速度较快，循环周期短，工作效率高，使气举柱塞的应用面变得更加宽泛。文档编号F04B53/14GK1632280SQ20031011108公开日2005年6月29日 申请日期2003年12月3日 优先权日2003年12月3日发明者卢渊, 伊向艺 申请人:卢渊, 伊向艺