專利名稱：溫控傘式氣舉柱塞的制作方法
技術領域：
本發明是油氣田開發與開采生產井中用于舉升液體的裝置，在井筒中用來分隔氣液的固體界面，以減少氣的竄流和液體的滑脫。特點是其分隔氣液的固體界面為傘狀物，而控制傘張開與收攏的時機和能量是溫度。
背景技術：
目前，國內外柱塞舉升原油和排液采氣都是間歇式工作方式，即當柱塞舉升液體到達井口后，需要關井停產才能使柱塞重新落到井底。所用閥體的開合靠撞擊上下卡定器或其它方式完成(不同本技術)。當柱塞下行時，由于柱塞與油管的間隙及旁通都很小，使柱塞下行速度很慢，也不能在開井生產時依靠自重自動下落到井底，使式況為間歇式。
解決的主要途徑就是當柱塞在下行時，使柱塞的橫截面積與油管的內橫截面積的差值增大。或者當柱塞下行時，柱塞的橫截面要小，而舉升液體時能有效地封堵整個油管截面，以防止液體滑脫而下落。
發明內容
本發明是一種可用于連續生產(不關井停產)的氣舉柱塞，其工作特點是以傘的張開和合攏可以大幅改變其遮擋面積的特征來改變氣舉柱塞的工況。利用井筒中的溫度和熱能使材料產生熱變形或磁溫材料的磁性變化，使氣舉柱塞上的機構產生位移來控制傘的開合，并為傘的開合提供能量。同時，傘式柱塞中傘的開合動作只在井底和井口發生，即傘在油管中運動時，下行保持合攏直達井下開啟溫度段，上行時保持張開直到井口。由于溫控傘式氣舉柱塞在傘片收合在一起時，柱塞體的橫截面積只有油管柱內截面積的1/3或更小，因此可以在不關井連續生產的狀態下，依靠自重下落到井底，并且下行速度很快，循環周期較短。這一發明改變了現有氣舉柱塞進行排液舉升時，只能用間歇方式進行的生產過程，使間歇式生產變為連續不間斷(不關井)的生產方式，工作效率大幅提高，氣舉柱塞的應用面也變得更加寬泛。
由溫度控制傘面開合的方法有兩類，即熱雙金屬變形片和因溫度變化而產生的位移來推動杠桿運動，分述如下。
一、熱雙金屬變形片將兩片熱膨脹系數不同的金屬片疊合在一起，在溫度發生變化時，熱能使金屬片發生繞性變形。在圓柱體的周邊上均勻安裝一組能產生突跳式變形的熱雙金屬變形片，就可以在一定溫度變化范圍內產生傘狀開、合的現象。傘式柱塞的傘式熱變形片利用井底與井口的溫度差使傘面在井口時收攏，此時柱塞與油管的間隙變大，下落時受到的上升流體的阻力變小。而當柱塞下落到井底時，利用井底溫度和熱能使傘式熱變形片發生變形，傘打開并封堵油管截面。
用這一特點設計的柱塞，可使柱塞在工作中利用油氣井井底和井口溫差在井口時變形片收攏，而在井底時變形片張開。因熱變形片的變形會以突變的方式產生，所以只有開、合兩種狀態。這一工作特征非常適合于氣井排水采氣和氣舉采油時對柱塞工作的基本要求，即柱塞在井底時，傘打開并封閉柱塞體與油管組成的環形空間，形成封隔氣液的固體界面；而當柱塞到達井口時，傘收攏并打開環形空間。
柱塞由支柱、扶正器與一組或兩組傘形片組成。支柱由400到600mm長的小直徑的金屬柱體構成，上下接扶正器，中間為傘，見圖2。每組傘形片由6至12片熱雙金屬變形片組成。為防止傘片在工作中的失穩破壞，需要保證傘片的厚度，以提供足夠的支撐強度。柱塞體的直徑為油管內徑的一半加一附加量，這樣就可以保證傘打開時能有效封閉柱塞體和油管組成的環形空間。
二、溫度控制位移推動杠桿運動通過位移和杠桿作用使傘產生張開和合攏同樣能達到大幅改變其遮擋面積的要求。用溫度控制位移可通過如下兩種方法實現1.利用磁溫材料原理是特殊的磁溫材料會在高溫下失去磁性，而溫度恢復后磁性又隨之恢復。磁溫材料這一在某一溫度范圍消磁與恢復磁性的特點正好能滿足利用溫度控制傘式氣舉柱塞的要求。可以利用磁性同性相斥、異性相吸的原理使柱塞內的杠桿產生往復運動，即在某一溫度范圍內產生推動杠桿運動所需的位移和能量。當再配合碟型熱雙金屬片時，就可以在特定溫度范圍內產生更加穩定和可靠的位移量并保持傘面狀態的能量。
由于磁溫材料的消磁、磁性恢復及碟型熱雙金屬片的變形都是突變性的，因此這一方法能保證傘的開合狀態與某一溫度相關聯。
柱塞由無磁不銹鋼外筒、上下扶正器、傘(與L型杠桿為一體)、碟型熱雙金屬片、磁溫體、永磁體等組成。永磁體與外筒相連，碟型熱雙金屬片外緣與外筒相接，中心與永磁體連接，磁溫體與杠桿鉸接。杠桿運動所需的位移由碟型熱雙金屬的熱變型位移和磁力共同提供，保持傘面的狀態所需能量由磁性力提供。
2.熱膨脹伸縮桿本機構的工作原理是利用熱膨脹率大的材料在溫度變化時產生的變形量推動杠桿作圍繞支點的擺動。將熱膨脹率大的細長桿一端固定在熱膨脹率低的外筒的一端，另一端與L型杠桿鉸接，如圖3。利用井底與井口幾十度的溫度差使熱膨脹桿產生的伸縮位移來推動L型杠桿作圍繞支點的轉動。在柱塞到井口時，由于溫度相對較低，傘處于收攏狀態。而在井底時，因溫度升高，熱膨脹產生的位移推動杠桿使傘張開，如圖1。
柱塞由外筒、扶正器、熱膨脹桿、開口O型卡簧和一組傘形片組成。外筒和熱膨脹桿由400到600mm長的金屬體構成，外筒中、下部接扶正器，上端為傘，見圖4。每組傘形片由8至14片薄鋼片和高強度金屬片組成，分內外兩層，外層為高強度的合金片，內層為薄鋼片。高強度金屬片兼作杠桿，用于控制傘的開合，并提供足夠的支撐強度，以防工作中的失穩破壞，薄鋼片輔助封隔油管空間。為使傘式柱塞只在井底或井口才發生開合動作，設計中可采取兩種方法。
一種方法是將熱膨脹率大的材料桿件的固定端與彈簧進行串接(或桿件自身為彈簧狀并具備儲能特點)，并在L型杠桿上加一阻力點，如圖3。當膨脹桿在溫度作用下發生線性變形時，在阻力的作用下首先使彈簧產生壓縮變形，當彈簧壓縮后產生的反作用力超過阻力時，杠桿運動端會突破阻力向前運動。由于阻力消失，彈簧完全伸展，達到熱變形時的伸長量，即杠桿的轉動在短時間內完成。杠桿運動使柱塞上的傘張開，傘面封堵油管截面(如圖1)，達到封閉油管空間的目的。當溫度降低時，杠桿收縮引起的變形再次受阻力點的運動限制，因此桿件首先使彈簧伸長，而杠桿并不轉動，當拉伸使彈簧產生的反作用力超過阻力時，杠桿突破阻力點限制而發生轉動，帶動柱塞體上的傘形片收攏，被傘面封閉的環形空間打開，柱塞與油管的間隙變大。
另一種方法是杠桿與外筒有一定間隙，并在杠桿上加一阻力，熱膨脹首先使杠桿在間隙范圍內平移，而杠桿并不圍繞支點轉動。當杠桿平移到達間隙頂端時，平移受阻，熱變形產生的力會逐漸增大并超過阻力，使杠桿圍繞支點旋轉，并打開傘片，達到用傘面封堵油管截面的目的。當溫度降低時，杠桿再次受到阻力點的運動限制，因此收熱形首先使杠桿在間隙范圍內反向平移，而杠桿并不圍繞支點轉動。當杠桿平移到達間隙頂端時，平移受阻，熱變形產生的力會逐漸增大并超過阻力，使杠桿發生轉動，并收攏傘片打開環空。
氣舉柱塞是在長筒型的鋼管內部安裝一個熱膨脹率大的材料制成的柱體，在一定溫度變化范圍內利用熱膨脹后的伸縮推動杠桿運動，使傘狀體作開合動作。用這一特點設計的氣舉柱塞，利用油氣井井底和井口溫差，使柱塞上的傘體在井口時合攏，而在井底時張開。這一設計可以使氣舉柱塞上的傘面只有開、合兩種狀態，所以能滿足采氣井和采油井在舉升液體時的基本要求。
圖1，柱塞在油管內的兩種工作狀態俯視圖，1-油管；2-扶正器；3-高強度金屬片；4-溫度變形片(薄鋼片)。
圖2柱塞在井內的工作圖，1-油管；2-扶正器；3-氣舉柱塞圖3熱變形桿的工作原理，1-阻力點；2-鉸接點；3-支點；4-熱變形桿；5-彈簧；6-固定架。
圖4有間隙的膨脹桿工作原理圖，圖中→O型圈產生力的方向； 間隙的距離、一杠桿、 熱膨脹桿。
圖5柱塞在井內的工作圖，1-油管；2-扶正器；3-氣舉柱塞。
圖6熱膨脹傘式氣舉柱塞剖面圖，1-傘片；2-卡簧；3-外筒；4-熱膨脹桿；5-彈簧。
具體實施例方式
由油管的內徑確定傘式氣舉柱塞在收攏時的直徑，確定原則是柱塞直徑＝油管內徑/2+4～6mm在傘式氣舉柱塞收攏時的橫截面積均為油管內截面積的30～35％。
對于用熱雙金屬片組成的傘式柱塞，熱雙金屬片發生變形的起始溫度和恢復溫度是傘式柱塞能否正常工作的關鍵。由于不同井深的油氣井，井底和井口溫度差異很大，因此有必要將溫度變形片的變形溫度(井底溫度)和恢復溫度(井口溫度)作一個使用上的分類。對于溫差大的井，組成變形片的兩種材料的熱膨脹系數差可小一些，另一方面，也可以通過改變熱變形片的長度來調整變形片的變形和恢復溫度。
每一組熱雙金屬片的變形溫度和恢復溫度應保持一致，這是熱雙金屬片傘式氣舉柱塞能正常工作的關鍵點，也是生產這種氣舉柱塞的難點。
熱雙金屬片的長度應控制在80～120mm，活動端在變形與恢復時產生的位移控制在8～15mm。位移的具體確定可參考如下方法位移＝油管內徑/4。
圖1中，為了保證強度，熱雙金屬片的厚度不小于2mm，支撐端的厚度應略大于運動端。組成傘的金屬片數不宜太多，原則上是柱塞直徑越小，片數越少，片的寬度控制在9～12mm，片數在6～10片。為了提高封隔效果，活動端的橫截面為弧形，弧度與油管的內徑的弧度相同。
圖2中，扶正器的作用是確保柱塞體在上下運動過程中不與油管發生碰撞，并且在到達下卡定器和井口緩沖彈簧時不發生偏斜，有利于防卡。
對于由溫度控制位移的傘式氣舉柱塞，傘的開合主要由位移推動杠桿來控制，位移量由溫度和材料特性來決定。只要達到設計的伸縮位移量，就可以保證柱塞在井內正常工作。以60.5mm(21/2″)內徑的油管為例，位移計算如下柱塞直徑＝60.5/2+4＝34.25mm環形空間間隙＝(60.5-34.25)/2＝13.125mm為提高封閉效果，傘體打開時活動端的位移量要大于環形空間間隙，使傘體活動端在彈性力的作用下緊靠油管內壁。位移附加量不小于2mm。
由溫度控制的位移量＝傘體活動端位移×短臂/長臂＝15×10/100＝1.5mm考慮到裝配間隙等原因，由溫度控制的位移不能小于1.8mm。
熱變形桿產生的位移受溫度差、所選材料的熱膨脹系數和膨脹桿件的長度控制。其中，材料的熱膨脹系數受材質因素的影響，可選范圍并不大，而膨脹桿的長度受到井口設備的限制，最長也不能超過1000mm，因此，決定性因素是在溫度，或者說是溫差。
以熱膨脹桿的長度等于500mm，溫度差等于30度為例，要產生1.5mm的伸長變形，則材料的熱膨脹系數應該大于10×10-5mm/(mm·℃)。其中還要扣除鋼質外筒的熱變形。可選的材料有有機樹脂和高熱膨脹系數的合金。
圖3中，與熱膨脹伸縮桿相接的彈簧起存貯位移作用，即利用彈簧的變形先吸收一部分因溫度升高而產生的變形位移，隨溫度升高并達到設計溫度后，再釋放彈簧，使其完全伸展并達到應有的熱膨脹而產生的位移。這一設計的目的是當柱塞在下行時，溫度隨井深不斷增加，熱膨脹量也不斷增加，如果不加控制，則傘會隨膨脹伸長而漸漸打開，使下行受阻。或者說，柱塞無法依靠自重自行下落到設計要求的井深。有了這一機構后，不到設定溫度(井深)時，氣舉柱塞的傘不會自行打開。
圖4，在設計中，利用間隙使傘式柱塞在油管中間運動時保持狀態。圖4(a)為柱塞處于井口時的低溫狀態，隨著柱塞的下行，溫度上升，使桿體伸長，由于O型圈彈性力的作用，使膨脹桿推動杠桿整體上行，杠桿不轉動(傘不開)；當熱膨脹使杠桿到達圖4(b)的位置后，O型圈開始張開，傘面也開始張開，但幅度很小；當熱膨脹使杠桿到達圖4(c)的位置時，O型圈張開最大，由于此時已近井底，熱膨脹產生的變形也接近設計值，柱塞碰到下卡定器，在慣性力作用下使O型圈下移，O型圈依靠彈性力使杠桿圍繞膨脹桿支點轉動，使傘面完全打開，如圖4(d)。當柱塞在氣體推動下上行時，溫度下降，膨脹桿收縮，使膨脹桿拉動杠桿整體下行，直到圖4(e)，這一段行程傘保持張開。由于柱塞上行速度很快，當柱塞到達井口時，柱塞體的溫度并沒有降至井口溫度，柱塞碰到上緩沖彈簧，并在上升氣流的推動下保持在井口，直到柱塞整體溫度降至井口溫度，使傘收攏，進入下一個循環過程。
圖6中，卡簧是一開口的O型圈，由彈性材料制成。作用有三個一是用作杠桿的支點；二是在彈性力的作用下產生阻力；三是利用彈性力確保傘的開與合。杠桿裝配時的上下活動間隙小于1mm。熱膨脹傘式氣舉柱塞在裝配時，O型圈的中心截面比杠桿與伸縮桿的鉸支點的截面高(如圖4所示)。當熱膨脹桿件隨溫度升高而伸長時，在O型圈的彈性力作用下，上行受阻，熱膨脹使彈簧產生壓縮變形。隨著溫度升高，熱膨脹使伸長量不斷增加，彈簧壓縮變形增大，此時彈簧的反作用力也使開口的彈性O型圈張開，杠桿支點平面與O型圈的中心截面的距離有接近的趨勢。當傘式柱塞到達設計井深(溫度)時，在伸長位移的作用下，彈簧因壓縮變形而產生的彈性力超過了O型圈彈性阻力，O型圈張開，杠桿支點平面到達并超過O型圈中心平面(如圖4c所示)，上行阻力消失，熱膨脹桿在彈簧反作用力的作用下上行，并推動杠桿使傘完全打開。此時杠桿支點平面已超過O型圈中心平面，O型圈在彈性力的作用下回收，并使傘面保持張開(如圖4d所示)。這樣做的目的是確保柱塞工作的兩種狀態。
權利要求
1.溫控傘式氣舉柱塞是開采石油與天然氣可程中，一種可用于連續生產的舉升液體的裝置，由柱塞體、扶正器、溫度控制元件、傘面等組成。其特點是傘面的張開和收攏受溫度控制，利用傘面的張開與收攏可以大幅改變遮擋面積的特點，使氣舉柱塞在不同工況下橫截面積差異很大。
2.根據權利要求1所述的溫控傘式氣舉柱塞，其特點是由具有儲能性質的熱雙金屬片組成溫度控制元件，同時也構成柱塞的傘面，使溫度控制元件與傘面合二為一；當一組圍繞在柱塞體上的雙熱金屬片受熱發生繞性變形時，就完成了傘的開合動作。
3.根據權利要求1所述的溫控傘式氣舉柱塞，其特點是利用磁溫元件受熱后磁性會發生變化的特點使磁溫元件產生位移；用磁溫控制元件產生的位移帶動一組圍繞在柱塞體上的由型杠桿組成的傘面作圍繞支點的轉動，完成傘的開合動作。
4.根據權利要求1所述的溫控傘式氣舉柱塞，其特點是利用磁溫元件和碟型熱雙金屬片共同控制磁溫元件的位移來完成傘的開合動作。
5.根據權利要求1所述的溫控傘式氣舉柱塞，其特點是由熱膨脹率高的材料構成的元件受熱時發生線性變形，利用變形位移帶動一組由L型杠桿組成的傘面完成開合動作。
全文摘要
溫控傘式氣舉柱塞是油氣田開發與開采中用于舉升液體的裝置，用作分隔氣液的固體界面，以減少氣的竄流和液體的滑脫。特點是利用傘的開合能大幅改變其遮擋面積的原理來改變氣舉柱塞的工況，而控制傘開合的時機和能量是溫度。這是一種可用于連續生產(不關井停產)的氣舉柱塞，利用井下的溫度和熱能使材料產生熱變形或磁溫材料的磁性變化，使氣舉柱塞上的機構產生位移來控制傘的開合。柱塞在下行時保持合攏直達井下開啟溫度段，上行時保持張開直到井口。由于此柱塞在傘片收攏時的橫截面積只有油管內截面積的1/3左右，因此正常生產的狀態下，依靠自重下落到井底，并且下行速度較快，循環周期短，工作效率高，使氣舉柱塞的應用面變得更加寬泛。
文檔編號F04B53/14GK1632280SQ20031011108
公開日2005年6月29日 申請日期2003年12月3日 優先權日2003年12月3日
發明者盧淵, 伊向藝 申請人:盧淵, 伊向藝