降低井下气油比提高泵效的采油方法与装置

摘要

本发明为一种降低井下气油比提高泵效的采油方法与装置，该采油方法是由地面向油层套管的内部空间注入脱气油，脱气油在井下溶解部分所述油层套管的内部空间中的游离气体，并在井下与流入所述油层套管的内部的地层油充分掺混融合，使井下含气率降低；然后，通过井下抽油装置将掺混后的混合流体抽采至地面。用于降低井下气油比提高泵效的采油方法的采油装置至少包括脱气油加注装置和井下抽油装置，脱气油加注装置的出口通过井口装置与油层套管的内部密封连通，井下抽油装置套设于底端封闭、底部侧壁与油层连通的油层套管内。该方法及装置的应用解决现有的采油技术中无法满足高气油比油井泵效和经济性要求的问题，有效地降低了井下气油比，提高了泵效，并且降低了采油成本。

说明书

技术领域

本发明涉及油田开发领域采油工艺技术，尤其涉及一种降低井下气油比提高泵效的采油方法与装置。

背景技术

由于能够提高低渗透油藏储量动用率和原油采收率，气驱技术在国内外得到高度重视。截至2015年底，我国正在运行的注气驱油项目超过30个。国内低渗油藏渗流能力差，地层压力保持水平低，单井日产油量极小，加上气窜后高气油比影响，对气驱采油工艺提出了严峻挑战。在注气实践中发现，气窜之后，大量生产井由于气油比高(通常超过200m³/t)，泵效不足35％，这种在高气油比条件下出现的抽油泵充满系数小、抽油系统效率低的现象可以概括为“高气油比低泵效”问题，此问题直接影响气驱开发经济效益，甚至导致不能正常生产。

目前存在两种应对“高气油比低泵效”问题的技术思路：

第一种技术思路，是沿用抽油机采油工艺，继续研发适应高气油比生产条件的井下防气装备，进一步提升泵效，例如，吉林油田研发的“中空防气泵”和大庆油田“旋转离心锚”等采油装备，现有的该类采油装备还有，小套管抽油井高效分离气锚，在抽油泵的入口处安装该气锚，利用油气密度差，将油流中自由气在进泵前分离出来，通过油套管环形空间排到地面；一种通过改变抽油泵结构进行防气的新型抽油泵；油井尾管防泵气锁装置，通过排气装置将尾管内的气体放入油套环形空间，提高了泵效；一种防气防喷杆式抽油泵，通过改进抽油泵结构实现不压井检泵作业和有效消除抽油泵气锁现象；高效组合式气砂锚，采用气锚、砂锚组合设计，具有两级液体分离过程，防气效果好于传统方法，属于对井下装备的实用变换；双向流多功能抽油泵，通过抽油泵与空心抽油杆配套使用，具有防砂、防气等功能。

但是上述装备只能满足生产气油比300m³/t以下正常生产，并且泵效仍然很低(气油比高于200m³/t时，平均泵效在25％左右)，而实际气驱生产过程中的气油比能达到或超过1000m³/t，因此上述采油装备不能完全满足生产需求。

第二种技术思路，是研发替代性采油工艺，①螺杆泵采油技术：螺杆泵不会发生气缩，可用于油气混输，适应高气油比生产条件。但井下泵入口的游离气会占据一定的泵容积，使泵效降低；螺杆泵比较脆弱，定子容易损坏，检泵次数多，绝缘橡胶不适合高温和腐蚀环境；螺杆泵总压头较小，目前现场只能用于1000m左右井深，而北美地区实施二氧化碳驱的油藏平均埋深约1780m，国内实施二氧化碳驱的低渗透油藏平均埋深约2200m。因此，螺杆泵技术不能满足气驱生产需要。②电潜泵采油技术：例如高油气比井采油方法及装置，凭借井下潜油电机和潜油离心泵，将井下油气混合流体采出地面，该技术适合于气液比较低的情况，当含气率稍高时，泵的扬程和效率将显著下降，随含气率进一步增大，电潜泵将丧失工作能力，目前斯伦贝谢研发的带高级气体处理器的雷达电潜泵只适用于45％的含气率正常生产。而气驱生产气油比200m³/t时的含气率一般超过55％，生产气油比300m³/t时的含气率接近70％，因次，目前的电潜泵采油技术也不能满足气驱生产需要。③法国石油研究院、挪威石油公司等联合研发的螺旋轴流式混输泵(海神泵)，集成了泵与压缩机的双重作用，是多相混输装备的重大进展，最初用于地面多相流体的地面增压集输以及海上高产油井气液混输，大幅度增加了产量。我国于1996年开始研制用于高气油比低产油井的螺旋轴流式混输泵采油工艺，但由于难度极大，目前还处于原理样机开发研制初级阶段(见赵新学的《螺旋轴流式混输泵输送气液两相时特性试验研究》一文)。此外，国内特低渗油藏地层能量不足及产量极小(国内低渗透油藏平均单井日产油不到2.0吨)等造成的经济与技术方面的困难都很难逾越。④气举采油工艺：理论上适合高气油比条件下的生产。由于空气含氧压缩有安全性问题，而空气减氧压缩往往不经济，故用于气举的气源原则上要求天然气；若要规模应用连续气举技术，须额外建设一套增压气举地面工艺流程(包括压缩站、输气管道和注气管汇等)，并须改造已有地面集输送系统，投资过大，加上原机抽采油系统须被替换，将造成资源闲置与浪费。对于单井产量很低的低渗透油藏无法保证经济性，这限制了气举技术的应用，国内中原油田、吐哈油田和塔里木油田等拥有充足天然气源的，有过一 些气举技术应用，其它油田报道较少。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种降低井下气油比提高泵效的采油方法与装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低井下气油比提高泵效的采油方法与装置，解决现有的采油技术中无法满足高气油比油井泵效和经济性要求的问题，该方法及装置的应用有效地降低了井下气油比，提高了泵效，并且降低了采油成本。

本发明的目的是这样实现的，一种降低井下气油比提高泵效的采油方法，该采油方法是由地面向油层套管的内部空间注入脱气油，脱气油在井下溶解部分所述油层套管的内部空间中的游离气体，并在井下与流入所述油层套管的地层油充分掺混融合，使井下含气率降低；然后，通过井下抽油装置将掺混后的混合流体抽采至地面。

在本发明的一较佳实施方式中，该采油方法包括以下步骤：

1)在地面安装设置脱气油加注装置，并将所述脱气油加注装置通过井口装置与所述油层套管的内部空间连通；

2)由所述脱气油加注装置向所述油层套管的内部空间加注脱气油；在井下压力作用下，所加注的脱气油将自发溶解一部分所述油层套管的内部空间里存在的游离气体，在降低井下含气率的同时，脱气油转化为新的溶气油；

3)在所述井下抽油装置的抽送作用下，所述溶气油与油层流入油层套管中的地层油掺混融合，融合后的混合流体由所述井下抽油装置抽采至地面后进入集输系统。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤1)中，所述脱气油加注装置包括脱气油储罐、加注管线、压力平衡管线，在所述井口装置的底部、所述油层套管内侧顶部向下设置有副管；

首先在地面安装固定所述脱气油储罐，并在所述井口装置中设置流动通道，通过所述加注管线、所述流动通道及所述副管将所述脱气油储罐与所述油层套管的内部连通。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤3)中，所述井下抽油装置包括在所 述井口装置的底部、所述油层套管内侧顶部向下设置的井下抽油管杆柱组合结构，所述井下抽油管杆柱组合结构至少包括油管、筛管、丝堵、井下掺混器、抽油泵和抽油杆；

所述筛管位于所述井下抽油管杆柱组合结构的底部，在所述筛管和所述抽油泵之间串接所述井下掺混器，所述抽油泵的上方与所述抽油杆底部连接，构成所述井下抽油管杆柱组合结构；在所述抽油泵的作用下，所述溶气油与油层流入所述油层套管中的地层油初步混合后一并进入所述筛管，之后上行进入所述井下掺混器，所述溶气油和所述地层油发生掺混融合形成混合流体；所述混合流体继续上行，进入所述抽油泵，被抽采至地面后进入所述集输系统。

本发明的另一目的是这样实现的，一种用于降低井下气油比提高泵效的采油方法的采油装置，所述采油装置至少包括脱气油加注装置和井下抽油装置，所述脱气油加注装置的出口通过井口装置与所述油层套管的内部密封连通，所述井下抽油装置套设于底端封闭、底部侧壁与油层连通的油层套管内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述井下抽油装置包括井下抽油管杆柱组合结构，所述井下抽油管杆柱组合结构包括顶部固定于所述井口装置的底部、且与所述井口装置连通的油管，所述油管的顶部通过所述井口装置与设置于地面的集输系统连通，所述油管底部连通有一侧壁上设置多个径向贯通筛孔的筛管，所述筛管的底部通过一丝堵密封，所述油管上、位于所述筛管的上方串接有与所述筛管连通的井下掺混器，所述油管的内部位于所述井下掺混器的上方位置设置有抽油泵，所述抽油泵的顶部连接于抽油杆的底部。

在本发明的一较佳实施方式中，所述井下掺混器包括串接于所述油管上、且与所述油管连通的筒体，所述筒体的内侧上部固定有内部设置贯通孔的上压环，所述筒体的内侧下部固定有内部设置贯通孔的下压环，所述筒体的内部设置有中心轴，所述中心轴的顶端能转动地轴向固定于所述上压环的中心处，所述中心轴的底端能转动地轴向固定于所述下压环的中心处；所述中心轴的底部固定套设有动力叶轮，所述中心轴的上部固定套设有搅拌叶轮。

在本发明的一较佳实施方式中，所述搅拌叶轮包括固定套设在所述中心轴的上部的第一圆盘，所述第一圆盘的周向侧壁上固定连接有多个沿周向均匀设置的垂直板状叶片，所述第一圆盘上开设有多个上下贯通的过流孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述动力叶轮包括固定套设在所述中心轴的底部的第二圆盘，所述第二圆盘的周向侧壁上固定连接有多个沿周向均匀设置的倾斜叶片。

在本发明的一较佳实施方式中，在所述井口装置的底部、所述油层套管内侧顶部向下设置有副管；所述脱气油加注装置包括脱气油储罐，所述脱气油储罐的一端通过加注管线、所述井口装置连通于所述副管，所述脱气油储罐的另一端与所述加注管线之间还连通设置有压力平衡管线；所述井口装置中设置有流动通道，所述流动通道的一端与所述加注管线连通，所述流动通道的另一端与所述副管的顶端连通。

由上所述，本发明提供的降低井下气油比提高泵效的采油方法与装置，具有如下有益效果：本发明利用地层产出气体在脱气油中的溶解作用，通过脱气油加注装置向高气油比油层套管的内部空间中注入脱气油，脱气油在井下较高压力下部分溶解油层套管的内部空间中的游离气体，并在井下与流入油层套管的地层油充分掺混融合，从而使得井下含气率大幅度下降，全油层套管的内部空间高气油比转化为中低气油比，即有效地降低井下气油比，保证井下生产环境满足常规机采工艺水平，使用常规的抽油泵也能够达到较高泵效；本发明的井下结构简单，成本低，易于施工操作；本发明可用于解决天然气驱、二氧化碳驱、空气驱、氮气驱等注气开发过程中出现的高气油比问题，本发明在挥发性油藏开发过程中出现的高气油比情形下也同样适用。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的用于降低井下气油比提高泵效的采油方法的采油装置的结构示意图。

图2：为本发明的井下掺混器的结构示意图。

图3：为二氧化碳驱油井实际生产气油比与抽油泵效率之间的关系图。

图中：

100、采油装置；

1、脱气油加注装置；11、脱气油储罐；12、加注管线；13、压力平衡管线；

2、井口装置；

3、井下抽油装置；

31、井下抽油管杆柱组合结构；

311、油管；

312、筛管；

313、丝堵；

314、井下掺混器；3141、筒体；3142、上压环；3143、下压环；3144、中心轴；3145、动力叶轮；31451、第二圆盘；31452、倾斜叶片；3146、搅拌叶轮；31461、第一圆盘；31462、垂直板状叶片；

315、抽油泵；

316、抽油杆；

4、副管；

7、油层；

8、固井水泥环；

9、油层套管。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供一种降低井下气油比提高泵效的采油方法，该采油方法是由地面向油层套管9的内部空间(油层套管的内部空间通常称为井筒)内注入脱气油，脱气油在井下溶解部分油层套管9的内部空间中的游离气体，并在井下与流入油层套管9的地层油充分掺混融合，使井下含气率降低；然后，通过井下抽油装置3将掺混后的混合流体抽采至地面。该方法利用地层产出气体在脱气油中的溶解作用，向高气油比油层套管的内部空间中注入脱气油，脱气油在井下压力作用下溶解部分油层套管的内部空间中的游离气体，并在井下与流入油层套管的地层油充分掺混融合，从而使得井下含气率大幅度下降，全油层套管的内部空间高气油比转化为中低气油比，即有效地降低井下气油比，保证井下生产环 境满足常规机采工艺水平，使用常规的抽油泵也能够达到较高泵效。

进一步，降低井下气油比提高泵效的采油方法包括以下步骤：

1)在地面安装设置脱气油加注装置1，并将脱气油加注装置1通过井口装置2与油层套管9的的内部空间连通；

2)由脱气油加注装置1向油层套管9的内部空间内加注脱气油；在井下压力作用下，所加注的脱气油将自发溶解一部分油层套管9的内部空间里存在的游离气体，在降低井下含气率的同时，脱气油转化为新的溶气油；

3)在井下抽油装置3的抽送作用下，溶气油与油层流入油层套管9中的地层油掺混融合，融合后的混合流体由井下抽油装置3抽采至地面后进入集输系统(现有技术)。

进一步，在步骤1)中，脱气油加注装置1包括脱气油储罐11、加注管线12、压力平衡管线13，在井口装置2的底部、油层套管9内侧顶部向下设置有副管4；首先在地面安装固定脱气油储罐11，并在井口装置2中设置流动通道，通过加注管线12、流动通道及副管4将脱气油储罐11与油层套管9的内部连通。

进一步，在步骤3)中，井下抽油装置3包括在井口装置2的底部、油层套管9内侧顶部向下设置的井下抽油管杆柱组合结构31，井下抽油管杆柱组合结构31至少包括油管311、筛管312、丝堵313、井下掺混器314、抽油泵315和抽油杆316；筛管312位于井下抽油管杆柱组合结构31的底部，筛管312和抽油泵315之间串接井下掺混器314，抽油泵315的上方与抽油杆316底部连接，构成井下抽油管杆柱组合结构31；在抽油泵315的作用下，溶气油与油层流入油层套管9中的地层油初步混合后一并进入筛管312，之后上行进入井下掺混器314，溶气油和地层油发生更充分的掺混融合形成混合流体；充分混合的混合流体继续上行，进入抽油泵315，被抽采至地面后进入集输系统。

如图1所示，本发明提供的一种用于降低井下气油比提高泵效的采油方法的采油装置100，至少包括脱气油加注装置1和井下抽油装置3，脱气油加注装置1的出口通过井口装置2与油层套管9的内部密封连通，在本实施方式中，井口装置2为CC级耐压井口装置(现有技术，CC级代表特定的井口材料以及耐压抗腐蚀等级)，井下抽油装置3套设于底端封闭、底部侧壁与油层7连通的油层套管9内，油层套管9通过固井水泥环8固定。脱气油加注装置1向高气油比油层套 管9内加注适量的脱气油，油层套管9中的游离气体在井下压力下将部分溶解于脱气油之中形成新的溶气油，从而使井下含气率大幅度下降，全油层套管的内部空间高气油比转化为中低气油比，保证井下生产环境满足常规机采工艺水平，达到较高泵效，井下抽油装置3将溶气油和地层油充分掺混融合，掺混后的流体上行被抽采至地面的集输系统。

进一步，如图1所示，井下抽油装置3包括井下抽油管杆柱组合结构31，井下抽油管杆柱组合结构31包括顶部固定于井口装置2的底部、且与井口装置2连通的油管311，在本实施方式中，油管311表面设有防腐涂层，油管311的顶部通过井口装置2与设置于地面的集输系统(现有技术，图中未示出)连通，油管311底部连通有一侧壁上设置多个径向贯通筛孔的筛管312，筛管312的底部通过一丝堵313密封，丝堵313是一种用于封闭筛管312的底端、防止底部泄漏的常用管件。油管311上、位于筛管312的上方串接有与筛管312连通的井下掺混器314，油管311的内部位于井下掺混器314的上方位置设置有抽油泵315，抽油泵315的顶部固定连接于抽油杆316的底部，抽油杆316的顶部穿过井口装置2与地面上的抽油机(现有技术，图中未示出)连接，在本实施方式中，抽油杆316采用H级25mm、22mm和19mm三级杆组合。脱气油加注装置1向油层套管9的内部空间中加注脱气油，在井下压力作用下，脱气油自发溶解一部分油层套管9的内部空间里存在的游离气体(利用脱气油溶气能力与井下压力水平之间存在正相关性的物理原理)，降低井下含气率的同时脱气油转化为新的溶气油，溶气油与地层油在油层套管9中初步混合后，进入筛管312，筛管312能够使溶气油与地层油进一步混合，溶气油与地层油在抽油泵315的作用下进入到井下掺混器314中，在井下掺混器314作用下，溶气油与地层油进一步掺混融合形成混合流体。

进一步，如图2所示，井下掺混器314包括串接于油管311上、且与油管311连通的筒体3141，筒体3141的内侧上部固定有内部设置贯通孔的上压环3142，筒体3141的内侧下部固定有内部设置贯通孔的下压环3143，筒体3141的内部设置有中心轴3144，中心轴3144的顶端能转动地轴向固定于上压环3142的中心处，中心轴3144的底端能转动地轴向固定于下压环3143的中心处，在本实施方式中，上压环3142和下压环3143的中心处均设置有轴套，轴套内设有轴承，中心轴3144 的顶端和底端分别套设于上压环3142和下压环3143的中心处的轴承内部，实现中心轴3144的轴向固定和周向转动，井下掺混器314下方流入的流体能对轴承起到润滑作用；中心轴3144的下部固定套设有动力叶轮3145，中心轴3144的上部固定套设有搅拌叶轮3146。影响井下掺混效果的主要因素有掺混器结构和叶轮旋转方式，在本发明提供的采油装置中，前述的溶气油(脱气油溶解一部分油层套管9里存在的游离气体形成的新的油液)与地层油在抽油泵315的作用下进入到井下掺混器314的筒体3141中，在下方进入的流体的冲击作用下，中心轴3144的下部固定套设的动力叶轮3145为避开流体发生转动，未对流体进行有效搅拌，动力叶轮3145通过中心轴3144将转矩传动给其上部固定套设的搅拌叶轮3146，搅拌叶轮3146旋转并对流体进行搅拌，上下双叶轮结构使得掺混效率有效地提高。

进一步，如图2所示，搅拌叶轮3146包括固定套设在中心轴3144的上部的第一圆盘31461，第一圆盘31461的周向侧壁上固定连接有多个沿周向均匀设置的垂直板状叶片31462，第一圆盘31461上开设有多个上下贯通的过流孔。垂直板状叶片31462旋转起来对下方的流体有效的搅拌，进一步掺混的流体经过流孔向上进入抽油泵315中。动力叶轮3145包括固定套设在中心轴3144的底部的第二圆盘31451，第二圆盘31451的周向侧壁上固定连接有多个沿周向均匀设置的倾斜叶片31452。

进一步，筒体3141的内壁顶部和底部均设置有用于连接油管311的连接螺纹。筒体3141的顶部高出上压环3142(图中未示出)，高出部分的侧壁内侧设有连接螺纹，实现井下掺混器314与上方油管311的连接；筒体3141的底部低于下压环3143(图中未示出)，低出部分的侧壁内侧设有连接螺纹，实现井下掺混器314与下方油管311的连接。

进一步，如图1所示，在井口装置2的底部、油层套管9内侧顶部向下设置有副管4；脱气油加注装置1包括脱气油储罐11，脱气油储罐11的一端通过加注管线12、井口装置2连通于副管4，脱气油储罐11的另一端与加注管线12之间还连通设置有压力平衡管线13。压力平衡管线13允许注入介质(脱气油)回流到脱气油储罐11，防止加注管线12憋压，避免脱气油储罐11垂向受力不均，从而保持其力学平衡。在此过程中，压力平衡管线13起到安全阀的作用。

进一步，井口装置2中设置有流动通道(图中未示出)，流动通道的一端与加注管线12连通，流动通道的另一端与副管4的顶端连通。

采用上述的采油装置100的采油方法，其包括以下步骤：

1)在地面安装固定脱气油储罐11，并在井口装置2中设置流动通道，在井口装置2的底部、油层套管9内侧顶部安装副管4，通过加注管线12、流动通道将脱气油储罐11与副管4连通；在筛管312和抽油泵315之间串接井下掺混器314，构成井下抽油装置3的井下抽油管杆柱组合结构31；

2)加注脱气油，脱气油自脱气油储罐11通过加注管线12、流动通道、副管4流入油层套管9中；

3)在井下压力作用下(井下压力通常在几兆帕到十几个兆帕的范围，远高于地面大气压力)，所加注的脱气油将自发溶解一部分油层套管9里存在的游离气体(这是利用了脱气油的溶气能力与井下压力水平之间存在的正相关性的物理原理)，降低井下含气率的同时脱气油转化为新的溶气油；

4)在抽油泵315的作用下，溶气油与油层流入油层套管9中的地层油初步混合后一并进入筛管312，之后上行进入井下掺混器314，在底部的动力叶轮3145和上部的搅拌叶轮3146的搅拌作用下，溶气油和地层油发生更充分的掺混融合形成混合流体；

5)充分混合的混合流体继续上行，进入抽油泵315，被抽采至地面后进入集输系统。

下面通过一具体实施例来说明本发明的效果：试验区位于吉林油田黑59二氧化碳驱开发试验区，有5口注气井，20口生产井，自2008年开始实施二氧化碳驱开发到2014年7月终止注气，历时6年。实践中发现，气窜之后，油井产量和泵效均快速下降。为了定量验证本发明在提高泵效方面的效果，选取该区块一口生产气油比为300m³/t、泵效为20.0％的油井进行了模拟研究。结果显示，脱气油加注速度对泵效的影响十分明显：当掺混比(脱气油加注速度与流入油层套管地层油流入油层套管速度之比)为1:1时，泵效将从原来的20.0％升高至40.6％；掺混比为2:1时，泵效将从原来的20.0％升高至52.1％；掺混比为3:1时，泵效将从原来的20.0％升高至65.3％。图3展示了现有技术下二氧化碳驱试验区油井的生产气油比与抽油泵效率关系，可以看到随着生产气油比下降，泵效将有显著 提高。由于本发明通过向油层套管加注脱气油，能够显著降低井下含气率和生产气油比，显然会使泵效得到大幅度提高。

由上所述，本发明提供的降低井下气油比提高泵效的采油方法与装置，具有如下有益效果：本发明利用地层产出气体在脱气油中的溶解作用，通过脱气油加注装置向高气油比油层套管的内部空间中注入脱气油，脱气油在井下较高压力下部分溶解油层套管的内部空间中的游离气体，并在井下与流入油层套管的地层油充分掺混融合，从而使得井下含气率大幅度下降，全油层套管的内部空间高气油比转化为中低气油比，即有效地降低井下气油比，保证井下生产环境满足常规机采工艺水平，使用常规的抽油泵也能够达到较高泵效；本发明的井下结构简单，成本低，易于施工操作；本发明可用于解决天然气驱、二氧化碳驱、空气驱、氮气驱等注气开发过程中出现的高气油比问题，本发明在挥发性油藏开发过程中出现的高气油比情形下也同样适用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。