用于海上平台的非金属复合连续管采油系统及其控制方法

摘要

本发明涉及一种用于海上平台的非金属复合连续管采油系统及其控制方法，其特征在于，包括生产套管、生产封隔器、井下安全阀、复合材料连续采油管、排气阀、电液控转换装置和潜油电泵机组；生产套管内固定设置生产封隔器，生产封隔器的顶部设置有井下安全阀，井下安全阀的顶部固定连接复合材料连续采油管的底部；复合材料连续采油管的顶部连接井口采油树；生产套管与复合材料连续采油管之间构成油套环空；生产封隔器的顶部两侧分别设置有排气阀和电液控转换装置，电液控转换装置还分别连接井下安全阀和排气阀；生产封隔器的底部固定连接潜油电泵机组；电液控转换装置还连接位于海上平台的供电装置，本发明可以广泛应用于石油开采装备领域中。

说明书

技术领域

本发明是关于一种用于海上平台的非金属复合连续管采油系统及其控制方法，属于石油开采装备领域。

背景技术

随着全球能源短缺状况的日益严重，人类将目光转向海洋，致力于海洋石油的开采。海上建立越来越多的石油开采平台，海洋石油的开采量随之增加。现有的用于海上平台的采油系统如图1所示，生产套管从海上平台通入海底，海上平台上固定设置有井口采油树和油管悬挂器，生产套管内固定设置一金属油管，井口采油树通过油管悬挂器连接金属油管的顶端，油管悬挂器将金属油管固定悬挂于井口；金属油管的底端连接位于井底的潜油电泵机组。为应对采油过程的异常情况，防止油井故障而污染海洋，需要在金属油管与生产套管之间所形成的油套环空内设置生产封隔器，通过生产封隔器将油套环空分隔为上下两层；潜油电泵机组位于生产封隔器的下方，并且在生产封隔器上设置井下安全阀，井下安全阀是井中流体非正常流动的控制装置，在非正常情况下能够自动关闭金属油管的油路，实现对井中流体的流动控制。

井下安全阀在正常采油时保持开启状态，通过潜油电泵机组的运转将原油从油套环空中泵入金属油管的油路，从而将地层中的原油开采并输送至海上平台。一旦发生设备故障等异常情况，将井下安全阀关闭，从而切断井下流体通往地面的通道，避免井下油气喷出地面造成安全风险和环境污染。排气阀固定在生产封隔器上，通过液压管线控制其开启和关闭。当生产封隔器下方的气体含量太高、压力超过设定值时，排气阀即可打开，将多余的气体排入上层的油套环空，之后再通过井口四通进行环空的泄压，保障井筒安全。对海上油气生产井来说，井下安全阀、排气阀和生产封隔器共同构成了上部井筒的安全隔离屏障。

对于海洋石油的开采，保护海洋环境不被污染是一个重要课题。目前，用于海上平台采油系统的井下安全阀和排气阀均通过液压方式控制开启，需要采用两根液压管线分别控制井下安全阀和排气阀的开启和关闭。此外，井底电动潜油泵或螺杆泵也需要通过外置电缆来提供井下动力，因此，需要在逐根下入金属油管时，将动力电缆和两根液控管线分别捆绑固定在油管上，随油管一起下入井内。由于液压管线和动力电缆位于金属油管的外部而处于裸露状态，在起下井的安装过程中极易因磕碰而遭受损坏，同时逐根连接油管的同时，还要捆扎、固定一根电缆和两条液控管线，完井作业的效率也比较缓慢。另外，由于液压管线的内径较小，液压管线越长，其压力响应的时间就越慢，无法实现快速响应，这本身也是一个不安全因素。如果安全阀设置在靠近油层的位置，液压控制管线超过1000m以上，则随着深度增加会导致液压升高、响应时间延迟，存在安全阀关闭迟滞甚至失效的风险。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够消除外置电缆和控制管线破损风险，且能够提高作业效率和安全性的用于海上平台的非金属复合连续管采油系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于海上平台的非金属复合连续管采油系统，包括生产套管、生产封隔器、井下安全阀、复合材料连续采油管、排气阀、电液控转换装置和潜油电泵机组；

所述生产套管内固定设置所述生产封隔器，所述生产封隔器的顶部设置有所述井下安全阀，所述井下安全阀的顶部通过金具固定连接所述复合材料连续采油管的底部，所述井下安全阀用于控制所述复合材料连续采油管的流道连通或关闭；所述复合材料连续采油管的顶部连接井口采油树；所述生产套管与所述复合材料连续采油管之间构成油套环空；

所述生产封隔器的顶部两侧分别设置有所述排气阀和电液控转换装置，所述电液控转换装置还分别连接所述井下安全阀和排气阀，所述电液控转换装置用于控制液压油入或流出所述井下安全阀和排气阀，进而控制所述井下安全阀和排气阀的开启或关闭；所述生产封隔器的底部固定连接用于将井下流体举升至地面的所述潜油电泵机组；

所述电液控转换装置还连接位于海上平台的供电装置，用于为本发明的各用电部件供电。

进一步地，所述井下安全阀包括阀管、游动管、弹簧、销轴和阀瓣；

所述阀管内活动插设有所述游动管，所述阀管的顶部通过上接头连接所述金具，所述阀管的底部通过下接头连接所述生产封隔器；

所述上接头的下部伸入所述阀管内与所述阀管的内部形成液压腔，所述上接头上还设置有液压油通道，所述液压油通道的一端连接所述电液控转换装置，所述液压油通道的另一端连接所述液压腔，且所述液压腔位于所述游动管的上方，所述液压腔内的液压油用于为所述游动管提供向下的压力；

所述游动管的上部外侧设置有端环，所述端环、阀管和游动管之间的环形腔设置有用于为所述游动管提供向上压力的所述弹簧；位于所述游动管的下方，所述阀管的底部内侧设置有所述销轴，所述销轴活动连接所述阀瓣的一端，所述阀瓣能够绕销轴旋转处于横向状态或纵向状态；所述销轴上还套设有用于对所述阀瓣进行复位的复位扭簧。

进一步地，所述电液控转换装置包括壳体、尾盖、前盖、储油胶囊、电机、减速机、高压泵和电磁溢流阀；

所述壳体的顶部通过连接件固定连接所述尾盖，所述壳体的底部固定连接所述前盖，所述壳体、尾盖和前盖之间的容置空间构成壳体内腔，所述壳体内腔内容置有定量的低压液压油；

所述尾盖内开设有用于放置所述储油胶囊的开口，所述储油胶囊的内腔连接所述壳体内腔，所述储油胶囊顶部与所述尾盖构成的腔体连接位于所述生产封隔器上方的油套环空；

所述壳体内腔内设置有所述电机、减速机、高压泵和电磁溢流阀，所述电机的输入端连接电机电源线的一端，所述电机电源线的另一端穿出所述储油胶囊经所述尾盖连接所述金具引出的电缆，所述电缆连接海上平台的供电装置；

所述电机的输出端通过所述减速机连接用于对所述壳体内腔内的液压油进行加压的所述高压泵；所述高压泵的出油管线主路出口端穿出所述前盖经供油管线连接所述液压油通道和排气阀，所述高压泵的出油管线旁路出口端通过溢流管线连接所述电磁溢流阀，所述电磁溢流阀的出口与所述壳体内腔连通；所述电磁溢流阀还连接所述电机电源线。

进一步地，所述金具引出的电缆嵌设在所述复合材料连续采油管的管壁内，并从所述复合材料连续采油管的顶部引出后连接海上平台的供电装置。

进一步地，所述电磁溢流阀具有溢流和卸荷两个工作状态，当海上平台的供电装置通过所述电机电源线为所述电磁溢流阀供电时，所述电磁溢流阀处于溢流状态；当海上平台的供电装置通过所述电机电源线停止对所述电磁溢流阀供电时，所述电磁溢流阀处于卸荷状态。

进一步地，所述复合材料连续采油管采用三层式管体结构，所述管体的内层为内衬层，中间层为结构层，外层为保护层；所述管体内开设有中空的通道，用于井下原油的通过。

进一步地，所述内衬层采用耐腐蚀的高密度聚乙烯材料，所述内衬层上铺设有若干沿管体长度方向延伸的动力电缆和信号电缆；所述结构层采用高强度纤维材料，所述保护层采用热塑性树脂材料。

一种用于海上平台的非金属复合连续管采油系统的控制方法，包括以下内容：

1)当采油系统处于正常运行状态时，海上平台的供电装置为电液控转换装置供电，电液控转换装置向井下安全阀和排气阀提供液压油，井下安全阀和排气阀开启，井底的流体通过井下安全阀继续向上流动进入复合材料连续采油管；

2)当采油系统处于异常状态时，电液控转换装置停止向井下安全阀和排气阀提供液压油，井下安全阀和排气阀关闭，流体无法通过井下安全阀继续向上流动进入复合材料连续采油管。

进一步地，所述步骤1)的具体过程为：

1.1)海上平台的供电装置通过电机电源线对电机和电磁溢流阀供电，电机通过减速机驱动高压泵运转，电磁溢流阀处于溢流状态，排气阀开启；

1.2)高压泵对壳体内腔内的液压油进行加压，加压后的液压油通过出油管线进入井下安全阀的液压腔内；

1.3)在高压泵的液压油泵出过程中，储油胶囊外部的环空压力压迫储油胶囊，使其容积变小，进而使得壳体内腔的压力保持恒定；

1.4)当液压腔内的压力大于弹簧的弹力时，游动向下运动推动阀瓣，阀瓣绕销轴逆时针旋转90°到达纵向状态，流体通过井下安全阀继续向上流动进入复合材料连续采油管；

1.5)电机驱动高压泵持续运转，当加压后的液压油的压力达到井下安全阀的阀开启值时，高压液压油无法继续流入液压腔，使得液压腔内的液压值保持阀开启值，从而为井下安全阀提供保持常开状态的压力；

1.6)后续泵出的液压油通过溢流管线和电磁溢流阀排回壳体内腔内，使得储油胶囊的内外压力保持动平衡状态。

进一步地，所述步骤2)的具体过程为：

2.1)海上平台的供电装置切断对电机和电磁溢流阀的供电，高压泵停止运转，电磁溢流阀处于卸荷状态，此时电液控转换装置停止向井下安全阀和排气阀供油，排气阀关闭，保证上层油套环空的封闭性；

2.2)井下安全阀的液压腔内的液压油返流回出油管线，通过溢流管线和处于卸荷状态的电磁溢流阀排入壳体内腔内，液压腔内的压力逐渐变小；

2.3)当液压腔内的压力小于弹簧的弹力时，游动管在弹簧弹力的作用下向上运动，阀瓣在复位扭簧的作用下绕销轴顺时针旋转90°到达横向状态，流体无法经井下安全阀继续向上流动进入复合材料连续采油管。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明将生产封隔器和井下安全阀设置在靠近潜油电泵机组的井底，能够在井底实现异常情况下对原油的封堵，从而最大可能地避免对海洋的污染，提高了海上采油系统的安全性能。

2、本发明通过井下电液控转换装置实现了远程电力控制与井下液压控制相结合，使井下安全阀和排气阀无需依赖于额外的液压管线，彻底消除裸露的液压管线可能发生泄漏的安全隐患，进一步提高海上采油系统的安全性能。

3、本发明将复合材料连续管应用于海上平台的采油作业，由于复合材料连续管具有优良的防腐、抗结垢、抗结蜡特性，且动力电缆内嵌在复合连续管内壁，能够降低外置电缆破损的风险，使得海上平台的采油系统具有更长周期的运行寿命；由于复合材料连续管的单根连续长度很长，能够从井口一直通入井底，中间无需任何连接件，因此操作更加简单，与现有技术相比能够实现快速安装作业，降低工人劳动强度，提高作业效率，可以广泛应用于石油开采装备领域中。

附图说明

图1是现有技术中用于海上平台的采油系统的结构示意图；

图2是本发明采油系统的结构示意图；

图3是本发明采油系统中井下安全阀、电液控转换装置和生产封隔器的装配示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明采油系统中井下安全阀处于开启状态时的结构示意图；

图6是本发明采油系统中井下安全阀处于关闭状态时的结构示意图；

图7是本发明采油系统中电液控转换装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图2、图3和图4所示，本发明提供的用于海上平台的非金属复合连续管采油系统包括生产套管1、生产封隔器2、井下安全阀3、金具4、复合材料连续采油管5、油管悬挂器6、排气阀7、电液控转换装置8和潜油电泵机组9。

生产套管1内固定设置生产封隔器2，生产封隔器2的顶部设置有井下安全阀3，井下安全阀3的顶部通过金具4固定连接复合材料连续采油管5的底部，井下安全阀3用于控制复合材料连续采油管5的流道连通或关闭。复合材料连续采油管5的顶部通过油管悬挂器6连接井口采油树10，通过油管悬挂器6将复合材料连续采油管5固定悬挂在井口。生产套管1与复合材料连续采油管5之间构成油套环空I，生产封隔器2将油套环空I分隔为上下两层。

生产封隔器2的顶部两侧分别设置有排气阀7和电液控转换装置8，电液控转换装置8还通过液压管线分别连接井下安全阀3和排气阀7，电液控转换装置8用于控制液压油入或流出井下安全阀3和排气阀7，进而控制井下安全阀3和排气阀7的开启或关闭。生产封隔器2的底部固定连接位于井底的潜油电泵机组9，潜油电泵机组9用于将井下流体举升至地面。

电液控转换装置8还通过金具4引出的电缆连接位于海上平台的供电装置，用于为本发明的各用电部件供电。

在一个优选的实施例中，复合材料连续采油管5采用三层式管体结构，管体内开设有中空的通道，用于井下原油的通过。管体的内层为内衬层，中间层为结构层，外层为保护层，其中，内衬层可以采用耐腐蚀的高密度聚乙烯材料，内衬层上铺设有若干沿管体长度方向延伸的动力电缆和信号电缆；结构层可以采用高强度纤维材料，能够提供工作时所需的轴向拉力和环向压力，强度高且耐疲劳性能好；保护层可以采用热塑性树脂材料，能够在运输、作业、工作过程中起保护作用。

在一个优选的实施例中，如图5和图6所示，井下安全阀3包括阀管3-1、游动管3-2、上接头3-3、下接头3-4、弹簧3-5、销轴3-6和阀瓣3-7。

阀管3-1内活动插设有游动管3-2，阀管3-1的顶部通过上接头3-3连接金具4，阀管3-1的底部通过下接头3-4连接生产封隔器2。上接头3-3的下部伸入阀管3-1内与阀管3-1的内部形成环形的液压腔II，上接头3-3上还设置有液压油通道3-3-1，液压油通道3-3-1的一端连接电液控转换装置8，液压油通道3-3-1的另一端连接液压腔II，且液压腔II位于游动管3-2的上方，液压腔II内的液压油用于为游动管3-2提供向下的压力。游动管3-2的上部外侧设置有圆形端环，圆形端环、阀管3-1和游动管3-2之间的环形腔设置有弹簧3-5，弹簧3-5用于为游动管3-2提供向上的压力。位于游动管3-2的下方，阀管3-1的底部内侧设置有销轴3-6，销轴3-6活动连接阀瓣3-7的一端，阀瓣3-7能够绕销轴3-6旋转，使得阀瓣3-7在横向状态与纵向状态之间切换。销轴3-6上还套设有复位扭簧，用于对阀瓣3-7进行复位。电液控转换装置8通过控制液压油流入或流出液压腔II，控制游动管3-2向下或向上运动，进而控制阀瓣3-7处于纵向状态或横向状态，使得游动管3-2的流道III的连通或关闭。弹簧3-5靠自身弹力工作，有液压时被压缩，游动管3-2向下运动使得阀瓣3-7打开；液压泄掉时依靠弹簧3-5的弹力使得游动管3-2向上运动，阀瓣3-7在复位扭簧的作用下关闭。

在一个优选的实施例中，生产封隔器2的底部设置有连接管2-1，阀管3-1的底部通过连接管2-1连接潜油电泵机组9，井下安全阀3设置在潜油电泵机组9附近的井底，一旦井底出现异常情况，能够第一时间切断流体，实现对异常情况的即时响应。

在一个优选的实施例中，如图7所示，电液控转换装置8包括壳体8-1、连接件8-2、尾盖8-3、前盖8-4、储油胶囊8-5、电机8-6、减速机8-7、高压泵8-8和电磁溢流阀8-9。

壳体8-1的顶部通过连接件8-2固定连接尾盖8-3，壳体8-1的底部固定连接前盖8-4，壳体8-1、尾盖8-3和前盖8-4之间的容置空间构成壳体内腔IV，壳体内腔IV内容置有定量的低压液压油。尾盖8-3内开设有用于放置具有弹性的储油胶囊8-5的开口，储油胶囊8-5的内腔连接壳体内腔IV，储油胶囊8-5顶部与尾盖8-3构成的腔体V连接位于生产封隔器2上方的油套环空I的上层空间，储油胶囊8-5将密闭的壳体内腔IV与外界空间分隔开。

壳体内腔IV内设置有电机8-6、减速机8-7、高压泵8-8和电磁溢流阀8-9，电机8-6的输入端连接电机电源线8-10的一端，电机电源线8-10的另一端穿出储油胶囊8-5经尾盖8-3连接金具4引出的电缆，该电缆嵌设在复合材料连续采油管5的管壁内，并从复合材料连续采油管5的顶部引出后连接位于海上平台的供电装置，从而对电机8-6进行供电。

电机8-6的输出端通过减速机8-7连接高压泵8-8，高压泵8-8用于对壳体内腔IV内的低压液压油进行加压。高压泵8-8的出油管线8-8-1主路出口端A穿出前盖8-4经供油管线11连接井下安全阀3的液压油通道3-3-1和排气阀7。高压泵8-8的出油管线旁路出口端B通过溢流管线8-11连接电磁溢流阀8-9，电磁溢流阀8-9的出口C与壳体内腔IV连通，电磁溢流阀8-9还连接电机电源线8-10，电磁溢流阀8-9具有溢流和卸荷两个工作状态，当海上平台的供电装置通过电机电源线8-10为电磁溢流阀8-9供电时，电磁溢流阀8-9处于溢流状态；当海上平台的供电装置通过电机电源线8-10停止对电磁溢流阀8-9供电时，电磁溢流阀8-9处于卸荷状态。

基于上述用于海上平台的非金属复合连续管采油系统，本发明还提供一种用于海上平台的非金属复合连续管采油系统的控制方法，包括以下步骤：

1)如图5所示，当本发明的采油系统处于正常运行状态时，海上平台的供电装置通过金具4引出的电缆为电液控转换装置8供电，电液控转换装置8向井下安全阀3和排气阀7提供液压油，井下安全阀3和排气阀7开启，井底的流体通过井下安全阀3继续向上流动进入复合材料连续采油管5，具体为：

1.1)当采油系统处于正常运行状态时，海上平台的供电装置通过电机电源线8-10对电机8-6和电磁溢流阀8-9供电，电机8-6通过减速机8-7驱动高压泵8-8运转，电磁溢流阀8-9处于溢流状态，排气阀7开启。

1.2)高压泵8-8对壳体内腔IV内的低压液压油进行加压，加压后的高压液压油通过出油管线进入井下安全阀3的液压腔II内。

1.3)在高压泵8-8的液压油泵出过程中，储油胶囊8-5外部的环空压力压迫储油胶囊8-5，使其容积变小，进而使得壳体内腔IV的压力保持恒定。

1.4)当液压腔II内的压力大于弹簧3-5的弹力时，游动管3-2向下运动推动阀瓣3-7，阀瓣3-7绕销轴3-6逆时针旋转90°，阀瓣3-7紧靠阀管3-1的内壁，到达纵向状态，使得游动管3-2流道III连通，此时，流体能够通过井下安全阀3继续向上流动进入复合材料连续采油管5。

1.5)电机8-6驱动高压泵8-8持续运转，当加压后的高压液压油的压力达到井下安全阀3的阀开启值时，高压液压油无法继续流入井下安全阀3的液压腔II，使得液压腔II内的液压值保持阀开启值，从而为井下安全阀3提供保持常开状态的压力。

1.6)后续泵出的高压液压油通过溢流管线8-11和电磁溢流阀8-9排回壳体内腔IV内，使得储油胶囊8-5的内外压力保持动平衡状态。

2)如图6所示，当本发明的采油系统处于异常状态(例如平台突然停电或由于井喷、火灾等情况人工操控关井)时，电液控转换装置8停止向井下安全阀3和排气阀7提供液压油，井下安全阀3和排气阀7关闭，流体无法通过井下安全阀3继续向上流动进入复合材料连续采油管5，具体为：

2.1)当采油系统发生异常情况时，海上平台的供电装置切断对电机8-6和电磁溢流阀8-9的供电，高压泵8-8停止运转，电磁溢流阀8-9处于卸荷状态，此时电液控转换装置8停止向井下安全阀3和排气阀7供油，排气阀7关闭，保证上层油套环空I的封闭性。

2.2)井下安全阀3的液压腔II内的液压油返流回出油管线，通过溢流管线8-11和处于卸荷状态的电磁溢流阀8-9排入壳体内腔IV内，液压腔II内的压力逐渐变小。

2.3)当液压腔II内的压力小于弹簧3-5的弹力时，游动管3-2在弹簧3-5弹力的作用下向上运动，阀瓣3-7失去游动管3-2的推力，阀瓣3-7在复位扭簧的作用下绕销轴3-6顺时针旋转90°，到达横向状态，使得游动管3-2流道III封堵，流体无法经井下安全阀3继续向上流动进入复合材料连续采油管5。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。