球塞助喷采油及排液采气装置 【技术领域】
本发明涉及一种属于石油与天然气开采领域，特别针对高气液比条件下的油气井采油和排液采气的装置。
背景技术
在开采石油和天然气过程中，当地层能量充足时，油气井可采用自喷方式进行生产；当地层能量降低和含水率上升不足以维持自喷生产后，需要补充能量转为人工举升方式开采。常用的人工举升方式有：气举、有杆泵和电潜泵等。由于自喷方式生产设备简单、管理方便且成本低，人们总是努力延长油气井的自喷生产期。在生产管柱中，由于气液两相间物性差异，存在气相超越液相的流动现象(液相滑脱)。在高气液比油气井中，随着地层能量逐渐降低，这种液相滑脱造成的能量损失随之增大，会加大对产层的回压，造成油气井停喷。因此，设法降低滑脱损失是提高自喷井生产效率和延长自喷生产期的技术关键。
降低油气井气液两相连续上升流动中液相滑脱损失，一种有效简单的作法是从地面向井内投入圆形球塞作为两相管流中气体与液体之间的固体界面，人为使气液形成稳定理想的段塞流动状态，以防止液体回落，实现提高油气井生产效率和延长自喷生产期的目的。
1980年，Kermit E.Brown在Tulsa大学出版的专著“The technologyof artificial lift methods”第8章其它人工举升方法(第519～524页)中介绍了称为Ball Pump(飞球泵)的U型双管柱和单管柱球塞气举采油装置。U型双管柱基本结构是采用一根注气管通过下部U型三汇与一根举升管连接实现球塞循环。而单管柱装置结构省去注气管，利用偏心安装的举升管并与套管环形空间实现球塞的循环。但此单管柱装置下部尾管安装了封隔器，必须依靠地面注气推动球塞举升液体。美国专利申请US005671813提出一种特殊的间歇气举采油装置(Pig Lift)。通过周期注气，采用泡沫软球塞在U型双管柱中往复运动举升液体。中国发明专利申请PCT/CN97/00074提出采用U型双管柱“气举球气举采油球控装置及其采油方法”。上述U型双管柱和单管柱球塞气举采油装置必须依靠地面连续或间歇注入高压气，以实现球塞气举采油方式。即使具有高气液比油气井，自身具有充足的产气量情况下仍需注气补充能量。
【发明内容】
本发明的目的在于提供球塞助喷采油及排液采气装置，该装置能充分利用高气液比油气藏的天然气能量辅助油气井自喷生产，节约能源，同时有效降低气液两相流动过程中的液体滑脱损失，防止油井结蜡、气井积液和水合物生成，延长油气井地自喷生产期。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
球塞助喷采油及排液采气装置，主要由投球器、双管井口、套管、油管、偏管器、喇叭口、气液混合器、尾管、井口采出管、脱球器组成，其特征在于，所述投球器的投球管穿过双管井口进入套管和油管形成的油套环空中，所述油管安装偏管器，所述油管下端和喇叭口分别与U形的气液混合器相连，所述气液混合器下部还与下入油气层底部的尾管相连，所述穿过双管井口的井口采出管通过脱球器又与投球器相连。
投球器按一定时间频率将球塞投入井内油管与套管之间的环形空间中，同时密封套管环形空间中的天然气，采用偏心单管柱球塞自喷生产，球塞通过双管井口从环空自由下落进入喇叭口，经U型气液混合器进入汕管，到达井口采出管后进入脱球器，形成球塞的连续循环通道。地层产出混合物进入尾管前分离，分离出的天然气经尾管与井壁之间的环形空间上升进入喇叭口，推动球塞进入气液混合器，而液体进入尾管，在气液混合器与来自喇叭口的气体与球塞混合进入油管。油管上安装偏管器使油管强制偏心，使套油管之间预留出足够的空间，实现球塞自由下落。
双管井口还可与一注气管相连，当油气井无法实现自喷生产时，从地面注入高压气，便将球塞助喷生产方式转化为连续球塞气举生产方式。
球塞存放于脱球器，脱球器与投球器位于井口。投球器的球塞进口与脱球器相连，投球器的球塞出口与双管井口的注球管相连，投球管穿过双管井口延伸到油套管环形空间，井下喇叭口管柱的下端与气液混合器的球塞入口相连，气液混合器的下部通孔与尾管相连，尾管下到油气层底部，气液混合器的气、液、球的出口与油管下端相连，油管上端与双管井口的井口采出管相连，井口采出管与脱球器相连。
投球器(实用新型专利“球塞气举地面电动投球器”ZL01206343.6)用于在地面按一定时间频率将球塞投入井内油套管环行空间中，同时密封套管环行空间中的天然气。
双管井口具有等径双通道，通道一用于油管的偏心悬挂，通道二用于球塞投入环空。
偏管器用于将油管径向强制偏心，以保证球塞在套管与油管之间的环形空间自由下落，其具体结构已申请实用新型专利，专利申请名称为“油管柱径向偏心定位器”，申请号为2004200324322，申请日为2004年1月5日。
喇叭口用于收集从偏心油管与套管之间的环形空间下落的球塞与经尾管分离的地层产出天然气，该气体推动球塞进入气液混合器。
尾管下至产层下部，与井眼组合起到天然气锚的作用，从油气藏流到井底的气液混合物分离后，液体进入尾管上升到气液混合器中，天然气经尾管与井壁之间的环形通道上升到油套管环空。
气液混合器(实用新型专利“球塞气举井下气液混合器”ZL01206428.9)是气、液、球塞进入油管的通道，从油套环空来的气体进入喇叭口推动它前面的球塞和球塞前面的液体通过气液混合器进入油管。
脱球器用于分离产到地面的气液与球塞，同时用于储存球塞。其具体结构见中国实用新型专利“球塞气举地面脱球器”(ZL022761780)。
注气管用于自喷生产方式转换为连续气举生产方式时，从地面注入高压气。
本发明的工作过程是这样实现的：投球器在地面按一定时间频率将脱球器中的球塞通过双管井口的投球通道投入井内油套管环空中，球塞依靠重力下落进入喇叭口。同时从油气藏流入井底的气液混合物在尾管外分离，分离出的液体进入尾管上升到气液混合器中，分离出的气体经尾管与井壁之间的环形通道上升到油套管环空。油套管环空中具有一定能量的气体进入喇叭口，推动它前面的球塞和球塞前面的液体通过气液混合器进入油管，通过喇叭口进入气液混合器的气体和通过尾管进入气液混合器的液体是连续的，而通过喇叭口进入气液混合器的球塞是间断的，与投球频率有关。进入油管的气、液、球形成三相流动，上升到达井口。气、球、液通过井口采出管到达脱球器，气液流体和球塞在脱球器中分离，气液通过出油管流到气液分离器，球塞储存在脱球器中，另一个球塞等待下一次投球循环。如此反复，从而实现依靠从地层流到井内油套管环空中气体能量推动球塞实现助喷采油及排液采气。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)采用单管柱较U型双管柱直接节约一半油管投资，且施工、操作更简便；
2)充分利用油气藏产出气流推动球塞自喷采油或排液采气，节约能源；
3)球塞界面作用有效防止了液相滑脱，降低了井底流压，增大油气层的生产压差，使油气井增产并延长自喷期；
4)由于球塞高速频繁地冲击作用，能有效防止油井结蜡和气井生成水合物；
5)不需要作业可直接将球塞助喷生产方式转换为球塞连续气举生产方式。
【附图说明】
图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参看图1，球塞助喷采油及排液采气装置，主要由投球器1、双管井口2、套管3、油管4、偏管器7、喇叭口8、气液混合器9、尾管10、井口采出管13、脱球器14组成，其特征在于，所述投球器1的投球管穿过双管井口2进入套管3和油管4形成的油套环空5中，所述油管安装偏管器7，所述油管4下端和喇叭口8分别与U形的气液混合器9相连，所述气液混合器下部还与下入油气层11底部的尾管10相连，所述穿过双管井口2的井口采出管13通过脱球器14又与投球器1相连。
使用本装置时，投球器1按一定时间频率将球塞6投入井内油套环空5中，同时密封环空中的天然气，采用偏心单管柱球塞自喷生产，球塞6通过双管井口2由环空自由下落，通过喇叭口8从气液混合器9进入油管4，到达井口采出管13后进入脱球器14，形成球塞6的连续循环通道。地层产出混合物进入尾管10前分离，分离出的天然气经尾管10与井壁之间的环形空间上升进入喇叭口8，推动球塞6进入气液混合器9，而液体进入尾管10，在气液混合器9与来自喇叭口8的气体与球塞混合进入油管。油管上安装偏管器7使油管4强制偏心，使套油管之间预留出足够的空间，实现球塞6的自由下落。
双管井口2还可与一注气管12相连，当油气井无法实现自喷生产时，从地面注入高压气，便将球塞助喷生产方式转化为连续球塞气举生产方式。