自适应井下分层配汽器 【技术领域】
本发明涉及一种可应用在石油开采工艺中分层注蒸汽的配汽装置，特别是涉及一种随注汽地层压力变化而自动调节配汽孔径，以满足固定设计配汽比例的蒸汽流量分配装置。
背景技术
注蒸汽热采方法是开采稠油的一种有效手段。以往，多采用笼统注蒸汽的注入方式，即同时对几个开发层系注汽，如刘文章编著，稠油注蒸汽热采工程，石油工业出版社。但是，由于各层系的地层压力、渗透率、原油物性等存在差异，有时会使层间注汽量分配不合理，甚至出现某个层位的蒸汽带急剧推进，达不到预期的注汽效果，如刘文章编著，热采稠油油藏开发模式，石油工业出版社。分层注汽的目的就是使注汽前沿均匀推进，避免出现舌进现象，合理分配注汽量，从而改善注汽效果。
分层注汽是通过井下工具来实现的。由于地层内的压力是随注汽量而变化的，所以合理的注汽开采是一个注汽量和压力的动态平衡过程。而现有的分层配汽器不具有动态调节功能。
目前现场在分层配汽的过程中，有的采用单层封卡、逐层注入地方式。这种做法不能实现多层同注、同采的目的。有的采用分层同注的方法，但只是在封隔地层后，在相应的层位在井下安装单体配汽嘴或分层恒量配汽阀，来实现控制配汽量的目的。但是，由于在注汽过程中地层的压力随注汽量的增多而变化，因配汽孔内外压差、面积之间是非线性的，固定孔径的管嘴或分层恒量配汽阀根本达不到调节配注汽量的目的。从而达不到分层注汽的效果。
自适应井下分层配汽器的设计关键是，科学、合理地确定配汽器的结构、孔口截面形状及截面积、自动控制弹簧的物理和力学参数。蒸汽沿井筒的流动属于气液两相流动并伴随着不稳定的传热过程。目前，有一种注蒸汽热采方法使用的“稠油热采井分层恒量配汽阀”，如专利申请号：02209779.1中所描述的。该配汽阀由：上接头、中心管、流量控制环、压帽、阀芯、外管和弹簧组成；其中上接头下端外圆面和内圆面分别以螺纹与外管和中心管相连接，中心管设阀芯，中心管与阀芯之间内设流量控制环和弹簧，流量控制环上部外测台阶坐放在阀芯顶面上，下部以螺纹与阀芯内圆面相连接，外管下端面内圆面螺纹拧紧压帽。该配汽阀没有从理论上定量考虑配汽孔截面积与孔口前后压差和控制弹簧行程之间的关系，达不到恒量配汽的效果。
【发明内容】
本发明的目的在于克服笼统注汽中由于各层系的地层压力、渗透率、原油物性等存在差异而造成的层间注汽量分配不合理的现象；和注蒸汽开采稠油过程中不能实现分层同注；以及不能根据地层的压力变化，自行调节层间分层配汽比例。
另一目的在于克服已有配汽器的不足；为了解决现有分层配汽器不能根据地层压力变化而自动调节配汽器孔径，以保持固定配汽比例的问题；从而本发明根据动平衡理论，通过对水—水蒸汽两相流体流经配汽孔过程的能量分析，依据导出的配汽孔面积与地层压力之间的关系，提供了一种自适应井下分层配汽器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的自适应井下分层配汽器包括：配汽器上接头1、配汽器中心管2、压帽3、弹簧6、配汽器侧管13和配汽器下接头16；其特征在于：还包括上活塞5和下活塞11、上导杆7和下导杆10、上配汽孔4、下配汽孔12、固定导杆销钉8；其中配汽器上接头1和配汽器下接头16分别以内螺纹与配汽器中心管2螺合相连接，在配汽器中心管2的管壁上开有上配汽孔4和下配汽孔12，一配汽器侧管13，其截面是矩形与半圆的组合，将该侧管纵剖开，开度以包含配汽孔为宜，将其贴在配汽器中心管2外壁的上下配汽孔的外侧，并焊接在配汽器中心管2外壁上，配汽器侧管13的上端和下端，分别设一上压帽3和下压帽14；在侧管内压帽3下设有上活塞5，和一套有弹簧6的上导杆7；在侧管内下压帽14上设有下活塞11，和一套有弹簧9的上导杆10；上下导杆中间通过密封圈用销钉8，在侧管的外壁中间处将导杆密封固定，使上下两层隔离；上活塞5与上层弹簧6相连，在上配汽孔4的外侧在侧管内沿侧管内壁上下滑动，下活塞11与下层弹簧9相连，在下配汽孔12的外侧沿侧管内壁上下滑动。
所述的上配汽孔4和下配汽孔12的截面积为非线性截面。
所述的弹簧为线性弹簧。
本发明的优点：
本发明根据气液两相流体力学和传热学原理，研究了水和水蒸汽沿井筒的压力、温度和干度变化规律及热量损失，进而可以确定出每个层系的注汽压力和干度。根据分层数量、地层压力和设计注入量的要求，通过对水—水蒸汽流经配汽孔的能量分析，得出了配汽孔截面积与孔口前后压差和控制弹簧行程之间的关系，据此可以计算孔口截面大小、形状、自动控制弹簧的物理和力学参数。进而设计出一种具有根据地层与井筒之间的动态平衡原理，通过自动调节截流孔面积的大小来消除吸汽压力对注汽量影响的新型自适应井下分层配汽器。它能够按照配产所需的注汽比例根据地层内的压力变化自动调节注汽量。其工作原理是通过自动调整截流孔面积的大小，消除油层吸汽压力对注汽量的影响，使蒸汽按设计的比例分配到各层中去。
本发明自适应井下分层配汽器的结构科学、合理；配汽孔口截面形状及截面积、自动控制弹簧的物理和力学参数设计科学、合理。蒸汽沿井筒的流动属于气液两相流动并伴随着不稳定的传热过程。根据气液两相流体力学和传热学原理，研究了水和水蒸汽沿井筒的压力、温度和干度变化规律及热量损失，进而可以确定出每个层系的注汽压力和干度。
本发明自适应井下分层配汽器采用线性弹簧方案(孔形状不规则)设计。而且在配汽器中使用两个弹簧，为设计及制造方便，两弹簧所有参数均相同，同时两配汽孔形状也相同。选用弹簧类型为圆柱螺旋压缩弹簧。根据给定设计要求：如最大工作载荷、工作行程、工作介质、工作温度、弹簧外径。就可得出计算结果及导杆的尺寸。
用本发明的自适应井下分层配汽器，进行了现场试验。设计配汽比例为60％：40％，实测配汽比例为61.13％∶38.87％，达到了很高的控制精度，配产效果良好。.研制的自适应井下分层配汽器已经用于某油田40-6-29号油井的热采中。该油井注汽开采分层配汽的现场测试表明，各层配汽量达到了预期效果，该井日均增产原油8.5t，累计增产原油约1539t。从油井生产情况看，使用自适应井下分层配汽器，达到了调整油井吸汽剖面，提高油层动用程度的目的。本发明的配汽器适用于分层注汽的热采工艺，在我国稠油的开采份额越来越多，采用蒸汽吞吐、蒸汽驱的井数越来越多，为合理地分配注汽量，都应采用分层配汽器。因此，该产品具有广阔的应用前景。
【附图说明】
图1是本发明的自适应井下分层配汽器结构示意图
图2是本发明的自适应井下分层配汽器中配汽孔侧视图
图3是本发明分层配汽器中配汽孔面积变化与压差关系曲线图
图4是本发明的自适应井下分层配汽器中弹簧特性曲线图
图5是用本发明的分层配汽器进行实测吸汽剖面与设计吸汽剖面的结果图
【具体实施方式】
参照图1，图中(1)——配汽器上接头；(2)——配汽器中心管；
(3)——上压帽；(4)——上配汽孔；(5)——上活塞；
(6)——上弹簧；(7)——上导杆；(8)——固定导杆销钉；
(9)——下弹簧；(10)——下导杆；(11)——下活塞；
(12)——下配汽孔；(13)——配汽器侧管；(14)——下压帽；
(15)——侧管下出汽孔道；(16)——配汽器下接头；
本实施例提供的井下自适应分层配汽器包括：一圆柱形的长为75cm的注汽主管段，即配汽器中心管2，和一长为50cm辅助注汽管段，即配汽器侧管13。为了真正能够实现固定的配汽比例，在配汽器中心管2的管壁上开两个非线性的配器孔4和12，形状如附图2所示。将该配汽器侧管13纵剖开呈扁平圆柱形的，纵剖的面罩在配汽器中心管2外壁上的上下配汽孔的外侧，并焊接在配汽器中心管2外壁上，配汽器侧管13的上端和下端，分别设一上压帽3和上压帽14。配汽孔的开度是由孔外壁的活塞、弹簧及管道内外的压力差综合作用、自行调节决定。上配汽孔4与目的注汽层一相通，下配汽孔12与目的注汽层二相通，在配汽器侧管段13内，上弹簧6套在圆形上导杆7上，下调节弹簧9套在圆形下导杆10上，导杆中间用密封圈和用销钉在管的外壁中间处将导杆固定密封，使上下两层隔离。
其中配汽器上接头1和配汽器下接头15采用螺母，它们分别以内螺纹与配汽器中心管2螺合相连接，在侧管内压帽3下设有上活塞5，和一套有弹簧6的上导杆7；在侧管内下压帽16上设有下活塞11，和一套有弹簧9的上导杆10；上下导杆中间通过密封圈用销钉8，在侧管的外壁中间处将导杆密封固定，使上下两层隔离；上活塞5与上层弹簧6相连，在上配汽孔4的外侧在侧管内沿侧管内壁上下滑动，下活塞11与下层弹簧9相连，在下配汽孔12的外侧沿侧管内壁上下滑动；在侧管内上压帽3和下压帽14为环形金属的，中间为侧管上出汽孔道和下出汽孔道15。
其中弹簧采用线性的，弹簧特性曲线如图4，配器孔的形状为非线性的，即孔形状为不规则的，形状如图2。根据地层与井筒之间的动态平衡原理，通过自动调节截流孔面积的大小来消除吸汽压力对注汽量影响，如图3所示，这样可以实现分层注汽中固定配汽比例的难题。
用本实施例加工制作的自适应井下分层配汽器，进行了现场试验。设计配汽比例为60％∶40％，实测配汽比例为61.13％∶38.87％，达到了很高的控制精度，配产效果良好如图5。.研制的自适应井下分层配汽器已经用于某油田油井的热采中。该油井注汽开采分层配汽的现场测试表明，各层配汽量达到了预期效果，该井日均增产原油8.5t，累计增产原油约1539t。从油井生产情况看，使用自适应井下分层配汽器，达到了调整油井吸汽剖面，提高油层动用程度的目的。