煤層氣直井排采撈煤粉一體化技術(shù)

段寶玉崔金榜段 冉陳 杰鄭慶龍李進光

（1.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062552；2.華北油田公司煤層氣勘探開發(fā)事業(yè)部，山西長治 046000；3.華北油田公司儲氣庫，河北廊坊 065000；4.華北油田公司采油四廠，河北廊坊 065000）

煤層氣直井排采撈煤粉一體化技術(shù)

段寶玉1崔金榜2段 冉3陳 杰2鄭慶龍1李進光4

（1.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062552；2.華北油田公司煤層氣勘探開發(fā)事業(yè)部，山西長治 046000；3.華北油田公司儲氣庫，河北廊坊 065000；4.華北油田公司采油四廠，河北廊坊 065000）

在煤層氣井開采過程中，目前用的最多的還是抽油機排采系統(tǒng)，在排采泵方面主要采用常規(guī)整筒泵，這種泵所存在的主要問題是煤粉卡泵和煤粉卡固定閥、游動閥，導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁作業(yè)，嚴(yán)重影響了煤層氣的開采時率。為了有效解決這個問題，研制出一套排采撈煤粉一體化管柱，該管柱采用新型防煤粉泵和掛籃式沉砂管，使煤層氣井的排采、撈砂一體化成為可能。新型防煤粉泵采用了高支固定閥和大直徑游動閥的長柱塞結(jié)構(gòu)，不僅可以有效防止煤粉卡固定閥、游動閥，還能有效防止煤粉進入泵筒造成卡泵；排采過程中沉積下來的煤粉進入掛籃式沉砂管中，待到檢泵時連同沉積在沉砂管中的煤粉一同起出，取消了撈煤粉環(huán)節(jié)，節(jié)約成本?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，煤層氣直井排采撈煤粉一體化管柱適應(yīng)現(xiàn)場需求，延長了檢泵周期，具有良好的推廣前景。

煤層氣；直井；排水采氣；撈砂；一體化

由于煤層氣開采的特殊性，通常為了減少氣體對排采設(shè)備的影響，現(xiàn)場主要采用將排水泵下到煤層以下來防止氣體進入泵內(nèi)，同時采用濾砂篩管防止煤粉進入泵內(nèi)造成卡泵。這種工藝管柱導(dǎo)致少量極細煤粉通過篩管進入泵內(nèi)，沉積在固定閥和游動閥上，使排水泵失效；大量粗顆粒煤粉沉入氣井口袋中，嚴(yán)重時煤粉將管柱埋住，導(dǎo)致管柱難以起出［1-2］。

常規(guī)煤粉清理方法主要有：撈砂法、抽砂法、洗井法。撈砂法在檢泵作業(yè)時采用撈砂筒下到砂面處，利用油管重量將撈砂筒壓進砂中，然后將筒中煤粉隨管柱起到地面。這種方法每次撈取的煤粉量較少，需要多次反復(fù)起下管柱，工人勞動強度大。抽砂法采用泵抽和沉砂管相結(jié)合，但每次抽砂量受到限制，導(dǎo)致一次清砂，多次起下管柱。洗井法速度快，煤粉清理比較徹底，但會嚴(yán)重污染煤層，影響產(chǎn)氣量。

為了較好解決煤粉卡泵和撈煤粉的問題，研究了一種排采撈煤粉一體化管柱，主體思路是設(shè)計一種煤層氣井專用排采泵，并在煤層射孔段下部采用掛籃形式將一個大直徑沉砂管掛在煤層氣井口袋中，在沉砂管上部采用與套管直徑相配合的軟密封，使從射孔內(nèi)產(chǎn)出的煤粉沉在沉砂管中，在檢泵時將沉砂管一同起出，達到清理煤粉沉積的目的。這種工藝大大降低了煤層氣井的煤屑清理成本，減輕了煤粉清理過程中工人的勞動強度。

1 排采撈煤粉一體化管柱防煤粉原理

煤層氣直井排采撈煤粉一體化管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個管柱自下而上主要由掛籃式沉砂管、割縫式篩管、新型防煤粉泵、油管和抽油桿組成。掛籃式沉砂管下入到煤層以下，其主要作用是讓從煤層中由水帶出的較大顆粒的煤粉直接沉入沉砂管中，避免煤粉沉入人工井底。新型防煤粉泵也下入到煤層以下，目的是避免煤層氣對泵效的影響。

圖1 排采撈煤粉一體化管柱結(jié)構(gòu)示意圖

2 管柱防煤粉工藝

2.1 掛籃式沉砂管

掛籃式沉砂管結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由提升短節(jié)、膠碗、剪切銷、接箍、導(dǎo)向頭、固定銷、絲堵組成。提籃式沉砂管接在管柱的最下端，位置在煤層以下，其上部膠碗緊貼套管壁，防止下落的較大顆粒煤粉直接落入人工井底；沉砂管上設(shè)計有剪切銷，當(dāng)沉砂管遇卡整個管柱不能起出時，剪斷剪切銷便可順利起出。檢泵時，沉砂管與管柱同時起出，沉砂管中的較大顆粒煤粉隨沉砂管一同起出，省去撈砂環(huán)節(jié)。

圖2 提籃式沉砂管結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 新型防煤粉泵

新型防煤粉泵采用懸空固定閥和大游動閥以及長柱塞結(jié)構(gòu)，如圖3所示主要由游動閥、長柱塞、短泵筒、封隔環(huán)、固定閥等組成，其中長柱塞結(jié)構(gòu)抽汲原理與常規(guī)抽油泵基本相同。

圖3 防煤粉泵原理簡圖

主要闡述該泵的防煤粉卡泵原理。從圖3可以看出泵被封隔環(huán)分成上下兩個部分，封隔環(huán)上部是上沉砂腔，下部是下沉砂腔。從煤層中產(chǎn)出的水含有不同粒徑的煤粉顆粒，這些顆粒隨水流進入井內(nèi)，其中較大的顆粒由于沉降速度較快，進入井內(nèi)后迅速沉入提籃式沉砂管；中小粒徑的顆粒由于沉降速度較慢隨著泵抽汲的水流通過篩管，經(jīng)過篩管過濾，粒徑大于80目的顆粒被篩管過濾掉，粒徑小于80目的顆粒隨水流通過固定閥進入泵內(nèi)，這些微粒通過固定閥后速度變緩，部分細小顆粒煤粉在固定閥處沉積［3-4］。由于固定閥位置比較高，這些細小顆粒的煤粉不能沉積在固定閥閥體上，而是沉積在了下沉砂腔內(nèi)，從而避免了將固定閥卡住。在泵腔內(nèi)沒有沉積下來的細小顆粒煤粉隨著液流通過游動閥進入油管，這些顆粒在正常抽汲時通常不會沉積在游動閥上，而是隨著抽汲的液體被帶到地面，但是如果停電導(dǎo)致排水采氣井停抽，由于油管內(nèi)液體停止向上運動而處于靜止?fàn)顟B(tài)，這時細小煤粉在本身重力的作用下就會慢慢向下運動，由于采用了長柱塞和大直徑游動閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計，游動閥將柱塞與泵筒之間的間隙擋住，煤粉在下沉過程中會沉積在上沉砂腔內(nèi)，而不會沉積到游動閥和柱塞與泵筒的間隙中造成游動閥堵塞或者卡泵［5-6］。

此外，采用小直徑固定閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使液流經(jīng)過固定閥時，提高了流速，沖掉了靜電效應(yīng)吸附在固定閥周圍的少量煤粉，起到及時清潔固定閥的作用。

3 主要技術(shù)參數(shù)

（1）掛籃式沉砂管主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 掛籃式沉砂管主要技術(shù)參數(shù)

（2）新型防煤粉泵主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 新型防煤粉泵主要技術(shù)參數(shù)

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

煤層氣直井排采撈煤粉一體化工藝技術(shù)在完成了井下工具設(shè)計、樣機加工和室內(nèi)實驗后進入現(xiàn)場試驗。現(xiàn)場試驗共計進行了5口井，均取得了較好效果，選一口井進行試驗效果分析。

LA-044井是位于沁南區(qū)塊的一口煤層氣井，煤層埋藏深度602.9~608.55 m，人工井底658.2 m；該井2012年12月2日開始出水減少，井底流壓回升，碰泵無效，生產(chǎn)表現(xiàn)異常；測試功圖顯示供液不足及煤灰與砂堵塞筒，綜合分析固定閥堵塞。

2012年12月6日，該井下入防煤粉一體化工藝管柱，根據(jù)以往的出煤粉量采用2節(jié)提籃式沉砂管，沉砂管總長6 m，下入深度為628.34 m；沉砂管上部接有80 目繞絲篩管兩節(jié)，長度2 m，新型防煤粉泵接在繞絲篩管上部；根據(jù)該井的排水量選取泵徑?38 mm、泵深623.12 m。至2013年6月檢泵，現(xiàn)場運行191 d，對該井作業(yè)并檢驗起出的新型防煤粉泵外觀上看，該泵固定閥和游動閥內(nèi)僅有少量殘余煤粉附著在閥外部，柱塞外表面無明顯劃痕，無附著煤粉；從最下部的提籃式沉砂管中清理出煤粉約5.6 L，煤粉顆粒大小不同，最大煤粉顆粒外徑為2.3 mm；從下沉砂腔內(nèi)清理出0.2 L煤粉，從上沉砂腔內(nèi)清理出0.1 L煤粉；經(jīng)室內(nèi)試壓，游動閥和固定閥分別在10 MPa壓力下穩(wěn)定5 min無滲漏，10 MPa壓力下泵的漏失量為665 mL/min，略大于新泵漏失量；經(jīng)內(nèi)窺鏡檢查，泵筒內(nèi)部無明顯劃痕；對煤粉粒徑測試結(jié)果表明，上沉砂腔與下沉砂腔內(nèi)的煤粉粒徑均在0.2~0.05 mm的范圍內(nèi)。

現(xiàn)場試驗及檢驗結(jié)果表明：采用高支固定閥、短泵筒長柱塞、大直徑游動閥設(shè)計的新型防煤粉泵能夠有效防止煤粉在固定閥、游動閥上的沉積，大直徑游動閥有效防止了下落的煤粉進入泵筒內(nèi)，從根本上解決了煤層氣井排水采氣過程中煤粉對泵的影響。本次隨同檢泵帶到地面上的煤粉總量約為5.9 L，避免了撈煤粉工作環(huán)節(jié)，減少了現(xiàn)場工作量。

5 結(jié)論

（1）煤層氣井防煤粉一體化管柱結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)場應(yīng)用效果明顯，能夠集排水采氣、防煤粉卡泵、撈煤粉等作用于一身，減少現(xiàn)場作業(yè)環(huán)節(jié)，降低作業(yè)成本，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（2）提籃式沉砂管結(jié)構(gòu)簡單，可有效防止煤粉隨水氣進入井筒，延長檢泵周期，提高綜合效益。

（3）新型防煤粉泵能夠有效防止進入泵內(nèi)的細小顆粒煤粉沉積在固定閥、游動閥上，大直徑的游動閥還能起到防止煤粉進入泵筒的作用，是一種煤層氣井專用排采設(shè)備，具有良好推廣價值。

［1］劉升貴，胡愛梅，宋波，等.煤層氣排采煤粉濃度預(yù)警及防控措施［J］.煤炭學(xué)報，2012，37（1）：86-90.

［2］劉升貴，賀小黑，李惠芳.煤層氣水平井煤粉產(chǎn)生機理及控制措施［J］.遼寧工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，30（4）：508-512.

［3］韓國慶，高飛，竺彪，等.煤層氣井煤粉顆粒表觀機械運移規(guī)律［J］.煤炭學(xué)報，2013，38（S2）：364-369.

［4］張公社，田文濤，陶杉，等.煤層氣儲層煤粉運移規(guī)律實驗研究［J］.石油天然氣學(xué)報，2013，33（9）：105-108.

［5］劉新福，綦耀光，吳建軍，等.煤層氣井有桿泵設(shè)備閥運動規(guī)律和開啟條件［J］.煤炭學(xué)報，2012，37（5）：810-814.

［6］曹立虎，張遂安，石惠寧，等.沁水盆地煤層氣井井筒煤粉遷移及控制［J］.石油鉆采工藝，2012，34（4）：93-95.

（修改稿收到日期 2014-08-15）

〔編輯 李春燕〕

Technology of integrating drainage,gas production and coaldust bailing for coalbed methane vertical wells

DUAN Baoyu1,CUI Jinbang2,DUAN Ran3,CHEN Jie2,ZHENG Qinlong1,LI Jinguang4
（1.Petroleum Production Engineering Research Institute of Huabei Oilfield Company,Renqiu062552,China;2.Coalbed Methane Exploration and Development Division of Huabei Oilfield Company,CNPC,Changzhi046000,China; 3.Gas Storage of Huabei Oilfield Company,CNPC,Langfang065000,China; 4.No.4Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company,CNPC,Langfang065000,China）

During extraction of coalbed methane well,the most used method is pumping unit discharge and extraction system.The conventional mono-barrel pump is usually used as the discharge and extraction pump;the main problem of this pump is that pump is stuck by coal dust with standing valve and traveling valve are also stuck by coal dust,leading to frequent operation of the system and severely affecting the production efficiency of coalbed methane.In order to effectively solve this problem,a set of string integrating discharge,extraction and bailing of coal dust has been developed,which uses new coal dust-proof pump and basket settling pipe,making it possible to integrate discharge,extraction and sand bailing in coalbed methane wells.The new coaldust-proof pump utilizes long plunger structure with highly standing valve and large-diameter travelling valve,which cannot only effectively prevent coaldust from sticking the standing valve and travelling valve,but also effectively prevent coaldust from entering pump barrel and causing stuck pump.The coaldust deposited during discharge and extraction goes into the basket sand setting pipe,which will be removed together with coaldust deposited in the sand setting pipe during pump inspection,diminishing the work of bailing coaldust and saving the cost.Field application shows that the pipe string integrating coalbed methane discharge,extraction and coaldust bailing by vertical well can meet the site requirement,extend the pump inspection cycle and has good promotion prospect.

coalbed methane;vertical well;drainage and gas production;sand bailing;integration

段寶玉，崔金榜，段冉，等.煤層氣直井排采撈煤粉一體化技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：100-102.

TE377

：B

1000–7393（2014） 05–0100– 03

10.13639/j.odpt.2014.05.024

國家科技重大專項“水平井排采及集輸配套技術(shù)應(yīng)用”（編號：2011ZX05061）。

段寶玉，1962年生。2004年畢業(yè)于中國石油大學(xué)油藏工程專業(yè)，現(xiàn)從事煤層氣采氣工藝技術(shù)方面的研究工作，工程師。電話：0317-2720414。E-mail：cyy_duanby@petrochina.com.cn。