煤層氣開發(fā)中防卡排液泵的研制

霍 軒（中石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司，太原 030000）

煤層氣開發(fā)中防卡排液泵的研制

霍 軒
（中石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司，太原 030000）

煤氣層指的是煤層中吸附于煤基粒表層或者游離在煤空隙內(nèi)的以甲烷為主的烴類氣體，是煤礦資源常見的伴生資源，也是一種近年來市場前景很大的優(yōu)質(zhì)、潔凈的非常規(guī)天然氣能源和應(yīng)用十分廣的化工原料。煤層氣在開發(fā)過程中，煤層容易因鉆井機(jī)械影響而失穩(wěn)坍塌，導(dǎo)致部分細(xì)煤粒、煤粉掉入井筒并不斷沉積，進(jìn)而引起砂埋管柱與卡泵等問題，不僅縮短了排液泵的使用壽命，還影響了煤層氣開發(fā)效率，增加投入成本。針對這一問題研制了新型的防卡排液泵，本文主要討論防卡排液泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、作業(yè)原理、工藝特點(diǎn)與現(xiàn)場使用情況。

煤層氣；防卡；排液泵

0　前言

煤層氣儲藏于煤礦的裂縫空隙或基質(zhì)孔隙中，在開發(fā)過程中，機(jī)械振動(dòng)因素會增加煤層有效應(yīng)力，進(jìn)而會引起煤層基質(zhì)的破裂，生成大量的細(xì)煤粒、煤粉，一部分掉入井筒中沉積起來，另一部分經(jīng)排液泵吸出，易引起卡泵現(xiàn)象［1］?？ū镁哂休^大的危害性，不僅會縮短排液泵設(shè)備的使用壽命，加大開發(fā)成本投入，影響開發(fā)效率，還會影響煤層氣的產(chǎn)出質(zhì)量，甚至還可引起原井管柱砂卡等事故。由此可見研制具有防卡功能的新型排液泵具有重要意義。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防卡排液泵主采用了長柱塞結(jié)構(gòu)、環(huán)空沉降結(jié)構(gòu)和插入式鎖緊結(jié)構(gòu)3種結(jié)構(gòu)形式，具體組成結(jié)構(gòu)見圖1。整個(gè)排液泵由十多個(gè)零部件組成，主要有加長柱塞、扶正器、內(nèi)筒、外筒、尾管、進(jìn)出油閥組件、密封泵筒、雙通接頭、鎖緊密封裝置等。①環(huán)空沉降結(jié)構(gòu)主要由扶正器、內(nèi)筒、外筒、尾管和雙通接頭共同組成，在設(shè)計(jì)時(shí)又分有盲板、雙通芯軸與沉砂雙通外關(guān)3個(gè)部分。雙通芯軸上端設(shè)計(jì)成錐度面，目的是增加其定位、導(dǎo)向和密封功能，從而有效將鎖緊密封裝置引到雙通芯軸中，鎖緊錐面和錐度面共同組成一個(gè)錐面的密封結(jié)構(gòu)。雙通芯軸兩側(cè)設(shè)計(jì)有外部連通油套環(huán)空、內(nèi)部連通固定閥組的側(cè)向進(jìn)液孔，三者共同組成排液泵抽汲作業(yè)的排液通道，而雙通芯軸同沉砂雙通外管間的環(huán)空結(jié)構(gòu)由連通胃管與通油管，進(jìn)而起到環(huán)空沉降煤粉和煤顆粒的作用。②插入式密封結(jié)構(gòu)主要由鎖緊密封裝置和密封接頭兩部分組成，其中鎖緊密封裝置又設(shè)計(jì)有套環(huán)、隔環(huán)、密封圈、鎖緊芯軸、下接頭和鎖緊銅環(huán)幾個(gè)部分，雙通芯軸、鎖緊銅環(huán)和密封圈三者共同配合，在鎖緊密封裝置引入雙通芯軸結(jié)構(gòu)時(shí)，鎖緊銅環(huán)和密封圈就會共同作用而增強(qiáng)緊縮的效果，能夠有效地避免排液泵在抽汲作業(yè)期間因?yàn)楸猛埠椭Σ亮ψ饔枚霈F(xiàn)上下竄動(dòng)的現(xiàn)象。③防埋閥結(jié)構(gòu)由上下游動(dòng)閥上部分結(jié)構(gòu)的迷宮閥罩組成，其中迷宮閥罩又設(shè)計(jì)有閥罩體與擋板兩個(gè)部分，在排液泵展開抽汲作業(yè)期間，閥罩中的液體會隨著抽汲方向流動(dòng)，確保在上下沖程中煤粉不會因液流作用力影響而沉降，在抽汲作業(yè)停止后，液體所含的煤顆粒與煤粉在重力作用下自然地沉降到環(huán)空沉降結(jié)構(gòu)，而這時(shí)油管中的液體處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)煤粉沉降時(shí)會落入閥體和擋板之間的位置，而不直接落入閥球，從而有效地避免煤粉與煤顆粒卡埋閥球的問題。④抽油泵的核心結(jié)構(gòu)則是由進(jìn)出油閥件、泵筒和加長柱塞共同組成，泵筒和長柱塞直徑均為Ф44mm，油管內(nèi)徑為Ф62mm，沖程上限為6m。在抽汲作業(yè)期間，長柱塞上部分會始終停留在泵筒外面，在抽汲作業(yè)結(jié)束時(shí)會同外筒和泵筒共同組成一個(gè)環(huán)空沉降結(jié)構(gòu)，避免煤顆粒、砂粒和煤粉聚集在泵強(qiáng)上方而導(dǎo)致煤顆粒、煤粉埋柱塞的問題。

圖1　防卡排液泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2　作業(yè)原理

防卡排液泵的作業(yè)原理，在上沖程，加長柱塞作上行運(yùn)動(dòng)，這時(shí)泵強(qiáng)受壓會降低，從而打開進(jìn)液閥，井筒內(nèi)的液體就會由側(cè)邊進(jìn)液孔流入泵強(qiáng)。在下沖程，加長柱塞作下行運(yùn)動(dòng)，這時(shí)泵強(qiáng)受壓會明顯增大，從而關(guān)閉進(jìn)液閥，打開排液閥，泵強(qiáng)中的液體會流入環(huán)空桿管中。經(jīng)過反復(fù)的抽汲，在排除液體的同時(shí)也會將其中所攜帶的煤顆粒、煤粉排出地面。在排液泵停止抽汲作業(yè)時(shí)，液體所含有的煤顆粒與煤粉會沉降，但是因?yàn)橹纳喜糠纸Y(jié)構(gòu)進(jìn)行加長改進(jìn)延伸到泵筒外，因此能夠阻止煤顆粒與煤粉沉入泵筒，使其通過環(huán)形沉降空間結(jié)構(gòu)流入排液泵尾管中。

3　工藝特點(diǎn)

防卡排液泵具有良好的防卡效果主要是因?yàn)槠渚哂歇?dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝特點(diǎn)：①采取鎖緊密封裝置與雙通芯軸支撐裝置共同組成出入式的鎖緊密封結(jié)構(gòu)，使排液泵在抽汲作業(yè)時(shí)更加靈活；②迷宮閥罩設(shè)計(jì)了閥罩體與擋板兩個(gè)部分，能夠避免煤顆粒與煤粉直接落入泵強(qiáng)而防止煤顆粒和煤粉埋閥球的現(xiàn)象；③改進(jìn)了柱塞與泵筒結(jié)構(gòu)，采取泵筒與長柱塞結(jié)合的方式靈活地組成環(huán)空沉降結(jié)構(gòu)，為煤顆粒與煤粉的環(huán)空沉降提供便利通道，解決砂埋、卡泵的問題。

4　現(xiàn)場使用

為了驗(yàn)證所研制的新型防卡排液泵的效果，在5口煤層氣井中進(jìn)行了排液試驗(yàn)作業(yè)，結(jié)果日總排液量最高可達(dá)210m2，效率明顯提高，生產(chǎn)周期增加2倍以上，試驗(yàn)效果良好。以1號井完鉆井為例，僅深達(dá)902m，2014年6月使用傳統(tǒng)Ф38mm管式排液泵進(jìn)行開發(fā)作業(yè)，改井煤層煤粉、煤顆粒含量較高，在生產(chǎn)2個(gè)月時(shí)以煤粉、煤顆粒買柱塞而中止作業(yè)。改進(jìn)砂粒、煤粉含量為2.50%，粒徑中位值為67.52μm，符合Ф防卡排液泵的使用標(biāo)準(zhǔn)。2015年1月采用改進(jìn)的Ф44mm防卡排液泵進(jìn)行開發(fā)作業(yè)，下泵深度達(dá)860m，沖次為1.80次/min，沖程為1.65m，日排液量為4.55t/d，泵效達(dá)91.20%，連續(xù)作業(yè)11個(gè)月未出現(xiàn)埋柱塞、卡泵問題。其他采氣井的排液試驗(yàn)也取得良好的成績，其中兩口氣井在施工作業(yè)期間因停電原因而多次中止抽汲作業(yè)，每次重新開工均為出現(xiàn)異常，累積作業(yè)10個(gè)月以上均未出現(xiàn)買柱塞、埋泵和卡泵的問題。試驗(yàn)結(jié)果說明，本次研制的新型防卡排液泵具有良好的防埋、卡泵效果，可滿足含砂粒、煤粉量較高的煤層氣采氣井的排液作業(yè)要求，性能好，可延長作業(yè)周期，且施工操作簡便，可極大地提高煤層氣開發(fā)的效率和質(zhì)量，降低施工投入成本。

5　結(jié)語

防卡排液泵是在傳統(tǒng)管式排液泵的基礎(chǔ)上進(jìn)改進(jìn)的，優(yōu)化了傳統(tǒng)排液泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用獨(dú)特工藝對柱塞、泵筒、迷宮閥罩、鎖緊密封裝置等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而增強(qiáng)了排液泵的靈活度和防卡性能，為煤層氣的開發(fā)效率的提高和成本控制提供了有利的技術(shù)支持。

［1］徐金超，韓修廷，李俊亮等.三元復(fù)合驅(qū)無間隙自適應(yīng)防卡泵的研制與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2013，35（04）:106-110.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.044

霍軒（1987），男，陜西咸陽人，本科 ，助理工程師，研究方向是：煤層氣領(lǐng)域的廢舊管桿泵修復(fù)、內(nèi)襯油管的加工和使用，物資采購和使用方面。