(一)自潔式抽油泵在煤層氣排采中,因排采的水中含有大量煤粉,在普通抽油泵中,煤粉易沉積在固定閥周圍,并黏附在閥球、閥座上。抽油泵工作達(dá)到一定時(shí)間后固定閥失效,導(dǎo)致停抽檢泵。停抽后,固定閥被煤粉掩埋更加嚴(yán)重,導(dǎo)致抽油機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。針對(duì)韓城區(qū)塊煤層氣生產(chǎn)問題,對(duì)普通抽油泵進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的自潔式抽油泵能夠?qū)Τ练e在固定閥周圍的煤粉進(jìn)行自行沖洗,延長(zhǎng)抽油泵在煤層氣井開發(fā)中的使用周期。靜止的液體受到水流的沖擊時(shí),其內(nèi)部的沉積物會(huì)獲得能量而運(yùn)動(dòng),并懸浮在液體中,隨水流一起運(yùn)動(dòng)。自潔式抽油泵就是利用液流對(duì)沉積在固定閥周圍的煤粉等(固體顆粒物質(zhì))進(jìn)行沖刷,使其懸浮在液體中,通過(guò)抽油泵的吸液、排液過(guò)程將煤粉排出抽油泵,實(shí)現(xiàn)自潔的功能,防止固定閥因煤粉黏附、掩埋失效,實(shí)現(xiàn)煤層氣井的連續(xù)與穩(wěn)定生產(chǎn)。自潔式抽油泵主要適合于含煤粉的煤層氣井和含砂的油井。自潔式抽油泵主要由泵筒總成、柱塞總成、泵筒加長(zhǎng)管、導(dǎo)流筒、出液閥和進(jìn)液閥總成六部分組成,如圖7-27所示。泵筒總成、泵筒加長(zhǎng)管、導(dǎo)流筒和進(jìn)液閥總成隨排采管柱一起下到井筒中的設(shè)計(jì)深度,柱塞總成和出液閥總成隨抽油桿下入排采管柱中。其中導(dǎo)流筒是自潔式抽油泵的主要部件,由圓鋼經(jīng)車床、銑床加工而成。初始方案考慮煤粉的通過(guò)率,但由于導(dǎo)流孔面積過(guò)大,排砂能力不足,井液含砂量過(guò)大,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果不明顯。針對(duì)以上問題進(jìn)行以下改進(jìn)方案:考慮在不影響煤粉等通過(guò)的情況下,縮短導(dǎo)流筒長(zhǎng)度,減小過(guò)流面積,使其與閥座過(guò)流面積比約為1.6,使液流能夠更充分的對(duì)沉積的煤粉進(jìn)行沖刷(熊先鉞,2014)。自潔式抽油泵工作原理如圖7-28、圖7-29所示。上沖程時(shí),柱塞上行,柱塞下腔體積變大,下腔壓力變小。在壓差作用下固定凡爾開啟,上、下游動(dòng)凡爾關(guān)閉,地層流體進(jìn)入泵筒。地層流體從固定凡爾進(jìn)入泵筒后使泵筒逐漸充滿地層流體,直至上沖程結(jié)束。在此過(guò)程中,地層流體通過(guò)固定凡爾導(dǎo)流裝置對(duì)沉積在泵筒底部的泥砂、煤粉等顆粒進(jìn)行沖刷,使泥砂、煤粉等顆粒隨地層流體排出泵筒。下沖程時(shí),柱塞下行,柱塞下腔體積變小,下腔壓力變大。在壓差作用下固定凡爾關(guān)閉,上、下游動(dòng)凡爾打開,地層流體通過(guò)游動(dòng)凡爾進(jìn)入泵筒上部的油管,直至下沖程結(jié)束,完成一個(gè)抽汲過(guò)程。圖7-27 自潔式抽油泵的結(jié)構(gòu)示意圖1—泵筒總成;2—柱塞總成;3—出液閥總成;4—泵筒加長(zhǎng)管;5—導(dǎo)流筒;6—進(jìn)液閥總成圖7-28 上沖程示意圖圖7-29 下沖程示意圖通過(guò)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理,自潔式抽油泵可實(shí)現(xiàn)的功能有:在抽汲過(guò)程中,固定凡爾導(dǎo)流裝置對(duì)從固定凡爾總成進(jìn)入泵筒的地層流體流向進(jìn)行引導(dǎo),使地層流體對(duì)沉積在抽油泵底部的泥砂、煤粉等顆粒進(jìn)行沖刷清洗,并通過(guò)地層流體將固體顆粒排出泵筒,起到自潔功效。在泵筒下部增加了泵筒加長(zhǎng)管,其內(nèi)徑略大于泵筒內(nèi)徑,柱塞在運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)時(shí)能越出泵筒一定長(zhǎng)度,這樣可以把泵筒內(nèi)的積砂帶出泵筒,起到保護(hù)泵筒工作面的作用,防止發(fā)生卡泵現(xiàn)象。柱塞具有刮砂槽,可以將進(jìn)入柱塞和泵筒間隙的煤粉、砂粒等固體顆粒刮進(jìn)刮砂槽,在柱塞上、下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中帶出泵筒,降低泵筒磨損,延長(zhǎng)泵筒的使用壽命(熊先鉞,2014a)。(二)射流泵1.射流泵工作原理射流泵排采工藝技術(shù)是以高壓水為動(dòng)力液驅(qū)動(dòng)井下排水采氣裝置工作,以動(dòng)力液和產(chǎn)出液之間的能量轉(zhuǎn)換達(dá)到排水采氣的目的。在產(chǎn)出液的舉升過(guò)程中,液體在生產(chǎn)管柱內(nèi)任意截面的流速均大于保證煤粉上升的最低液流速度,從而能保證煤粉隨流體一起順利排出。排水采氣裝置的吸入口下至煤層下部,保證煤粉不埋煤層。高壓水(動(dòng)力液)由動(dòng)力液罐通過(guò)井口進(jìn)入動(dòng)力液管線,沿動(dòng)力液管線到達(dá)井下泵體,并驅(qū)動(dòng)井下排水采氣裝置工作,產(chǎn)出液和動(dòng)力液的混合液通過(guò)動(dòng)力液管和混合液管組成的環(huán)形空間到達(dá)井口進(jìn)入動(dòng)力液罐(圖7-30)(張霖,2008)。圖7-30 射流泵同心雙管腔結(jié)構(gòu)示意圖2.主要結(jié)構(gòu)射流泵排采工藝的設(shè)備包括地面和井下兩部分。地面部分主要包括:動(dòng)力液罐、地面泵、變頻器、過(guò)濾器、特制井口、控制和計(jì)量?jī)x表等,具體流程如下:首先,高壓水(動(dòng)力液)經(jīng)動(dòng)力液管線到達(dá)該井,通過(guò)通用電子流量計(jì)到達(dá)井口的高壓翼一端。其次,地層產(chǎn)出液和動(dòng)力液的混合液從井口的另一翼產(chǎn)出,經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入混合液管線,然后,進(jìn)入泥砂、水、煤粉分離罐,沉降分離后,動(dòng)力液循環(huán)使用,煤層產(chǎn)水進(jìn)入污水池。最后,煤層氣從套管產(chǎn)出,計(jì)量后進(jìn)入輸氣流程(陳鳳官等,2012)。井下部分包括:動(dòng)力液管、混合液管、排水(煤粉)采氣裝置、篩管、尾管等(如圖7-30)。3.工藝優(yōu)點(diǎn)1)防砂防煤粉排水采氣裝置井下泵筒吸入口下至煤層下界,以保證能深抽到一定的動(dòng)液面,并且煤粉及泥砂不會(huì)埋沒煤層。此外,在井下泵地層流體進(jìn)口處裝有縫寬為1.8mm的繞絲篩管,以防止大粒徑的固體顆粒堵塞井下泵流道,影響井下泵的正常工作。根據(jù)泥砂和煤粉直徑選擇合理的井下泵工作參數(shù),可保證煤粉及泥砂能排至地面。2)無(wú)運(yùn)動(dòng)件無(wú)偏磨相對(duì)于常規(guī)有桿泵排采設(shè)備,射流泵排采工藝管柱結(jié)構(gòu)中無(wú)有桿部件,無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,因此,不存在管桿偏磨影響。3)不動(dòng)管柱換泵井下泵心坐封于工作筒內(nèi),當(dāng)原井排量無(wú)法滿足生產(chǎn)需求或泵心出現(xiàn)故障時(shí),只需調(diào)整地面閥門,改變動(dòng)力液由混合液管流入即可實(shí)現(xiàn)地面撈泵,將更換的泵心投入動(dòng)力液管中,恢復(fù)動(dòng)力液流入方向使泵心坐封即可恢復(fù)生產(chǎn)。因此,相對(duì)于常規(guī)有桿泵排采設(shè)備,射流泵排采設(shè)備可以在不動(dòng)管柱的情況進(jìn)行更換井下泵,且操作簡(jiǎn)單、時(shí)間短,無(wú)修井作業(yè)費(fèi)用(熊先鉞,2014a)。(三)電潛螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵因驅(qū)動(dòng)桿易造成桿斷、桿管磨損、卡桿等問題,制約其進(jìn)一步推廣應(yīng)用(劉新福,2009)。在這種情況下,同時(shí)具有無(wú)桿采油、井下驅(qū)動(dòng)和螺桿泵優(yōu)點(diǎn)的電潛螺桿泵受到普遍關(guān)注。韓城區(qū)塊應(yīng)用于煤層氣井排采的為電動(dòng)潛油單螺桿泵,排采系統(tǒng)由地面部分、井下部分和中間連接部分組成。地面部分由自動(dòng)控制臺(tái)、自耦變壓器、地面接線盒及井口裝置組成(圖7-31)。自動(dòng)控制臺(tái)可用手動(dòng)或自動(dòng)開關(guān)來(lái)控制電潛螺桿泵工作,同時(shí)保護(hù)潛油電動(dòng)機(jī),防止電機(jī)-電纜系統(tǒng)短路和電動(dòng)機(jī)過(guò)載。圖7-31 電潛螺桿泵地面部分組成中間部分由特殊結(jié)構(gòu)的電纜和油管組成。將電流從地面部分傳輸給井下部分,在氣井中將電纜和油管外表面固定在一起,在井下部分將電纜和單螺桿泵、保護(hù)器外殼固定在一起(圖7-32)。圖7-32 電潛螺桿泵中間部分和井下部分組成井下部分是電潛螺桿泵裝置的主要機(jī)組,它由潛油單螺桿泵、聯(lián)軸節(jié)(帶泵吸入口)、保護(hù)器、減速器和潛油電動(dòng)機(jī)部件組成,起著抽液的主要作用(圖7-32)。井下部分主要連接情況:井下潛油電機(jī)的輸出軸通過(guò)花鍵套與錐齒減速器傳動(dòng)軸連接;減速器通過(guò)花鍵套與保護(hù)器軸連接,再通過(guò)花鍵套與泵軸連接;泵的出油口通過(guò)帶螺紋的接頭與輸油管連通。電潛螺桿泵的工作原理:井下潛油螺桿泵由轉(zhuǎn)子和定子組成(饒孟余等,2010)。潛油電機(jī)通過(guò)機(jī)械減速器和聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)螺桿泵泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子和定子相嚙合形成一個(gè)個(gè)連續(xù)的密封腔室,當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),空腔從泵的入口端向出口端移動(dòng),空腔內(nèi)的液體也隨之從泵的吸入端泵送到排出端,通過(guò)油管輸送到地面,從而起到泵送作用(李芳,2011)。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果來(lái)看,電潛螺桿泵主要具有以下優(yōu)點(diǎn)。首先,井下系統(tǒng)工作時(shí)無(wú)動(dòng)力部件,因此,井下設(shè)備有較高的可靠性,且維修周期長(zhǎng),費(fèi)用低;其次,與有桿泵(如抽油機(jī)、螺桿泵等)相比較,更適用于斜井和水平井,對(duì)因出砂導(dǎo)致的泵砂卡和因出煤粉導(dǎo)致的卡泵等問題效果顯著,減少修井頻次,降低因修井對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害。此外,電潛螺桿泵還具有能在高溫、高氣液比、出砂和腐蝕等復(fù)雜條件下工作的優(yōu)點(diǎn),能有效解決高產(chǎn)水井因產(chǎn)水高選用大泵徑有桿泵出現(xiàn)抽油桿斷脫或脫節(jié)器損壞的問題等。然而,電潛螺桿泵最容易損壞的泵部件是定子,每次修泵必須起下管柱;一次性投入成本較高;泵要求流體潤(rùn)滑,要有一定的沉沒度;與抽油機(jī)相比,安裝較為復(fù)雜。目前大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用于淺井(熊先鉞,2014a)。(四)桿式泵桿式泵與常規(guī)管式泵的不同在于桿式泵坐封于油管內(nèi)。桿式泵分為兩部分,一是與油管連接的密封支撐接頭,二是桿式泵。在下泵作業(yè)時(shí),密封支撐接頭隨油管一起下入井底,桿式泵隨抽油桿一起下入井底,并坐封于支撐接頭上。當(dāng)井下泵因煤粉影響出現(xiàn)故障時(shí),可以通過(guò)抽油桿將泵直接提出井筒進(jìn)行更換,避免常規(guī)管式泵作業(yè)時(shí)需取出全井抽油桿和油管,實(shí)現(xiàn)了不動(dòng)管柱檢泵,縮短了占井工期,降低了作業(yè)成本。桿式泵根據(jù)固定方式的不同分為頂部固定和底部固定兩種。其中,頂部固定桿式泵特點(diǎn):排出的液體能夠把頂部與油管間的煤粉及時(shí)沖刷干凈,有一定的排煤粉效果。泵筒受液體壓力作用,會(huì)增大泵筒與柱塞的間隙,導(dǎo)致泵效降低,故不適用于深井。底部固定桿式泵特點(diǎn):由于支撐裝置在泵的底部固定,泵筒受外壓力,受力狀況好,泵隙變化小,適用于深井,但煤粉容易積存在泵筒和油管的環(huán)形空間內(nèi),不適用于出煤粉嚴(yán)重井。桿式泵根據(jù)密封方式的不同又分為皮碗和機(jī)械密封兩種。為保證坐封穩(wěn)固,韓城區(qū)塊煤層氣井使用雙卡式即金屬和皮碗雙重密封,此種密封不僅錨定力大,并且雙密封實(shí)現(xiàn)雙保險(xiǎn)(熊先鉞,2014a)。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。