CN102373908A - 一种煤层气井下超声波增产抽采装置 - Google Patents

Abstract

一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置，包括，从地面深到煤层的套管，在套管内装有油管，油管内装有大功率超声波换能器，在该换能器下端、连接有增产装置超声波换能器，在该增产装置超声波换能器下端连接有锚定装置；在大功率超声波换能器内设有环形压电组片，还设有与套管内腔相通的进水孔道，该孔道下端有过滤网，上端装有电磁阀和雾化腔液位传感器；该电磁阀上部连通雾化腔；在所述套管下部，管壁上有射孔孔眼；在地面上套管外，还有煤层气出口；在地面上，还有与油管连接的真空泵，以及超声波发生器；真空泵和超声波发生器，由地面上的控制器控制。该装置可完成煤层气井下超声波增产及雾化抽采工作、井下没有机械运动、节能、增加煤层气的解吸总量、降低成本、维护简单。

Description

一种煤层气井下超声波增产抽采装置

技术领域

本发明涉及一种煤层气井下超声波增产抽采装置，属于煤层气抽采领域。

背景技术

 煤层气是一种吸附于煤层的解吸气，在开发过程中，始终有水从煤层中流出，在生产期间，井筒中形成约50~80米高液柱，此液柱产生压力极大地影响煤层气的产气能力。现有生产技术中，基本是照搬石油天然气开发方式，其基本思路是“排液采气”（见附图1），由地面抽油机1通过抽油杆2，带动抽油泵5，通过抽油泵5的活塞上下往复运动，不断地将井底水抽出，以降低液柱高度，使得射孔位置地层压力高于液柱压力，形成一定的“生产压差”；这样，煤层解吸气随着水不断地从油井套管4射孔位置流出。气体运移至井口，进入管道，完成“排液采气”工作。

现有技术的煤层气开发抽放煤层甲烷的最大障碍，是煤层的超低渗透性，而且吸附的甲烷难以充分解吸，目前针对低渗透性的煤层主要采取钻水平井，水力喷砂压裂及煤层改造等措施来实现增加煤层渗透性及煤层气解吸量。这种用地面抽油机抽采的设备，虽已成熟，但存在以下问题：

1、运动部件多，能量损失大，能耗高，相对故障机率大；

2、对地下采出区形成“负压”较弱，不利煤层气采出速度；

3、设备造价较高，全套设备总造价约25万人民币；

4、生产维护成本高，定期检泵，作业较复杂；

5  对煤层气井增产无任何效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采的装置，该装置可以有效地完成煤层气井下超声波增产及雾化抽采工作；具有井下没有机械运动、大幅度节能、增加煤的解吸总量、降低采气成本、维护简单、对煤层无污染等特点。

本发明的技术方案是：一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置，包括，置于地面上的控制柜、往复式真空泵、地面超声波发生器、煤层气井、缆线、和置于井下的超声波增产雾化装置，套管、油管，其特征在于，所述的控制柜用缆线连接并控制着往复式真空泵和地面超声波发生器，其中，地面超声波发生器，通过缆线连接并控制井下超声波增产及雾化装置；所述的往复式真空泵，通过管线与煤层气井口内油管相连；所述套管从地面煤层气井口竖直深到煤层，在套管内竖直装有一油管，所述油管口高于套管口，油管内下端装有超声波增产及雾化装置，密封住油管下口。

所述的超声波增产雾化装置装在油管内下端，该装置包括，一大功率超声波雾化换能器和一增产装置超声波换能器；大功率超声波雾化换能器下端、连接着增产装置超声波换能器，并伸出油管管口低端；在油管内还设有与套管内腔相通的进水孔道，该孔道下端有过滤网，上端装有电磁阀和雾化腔液位传感器；该电磁阀上部连通位于油管内上部的、与超声波雾化装置一起构成的雾化腔；

在所属套管下部液位部分，管壁上设有孔眼；在地面上套管与油管所成环空处，还设有煤层气出口。

在油管内大功率超声波雾化换能器内装有环形压电组片；在该增产装置超声波换能器下端连接有锚定装置。

所述超声波增产及雾化抽采装置装置的生产过程是：所述的煤层气在地层压力作用下，煤层气随水从套管孔眼流入套筒中，并形成一定高度液柱；水在液柱压力作用下，在液位传感器及电磁阀控制下，自滤网经进水孔道，流入油管与超声波雾化装置构成的雾化腔内；地面超声波发生器产生28kHz的高频振荡信号，经电缆，由控制器分配给超声波雾化换能器，及增产装置换能器，分别产生纵向、及径向的机械振动；其中由超声波雾化换能器进行雾化腔内的液体雾化，将液态水雾化形成直径40~120微米的雾滴状，在地面往复真空泵的抽吸作用下，由油管快速地运移到地面；随着套管内积液减少，液柱不断降低，使得煤层压力高于液柱造成压力，形成一定的“生产压差”，解吸煤层气从煤层中释放出来，经由套管与油管组成的环形空间，到达地面采气装置；由增产装置换能器产生的振动波，沿射孔孔眼水平方向进入到煤层中，经一系列空化作用，及热效应变化，增大煤岩内部孔隙体积，提高煤岩的渗透率，同时增加煤层对煤层气的解吸总量。

所述的大功率超声波增产及雾化抽采装置，同样适用于如页岩气、致密砂岩气非常规天然气领域抽采。

本发明是一种利用大功率超声波增产及雾化抽采装置，在煤层气开发井中使用，辅助地面真空泵的抽吸作用，实现煤层气井下的增产，及井筒间大液量抽排，高效地完成“排液采气”工作。本发明与现有技术相比，超声波雾化采气具有非常明显的优势：

1、超声波增产雾化采气装置，井下无任何机械运动，雾化水分子流动阻力远远小于液态水，故能耗大幅度降低，节能50%以上。原抽油机抽采系统一般功率为22kw，而超声波系统仅为10kw。

2、产量增加30%以上，超声波从根本上增加了煤的解吸总量；并在煤层形成一系列微孔隙，故而增加了煤层气采出的通道及采出总量。

3、降低采气成本，地面抽油机及井下抽油泵，抽油杆等全部不用。工艺设备总造价是原地面抽油机排液采气的60~70%。

4、生产过程中，维护简单，井筒中，由于超声波的作用，还可以不间断的冲刷套管射孔孔眼及煤层裂隙孔道，使煤屑不沉积，起到解堵作用。

5、工作过程中，对煤层无任何污染。

6、针对煤层气井筒不同液量及液柱高度，可实现雾化量实时控制，进行优化生产；提高排液效率。

7、独特的雾化腔结构，可实现井筒内高液柱大液量雾化，应用范围大。

附图说明

图1是现有技术的采用 “排液采气”方式，用地面抽油机带动抽油泵的抽采的系统装置的结构示意图。

图2是本发明一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置的结构示意图

附图中：

图2：1-大功率超声波雾化换能器，2-电磁阀，3.-雾化腔液位传感器，4.-增产装置超声波换能器，5.-锚定装置，6-油管，7-套管，8-环形压电组片，9,-射孔孔眼，10-雾化腔，11-进水孔道，12-电缆，13-过滤网，14-套管内积液，15-煤层气出口；图1：1-抽油机，2-井口，3-抽油杆，4-套管，5-抽油泵，6-油管。 

具体实施方式

以下，结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述；图1是现有技术的采用 “排液采气”方式，用地面抽油机带动抽油泵的抽采的系统装置的结构示意图。图2是本发明的一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采工艺配套的装置的结构示意图。从图1可以看出，由地面抽油机1通过抽油杆2，带动抽油泵5，通过抽油泵5的活塞上下往复运动，不断地将井底水抽出，以降低液柱高度，使得射孔位置压力高于液柱压力，形成一定的“生产压差”；这样，煤层解吸气随着水不断地从油井套管4射孔位置流出。气体运移至井口，进入管道，完成“排液采气”工作。

本发明的一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置是一个完全不同现有技术的抽采方式的技术方案，是一个具有实质性特点的方案；从图2可以看出，所述的煤层气井下超声波增产雾化抽采装置，包括，一种煤层气井下超声波雾化抽采装置，包括，置于地面上的控制柜、往复式真空泵、地面超声波发生器、煤井、缆线、和置于井下的超声波雾化装置，套管7、油管6，所述的控制柜用缆线16连接并控制着往复式真空泵和地面超声波发生器，其中，地面超声波发生器，通过缆线16连接并控制井下超声波雾化装置；所述的往复式真空泵，通过管线连接煤层气井井口油管；所述套管7从地面煤井口竖直深到煤层，在套管7内竖直装有一油管6，所述油管口6高于套管口7，油管6内下端装有超声波雾化装置，密封住油管下口6。

所述的超声波增产及雾化装置装在油管6内下端，该装置包括，一大功率超声波雾化换能器1和一增产装置超声波换能器4；大功率超声波换能器1下端、连接着增产装置超声波换能器4，并伸出油管管口6低端；在该增产装置超声波换能器4下端连接有锚定装置5，该锚定装置5用于固定超声波换能器4属于公知技术；在油管6内大功率超声波换能器1内装有环形压电组片8是雾化装置通用的压电磁片，属公知技术，在油管6内还设有与套管7内腔相通的进水孔道11，该孔道11下端有过滤网13，上端装有电磁阀2和雾化腔液位传感器3；该电磁阀2上部连通位于油管6内上部的、与超声波雾化装置一起构成的雾化腔10；

在所属套管7下部液位部分，管壁上设有孔眼9；在地面上套管外，还设有煤层气出口15。

该装置的生产过程是：所述的煤层气在地层压力作用下，煤层气随水从套管射孔孔眼（9）流入井筒中，并形成一定高度液柱；水在液柱压力作用下，在液位传感器（3）及电磁阀（2）控制下，自滤网（13）经进水孔道（11）流入油管（6）与雾化装置构成的雾化腔（10）内；地面超声波发生器产生28kHz的高频振荡信号经电缆（12），由控制器分配给超声波雾化换能器（1）及增产装置换能器（4），分别产生纵向及径向的机械振动；其中由雾化换能器（1）进行雾化腔内液体雾化，将液态水雾化形成直径40~120微米的雾滴状，在地面往复真空泵的抽吸作用下，由油管（6）快速地运移到地面；随着套管内积液（14）减少，液柱不断降低，使得煤层压力高于液柱造成压力，形成一定的“生产压差”，解吸煤层气从煤层中释放出来，经由套管7与油管6组成的环形空间，到达地面采气装置。由增产装置换能器（4）产生的振动波沿射孔孔眼(9)水平方向进入到煤层中，经一系列空化作用及热效应变化，增加煤层的解吸气量，增大煤岩内部孔隙体积，提高煤岩的渗透率；这样有更多的煤层气进入了生产通道；源源不断地开采到地面。

本发明的大功率超声波增产及雾化抽采装置，同样适用于如页岩气、致密砂岩气等其它非常规天然气抽采领域。

煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置增产助排原理是，

1.频率高于2*10⁴Hz的声波统称超声波，具有许多特性。首先，由于频率高，它能在均匀介质中沿直线传播；其次超声波具有功率特性，即在传播过程中，引起介质颗粒往复振动而对介质颗粒作功，它的功率是非常大的；第三，空化作用，当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞，这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒间发生猛烈的撞击作用，从而产生几乎到上万个大气压的压强；第四，超声波具有热效应，微粒间剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，并起到很好的搅拌作用，从而使超声波在液体介质中传播并产生一定的热效应。

2、煤层气井下超声波增产机理

a) 大功率超声波作用下提高煤岩渗透率

在超声波作用下煤尘颗粒产生高频的往复振动，使得煤岩松动产生裂隙及微裂缝，同时高频机械振动可有效地解除原有裂隙中的微小煤屑沉积及堵塞，从而提高整个煤层相对渗透率，并使得储层毛细孔隙孔径增大，且孔隙体积随超声处理时间增加而增大，最大可增大28.3%。

在实验室中用20kHz的功率超声，研究了超声波对岩样渗透率的影响（实验结果见表1）。结果表明：在常温常压下，超声波可使油对多孔岩样的渗透率增加1倍以上，使空气对多孔岩样的渗透率提高18%。参见表1。

 表1   超声波作用下岩心渗透率的提高率

对煤层，室内试验表明：超声振动方向与煤层层理一致时，可使煤层测试试样的渗透率增大1倍左右，而振动方向与煤样的层理方向垂直时超声对渗透率的影响不明显。参见表2。

表2   功率超声对煤的力学性质与渗透率的影响

b)大功率超声波对煤层气解吸量的影响

由于煤层中有大量的水存在，在大功率超声波的作用下产生“空化作用”，在煤层的裂缝及孔隙表面产生空化爆发，引起煤层和液体的非同向振动，改变煤层的力学特性及孔隙结构；同时功率声波对煤层（煤—甲烷系统）作用，还能够产生热效应，提高作用区域煤层的温度，提高甲烷气体粘度，改变煤体甲烷的吸附势垒，提高扩散系数，从而提高甲烷的解吸量和煤体的渗透率。

实验证明：加声场作用下甲烷气解吸量比不加声场甲烷气解吸量大，解吸量增加24%；且声场作用下达到解吸平衡的时间比不加声场达到解吸平衡时间要长；能促进甲烷气解吸，其原因有2方面：一是声波的振动作用，煤体产生振动促使煤中的甲烷气解吸：二是煤样吸收声能转化为热能，加之解吸是吸热过程，所以持续的声场作用有利于甲烷气的解吸。

3、煤层气井下超声波助排机理

煤层气大功率超声波增产助排系统中有一组特制换能片专门进行井筒液体雾化工作；在井下大功率超声波雾化装置作用下，煤层气井筒中液体受到高频振动作用，产生空化效应，在气液界面处形成表面张力波，由于超声空化作用使液体分子间作用力破坏，水分子从液体表面脱出形成雾滴，从而实现液体的雾化，再通过地面往复式真空泵的抽吸，快速地从井下运移至地面，完成煤层气井生产的“排液采气”工作；

综上所述，本发明的一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置是一个生产原理和技术构思，完全不同于现有技术的技术方案，是一个具有实质性特点的方案，按照本发明的构思，本领域技术人员，可以推导出多个技术实施方案，但是每个技术方案，都在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置，包括，置于地面上的控制柜、往复式真空泵、地面超声波发生器、煤层气井、缆线、和置于井下的超声波增产及雾化装置，套管、油管，其特征在于，所述的控制柜用缆线连接并控制着往复式真空泵和地面超声波发生器，其中，地面超声波发生器，通过缆线连接并控制井下超声波增产及雾化装置；所述的往复式真空泵，通过管线连接煤层气井中的油管；所述套管从地面煤井口竖直深到煤层，在套管内竖直装有一油管，所述油管口高于套管口，油管内下端装有超声波增产及雾化装置，密封住油管下口。

2.按照权利要求1所述的.一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置，其特征在于，所述的超声波增产及雾化装置装在油管内下端，该装置包括，一大功率超声波雾化换能器和一增产装置超声波换能器；大功率超声波雾化换能器下端、连接着增产装置超声波换能器，并伸出油管管口低端；在油管内还设有与套管内腔相通的进水孔道，该孔道下端有过滤网，上端装有电磁阀和雾化腔液位传感器；该电磁阀上部连通位于油管内上部的、与超声波雾化装置一起构成的雾化腔；

在所属套管下部液位部分，管壁上设有孔眼；在地面上套管外，还设有煤层气出口。

3.按照权利要求2所述的.一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置，其特征在于，在油管内大功率超声波换能器内装有环形复合压电组片；在该增产装置超声波换能器下端连接有锚定装置。

4.按照权利要求1所述的一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置，其特征在于，所述超声波增产及雾化抽采装置装置的生产过程是：所述的煤层气在地层压力作用下，煤层气随水从套管孔眼流入套筒中，并形成一定高度液柱；水在液柱压力作用下，在液位传感器及电磁阀控制下，自滤网经进水孔道，流入油管与超声波雾化装置构成的雾化腔内；地面超声波发生器产生28kHz的高频振荡信号，经电缆，由控制器分配给超声波雾化换能器及增产装置换能器，分别产生纵向、及径向的机械振动；其中由超声波雾化换能器进行雾化腔内液体的雾化，将液态水雾化形成直径40~120微米的雾滴状，在地面往复真空泵的抽吸作用下，由油管快速地运移到地面；随着套管内积液减少，液柱不断降低，使得煤层压力高于液柱造成压力，形成一定的“生产压差”，解吸煤层气从煤层中释放出来，经由套管与油管组成的环形空间，到达地面采气装置；由增产装置换能器产生的振动波，沿射孔孔眼水平方向进入到煤层中，经一系列空化作用，及热效应变化，增加煤层的解吸气量，增大煤岩内部孔隙体积，提高煤岩的渗透率，起到增产的作用。

5.按照权利要求1所述的一种煤层气井下超声波增产及雾化抽采装置，其特征在于，本超声波增产及雾化抽采装置同样适用于如页岩气、致密砂岩气非常规天然气领域的抽采。

Images