CN104747434B - 一种用于煤层气开采的螺杆泵设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于煤层气开采的螺杆泵设备，包括电机、油管、抽油杆和螺杆泵；油管设置在井下套管内；螺杆泵位于井下，定子设置在油管的内壁，抽油杆的下端连接螺杆泵的转子；电机位于地面上，并能够通过抽油杆带动转子转动；抽油杆为中空结构，抽油杆下端设有可开启的封堵结构，以便关闭管套环空和杆管环空，开启封堵结构时，通过抽油杆排采。该螺杆泵设备能够采用两种排采方式工作，根据产水量的变化选择合适的排采方式，两种排采方式可以实现连续转换，对井筒进行连续、稳定的降压排水。该设备改变排采方式后，不需要动力，利用煤层气的能量进行排水，不需要螺杆泵工作，能够避免故障，该螺杆泵设备能够适应水量的变化，稳定可靠的工作。

Description

一种用于煤层气开采的螺杆泵设备
技术领域
本发明涉及煤层气开采技术领域，特别是涉及一种用于煤层气开采的螺杆泵设备。
背景技术
煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。
煤层气是在成煤过程中形成并赋存于煤层中的一种非常规天然气。煤层气在开始产气之前先要排出煤层中大量的水，煤层中天然裂隙或割理通常被水饱和，煤层气吸附在煤上，要采出煤层气，首先要让它从煤中解吸出来。只有抽出足够的水，煤层压力降至煤的解吸压力后，煤层气的解吸才开始。煤层压力小于或等于解吸压力时，气体从煤中解吸，顺割理流动到压裂裂缝，然后流到井筒中，然后将煤层气从井筒中开采出来。
煤层气地面钻井排采的初期，产水量较大，基本不产气，通常使用人工举升设备将井底液体带到地面，实现排水降压。随着井下水的排出，井筒附近压力下降，逐渐有气体解吸产出。进入排采中期后，井筒附近压力下降到一定程度后，产气量逐渐升高并保持稳定，产水量很低或不产水。
目前，常用的人工举升设备为螺杆泵设备，由螺杆泵作为井下泵设置在油管内，通过地面上电机提供动力驱动，带动螺杆泵工作，将地层的水排出至地面。
排采初期，产水量较大时，螺杆泵能够满足排采要求。进入排采中期后，产气量增加，产水量下降，沉没度低，泵入口吸入压力变低，排水量小，螺杆泵容易出现故障，另外，螺杆泵的温度升高的较快，也容易引起故障。
因此，如何使螺杆泵设备适应水量的变化，能够稳定可靠的工作，是本领域技术人员目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供了一种用于煤层气开采的螺杆泵设备，该螺杆泵设备能够适应水量的变化，连续稳定的降压排水采气。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种用于煤层气开采的螺杆泵设备，包括电机、油管、抽油杆和螺杆泵；所述油管的下部位于井下套管内，形成管套环空；所述抽油杆的下部位于所述油管内，形成杆管环空；所述螺杆泵位于井下，其定子设置在所述油管的内壁，所述抽油杆的下端连接所述螺杆泵的转子；所述电机位于地面上，并能够通过所述抽油杆带动所述转子转动；所述抽油杆为中空结构，所述抽油杆下端设有可开启的封堵结构，以便依次关闭所述管套环空和所述杆管环空后，开启所述封堵结构时，通过所述抽油杆的内部排采。
优选地，所述封堵结构包括封堵板和护板，所述封堵板和所述护板固设于所述抽油杆的内壁；所述封堵板设有冲击断裂部，以便向所述抽油杆内部投入重物时，所述封堵板能够沿所述冲击断裂部断裂并脱落；所述护板位于所述封堵板的下侧，能够避免物体落入井下。
优选地，所述冲击断裂部为所述封堵板周部的环形的断裂凹槽。
优选地，所述封堵板上下两侧的对应位置均设有所述断裂凹槽。
优选地，所述封堵板和/或所述护板与所述抽油杆的内部焊接。
优选地，所述封堵结构为设置在所述抽油杆内的井下开关，所述井下开关关闭时封堵所述抽油杆，所述井下开关能够被重物触发开启或关闭。
优选地，所述井下开关包括旋塞及其配合结构，所述配合结构设于所述抽油杆的内壁，具有与所述旋塞配合的中心孔；所述重物触发所述旋塞时，所述旋塞能够转动一定角度，以便开启或关闭所述井下开关。
优选地，所述配合结构的下侧具有楔形齿，所述旋塞的下侧具有与所述楔形齿配合的凸块，所述重物触发所述旋塞时，所述凸块能够沿所述楔形齿的斜面移动，以便使得所述旋塞转动。
本发明提供的用于煤层气开采的螺杆泵设备，包括电机、油管、抽油杆和螺杆泵；油管设置在井下套管内；螺杆泵位于井下，螺杆泵的定子设置在油管的内壁，抽油杆的下端连接螺杆泵的转子；电机位于地面上，并能够通过抽油杆带动转子转动；抽油杆为中空结构，抽油杆下端设有可开启的封堵结构，以便依次关闭管套环空和杆管环空后，开启封堵结构时，通过抽油杆排采。
该螺杆泵设备中，井下套管和油管之间形成管套环空，油管和抽油杆之间形成杆管环空。该设备工作初期，抽油杆内部的空间被封堵结构封闭，电机通过抽油杆带动转子转动，螺杆泵的定子和转子形成密封容腔，转子转动时，密封容腔的容积将发生变化，密封容腔的容积变化能够吸入和排出液体，将井下水排出，此工作阶段的产水量较大。随着井下水的排出，煤层的压力逐渐降低，煤层压力降低至解析压力时，煤层气开始解析，解析出的气体流动到井下套管中，通过管套环空产气。进入排采中期后，煤层的压力下降到一定程度，产气量逐渐升高并保持稳定，产水量很低或不产水。此时，依次关闭管套环空和杆管环空后，开启封堵结构，改变排采方式，则井下的水和气体将均通过抽油杆内部的空间产出，与管套环空和杆管环空相比，抽油杆内部的空间的横截面积较小，不需要动力，煤层的压力可以使抽油杆产气排水。
该螺杆泵设备能够采用两种排采方式工作，根据产水量的变化选择合适的排采方式，两种排采方式可以实现连续转换，对井筒进行连续、稳定的降压排水，不需要修井作业，从而能够保证煤层气井的连续稳定生产。
该设备改变排采方式后，通过抽油杆内部的空间排采，不需要地面的电机提供动力，能够利用煤层气的能量进行排水，无需增加运行成本，且节能显著。通过抽油杆排采时，不需要螺杆泵工作，能够避免螺杆泵故障。该螺杆泵设备能够适应水量的变化，稳定可靠的工作。
附图说明
图1为本发明所提供的用于煤层气开采的螺杆泵设备一种具体实施方式的结构示意图；
图2为图1所示的螺杆泵设备的另一种工作状态的结构示意图；
图3为图1所示的螺杆泵设备中抽油杆下端的封堵结构一种具体实施方式的结构示意图；
图4为图1所示的螺杆泵设备中抽油杆下端的封堵结构另一种具体实施方式的结构示意图。
其中，图1至图4中的附图标记和部件名称之间的对应关系如下：
油管1；抽油杆2；螺杆泵3；定子31；转子32；封堵结构4；
封堵板41；护板42；断裂凹槽43；旋塞44；配合结构45。
具体实施方式
本发明的核心是提供了一种用于煤层气开采的螺杆泵设备，该螺杆泵设备能够适应水量的变化，连续稳定的降压排水采气。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图4，图1为本发明所提供的用于煤层气开采的螺杆泵设备一种具体实施方式的结构示意图，图2为图1所示的螺杆泵设备的另一种工作状态的结构示意图，图3为图1所示的螺杆泵设备中抽油杆下端的封堵结构一种具体实施方式的结构示意图，图4为图1所示的螺杆泵设备中抽油杆下端的封堵结构另一种具体实施方式的结构示意图。
在一种具体的实施方式中，本发明提供了一种用于煤层气开采的螺杆泵设备，包括电机、油管1、抽油杆2和螺杆泵3；所述油管1的下部位于井下套管内，形成管套环空；抽油杆2的下部位于油管1内，形成杆管环空；螺杆泵3位于井下，其定子31设置在油管1的内壁，抽油杆2的下端连接螺杆泵3的转子32；电机位于地面上，并能够通过抽油杆2带动转子32转动；抽油杆2为中空结构，抽油杆2下端设有可开启的封堵结构4，以便依次关闭管套环空和杆管环空后，开启封堵结构4时，通过抽油杆2的内部排采。
煤层中天然裂隙或割理通常被水饱和，煤层气吸附在煤上，要采出煤层气，首先要让煤层气从煤中解吸出来，只有抽出足够的水，煤层压力降至煤的解吸压力后，煤层气才开始解吸。
该螺杆泵设备中，井下套管和油管1之间形成管套环空，油管1和抽油杆2之间形成杆管环空，抽油杆2内部为中空结构，井下套筒内具有三个通道。图1和图2中，省略了井下套管。
该螺杆泵设备工作初期，采用第一种排采方式工作，抽油杆2的下端被封堵结构封闭，电机通过抽油杆2带动转子32转动，螺杆泵3的定子31和转子32形成密封容腔，转子32转动时，密封容腔的容积将发生变化，密封容腔的容积变化能够吸入和排出液体，将井下水排出，此工作阶段的产水量较大。
随着井下水的排出，煤层的压力逐渐降低，煤层压力降低至解析压力时，煤层气开始解析，解析出的气体流动到井下套管中，通过管套环空产气。
进入排采中期后，煤层的压力下降到一定程度，产气量逐渐升高并保持稳定，产水量很低或不产水，产水量不稳定，泵入口吸入压力变低，螺杆泵3容易出现故障。
此时，可以采用第二种排采方式工作，依次关闭管套环空和杆管环空后，开启封堵结构4，改变排采方式后，井下的水和气体均通过抽油杆2内部的空间产出，与管套环空和杆管环空相比，抽油杆2内部的空间的横截面积较小，在产气量一定的情况下，可以获得较大的流速，可以由气体携带井下水将水排出，采出的水气混合物可进入气液分离装置分离。
使用抽油杆2内部的空间进行排采的过程中，如果产水量增加，可关闭抽油杆2，停止第二种排采方式，重新开启管套环空和杆管环空，使用第一种排采方式。
抽油杆2可以由短的空心抽油杆依次连接而成，也可以是连续油管和小油管，或其他具有内部通道的杆柱构成。
该螺杆泵设备能够采用两种排采方式，产水量较大时适用于第一种排采方式，产水量较小产气量较大时适用于第二种排采方式，可以根据产水量的变化选择合适的排采方式，两种排采方式可以实现连续转换，对井筒进行连续、稳定的降压排水。
该螺杆泵设备能够根据产水量选择合适的排采方式，改变排采方式后，通过抽油杆2内部的空间产气并排水，不需要提供动力，能够利用煤层气的能量进行排水。通过抽油杆2排采时，不需要螺杆泵3工作，能够避免螺杆泵3故障。该螺杆泵设备能够适应水量的变化，稳定可靠的工作。
具体的，在排采初期，需要封堵结构4使抽油杆2保持密封，螺杆泵设备以第一种排采方式工作，需要转换为第二种排采方式时，开启封堵结构4，可以向抽油杆2内部投入重物，重物落下时将以一定的速度冲击封堵结构4，使封堵结构4开启，重物可以为铁球或铁钎，封堵结构4可以为如下结构。
一种优选的实施方式中，封堵结构4包括封堵板41和护板42，封堵板41和护板42固设于抽油杆2的内壁；封堵板41设有冲击断裂部，以便向抽油杆2内部投入重物时，封堵板41能够沿冲击断裂部断裂并脱落；护板42位于封堵板41的下侧，能够避免物体落入井下。
该螺杆泵设备以第一种排采方式工作过程中，封堵板41能够密封抽油杆2下端，当产水量减少到一定程度，需要改变排采方式时，可以向抽油杆2内投入重物，封堵板41设有冲击断裂部，重物做自由落体运动，以一定速度撞击封堵板41时，封堵板41能够沿冲击断裂部断裂，并与重物一起脱落，开启封堵结构4。
位于封堵板41下侧的护板42的作用是防止物体落入井下，能够防止封堵板41和重物落入井下，护板42起到保护支架的作用，井下的水和气体可以通过护板42。
护板42的结构可以为部分圆板、具有孔洞的圆板、或者为支架式的结构。
具体的，如图3所示，冲击断裂部为封堵板41周部的环形的断裂凹槽43。当重物撞击封堵板41时，封堵板41可以沿其周部的断裂凹槽43断裂，断裂下来的封堵板41的中心部位与重物一同脱落。
优选地，封堵板41上下两侧的对应位置均设有断裂凹槽43。
根据应力集中的原理，利用断裂力学、冲击力学计算得到封堵板41的结构，具有断裂凹槽43的封堵板41具有一定的强度，在第一种排采方式时，能够保证抽油杆2的密封，同时，需要使用抽油杆2进行排采时，向抽油杆2内投入重物，重物冲击封堵板41时，能够将其冲下，沿断裂凹槽断裂，共同落到护板42上，打开环空，转换排采方式。
在上述实施方式中，封堵板41和/或护板42与抽油杆2的内部焊接。
封堵板41和护板42均固设在抽油杆2内部，封堵板41位于护板42上侧，二者相距一定的距离。
另一种优选的实施方式中，封堵结构4为设置在抽油杆2内的井下开关，井下开关关闭时封堵抽油杆2，井下开关能够被重物触发开启或关闭。
如图4所示，封堵结构4可以为井下开关，该井下开关具有关闭、开启两个状态，处于关闭状态时，封堵抽油杆2，需要转换排采方式时，向抽油杆2内投入重物，触动井下开关转化为开启状态，则构成抽油杆2排采的通道。
具体的，井下开关包括旋塞44及其配合结构45，配合结构45设于抽油杆2的内壁，具有与旋塞35配合的中心孔，重物触发旋塞44时，旋塞44能够转动一定角度，开启或关闭井下开关。
配合结构45设于抽油杆2的内部，配合结构45具有与旋塞44配合的中心孔，中心孔与旋塞44正常配合时，井下开关关闭，保持密封；当旋塞44转动一定角度时，能够开启井下开关；旋塞44再继续转动一定角度时，井下开关恢复到关闭状态。
旋塞44可以为具有孔并且可旋转的锥形栓塞，当旋塞44的孔正对着配合结构45的中心孔时，井下开关开启，流体就可通过；当旋塞44转动一定角度其孔完全被配合结构45挡住时，流体就不能通过，井下开关关闭。
一种具体的实施方式中，配合结构45的下侧具有楔形齿，旋塞44的下侧具有与楔形齿配合的凸块，重物触发旋塞44时，凸块能够沿楔形齿的斜面移动，以便使得旋塞44转动。
如图4所示，重物碰触旋塞44时，旋塞44向下移动，移动过程中，由于下侧的气体压力，使得旋塞44的凸块沿着楔形齿的斜面移动，使得旋塞44向下移动的同时绕自身的轴线转动，凸块移动到楔形齿的齿尖后，旋塞44停止下移，下侧的气体压力可以使得凸块沿楔形齿的另一侧斜面移动，移动到另一个楔形齿的齿底时停止转动，旋塞44刚好转过一定角度，井下开关被开启；重复上述动作，旋塞44继续转过一定角度时，可以关闭井下开关。
以上对本发明所提供的用于煤层气开采的螺杆泵设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于煤层气开采的螺杆泵设备，包括电机、油管(1)、抽油杆(2)和螺杆泵(3)；所述油管(1)的下部位于井下套管内，形成管套环空；所述抽油杆(2)的下部位于所述油管(1)内，形成杆管环空；所述螺杆泵(3)位于井下，其定子(31)设置在所述油管(1)的内壁，所述抽油杆(2)的下端连接所述螺杆泵(3)的转子(32)；所述电机位于地面上，并能够通过所述抽油杆(2)带动所述转子(32)转动；其特征在于，所述抽油杆(2)为中空结构，所述抽油杆(2)下端设有可开启的封堵结构(4)，以便依次关闭所述管套环空和所述杆管环空后，开启所述封堵结构(4)时，通过所述抽油杆(2)的内部排采。
2.如权利要求1所述的用于煤层气开采的螺杆泵设备，其特征在于，所述封堵结构(4)包括封堵板(41)和护板(42)，所述封堵板(41)和所述护板(42)固设于所述抽油杆(2)的内壁；所述封堵板(41)设有冲击断裂部，以便向所述抽油杆(2)内部投入重物时，所述封堵板(41)能够沿所述冲击断裂部断裂并脱落；所述护板(42)位于所述封堵板(41)的下侧，能够避免物体落入井下。
3.如权利要求2所述的用于煤层气开采的螺杆泵设备，其特征在于，所述冲击断裂部为所述封堵板(41)周部的环形的断裂凹槽(43)。
4.如权利要求3所述的用于煤层气开采的螺杆泵设备，其特征在于，所述封堵板(41)上下两侧的对应位置均设有所述断裂凹槽(43)。
5.如权利要求4所述的用于煤层气开采的螺杆泵设备，其特征在于，所述封堵板(41)和/或所述护板(42)与所述抽油杆(2)的内部焊接。
6.如权利要求1所述的用于煤层气开采的螺杆泵设备，其特征在于，所述封堵结构(4)为设置在所述抽油杆(2)内的井下开关，所述井下开关关闭时封堵所述抽油杆(2)，所述井下开关能够被重物触发开启或关闭。
7.如权利要求6所述的用于煤层气开采的螺杆泵设备，其特征在于，所述井下开关包括旋塞(44)及其配合结构(45)，所述配合结构(45)设于所述抽油杆(2)的内壁，具有与所述旋塞(44)配合的中心孔；所述重物触发所述旋塞(44)时，所述旋塞(44)能够转动一定角度，以便开启或关闭所述井下开关。
8.如权利要求7所述的用于煤层气开采的螺杆泵设备，其特征在于，所述配合结构(45)的下侧具有楔形齿，所述旋塞(44)的下侧具有与所述楔形齿配合的凸块，所述重物触发所述旋塞(44)时，所述凸块能够沿所述楔形齿的斜面移动，以便使得所述旋塞(44)转动。
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