CN104763621A - 一种用于煤层气开采的有杆泵设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于煤层气开采的有杆泵设备，包括抽油机、油管、抽油杆和有杆泵；油管设置在井下套管内，有杆泵包括相配合的泵筒和柱塞，泵筒位于油管的下端并与油管连通，泵筒的底部和柱塞的底部均设有游动阀，柱塞的上壳体具有连通孔；抽油机位于地面上，并能够通过抽油杆带动柱塞做往复运动；抽油杆为中空结构，抽油杆与柱塞的连接处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，通过抽油杆内部排采。该有杆泵设备能够采用两种排采方式，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。

Description

一种用于煤层气开采的有杆泵设备

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有杆泵设备。

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有杆泵设备，由地面上的抽油机通过抽油杆带动井下的抽油泵工作，将井筒内的水排出至地面。随着产水量的降低，产气量的升高，出现杆管偏磨、动力消耗大等情况。

另外，由于产水量是变化的，有杆泵设备的排水量变化范围小，不适应煤层气井在生产过程中地层出水量的变化，需要频繁调整其工作参数，并频繁修井，不但经济性不好，而且很难满足连续、稳定降压排水的要求，影响了煤层气的开采效率。

因此，如何设计一种水量变化时，能够连续、稳定降压排水的有杆泵设备，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一种用于煤层气开采的有杆泵设备，该有杆泵设备的开采效率较高，能够适应水量变化，对井筒连续、稳定降压排水。

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有杆泵设备，包括抽油机、油管、抽油杆和有杆泵；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；所述有杆泵包括相配合的泵筒和柱塞，所述泵筒位于所述油管的下端并与所述油管连通，所述泵筒的底部和所述柱塞的底部均设有游动阀，所述柱塞的上壳体具有连通孔；所述抽油机位于地面上，并能够通过所述抽油杆带动所述柱塞做往复运动；所述抽油杆为中空结构，所述抽油杆与所述柱塞的连接处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，所述柱塞的上壳体的所述连通孔设有单向阀，所述单向阀向所述柱塞外侧单向连通。

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在所述抽油杆的内壁；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有杆泵设备，包括抽油机、油管、抽油杆和有杆泵；油管设置在井下套管内，有杆泵包括相配合的泵筒和柱塞，泵筒位于油管的下端并与油管连通，泵筒的底部和柱塞的底部均设有游动阀，柱塞的上壳体具有连通孔；抽油机位于地面上，并能够通过抽油杆带动柱塞做往复运动；抽油杆为中空结构，抽油杆与柱塞的连接处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，通过抽油杆的内部排采。

该有杆泵设备中，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，抽油机通过抽油杆带动柱塞往复运动。柱塞上行时，柱塞底部的游动阀受柱塞上方液柱压力处于关闭状态，油管上方的液体排出，柱塞下部空间的压力降低，泵筒底部的游动阀受井筒周围压力作用打开，泵筒内部进入液体；柱塞下行时，泵筒内液体受压，柱塞底部的游动阀打开，泵筒底部的游动阀关闭，柱塞下部的液体进入柱塞上部空间。有杆泵工作时，通过杆管环空产水，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，会出现杆管偏磨的现象，同时对动力设备的动力消耗较大。此时，依次关闭管套环空和杆管环空，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。

该有杆泵设备能够采用两种排采方式，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，不需要抽油杆运动，从而能够避免杆管偏磨的现象。

附图说明

图1为本发明所提供的用于煤层气开采的有杆泵设备一种具体实施方式的结构示意图；

图2为图1中所示的有杆泵设备的井下套管的局部放大示意图；

图3为图2中所示的有杆泵设备一种具体实施方式的工作过程示意图；

图4为图2中所示的有杆泵设备另一种具体实施方式的工作过程示意图；

图5为图2所示的有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6为图2所示的有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6中的附图标记和部件名称之间的对应关系如下：

抽油机1；油管2；杆管环空23；管套环空25；

抽油杆3；封堵结构31；封堵板32；护板33；断裂凹槽34；旋塞35；配合结构36

有杆泵4；泵筒41；柱塞42；单向阀43；井下套管5。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于煤层气开采的有杆泵设备，该有杆泵设备的开采效率较高，能够适应水量变化，对井筒连续、稳定降压排水。

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6，图1为本发明所提供的用于煤层气开采的有杆泵设备一种具体实施方式的结构示意图，图2为图1中所示的有杆泵设备的井下套管的局部放大示意图，图3为图2中所示的有杆泵设备一种具体实施方式的工作过程示意图，图4为图2中所示的有杆泵设备另一种具体实施方式的工作过程示意图，图5为图2所示的有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6为图2所示的有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有杆泵设备，包括抽油机1、油管2、抽油杆3和有杆泵4；油管2的下部位于井下套管5内，形成管套环空25；抽油杆3的下部位于油管2内，形成杆管环空23；有杆泵4包括相配合的泵筒41和柱塞42，泵筒41位于油管2的下端并与油管2连通，泵筒41的底部和柱塞42的底部均设有游动阀，柱塞42的上壳体具有连通孔；抽油机1位于地面上，并能够通过抽油杆3带动柱塞42做往复运动；抽油杆3为中空结构，抽油杆3与柱塞42的连接处设有可开启的封堵结构31，以便依次关闭管套环空25和杆管环空23后，开启封堵结构31时，通过抽油杆3的内部排采。

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。

如图1和图2所示，该有杆泵设备中，井下套管5和油管2之间形成管套环空25，油管2和抽油杆3之间形成杆管环空23，抽油杆3内部为中空结构，井下套筒5内具有三个通道。

该设备工作初期，该有杆泵设备采用第一种排采方式工作，抽油杆3的下端被封堵结构31封闭，抽油机1通过抽油杆3带动柱塞42往复运动。

上冲程：柱塞42上行，柱塞42底部的游动阀受柱塞42上方液柱压力处于关闭状态，油管2上方的液体排出，柱塞42下部空间的压力降低，泵筒41底部的游动阀受井筒周围压力作用打开，泵筒41内部进入液体；

下冲程：柱塞42下行，泵筒41内液体受压，柱塞42底部的游动阀打开，泵筒41底部的游动阀关闭，柱塞42下部的液体经柱塞42底部的游动阀和上壳体的连通孔进入柱塞42上部空间。

随着抽油机1的动作，通过抽油杆3带动柱塞42重复上述动作，通过杆管环空23产水，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5中，通过管套环空25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，会出现杆管偏磨的现象，同时对动力设备的动力消耗较大。

此时，依次关闭管套环空25和杆管环空23，开启封堵结构31，改变排采方式，则井下的水和气体将均通过抽油杆3内部的空间产出，与管套环空25和杆管环空23相比，抽油杆3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3产气排水。

抽油杆3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。

该有杆泵设备能够采用两种排采方式，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3内部的空间排采，不需要动力，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3排采时，不需要抽油杆3运动，从而能够避免杆管偏磨的现象。

具体的，柱塞42上壳体的连通孔可以设置单向阀43，单向阀43向柱塞42外侧单向连通。

图3为未设单向阀43的柱塞42上冲程过程中的示意图，图4为设有单向阀43的柱塞42下冲程过程中的示意图，其中，图3和图4均为示出井下套管5。

上冲程时，抽油杆3与柱塞42上行，单向阀43关闭，柱塞42上侧的液体不能够进入柱塞42，泵筒41底部的游动阀打开，井底的液体被吸入泵筒41内；

下冲程时，抽油杆3及柱塞42下行，柱塞42底部的游动阀与单向阀43打开，泵筒41底部的游动阀关闭，泵筒41内的水流经柱塞42底部的游动阀，上壳体的单向阀43进入柱塞42内部，也就是杆管环空23。

具体的，在排采初期，需要封堵结构31使抽油杆3保持密封，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31，可以向抽油杆3内部投入重物，重物落下时将以一定的速度冲击封堵结构31，使封堵结构31开启，重物可以为铁球或铁钎，封堵结构31可以为如下结构。

一种优选的实施方式中，封堵结构31包括封堵板32和护板33，封堵板32和护板33固设于抽油杆3的内壁；封堵板32设有冲击断裂部，以便向抽油杆3内部投入重物时，封堵板32能够沿冲击断裂部断裂并脱落；护板33位于封堵板32的下侧，能够避免物体落入井下。

该煤层气开采设备以第一种排采方式工作过程中，封堵板32能够密封抽油杆3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3内投入重物，封堵板32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32时，封堵板32能够沿冲击断裂部断裂，并与重物一起脱落，开启封堵结构31。

位于封堵板32下侧的护板33的作用是防止物体落入井下，能够防止封堵板32和重物落入井下，护板33起到保护支架的作用，井下的水和气体可以通过护板33。

护板33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5所示，冲击断裂部为封堵板32周部的环形的断裂凹槽34。当重物撞击封堵板32时，封堵板32可以沿其周部的断裂凹槽34断裂，断裂下来的封堵板32的中心部位与重物一同脱落。

优选地，封堵板32上下两侧的对应位置均设有断裂凹槽34。

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32的结构，具有断裂凹槽34的封堵板32具有一定的强度，在第一种排采方式时，能够保证抽油杆3的密封，同时，需要使用抽油杆3进行排采时，向抽油杆3内投入重物，重物冲击封堵板32时，能够将其冲下，沿断裂凹槽断裂，共同落到护板33上，打开环空，转换排采方式。

在上述实施方式中，封堵板32和/或护板33与抽油杆3的内部焊接。

封堵板32和护板33均固设在抽油杆3内部，封堵板32位于护板33上侧，二者相距一定的距离。护板33可以为不封堵抽油杆3，并且能够避免物体落入井下的结构。

另一种优选的实施方式中，封堵结构31为设置在抽油杆3内的井下开关，井下开关关闭时封堵抽油杆3，井下开关能够被重物触发开启或关闭。

如图6所示，封堵结构31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3，需要转换排采方式时，向抽油杆3内投入重物，触动井下开关转化为开启状态，则构成抽油杆3排采的通道。

具体的，井下开关包括旋塞35及其配合结构36，配合结构36设于抽油杆3的内壁，具有与旋塞35配合的中心孔；重物触发旋塞35时，旋塞35能够转动一定角度，改变井下开关的状态。

配合结构36设于抽油杆3的内部，配合结构36具有与旋塞35配合的中心孔，中心孔与旋塞35正常配合时，井下开关关闭，保持密封；当旋塞35转动一定角度时，能够开启井下开关；旋塞35再继续转动一定角度时，井下开关恢复到关闭状态。

旋塞35可以为具有孔并且可旋转的锥形栓塞，当旋塞35的孔完全被配合结构36挡住时，流体就不能通过，井下开关关闭；当旋塞35转动一定角度，旋塞35的孔正朝着配合结构36的中心孔时，井下开关开启，流体就可通过。在该设备中，只需开启井下开关。

一种具体的实施方式中，配合结构36的下侧具有楔形齿，旋塞35的下侧具有与楔形齿配合的凸块，重物触发旋塞35时，凸块能够沿楔形齿的斜面移动，以便使得旋塞35转动。

如图6所示，重物碰触旋塞35时，旋塞35向下移动，移动过程中，由于下侧的气体压力，使得旋塞35的凸块沿着楔形齿的斜面移动，使得旋塞35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35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，移动到另一个齿底时停止转动，旋塞35刚好转过一定角度，井下开关被开启；重复上述动作，旋塞35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有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 (9)

1.一种用于煤层气开采的有杆泵设备，包括抽油机(1)、油管(2)、抽油杆(3)和有杆泵(4)；所述油管(2)的下部位于井下套管(5)内，形成管套环空(25)；所述抽油杆(3)的下部位于所述油管(2)内，形成杆管环空(23)；所述有杆泵(4)包括相配合的泵筒(41)和柱塞(42)，所述泵筒(41)位于所述油管(2)的下端并与所述油管(2)连通，所述泵筒(41)的底部和所述柱塞(42)的底部均设有游动阀，所述柱塞(42)的上壳体具有连通孔；所述抽油机(1)位于地面上，并能够通过所述抽油杆(3)带动所述柱塞(42)做往复运动；其特征在于，所述抽油杆(3)为中空结构，所述抽油杆(3)与所述柱塞(42)的连接处设有可开启的封堵结构(31)，以便依次关闭所述管套环空(25)和所述杆管环空(23)后，开启所述封堵结构(31)时，通过所述抽油杆(3)的内部排采。

2.如权利要求1所述的用于煤层气开采的有杆泵设备，其特征在于，所述柱塞(42)的上壳体的所述连通孔设有单向阀(43)，所述单向阀(43)向所述柱塞(42)外侧单向连通。

3.如权利要求1或2所述的用于煤层气开采的有杆泵设备，其特征在于，所述封堵结构(31)包括封堵板(32)和护板(33)，所述封堵板(32)和所述护板(33)固设于在所述抽油杆(3)的内壁；所述封堵板(32)设有冲击断裂部，以便向所述抽油杆(3)内部投入重物时，所述封堵板(32)能够沿所述冲击断裂部断裂并脱落；所述护板(33)位于所述封堵板(32)的下侧，能够避免物体落入井下。

4.如权利要求3所述的用于煤层气开采的有杆泵设备，其特征在于，所述冲击断裂部为所述封堵板(32)周部的环形的断裂凹槽(34)。

5.如权利要求4所述的用于煤层气开采的有杆泵设备，其特征在于，所述封堵板(32)上下两侧的对应位置均设有所述断裂凹槽(34)。

6.如权利要求5所述的用于煤层气开采的有杆泵设备，其特征在于，所述封堵板(32)和/或所述护板(33)与所述抽油杆(3)的内部焊接。

7.如权利要求1或2所述的用于煤层气开采的有杆泵设备，其特征在于，所述封堵结构(31)为设置在所述抽油杆(3)内的井下开关，所述井下开关关闭时封堵所述抽油杆(3)，所述井下开关能够被重物触发开启或关闭。

8.如权利要求7所述的用于煤层气开采的有杆泵设备，其特征在于，所述井下开关包括旋塞(35)及其配合结构(36)，所述配合结构(36)设于所述抽油杆(3)的内壁，具有与所述旋塞(35)配合的中心孔；所述重物触发所述旋塞(35)时，所述旋塞(35)能够转动一定角度，以便开启或关闭所述井下开关。

9.如权利要求8所述的用于煤层气开采的有杆泵设备，其特征在于，所述配合结构(36)的下侧具有楔形齿，所述旋塞(35)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(35)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(35)转动。