CN104863548A - 一种自动间歇煤层气排水产气装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动间歇煤层气排水产气装置。包括安装在煤层气井井口的地面平台(5)，在地面平台(5)上设有用于排水和排气的阀门(4)以及管道，还设有密封装置(3)，在煤层气井的套管(6)内设有水管(7)；在水管(7)的下端通过上变扣(12)连接有泵筒(13)，在泵筒(13)的下端通过下变扣(14)安装有凡尔筛网丝堵组件(11)；还包括由牵引装置(1)牵引卷放的柔性杆(2)，柔性杆(2)经由密封装置(3)穿入泵筒(13)的内腔，在柔性杆(2)的底端安装有抽水活塞；所述柔性杆(2)的至少一部分为钢丝绳。本技术方案与现有技术中的排水产气装置相比具备成本优势，提升了生产效益。

Description

一种自动间歇煤层气排水产气装置

技术领域

本发明属于煤层气开发设备技术领域，尤其涉及一种自动间歇煤层气排水产气装置。

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，是近一二十年在国际上崛起的洁净优质能源和化工原料。煤层气俗称“瓦斯”，热值是通用煤的2-5倍，1m³纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5％-16％时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。因此，在采煤之前预先对煤层气进行开采，不仅能够将煤矿瓦斯爆炸率降低70％到85％，而且能够得到洁净能源、产生巨大的经济效益。

要将煤层气开采到地面得到充分利用，典型的排采理论为：必须通过排水降压的手段降低储层压力进行煤层气开采，产出的过程是一个复杂的降压-解析-扩散-渗流的过程。

在煤层气的开采过程中，确保煤层中的承压水稳步排出是煤层气井单井实现量产的重要保证，而煤层中承压水的排出直接反映在煤层气井套管液面的波动上。

目前大多数煤层气井参照石油开采设备而采用了游梁式抽水机进行排水的方案，游梁式抽水机主要由驴头、游梁、连杆、曲柄连杆机构、减速箱、动力设备和辅助设备等部分组成。工作时，动力设备输出的动力经变速箱和曲柄连杆机构变成驴头的上下运动，驴头经抽水杆带动井下抽水泵的柱塞上下运动，从而不断地把井中的水抽出井筒并排放掉。

然而，由于游梁式抽水机存在冲程冲次上的限制以及能源浪费大、设备不配套、空抽、检泵周期短等诸多问题，严重影响了煤层气井的正常排采，直接降低了煤层气的投资效益，故成为了煤层气商业化、规模开发的瓶颈。

与石油开采中的连续工作模式不同，煤层气井中的承压水进行连续外排是不必要的，承压水的压力需要保持供煤层气解析的动态平衡状态，上述平衡状态的维持在间歇式排水的模式下即可满足，因此采用具备间歇式工作模式的提捞式抽水设备取代传统游梁式抽水机成为了发展趋势。

中国发明专利201420164701.4的说明书中公开了这样一种自动间歇煤层气排水产气装置，结构上包括安装在井内的套管，在套管内安装有泵筒，泵筒的顶部和底部分别通过上变扣和下变扣与油管螺纹连接，在下变扣下部的油管上依次连接有凡尔、筛管和丝堵，在泵筒内安装有抽吸装置，抽吸装置包括与泵筒间隙配合的弹性活塞，弹性活塞通过柔性杆与带动柔性杆上下运行的往复驱动装置固定相连。通过往复驱动装置间歇式带动柔性杆卷放，进而带动抽吸装置的弹性活塞升降，将煤层气井的承压水抽取外排。

由于是直接将间歇提捞式抽油装置直接应用到煤层气的开发过程中，因此上述自动间歇煤层气排水产气装置存在如下的技术特点：

(1)柔性杆采用圆形截面的杆体，即钢丝绳外包橡胶层，在井上部分的地面平台上设置密封装置以保证柔性杆滑动时密封的可靠性；

(2)弹性活塞采用胀封式活塞，具体结构参见附图4；包括顶部带有连接头15的连接柱16，连接柱16的内端设有锥形部17，在锥形部17的中心固接有中心杆22，在中心杆22的外壁上开设有多个轴向延伸的凹槽23、在中心杆22的另一端设有螺纹部24、在中心杆22的杆体上依次套设有第一连接套19、膨胀套20和第二连接套21，三者采用螺纹连接的方式形成一个整体，在第一连接套19和第二连接套21两者的外端均设有锥形槽18。

上述结构的弹性活塞装置其工作过程为：当往复驱动装置间歇式带动柔性杆卷放，进而带动抽吸装置的弹性活塞上升时，第一连接套19、膨胀套20和第二连接套21三者形成的整体向连接柱16移动，通过锥形部17与锥形槽18的配合将凹槽23在轴向方向截断，上方承压水的下泄通路被阻断，弹性活塞继续上升时，泵筒13内的水压升高、膨胀套20膨胀而外径增大直至与泵筒13内壁挤压密封配合，进一步阻断上方承压水的下泄通路，弹性活塞继续上行时，将上方的承压水抽出、经由地面平台5的阀门4和管道排出。当弹性活塞下降时，第一连接套19、膨胀套20和第二连接套21三者形成的整体向中心杆22的另一端移动，将凹槽23打开，下方的承压水可以沿凹槽23上升到弹性活塞上方，如此循环往复间歇动作，不断将承压水排出煤层气井之外。

上述结构的排水产气装置存在如下缺陷：(1)与抽油装置不同，抽油装置采用钢丝绳外包橡胶层结构的柔性杆以及密封的作用是充分防止石油经由密封处泄露，石油泄露会对周边环境造成危害，同时造成资源的浪费，而排水产气装置抽取和排放的是水，即使泄露也不会对周边环境造成污染，也不会造成资源浪费，故此时采用特殊结构的柔性杆以及密封装置并无必要，会导致成本的提高；(2)由于膨胀套20通常采用聚氨酯材质制作，该材质本身耐磨性能较差，在长时间的工作过程中由于与泵筒13内壁存在摩擦而容易损坏失效，此时必须定时对膨胀套20进行更换，而对于上述深入地下的弹性活塞来说，膨胀套20的更换是十分繁琐不便的。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种结构简单、运行成本低的自动间歇煤层气排水产气装置。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种自动间歇煤层气排水产气装置包括安装在煤层气井井口的地面平台，在地面平台上设有用于排水和排气的阀门以及管道，还设有密封装置，在煤层气井的套管内设有水管；在水管的下端通过上变扣连接有泵筒，在泵筒的下端通过下变扣安装有凡尔筛网丝堵组件；还包括由牵引装置牵引卷放的柔性杆，柔性杆经由密封装置穿入泵筒的内腔，在柔性杆的底端安装有抽水活塞；所述柔性杆的至少一部分为钢丝绳。

优选地：抽水活塞包括串联连接的多个活塞单元，在柔性杆的下端固接有吊接端头，最上方的活塞单元挂接连接在吊接端头上。

优选地：活塞单元包括上端和下端分别带有上扶正器和下扶正器的中心杆，在上扶正器的上端设有上连接头，在下扶正器的下端设有下连接头；在中心杆的杆体上套设有上端和下端分别带有上夹套和下夹套的套筒，在套筒的外壁上环抱有多个抱片，抱片的上下两端均收缩并分别嵌入上夹套与套筒之间的空间以及下夹套与套筒之间的空间；在抱片上下两端的外缘均设有凸棱，在上夹套和下夹套的内壁上均设有环形槽，凸棱嵌入环形槽内；在上夹套的顶部圆周设有多个缺口。

优选地：上连接头包括与上扶正器固接的杆体以及成型在杆体顶部的球体，下连接头包括与下扶正器固接的柱体，在柱体的底部开设有供上连接头的球体落入的球室以及供上连接头的杆体横向嵌入的槽口。

优选地：所述抱片为聚四氟乙烯材质。

优选地：在套筒的中部还套设有将各抱片撑开的O型圈，在各抱片内内壁的中部设有一体成型的凸台，在凸台的中部设有环形槽，O型圈嵌入该环形槽内。

本发明的优点和积极效果是：

本发明提供了一种结构设计简单合理的自动间歇煤层气排水产气装置，本技术方案针对地面平台少量泄露煤层气井承压水不会破坏周围环境以及不会造成资源浪费的特点，通过设置柔性杆至少一部分为钢丝绳材质，与外包橡胶层的柔性杆相比，降低了系统成本。

将活塞单元中部的活动机构设计为由套筒、上夹套、下夹套以及多个抱片组成，与现有的排水产气装置采用膨胀套部件相比，实现了通过抱片之间的间隙式胀缩配合达到与泵筒内壁之间近似密封的技术效果。

与抽油装置要求活塞单元与泵筒之间全密封的要求不同，煤层气排水产气装置的活塞单元容许少量承压水经由活塞单元重新下泄到下方，故采用上述间隙式抱片的结构是合理的。间隙胀缩的动作模式与胀封的动作模式相比，上述抱片可以具备更大的刚度以及选用耐磨特性更强的材料制作，这样在活塞单元长时间的运转过程中，抱片更能承受住泵筒内壁的摩擦作用，使用寿命延长，无需进行频繁的部件更换和养护，因此运行和维护的成本也降低了。

通过采用多级活塞单元串联连接，能够有效降低在每次提拉抽水的过程中经由活塞单元下泄漏失的承压水量。

通过设置上连接头和下连接头为杆体顶部带有球体以及柱体底部带有球室和槽口的结构形式，提升了多级活塞单元逐级串联挂接操作的便捷性，十分容易进行抽水活塞的拆装。

附图说明

图1是本发明的主视剖视结构示意图；

图2是图1中活塞单元的主视结构示意图；

图3是图2中活塞单元中部的剖视结构示意图；

图4是现有技术中弹性活塞的主视半剖结构示意图。

图中：1、牵引装置；2、柔性杆；3、密封装置；4、阀门；5、地面平台；6、套管；7、水管；8、吊接端头；9、活塞单元；9-1、上连接头；9-2、上扶正器；9-3、中心杆；9-4、缺口；9-5、上夹套；9-6、抱片；9-7、下夹套；9-8、下扶正器；9-9、下连接头；9-10、O型圈；9-11、凸台；9-12、套筒；10、配重杆；11、凡尔筛管丝堵组件；12、上变扣；13、泵筒；14、下变扣；15、连接头；16、连接柱；17、锥形部；18、锥形槽；19、第一连接套；20、膨胀套；21、第二连接套；22、中心杆；23、凹槽；24、螺纹部。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例详细说明如下：

请参见图1，本发明包括安装在煤层气井井口的地面平台5和位于煤层气井套管6内的水管7，在地面平台5上设有用于排水和排气的阀门4以及管道，还包括密封装置3，其中排气阀门及排气管道用于产气、排水阀门及排水管道用于排水。

在水管7的下端通过上变扣12连接有泵筒13，在泵筒13的下端通过下变扣14安装有凡尔筛网丝堵组件11，其中凡尔作为防止承压水回流的单向阀元件、筛管用于滤除承压水中含有的大粒径杂质、丝堵用于防止管道的泄露，起到密封的作用。

还包括由牵引装置1牵引卷放的柔性杆2，柔性杆2经由密封装置3穿入泵筒13的内腔。牵引装置1可以是间歇式提捞装置，包括机架、减速电机、卷筒、刹车装置等结构，通过往复卷放柔性杆2实现对井内活塞的提拉和下方。柔性杆2与密封装置3配合实现柔性杆2滑动时的密封，防止水管7内抽取的承压水在密封装置3处大量泄漏，迫使承压水经由阀门4和排水管道排出。

柔性杆2至少有一部分为钢丝绳材质，优选为整条柔性杆2均为钢丝绳材质。钢丝绳材质与外包橡胶层的柔性杆2相比具备极大的成本优势。由此，密封装置3的结构也可以进行简化，由严格保证与外包橡胶层的柔性杆2配合以避免泄漏到容许存在一定的漏失，此处降低了密封装置3的复杂程度，也就进一步降低了系统的成本，即直接降低了排水产气装置的安装成本以及后期运行维护的成本。

在泵筒13内设有串联连接的多个活塞单元9，多个活塞单元9构成完整的抽水活塞，选取多个进行串联连接的好处是能够有效降低在每次提拉抽水的过程中经由活塞单元9下泄漏失的承压水量，提升排水产气的效率。本实施例中，可以在柔性杆2的下端固接设置吊接端头8，最上方的活塞单元9挂接连接在吊接端头8上，该吊接端头8作为一种快捷接头能够提升抽水活塞安装的便捷性。还可以为抽水活塞设置配重杆10，以提升抽水活塞沿泵筒13下行时的快速性和稳定性。

图2是活塞单元9的结构示意图，可以看出：活塞单元9包括上端和下端分别带有上扶正器9-2和下扶正器9-8的中心杆9-3，在上扶正器9-2的上端设有上连接头9-1，在下扶正器9-8的下端设有下连接头9-9；在中心杆9-3的杆体上套设有上端和下端分别带有上夹套9-5和下夹套9-7的套筒9-12，在套筒9-12的外壁上环抱有多个抱片9-6，抱片9-6的上下两端均收缩并分别嵌入上夹套9-5与套筒9-12之间的空间以及下夹套9-7与套筒9-12之间的空间；在抱片9-6上下两端的外缘均设有凸棱，在上夹套9-5和下夹套9-7的内壁上均设有环形槽，凸棱嵌入环形槽内；在上夹套9-5的顶部圆周设有多个缺口9-4。

各抱片9-6共同构成一个周向带有多个间隙的胀缩套，本实施例中抱片9-6采用如聚四氟乙烯等材质制作，以提升与泵筒13内壁之间摩擦接触时的耐磨性，延长使用寿命。

在套筒9-12的中部还套设有将各抱片9-6撑开的O型圈9-10，在各抱片9-6内内壁的中部设有一体成型的凸台9-11，在凸台9-11的中部设有环形槽，O型圈9-10嵌入该环形槽内。

为了便于各级活塞单元9依次串联连接，本实施例中可以将其上下的连接头设置为快速接头形式，具体地：上连接头9-1包括与上扶正器9-2固接的杆体以及成型在杆体顶部的球体，下连接头9-9包括与下扶正器9-8固接的柱体，在柱体的底部开设有供上连接头9-1的球体落入的球室以及供上连接头9-1的杆体横向嵌入的槽口。具体操作是：手持下一个活塞单元9的上接头9-1，将该上连接头9-1的球体和杆体经由上一个活塞单元9的下连接头9-9的槽口横向嵌入，再使球体落入球室内，即完成两级活塞单元9的挂接串联连接。

各抱片9-6完全撑开后其外壁与泵筒13内壁之间的距离为0.07mm至1mm。

工作过程：牵引装置1的减速机控制其卷筒转动，将柔性杆2即钢丝绳放卷，在重力作用下，各级活塞单元9构成的抽水活塞沿泵筒13下行，此时各级活塞单元9中部的活动机构相对地移动到上方、各抱片9-6处于相对收缩状态，由凡尔封在泵筒13内的承压水经由抱片9-6与泵筒13内壁之间的空隙以及抱片9-6之间的间隙上行。底部的活塞单元9移动到泵筒13的底部后，牵引装置1的减速机反转控制其卷筒回转，柔性杆2即钢丝绳重新卷绕在卷筒上，抽水活塞沿泵筒13上行，此时各级活塞单元9中部的活动机构相对地移动到下方、下夹套9-7的底部与下扶正器9-8的上表面接触，各抱片9-6在上方水压的作用下处于相对胀开的状态，与泵筒13的内壁之间形成一定的密封，抽水活塞继续上行时，其上方的承压水被抽取向上，到达地面平台5后经由阀门4和排水管道排出。

可以在煤层气井下安装承压水的压力传感器，将压力信息传递给地面的控制器，控制器根据该压力信息按照预设规则定时间歇响应排水。

Claims (6)

1.一种自动间歇煤层气排水产气装置，包括安装在煤层气井井口的地面平台(5)，在地面平台(5)上设有用于排水和排气的阀门(4)以及管道，还设有密封装置(3)，在煤层气井的套管(6)内设有水管(7)；其特征在于：在水管(7)的下端通过上变扣(12)连接有泵筒(13)，在泵筒(13)的下端通过下变扣(14)安装有凡尔筛网丝堵组件(11)；还包括由牵引装置(1)牵引卷放的柔性杆(2)，柔性杆(2)经由密封装置(3)穿入泵筒(13)的内腔，在柔性杆(2)的底端安装有抽水活塞；所述柔性杆(2)的至少一部分为钢丝绳。

2.如权利要求1所述的自动间歇煤层气排水产气装置，其特征在于：抽水活塞包括串联连接的多个活塞单元(9)，在柔性杆(2)的下端固接有吊接端头(8)，最上方的活塞单元(9)挂接连接在吊接端头(8)上。

3.如权利要求2所述的自动间歇煤层气排水产气装置，其特征在于：活塞单元(9)包括上端和下端分别带有上扶正器(9-2)和下扶正器(9-8)的中心杆(9-3)，在上扶正器(9-2)的上端设有上连接头(9-1)，在下扶正器(9-8)的下端设有下连接头(9-9)；在中心杆(9-3)的杆体上套设有上端和下端分别带有上夹套(9-5)和下夹套(9-7)的套筒(9-12)，在套筒(9-12)的外壁上环抱有多个抱片(9-6)，抱片(9-6)的上下两端均收缩并分别嵌入上夹套(9-5)与套筒(9-12)之间的空间以及下夹套(9-7)与套筒(9-12)之间的空间；在抱片(9-6)上下两端的外缘均设有凸棱，在上夹套(9-5)和下夹套(9-7)的内壁上均设有环形槽，凸棱嵌入环形槽内；在上夹套(9-5)的顶部圆周设有多个缺口(9-4)。

4.如权利要求3所述的自动间歇煤层气排水产气装置，其特征在于：上连接头(9-2)包括与上扶正器(9-2)固接的杆体以及成型在杆体顶部的球体，下连接头(9-9)包括与下扶正器(9-8)固接的柱体，在柱体的底部开设有供上连接头(9-2)的球体落入的球室以及供上连接头(9-2)的杆体横向嵌入的槽口。

5.如权利要求4所述的自动间歇煤层气排水产气装置，其特征在于：所述抱片(9-6)为聚四氟乙烯材质。

6.如权利要求4所述的自动间歇煤层气排水产气装置，其特征在于：在套筒(9-12)的中部还套设有将各抱片(9-6)撑开的O型圈(9-10)，在各抱片(9-6)内内壁的中部设有一体成型的凸台(9-11)，在凸台(9-11)的中部设有环形槽，O型圈(9-10)嵌入该环形槽内。