CN106522892A - 液力投捞式排砂排煤粉采气装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液力投捞式排砂排煤粉采气装置及方法。该采气装置包括顺序连通的地面装置，连接装置和井底装置，所述地面装置包括罐身设置有流体进口和流体出口的沉淀罐、分别与之出口和进口连通的地面管道和返液管，以及与下述井口装置连通的采气管；所述连接装置包括井口装置、搭置于井口装置的动力液管和混合液管；所述井底装置包括与动力液管和混合液管均连通的正循环反向喷射射流泵；其中，所述地面动力液管道和返液管通过井口装置分别与动力液管和混合液管连通；所述混合液管套在动力液管外面。本发明针对于目前单平台多井的煤层气井的情况，可以实现泵组并联，共享动力液管道、气液分离、沉淀罐，降低成本，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及钻井与煤层气开采技术领域，主要涉及煤层气采集设备领域，具体涉及液力投捞式排砂排煤粉采气装置及方法。
背景技术
煤层气是煤在生成过程中的一种伴生物，是一种具有很高价值的优质的清洁能源，随着对环保的日益重视，煤层气的开采得到更多人的关注，在我国，煤层气已被纳入推动能源生产和消费革命的重要载体。
煤层气的开采在我国已经有很长一段时间，从石油开采的方式移植过来的煤层气开采方式有着自身的发展规律。随着技术积累和进步，煤层气井逐渐由直井、斜井向定向井、水平井的方向发展。同时受控于国家土地政策和成本的需求，单井井场越来越不能满足要求，而平台式的多井、从式井模式受到了行业的青睐。
在煤层气的开采过程中，需要排水采气降低井底压力，当压力降低至煤层气的解析压力时，煤层气析出后进入井筒，随后被采集地面管网。由于煤层气解析的特殊性，要求排水稳定可靠。同时降低井底压力时，地层水也会流入井底，煤层内的煤粉和压裂砂也会流入井底。煤粉和压裂砂会导致埋没采气管柱，堵塞采气通道，因此需要把煤粉和压裂砂排到地面，因此煤层气井排采作业的核心任务之一为煤粉管理。排水采气设备主要为移植采油设备，通常为有杆抽油系统在，而在煤层气井排采现场应用中，有杆泵在前期排采中能排出少量的煤粉，但在稳产及后期的低排量条件下，却无法有效地排出煤粉。而煤粉质量分数超标是导致卡泵停机的主要原因，井筒中的煤粉引起卡泵，进而需要修井作业、严重影响了煤层气井的连续生产。而大斜度井、定向井、水平井的兴起，又给有杆泵系统带来了管杆偏磨的问题，增加了生产检修成本。
煤层气井的开采需要连续对煤层气井进行排水采气管理，导致需要大量人员进行不间断管理，人工成本越来越高，因此对远程控制，自动控制，甚至智能控制提出了需求。
常规的井底排采技术为有杆泵技术，通过抽油驱动杆驱动井底设备进行排水采气。适用于直井。现在煤层气井多采用从式井，水平井，如果采用常规有杆泵技术，在造斜段将会造成抽油驱动杆与套管的偏磨，设备需经常维护，因此常规有杆排采设备并不适用于有造斜段的煤层气井排采。
目前常用的排采设备包括电动潜油螺杆泵和活塞泵。
电动潜油螺杆泵是一种成熟的井底无杆排采设备。它是由多级潜油电动机、螺杆泵、减速齿轮等主要部件构成，通过地面变频器进行排量控制，由电动机驱动螺杆泵进行工作。螺杆泵主要由定子和转子组成，定子是一个内部带螺旋型的橡胶套钢管组成；转子是一根适应定子螺旋的金属螺杆。在定转子之间形成密封腔体，当转子在电动机驱动下选择时，螺旋腔体就会从一端移动向另一端，产生泵的作用。从井底吸入的地层液就会随着腔体的螺旋移动向泵口排出，并经油管输送到地面。电动潜油螺杆泵的排量可达10-150m3/D，扬程900-2200m，适用于砂粒直径小于0.1mm，地层液含砂小于3％，温度小于150℃的工作环境。
电动潜油螺杆泵结构简单，与有杆泵相比，电动潜油螺杆泵能节能30％-60％，而且排采连续平稳，无脉动冲击现象，可达90％的高效率。适用和维护简单，运行成本低。
活塞泵是一种利用液力驱动的无杆抽油设备，由地面液压站提供高压动力，经连接装置和油管送入井底活塞泵，活塞泵在井底做往复活塞运动，抽吸地层液并挤压地层液排到地面。分为动力液与产出液混合的开式循环泵和动力液不与产出液混合的闭式循环泵，液压驱动液多为油基和水基两种，也可利用液力进行投捞，活塞换向可在井底换向，也可在地面驱动液进行换向。活塞具有大的能耗产出比，生产效率高的特点。
发明内容
本发明解决的技术问题是：现有技术中常用的排采设备仍需改进，例如：针对电动潜油螺杆泵，由于螺杆泵的结构限制，当地层液温度较高，地层液含砂和煤粉较高时，将会严重影响螺杆泵定子橡胶的使用寿命。同时电动潜油螺杆泵不适合排量小于10m3/D的情况，由于排量低，排出的地层液流速也低，不足以对电动机进行冷却，易造电动机故障。因此不适用于煤层气井的后期排采作业。针对活塞泵，由于煤层气井的地层液含有煤粉或压裂砂等小直径固体颗粒，导致活塞泵缸体磨损快，工作一段时间后内部泄漏大；由于地层液含有游离气，易在活塞内形成气锁导致工作效率下降，形成维护成本高，维护次数多的特性。因此活塞泵应用于煤层气井的排水采气还有待与进一步改进。
本发明的目的是解决煤层气井完井后的自动排水采气问题。目前煤层气井多为大斜度井、定向井、水平井。排采初期排水量一般为20m3/D，根据井矿不同，每日液面降低1m-5m，同时排水量逐渐减小，一年后排水量达到1m3/D。排采时液体一般含煤粉1-2％，高峰段是煤粉含量高达8-9％。液体投捞式自动控制排砂排煤粉系统能满足排采情况变化大的要求。同时该系统对高悬浮、高粘度的液体同样有很好的效果。通过调整地面高压动力液的输出，常规装置能实现1-70m3/D排量的调节。针对于目前单平台多井的煤层气井的情况，可以实现泵组并联，共享动力液管道、气液分离、沉淀罐，降低成本。利用流量控制设备实现单井自动控制排采。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种液力投捞式排砂排煤粉采气装置，包括地面装置、连接装置和井底装置。地面装置提供满足要求的动力液，控制单井动力液的需求量，实现返回液的气液分离，固相沉淀，采集生产需求的各类参数。连接装置提供地面动力液与井底装置的通道，实现液力通道的交换。井底装置为排水产气装置，按照排采工艺实现排出定量的地层液或井底压力的设定值降压。
具体来说，针对现有技术的不足，本发明提供了如下技术方案：
一种液力投捞式排砂排煤粉采气装置，包括顺序连通的地面装置，连接装置和井底装置，其特征在于，所述地面装置包括罐身设置有流体进口和流体出口的沉淀罐1、分别与之流体出口和流体进口连通的地面管道和返液管12，以及与下述井口装置11连通的采气管14；所述连接装置包括井口装置11、悬挂于井口装置11内的动力液管16和混合液管15；所述井底装置包括与动力液管16和混合液管15均连通的正循环反向喷射射流泵17；其中，所述地面管道和返液管12通过井口装置11分别与动力液管16和混合液管15连通；所述混合液管15套在动力液管16外面或与动力液管16并排设置。
优选的，上述采气装置中，所述沉淀罐1内设置有多级隔板槽，所述流体出口设置在流体流经的最后一级隔板槽处。
优选的，上述采气装置中，所述正循环反向喷射射流泵17包括泵筒25和泵芯，所述泵芯内设置有动力液流道、地层液流道和混合液流道，所述动力液流道入口与动力液管16下端连通，所述混合液流道出口与所述混合液管15下端连通；
其中，所述动力液流道沿动力液流向依次设置有：与所述动力液管16连通的起始段流道511、沿所述泵筒筒壁设置的引流段流道514和压力腔515，所述压力腔515在与起始段流道511中流体流向相反的一端设置有喷嘴29。
优选的，在所述引流段流道514处，泵筒作为流道管壁的一部分，与泵芯配合形成引流段流道514。
优选的，上述采气装置中，所述混合液流道沿流体流向依次设置有喉管28、扩散管27和出口段混合液流道，所述喉管28与喷嘴29连通，所述喉管28中流体流向与起始段流道511中流体流向相反；所述出口段混合液流道中流体流向与动力液流道的起始段流道511中流体流向的夹角≥90°。
优选的，上述采气装置中，所述泵芯内还设置有用于连通起始段流道511和引流段流道514的承接段流道513，所述承接段流道还连通有支流流道512，所述支流流道512与动力液管16连通，且与起始段流道511呈夹角。
优选的，上述采气装置中，所述地层液流道与所述喉管28连通，地层液流道设置有复位固定阀30，所述复位固定阀30上安装有弹簧。
优选的，上述采气装置中，所述正循环反向喷射射流泵17泵芯还设置有用于隔离动力液流道、地层液流道和混合液流道的密封31。
优选的，上述采气装置中，所述井底装置还包括与地层液流道连通的尾管18和置于尾管18内腔的吸入管19，所述尾管18在连通地层液流道的一端设置有筛管。
优选的，上述采气装置中，所述地面管道包括与沉淀罐1依次连接的低压管道2、高压泵4和高压管道6；其中，所述低压管道的压力小于或等于1.6MPa；所述高压管道的压力范围为大于1.6MPa；
所述地面装置还包括用于调控流量和/或压力的自动调控装置，与高压管道6连接。
优选的，上述采气装置中，所述低压管道2和高压管道6上均设置有过滤器。
优选的，上述采气装置中，所述高压管道6上安装有远程压力表5，所述远程压力表5与自动调控装置连接。
优选的，上述采气装置中，所述高压管道6设置有高压分支管道。
优选的，上述采气装置中，所述返液管12上设置有气液分离器13，所述气液分离器13通过管道与采气管14相连通。
优选的，上述采气装置中，所述井口装置11包括高压井口流程件、低压井口流程件、顶部阀门231、与顶部阀门连接的十字四通233、井口110和设置于井口110内的悬挂装置232；
所述高压井口流程件包括并列设置的中心高压管61和环空高压管62，均与高压管道6连接；所述低压井口流程件包括并列设置的中心低压管211和环空低压管221，均与返液管12连接；
所述混合液管15通过悬挂装置232与环空高压管62和环空低压管221连接；所述动力液管16通过十字四通233与中心高压管61和中心低压管211连接。
优选的，上述采气装置中，所述中心高压管61上设置有高压阀门611，所述环空高压管62上设置有环空高压阀门621，所述中心低压管211上设置有中心低压阀门212，所述环空低压管221上设置有环空低压阀门222。
本发明还提供上述任一段所述液力投捞式排砂排煤粉采气装置的采气方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)混合液的煤粉和地层砂在沉淀罐中沉入罐底后，沉淀罐中所得液体依次经过地面管道，通过井口装置11流向动力液管16，进入井底装置的正循环反向喷射射流泵17；
(2)在正循环反向喷射射流泵17的作用下，包含煤粉和地层砂的地层液被吸入正循环反向喷射射流泵17，与动力液混合形成混合液后，经过混合液管15举升到地面；
(3)混合液管15中的混合液经过返液管12返回沉淀罐1内；
(4)煤层气通过采气管14排出。
优选的，上述采气方法中，所述正循环反向喷射射流泵17包括泵筒25和泵芯，所述泵芯内设置有动力液流道、地层液流道和混合液流道，所述动力液流道入口与动力液管16下端连通，所述混合液流道出口与所述混合液管15下端连通；
其中，所述动力液流道沿动力液流向依次设置有：与所述动力液管16连通的起始段流道511、沿所述泵筒筒壁设置的引流段流道514和压力腔515，所述压力腔515在与起始段流道511中流体流向相反的一端设置有喷嘴29；
所述步骤(2)包括下述步骤：
所述沉淀罐所得液体从起始段流道511进入动力液流道后，反向在喷嘴29处向上喷射，地层液受喷嘴处低压形成的压力差驱动，进入地层液流道，与沉淀罐所得液体在混合液流道中混合后排入混合液管15中。
优选的，上述采气方法中，所述混合液流道沿流体流向依次设置有喉管28、扩散管27和出口段混合液流道，所述喉管28与喷嘴29连通，所述喉管28中流体流向与起始段流道511中流体流向相反；所述出口段混合液流道中流体流向与动力液流道的起始段流道511中流体流向的夹角≥90°；
所述步骤(2)中，所述地层液进入地层液流道，在喉管28内与沉淀罐所得液体混合形成混合液，混合液流向扩散管27，经过出口段混合液流道排入混合液管15中。
优选的，上述采气方法中，所述泵芯内还设置有用于连通起始段流道511和引流段流道514的承接段流道513，所述承接段流道还连通有支流流道512，所述支流流道512与动力液管16连通，且与起始段流道511呈夹角；
所述步骤(2)中，沉淀罐所得液体还经过支流流道512进入动力液流道。
优选的，上述采气方法中，所述正循环反向喷射射流泵17泵芯还设置有用于隔离动力液流道、地层液流道和混合液流道的密封31；
所述步骤(2)中，沉淀罐所得液体还经过支流流道512进入动力液流道。
优选的，上述采气方法中，所述井底装置还包括与地层液流道连通的尾管18和置于尾管18内腔的吸入管19，所述尾管18在连通地层液流道的一端设置有筛管；
所述步骤(2)中，地层液经过筛管进入尾管18，流经吸入管19进入地层液流道通道。
优选的，上述采气方法中，所述井底装置还包括与地层液流道连通的尾管18和置于尾管18内腔的吸入管19，所述尾管18在连通地层液流道的一端设置有筛管；
所述步骤(2)中，所述地层液从筛管进入尾管18，流经吸入管19，流经地层液流道后在喉管28处与动力液混合。
优选的，上述采气方法中，所述地面管道包括与沉淀罐1依次连接的低压管道2、高压泵4和高压管道6；其中，所述低压管道的压力小于或等于1.6MPa；所述高压管道的压力范围为大于1.6MPa；所述地面装置还包括用于调控流量和/或压力的自动调控装置，与高压管道6连接。
所述低压管道2和高压管道6上均设置有过滤器；
所述步骤(1)中，沉淀罐中的液体先经过低压管道2，过滤后流入高压泵4，经高压泵4加压后，流向高压管道6，通过井口装置流向动力液管16；通过自动调控装置调控高压管道6的液体流量和/或压力。
优选的，上述采气方法中，所述高压管道6上安装有远程压力表5，所述远程压力表5与自动调控装置连接；
其中，步骤(1)中，动力液流入高压管道6时，所述远程压力表5检测压力信号，通过自动调控装置调节高压泵的工作压力，进而调控高压管道6的压力值。
单井控制时，可去掉远程压力表5和流量控制装置9，自动调控装置直接与流量计8连接，直接控制动力液流量来起到自动控制的目的。
优选的，上述采气方法中，所述井口装置11包括高压井口流程件、低压井口流程件、顶部阀门231、与顶部阀门连接的十字四通233、井口110和设置于井口110内的悬挂装置232；
所述高压井口流程件包括并列设置的中心高压管61和环空高压管62，均与高压管道6连接；所述低压井口流程件包括并列设置的中心低压管211和环空低压管221，均与返液管12连接；
所述混合液管15通过悬挂装置232与环空高压管62和环空低压管221连接；所述动力液管16通过十字四通233与中心高压管61和中心低压管211连接；
所述步骤(1)中，所述沉淀罐中的液体流经高压管道6后，通过井口装置的中心高压管61进入连接装置的动力液管16；
步骤(3)中，所述混合液流经混合液管15后，通过环空低压管221进入地面装置的返液管12中。
优选的，上述采气方法中，所述返液管12上设置有气液分离器13，所述气液分离器13通过管道与采气管14连通；
其中，所述步骤(4)包括下述两个步骤：
(1)地下煤层气流经井口装置11进入采气管14；
(2)返液管12中的流体经气液分离器13分离后，所得煤层气进入采气管14。
优选的，所述采气方法中，所述中心高压管61上设置有高压阀门611，所述环空高压管62上设置有环空高压阀门621，所述中心低压管211上设置有中心低压阀门212，所述环空低压管221上设置有环空低压阀门222；
其中，正常生产时打开中心高压阀门611和环空低压阀门222，同时关闭环空高压阀门621和中心低压阀门212；当需要换取泵芯时，打开环空高压阀门621和中心低压阀门212，关闭中心高压阀门611和环空低压阀门222，向混合液管15中注入流体，把泵芯举升到井口装置11，打开顶部阀门231取出泵芯。
本发明的优点是：(1)在地面装置增加了高压过滤器、气液分离器，提高了排砂排煤粉装置的使用寿命和安全性；(2)在地面装置增加了流量控制设备，连接装置增加了井底压力计，为自动控制和远程控制提供了硬件基础，为自动化控制做好了准备；(3)可在地面装置中的柱塞泵增加强制润滑系统，在低频率工作时很好的保护了柱塞泵的运动部件，延长了使用寿命；(4)可在射流泵体内增加硬化层，延长磨损时间；(5)突破性的设计了正循环反向喷射的流道设计，减少了煤粉和砂粒的聚集，降低了能耗。
附图说明
图1为实施例1所述地面装置的示意图。
图2为实施例1所述连接装置的示意图。
图3-1、图3-2和图3-3分别为常规的射流泵示意图、正循环射流泵示意图和反循环射流泵示意图。
图4为实施例1所述正循环反向喷射射流泵的示意图。
图5为实施例1所述正循环反向喷射射流泵中动力液流道的示意图。
其中，1为沉淀罐，111为内隔板，112为溢流口，2为低压管道，3为低压过滤器，4为高压泵，5为远程压力表，6为高压管道，7为高压过滤器，8为流量计，9为流量控制装置，10为高压压力计，11为井口装置，12为返液管；13为气液分离器，110为井口；231为顶部阀门，232为悬挂装置，233为十字四通，61为中心高压管，62为环空高压管，211为中心低压管，221为环空低压管，611为中心高压阀门，621为环空高压阀门，212为中心低压阀门，222为环空低压阀门，14为采气管，15为混合液管，16为动力液管，17为水力射流泵，18为尾管，19为吸入管，20为煤层，21为人工井底，22为套管，23为井底压力计；311为套管，312为动力液管，313为返出通道，314为固定卡，用于固定泵芯，315为阀门，316为喷嘴，317为吸入环道，318为喉管，319为扩散管；24为插入接头，25为泵筒，26为泵芯壳体，27为扩散管，28为喉管，29为喷嘴，30为固定阀，31为密封，32为混合液出口，511为动力液流道的起始端流道，512为支流流道，513为承接段流道，514为引流段流道，515为压力腔。
具体实施方式
本发明提供一种液力投捞式排砂排煤粉采气装置，包括地面装置、连接装置和井底装置。
其中，井底装置主要是射流泵，射流泵的工作原理为：当动力液通过喷嘴高速喷出后，动力液的压力能转变为动能，喷嘴周围形成低压，地层液在井底压力下被吸入管内，两股液体在喉管中进行混合，动力液速度降低，被吸入液速度升高，最终形成混合液，速度趋于一致。当混合液流出喉管后，随着流道增大，混合液速度降低，根据伯努利原理可知，此时混合液的压力增加，压力足够时就会被举升到地面。
下面结合附图和实施例，对本发明及其有益技术效果进行详细说明。
实施例1
本发明的一种的优选实施方式中，所述液力投捞式排砂排煤粉采气装置包括下述装置：
1.地面装置
地面装置作为整套装置的动力所在，是保证整套装置能平稳运转的关键。本实施例所述地面装置组成如图1所示，包括下述结构：
1.1沉淀罐1
所述沉淀罐1为逐级沉淀罐，是返回液进行煤粉砂粒沉淀的设备，罐体内有多级内隔板111，在罐体内形成多个隔板槽。所述沉淀罐1罐身上部设置有溢流口112，罐身在最后一级隔板槽处设置有流体出口；在罐身中部设置有流体入口。
1.2地面管道
所述地面管道包括低压管道2和高压管道6，所述低压管道2与沉淀罐1流体出口连通，低压管道2上设置有低压过滤器3。
低压管道2与高压管道6之间设置有高压泵4。
所述高压管道6引出第一分支管道和第二分支管道，分别与第一生产井和第二生产井的连接装置的井口装置11连通；所述高压管道6上设置有远程压力表5，分支管道上沿流体流向依次设置有高压过滤器7、流量计8、流量控制装置9和高压压力计10，最终与井口装置11的高压井口流程件连通。
本实施例中，所述高压泵为柱塞泵，但本发明中所述高压泵不限于柱塞泵，还可以是压力能达到要求的其他泵型。
其中，所述“低压”指的是不高于1.6MPa的压力环境，所述“高压”指的是高于1.6MPa的压力环境。
本实施例中，分支管道为两个，但本发明中，所述高压支管的数量不限于两个，可根据实际情况调节，最佳效果为1-6个。
1.3自动调控装置
所述自动调控装置与高压分支管道上的远程压力表5和流量控制装置9连接，以控制动力液流量和压力。
1.4返液管12
返液管12一端与沉淀罐1的流体入口连通，另一端与生产井的井口装置11的低压井口流程件连通；且在返液管12上设置有气液分离器13。
1.5采气管14
所述采气管14的下端伸至套管22内，置于套管22和混合液管15间的环形空间内、上端口高于地面。
上述地面装置的工作状态如下：
井底装置内的返回液通过返液管12进入沉淀罐1的第一级内隔板的槽内，装满后自动流入下一级隔板槽，直至流入最后一级隔板槽。利用重力和低流速，煤粉和砂粒就会沉淀到罐底。举升上来多余的水，在罐体上部通过溢流口排放到处理池。沉淀后的水通过低压管道2流出，再经过低压过滤器3过滤后流入柱塞泵4，在柱塞泵内加压到系统设定压力成为动力液，动力液流向高压管道6，高压管道上的远程压力表5会把压力参数转变为控制信号，输入给变频器，压力参数与变频器设定的压力值做比较后，升高或降低柱塞泵变频电机的工作频率，使高压管内的压力值稳定在变频器所设定的压力值范围内。动力液通过井口装置11的高压井口流程件，进入动力液管16中；井下混合液从混合液管15中举升到地面后，流经井口装置的低压井口流程件，进入返液管12中。
由于柱塞泵有高压运动部件，其阀芯在高压和高频运转下有时会碎裂，这些碎裂片可能会堵塞井下流道，大一些的碎片甚至会导致停产检泵作业。增加了高压过滤器后，只需要清洗高压过滤器即可，保护了井底装置。
地层液在井底装置处与动力液混合形成混合液后，通过连接装置举升到地面，通过返液管12流向气液分离器13，气液分离器会把返回液内的煤层气和混合液分离，混合液流入逐级沉淀罐1。煤层气通过管道进入采气管14，这样既做到了安全环保，又没有浪费煤层气。
2.连接装置
连接装置上连接地面装置，下连接井底装置，起到连通各装置的作用，同时也是井底装置投放、举升、生产的保障装置，结构如图2，包括下述结构：
2.1井口装置11
井口装置顶部设置有顶部阀门231，井口装置包括井口110、设置于井口110内的悬挂装置232、十字四通233，4个阀门、高压井口流程件和低压井口流程件。其中高压井口流程件由中心高压管61和环空高压管62组成，后端分别通过中心高压阀门611和环空高压阀门621与动力液管16和混合液管15连接。低压井口流程件由中心低压管211和环空低压管221组成，前端分别通过中心低压阀门212和环空低压阀门222与动力液管16和混合液管15连接。高压井口流程件前端与地面装置中的高压管6连通。低压井口流程件与返液管12连通。
正常生产时打开中心高压阀门611和环空低压阀门222，同时关闭环空高压阀门621和中心低压阀门212。当需要换取泵芯时，阀门开关情况与正常生产相反即可，此时由混合液管注水，把泵芯举升到井口装置11，打开顶部阀门231取出泵芯。
此外，也可用电磁换向阀替换中心高压阀门611和环空高压阀门621，同理中心低压阀门212和环空低压阀门222也一样，当需要换取泵芯时，换向后原来注入液体动力液管变成流出液体的管道，此时泵芯被液力强行举升到地面，方便更换，从而实现泵芯的投放和维修变更，操作简便安全。
2.2动力液管16
所述动力液管16通过十字四通233与中心高压管61和中心低压管211连接。在十字四通233与中心高压管61间安装有中心高压阀门611，在十字四通16与中心低压管211间安装有中心低压阀门212。
2.3混合液管15
混合液管15套在动力液管16外面，混合液管15通过悬挂装置232悬挂于井口110内。通过环空高压阀门621与环空高压管62连接，通过环空低压阀门222与环空低压管221连接。工作时，井下混合液依次通过混合液管15、环空低压管221进入返液管12内。
井口装置供井下管柱悬挂使用，内部有高、低压流道。井下动力液管16的上端通过井口装置11与地面高压管道连通，混合液管15的上端通过井口装置11与返液管12连通；井下动力液管16的下端和混合液管15的下端均与井底装置的水力射流泵17的上端连通。
3.井底装置
井底装置包括水力射流泵、尾管和吸入管。
3.1水力射流泵
由于煤层气井排采在各个时期的要求和煤层气井的地层液变化，导致射流泵的排量变化范围非常大，为了调整射流泵排量大小，我们需要更换泵芯以满足生产需求。因此把射流泵分解为泵筒、泵芯两个部分，泵筒安装到混合液管15下端，尾管18和吸入管19安装到泵筒下端，再把混合液管、泵筒、尾管、吸入管放入煤层气井井底的泵挂位置，然后把整根管柱悬挂到井口装置11上。然后在混合液管中间插入动力液管，直到动力液管下端插入泵筒，再把动力液管上端连到井口装置11的动力液流道上，与高压管道连通。在需要生产时，打开井口装置11顶部阀门，就可投入泵芯，关闭顶部阀门后，泵芯就随着动力液下行插入到泵筒固定位置。这样既节约了更换时间，又节约了大量的作业成本。
常规的射流泵示意图如图3-1所示。其中，311为套管，312为动力液管，313为返出通道，314为固定卡，用于固定泵芯，315为阀门，316为喷嘴，317为吸入环道，318为喉管，319为扩散管。动力液通过动力液管312从喷嘴316喷出，地层液从吸入环道317进入喉管318，与动力液混合后，进入扩散管319。
按照循环方式的不同，射流泵又可分为正循环(标准循环)和反循环两种方式，结构分别如图3-2和3-3所示。正循环方式是以中心油管为动力液管柱，以油、套环形空间为混合液返回管柱；反循环方式则是以油、套环形空间为为动力液管柱，而混合液则由中心油管返排到地面。
煤层气井用的射流泵大多都是正循环方式，方便泵芯的投放。如图3-2所示，正循环的常规射流泵动力液在喷嘴的喷射方向是向下喷射，因喷嘴处产生的低压或负压产生压力差，地层液通过吸入管往上流动，此时动力液的流动方向和地层液的流动方向是相反的。地层液和动力液在喉管中混合后继续往下流动到扩散管，动能转换成压力能，混合液又在泵芯和泵筒的连接流道处再次换向，通过动力液管和混合液管之间的环形空间被举升到地面。正循环的常规射流泵，地层液是需要进行2次换向的，在换向的地方会形成湍流，由于地层液含煤粉和砂粒，煤粉和砂粒易在换向的流道里聚集，导致流道磨损加快且容易堵塞流道。
如图3-3所示，反循环的常规射流泵动力液在喷嘴的喷射方向是向上喷射，因喷嘴处产生的低压或负压产生压力差，地层液通过吸入管往上流动，此时动力液的流动方向和地层液的流动方向是相同的。底层液与动力液在喉管中混合后继续向上流动到扩散管，通过中心油管被举升到地面。反循环的常规射流泵，底层液只需要进行一次换向。反循环的射流泵在煤层气井应用的比较少，因为泵芯需要更换，反循环的泵芯投放到井底泵筒的时候还需要锚定，如锚定不严，动力液会把泵芯举升到地面，导致射流泵无法正常工作。当需要更换泵芯时，解除锚定也有可能失败，导致需要检泵作业，因此尽管反循环的流道更加合理，但在煤层气井采用反循环的射流泵也非常少。
为解决上述问题，本实施例中使用的射流泵为正循环反向喷射的射流泵，综合了正循环和反循环的优点，很好的解决了正循环和反循环的缺陷。正循环反向喷射射流泵如图4所示，包括泵筒25和泵芯。
井下动力液管16的下端和混合液管15的下端均与所述水力射流泵17的上端连通，动力液管16下端通过插入接头24与泵筒25内腔相连，混合液管15直接与泵筒25外接头相连。泵筒25的内腔和外接头间有环形空间，与动力液管16和混合液管15的环形空间相连。
所述泵芯包括泵芯壳体26和设置于壳体内部的动力液流道、地层液流道和混合液流道。所述各流道通过壳体与泵筒隔离。
其中，所述动力液流道结构如图5所示，沿流向依次设置有：沿泵筒25中心轴设置的起始段流道511、承接段流道513、沿筒壁轴向设置的引流段流道514和压力腔515，在压力腔与起始段流道动力液流向相反的一端设置有喷嘴29。其中，承接段流道513用于连通起始段流道511和引流段流道515，且连通有支流流道512，所述支流流道512与起始段流道511呈夹角；所述起始段流道511和支流流道512都与动力液管16相通。此时，起始段流道511中流体流向与动力液管16中流体流向一致，都可称之为正向流动。
其中，地层液流道设置有可复位固定阀30，并与下述混合液流道的喉管28连通，当泵处于大井斜段或处于水平段时，由于重力或煤粉的影响，常规固定阀球有可能不能复位。经过试验验证后，我司设计的固定阀球可在弹簧的推动下复位，避免了因固定阀球不能复位导致的泄漏。
其中，混合液流道沿动力液管16中液体流向反向依次连接有：喉管28、扩散管27和出口段混合液流道；所述喉管28与喷嘴29和地层液流道连通，所述扩散管27呈喇叭状，所述出口段混合液流道中流体流向与动力液管16中流体流向呈夹角，优选≥90°。
在本实施例的水力射流泵中，动力液反向在喷嘴29处向上喷射。通过可复位固定阀30的地层液受喷嘴处低压形成的压力差驱动，在喉管28内与动力液混合形成混合液。混合液流向扩散管27，在扩散管完成动能和压力能的转换，通过混合液出口32排入动力液管16和混合液管15的环形空间，然后举升到地面。
其中，所述射流泵中还设置有密封31，用于将动力液、地层液、混合液隔离开来。
3.2尾管18和吸入管19
在泵筒下端连接有尾管18和吸入管19，尾管18上端设置有筛管，与射流泵17的下端连接。吸入管19居于尾管18的内腔，上端与射流泵17的下端连通，尾管和吸入管都与地层液流道连通。尾管18和吸入管19下端置于煤层20以下、人工井底21以上；所述采气管14的下端伸至套管内、上端口高于地面。封闭层设在射流泵17和尾管18之间，尾管18上端装有筛管，由于煤层气的密度远低于地层液的密度，煤层气会通过混合液管与套管间的环形空间进入采气管14，不会流进吸入管19，这样就形成了对煤层气的封闭层。由于射流泵的抽吸，地层液会从筛管进入，流经吸入管19，在射流泵喉管处与动力液混合，形成混合液。地面柱塞泵4提供的高压动力液经井口装置11流向动力液管16，在动力液管下端进入射流泵17，在喷嘴处喷出。在喉管形成的混合液经扩散管后，流入动力液管16和混合液管15之间的环形空间，最后通过井口装置11举升到地面。在射流泵上端的混合液管外侧，安装有井底压力计23可以实时监测井底压力，给自动控制提供了数据依据。
本实施例中，所述正循环反向喷射射流泵动力液在射流泵内部完成了换向，也是动力液、地层液、混合液三种液体的唯一一次换向，因此具有能耗损失低，煤层沉积少的优点。同时动力液在地面装置内已完成沉淀和多次过滤，含砂含煤粉少，对换向流道冲击、磨损也很低，延长了使用寿命。地层液被抽吸进入射流泵后，流向没有剧烈改变，因此煤粉聚集少，砂粒沉淀少，能耗损失小，有效的提高了射流泵的泵效。
井底空管柱间小，导致射流泵部分泵体壁厚薄，动力液在射流泵内流动速度很高，其携带的少量固体杂质对泵体磨损影响大，因此引流段流道514薄壁泵体上增加了硬化层，提高了薄壁泵体的硬度和耐磨性。同时，根据井下空间的大小，引流段流道514不仅限于建立在泵芯内部，也可与泵筒25共享部分空间建立引流段流道，在流段流道薄壁泵体上增加硬化层。
实施例2
本发明另外一种优选的实施方式中，所述投捞式排砂排煤粉采气装置与实施例1类似，区别仅在于所述混合液管15并非套在动力液管16外面，而是与动力液管16并排排列。
所述混合液管15与正循环反向喷射射流泵的混合液流道出口相通，所述动力液管16与正循环反向喷射射流泵的动力液流道相通。
实施例3
本发明另外一种优选的实施方式中，所述投捞式排砂排煤粉采气装置与实施例1类似，区别仅在于，所述高压管道6连接单井，未设置分支管道；高压管道6上仅安装有流量计8，未安装远程压力表5，自动调控装置直接与流量计8连接，直接控制动力液流量来起到自动控制的目的。
实施例4
本发明另外一个优选的实施方式中，所述投捞式排砂排煤粉采气装置与实施例1类似，区别仅在于，在正循环反向喷射射流泵中，泵芯动力液流道的引流段流道514也是沿筒壁轴向设置，但与筒壁之间不设置壳体，即：在引流段流道514处，泵芯与泵筒配合形成引流段流道514，泵筒直接作为引流段流道514管壁的一部分。
在实际应用中，可根据空间大小，可通过与实施例4类似的方法，调整地层液流道或混合液流道的结构，只要通过密封31将动力液、地层液、混合液隔离开即可。
综上所述，本发明所述液力投捞式排砂排煤粉采气装置可通过过滤器和气液分离器可提高使用寿命和安全性，可通过自动调控装置进行自动化控制，所用正循环反向喷射射流泵可减少煤粉和砂粒的聚集，降低能耗，实现泵组并联，共享动力液管道，降低成本，具有广阔的应用前景。
Claims (20)
1.一种液力投捞式排砂排煤粉采气装置，包括顺序连通的地面装置，连接装置和井底装置，其特征在于，所述地面装置包括罐身设置有流体进口和流体出口的沉淀罐(1)、分别与之流体出口和流体进口连通的地面管道和返液管(12)，以及与下述井口装置(11)连通的采气管(14)；所述连接装置包括井口装置(11)、悬挂于井口装置(11)内的动力液管(16)和混合液管(15)；所述井底装置包括与动力液管(16)和混合液管(15)均连通的正循环反向喷射射流泵(17)；其中，所述地面管道和返液管(12)通过井口装置(11)分别与动力液管(16)和混合液管(15)连通；所述混合液管(15)套在动力液管(16)外面或与动力液管(16)并排设置。
2.根据权利要求1所述的采气装置，其中，所述正循环反向喷射射流泵(17)包括泵筒(25)和泵芯，所述泵芯内设置有动力液流道、地层液流道和混合液流道，所述动力液流道入口与动力液管(16)下端连通，所述混合液流道出口与所述混合液管(15)下端连通；
其中，所述动力液流道沿动力液流向依次设置有：与所述动力液管(16)连通的起始段流道(511)、沿所述泵筒筒壁设置的引流段流道(514)和压力腔(515)，所述压力腔(515)在与起始段流道(511)中流体流向相反的一端设置有喷嘴(29)。
3.根据权利要求2所述的采气装置，其中，所述混合液流道沿流体流向依次设置有喉管(28)、扩散管(27)和出口段混合液流道，所述喉管(28)与喷嘴(29)连通，所述喉管(28)中流体流向与起始段流道(511)中流体流向相反；所述出口段混合液流道中流体流向与动力液流道的起始段流道(511)中流体流向的夹角≥90°。
4.根据权利要求2或3所述的采气装置，其中，所述泵芯内还设置有用于连通起始段流道(511)和引流段流道(514)的承接段流道(513)，所述承接段流道还连通有支流流道(512)，所述支流流道(512)与动力液管(16)连通，且与起始段流道(511)呈夹角。
5.根据权利要求2-4任一项所述的采气装置，其中，所述地层液流道与所述喉管(28)连通，地层液流道设置有复位固定阀(30)，所述复位固定阀(30)上安装有弹簧。
6.根据权利要求2-5任一项所述的采气装置，其中，所述正循环反向喷射射流泵(17)泵芯还设置有用于隔离动力液流道、地层液流道和混合液流道的密封(31)。
7.根据权利要求2-6任一项所述的采气装置，其中，所述井底装置还包括与地层液流道连通的尾管(18)和置于尾管(18)内腔的吸入管(19)，所述尾管(18)在连通地层液流道的一端设置有筛管。
8.根据权利要求1-7任一项所述的采气装置，其中，所述地面管道包括与沉淀罐(1)依次连接的低压管道(2)、高压泵(4)和高压管道(6)；其中，所述低压管道的压力小于或等于1.6MPa；所述高压管道的压力范围为大于1.6MPa；
所述地面装置还包括用于调控流量和/或压力的自动调控装置，与高压管道(6)连接。
9.根据权利要求8所述的采气装置，其中，所述高压管道(6)上安装有远程压力表(5)，所述远程压力表(5)与自动调控装置连接。
10.根据权利要求8或9所述的采气装置，其中，所述高压管道(6)设置有高压分支管道。
11.根据权利要求1-10任一项所述的采气装置，其中，所述返液管(12)上设置有气液分离器(13)，所述气液分离器(13)通过管道与采气管(14)相连通。
12.根据权利要求1-11任一项所述的采气装置，其中，所述井口装置(11)包括高压井口流程件、低压井口流程件、顶部阀门(231)、与顶部阀门连接的十字四通(233)、井口(110)和设置于井口(110)内的悬挂装置(232)，
所述高压井口流程件包括并列设置的中心高压管(61)和环空高压管(62)，均与高压管道(6)连接；所述低压井口流程件包括并列设置的中心低压管(211)和环空低压管(221)，均与返液管(12)连接；
所述混合液管(15)通过悬挂装置(232)与环空高压管(62)和环空低压管(221)连接；所述动力液管(16)通过十字四通(233)与中心高压管(61)和中心低压管(211)连接。
13.权利要求1所述液力投捞式排砂排煤粉采气装置的采气方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)混合液的煤粉和地层砂在沉淀罐中沉入罐底后，沉淀罐中所得液体依次经过地面管道，通过井口装置(11)流向动力液管(16)，进入井底装置的正循环反向喷射射流泵(17)；
(2)在正循环反向喷射射流泵(17)的作用下，包含煤粉和地层砂的地层液被吸入正循环反向喷射射流泵(17)，与动力液混合形成混合液后，经过混合液管(15)举升到地面；
(3)混合液管(15)中的混合液经过返液管(12)返回沉淀罐(1)内；
(4)煤层气通过采气管(14)排出。
14.根据权利要求13所述的采气方法，其中，所述正循环反向喷射射流泵(17)包括泵筒(25)和泵芯，所述泵芯内设置有动力液流道、地层液流道和混合液流道，所述动力液流道入口与动力液管(16)下端连通，所述混合液流道出口与所述混合液管(15)下端连通；
其中，所述动力液流道沿动力液流向依次设置有：与所述动力液管(16)连通的起始段流道(511)、沿所述泵筒筒壁设置的引流段流道(514)和压力腔(515)，所述压力腔(515)在与起始段流道(511)中流体流向相反的一端设置有喷嘴(29)；
所述步骤(2)包括下述步骤：
所述沉淀罐所得液体从起始段流道(511)进入动力液流道后，反向在喷嘴(29)处向上喷射，地层液受喷嘴处低压形成的压力差驱动，进入地层液流道，与沉淀罐所得液体在混合液流道中混合后排入混合液管(15)中。
15.根据权利要求14所述的采气方法，其中，所述混合液流道沿流体流向依次设置有喉管(28)、扩散管(27)和出口段混合液流道，所述喉管(28)与喷嘴(29)连通，所述喉管(28)中流体流向与起始段流道(511)中流体流向相反；所述出口段混合液流道中流体流向与动力液流道的起始段流道(511)中流体流向的夹角≥90°；
所述步骤(2)中，所述地层液进入地层液流道，在喉管(28)内与沉淀罐所得液体混合形成混合液，混合液流向扩散管(27)，经过出口段混合液流道排入混合液管(15)中。
16.根据权利要求14或15所述的采气方法，其中，所述泵芯内还设置有用于连通起始段流道(511)和引流段流道(514)的承接段流道(513)，所述承接段流道还连通有支流流道(512)，所述支流流道(512)与动力液管(16)连通，且与起始段流道(511)呈夹角；
所述步骤(2)中，沉淀罐所得液体还经过支流流道(512)进入动力液流道。
17.根据权利要求16所述的采气方法，其中，所述井底装置还包括与地层液流道连通的尾管(18)和置于尾管(18)内腔的吸入管(19)，所述尾管(18)在连通地层液流道的一端设置有筛管；
所述步骤(2)中，所述地层液从筛管进入尾管(18)，流经吸入管(19)，流经地层液流道后在喉管(28)处与动力液混合。
18.根据权利要求14-17任一项所述的采气方法，其中，所述地面管道包括与沉淀罐(1)依次连接的低压管道(2)、高压泵(4)和高压管道(6)；其中，所述低压管道的压力小于或等于1.6MPa；所述高压管道的压力范围为大于1.6MPa；所述地面装置还包括用于调控流量和/或压力的自动调控装置，与高压管道(6)连接；
所述低压管道(2)和高压管道(6)上均设置有过滤器；
所述步骤(1)中，沉淀罐中的液体先经过低压管道(2)，过滤后流入高压泵(4)，经高压泵(4)加压后，流向高压管道(6)，通过井口装置流向动力液管(16)；通过自动调控装置调控高压管道(6)的液体流量和/或压力。
19.根据权利要求14-18任一项的采气方法，其中，所述井口装置(11)包括高压井口流程件、低压井口流程件、顶部阀门(231)、与顶部阀门连接的十字四通(233)、井口(110)和设置于井口(110)内的悬挂装置(232)，
所述高压井口流程件包括并列设置的中心高压管(61)和环空高压管(62)，均与高压管道(6)连接；所述低压井口流程件包括并列设置的中心低压管(211)和环空低压管(221)，均与返液管(12)连接；
所述混合液管(15)通过悬挂装置(232)与环空高压管(62)和环空低压管(221)连接；所述动力液管(16)通过十字四通(233)与中心高压管(61)和中心低压管(211)连接；
所述步骤(1)中，所述沉淀罐中的液体流经高压管道(6)后，通过井口装置的中心高压管(61)进入连接装置的动力液管(16)；
步骤(3)中，所述混合液流经混合液管(15)后，通过环空低压管(221)进入地面装置的返液管(12)中。
20.根据权利要求14-19任一项所述的采气方法，其中，所述返液管(12)上设置有气液分离器(13)，所述气液分离器(13)通过管道与采气管(14)连通；
其中，所述步骤(4)包括下述两个步骤：
(1)地下煤层气流经井口装置(11)进入采气管(14)；
(2)返液管(12)中的流体经气液分离器(13)分离后，所得煤层气进入采气管(14)。
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