CN108505985A - 一种开采煤层气的气锚 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开采煤层气的气锚，包括：筛管、油管和内管；其中，筛管的管壁上分布有多个能够使气体(煤层气)通过的孔结构，且筛管、油管和内管根据煤层气井中的气液分离条件确定；上述气锚中三部分的连接方式具体为：筛管的下端和油管的上端相连接，构成腔室；内管置于腔室的内部，且内管的上端和筛管的上端相连接；其中，内管的外壁与腔室内壁之间的环空区域为分离室。可见，本发明中利用了成本低廉、结构简单，且在煤层气开采现场容易获得的筛管、内管和油管，进行简单的组合，即可制成适用于煤层气开采的气锚，且由于上述材料本身的特点，使制作的该气锚可以利用重力原理充分的进行气液分离，提高了煤层气井中的气液分离效率。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气开采领域，特别是涉及一种开采煤层气的气锚。
背景技术
煤层气又称煤层甲烷气，煤炭工业称之为煤层瓦斯，是在煤形成过程中所产生的，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。这种非常规天然气大部分(70％-90％)吸附在煤表面上，少量呈游离状态存在于煤的割理和其他孔隙、裂隙中，还有少许溶解在煤层液体中。由于大部分煤层气吸附在煤上，要采出煤层气，首先要让煤层气从煤中解吸出来，从而使包括煤层气的液体流到井筒中，实现煤层气的开采。
目前，由于煤层的上述独特的性质，煤层气井均利用“排水采气”的方式，开采煤层气。即，先抽出足够的水，煤层压力降低至满足煤层压力小于或等于解吸压力，使煤层气从煤中解吸出来，才进行后续的煤层气开采。但是，到后续的煤层气开采阶段，随着解吸出的煤层气逐渐增多，往往会对用于排水的抽油泵产生影响，例如，出现间歇性出水、气锁、干抽等现象，导致煤层气井不能正常排水。
借鉴油井，在抽油泵的下方安装气锚，利用气锚确实可以有效解决抽油泵受气体影响的情况。但是，常规油井由于砂岩储层胶结强度相比煤层较好且依靠注水保持较高地层压力，故，油井中的气锚结构通常呈现“短粗式”和“结构复杂式”，即气锚的外径较大，长度较小，内部结构复杂，便于油气更好地分离。而煤层气井在开采煤层气时，一方面由于煤层易出煤粉煤块，在井筒沉降后易发生卡管柱事故，故气锚外径不易过粗，如果外径变小，则需要用增加长度的方式来弥补外径的变小；另一方面，由于煤层地层压力较低，气锚的内部结构不易复杂，否则沿程压降增大，不利于抽油泵进液。
另外，油井专用气锚的成品成本本身就比较高，如果再根据煤层气的气液分离要求，对油井气锚进行改装，由于该油井专用气锚的结构相对复杂，导致改装操作较为繁琐，不易实现。
因此，如何设计一种易加工、成本低、现场易实用的煤层气井的专用气锚，来提高煤层气井中的气液分离效率，是本领域技术人员目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种开采煤层气的气锚，从而能够通过对成本低廉、结构简单、容易获得的材料进行简单的组合，制作成适用于煤层气开采的气锚，提高了煤层气井中的气液分离效率。
为此，本发明解决技术问题的技术方案是：
一种开采煤层气的气锚，包括：筛管、油管和内管；其中，所述筛管的管壁上分布有多个能够使煤层气通过的孔结构，且所述筛管、所述油管和所述内管根据煤层气井中的气液分离条件确定；
所述筛管的下端和所述油管的上端相连接，构成腔室；所述内管置于所述腔室的内部，且所述内管的上端和所述筛管的上端相连接；
其中，所述内管的外壁与腔室内壁之间的环空区域为分离室，所述分离室，用于采用重力原理对煤层气井中的液体进行气液分离，并将分离后的煤层气从所述筛管的孔结构排出；而分离后的液体，则从所述内管的上端被抽出，实现煤层气井的气液分离。
可选地，所述分离室的上端面密封。
可选地，所述筛管与所述油管之间为同轴连接，所述筛管与所述内管之间为同轴连接。
可选地，所述筛管为绕丝筛管去除绕丝后的筛管。
可选地，所述油管为的平式油管。
可选地，所述内管为不锈钢无缝钢管。
可选地，所述筛管的上端包括筛管上接头，所述内管和所述筛管的连接方式为所述内管的上端与所述筛管上接头相连接；
所述筛管的下端包括筛管下接头，所述油管和所述筛管的连接方式为所述油管的上端与所述筛管下接头相连接；
所述油管的下端包括油管接头。
可选地，所述内管的上端与所述筛管上接头的连接方式为焊接。
可选地，所述筛管上接头的上端与抽油泵的下端相连接；
所述油管接头的下端与丝堵相连接。
可选地，所述筛管的外径为73毫米，内径为62毫米；
所述油管的外径为73毫米，内径为62毫米，长度为9.5米；
所述内管的外径为42毫米，内径为32毫米，长度为8米。
通过上述技术方案可知，本发明有如下有益效果：
在本发明实施例中，提供了一种开采煤层气的气锚，包括：筛管、油管和内管；其中，筛管的管壁上分布有多个能够使气体(煤层气)通过的孔结构，且筛管、油管和内管根据煤层气井中的气液分离条件确定；上述气锚中三部分的连接方式具体为：筛管的下端和油管的上端相连接，构成腔室；内管置于腔室的内部，且内管的上端和筛管的上端相连接；其中，内管的外壁与腔室内壁之间的环空区域为分离室。其中，分离室，用于采用重力原理对煤层气井中的液体进行气液分离，并将分离后的煤层气从筛管的孔结构排出；而分离后的液体，则从内管的上端被抽出，实现煤层气井的气液分离。可见，本发明中利用了成本低廉、结构简单，且在煤层气开采现场容易获得的筛管、内管和油管，进行简单的组合，即可制成适用于煤层气开采的气锚，且由于上述材料本身的特点，使制作的该气锚可以利用重力原理充分的进行气液分离，提高了煤层气井中的气液分离效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的开采煤层气的气锚的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的开采煤层气的气锚的一实例结构示意图。
具体实施方式
煤层气作为近年在国际上迅速崛起的洁净、优质能源和化工原料，其开采工艺越来越复杂。由于煤层气大部分(70％-90％)吸附在煤表面上，要想开采出煤层气，首先要让煤层气从煤中解吸出来，故，煤层气井均利用“排水采气”的方式开采煤层气。“排水采气”的工作原理大致为：先抽出足够的水，使煤层压力降低，直到当前的煤层压力小于或等于解吸压力，从而使煤层气从煤中解吸出来，进而进行后续的煤层气开采，即，需要抽油泵抽取煤层气井中的液体。
但是，随着解吸出的煤层气的逐渐增多，容易导致抽油泵出现间歇性出水、气锁、干抽等故障，导致煤层气井不能正常排水，因此，在开采煤层气的设备中，借鉴油井，在抽油泵的下方安装气锚，来解决上述问题。但是，由于常规油井中的气锚的外径较大，长度较小，故，需要在抽油泵与气锚之间增设第一油管，并且在气锚下端设置第二油管。即，当前煤层气井中，采用的煤层气开采设备从上到下依次可以包括：抽油泵、第一油管、气锚、第二油管、丝堵。
适用于油井的气锚，按照所采用的工作原理，可以分为：重力式气锚、偏心式气锚、离心式气锚、迷宫式气锚等。其中，偏心式气锚由于一侧环空的结构特点，进液口处环空截面太小，液体流动阻力增大，将会大大减少对煤层气井下抽油泵的供液量；而离心式气锚和迷宫式气锚，由于煤层气井地层压力低、沉没度低，液流速度很低，产生的离心力很弱以及分离室内流动阻力增大，也将影响对抽油泵的供液量。当气锚的分离室内的流动阻力较大时，抽油泵的供液量减少，进而影响抽油泵的泵效，可见，后三种类型的气锚不适合用于煤层气开采现场。对于重力式气锚，其气液分离的原理为：依靠气体和液体的密度差异而实现气液分离，故，煤层气井中可以利用重力式气锚进行气液分离。但是，由于油井中气锚为了提高油气分离效率，结构上通常呈现“短粗式”，并不完全适合煤层气。
虽然利用油井中的重力式气锚确实可以有效解决抽油泵受气体影响的情况，但是，油井中的重力式气锚用于开采煤层气时的气液分离不仅成本高，而且也存在一些问题。例如，常规油井由于砂岩储层胶结强度相比煤层较好且依靠注水保持较高地层压力，故，油井中的气锚结构通常呈现“短粗式”和“结构复杂式”，即气锚的外径较大，长度较小，内部结构复杂，便于油气更好地分离。而煤层气井在开采煤层气时，一方面由于煤层易出煤粉煤块，在井筒沉降后易发生卡管柱事故，故气锚外径不易过粗，如果外径变小，则需要用增加长度的方式来弥补外径的变小；另一方面，由于煤层地层压力较低，气锚的内部结构不易复杂，否则沿程压降增大，不利于抽油泵进液。
另外，如果依据煤层气井中气液分离条件，再对上述油井中的重力式气锚进行改装，改装操作较为繁琐，导致浪费人力、物力成本，而且不易实现。
基于此，本发明实施例提供了一种开采煤层气的气锚，包括：筛管、油管和内管；其中，筛管的管壁上分布有多个能够使气体(煤层气)通过的孔结构，且筛管、油管和内管根据煤层气井中的气液分离条件确定；上述气锚中三部分的连接方式具体为：筛管的下端和油管的上端相连接，构成腔室；内管置于腔室的内部，且内管的上端和筛管的上端相连接；其中，内管的外壁与腔室内壁之间的环空区域为分离室。其中，分离室，用于采用重力原理对煤层气井中的液体进行气液分离，并将分离后的煤层气从筛管的孔结构排出；而分离后的液体，则从内管的上端被抽出，实现煤层气井的气液分离。
可见，通过本发明实施例中提供的技术方案，根据气液分离条件选择合适尺寸的筛管、内管和油管，进行简单的组合，即可制成适用于煤层气开采的重力式气锚，且由于利用了，上述筛管、内管和油管本身成本低廉、结构简单，且在煤层气开采现场容易获得，使制作的该气锚可以利用重力原理充分的进行气液分离，提高了煤层气井中的气液分离效率。
下面结合附图，对本发明实施例提供的开采煤层气的气锚进行详细阐述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种开采煤层气的气锚，包括：筛管10、油管30和内管20；其中，筛管10的管壁上分布有多个能够使煤层气通过的孔结构101，且筛管10、油管30和内管20根据煤层气井中的气液分离条件确定；
筛管10的下端和油管30的上端相连接，构成腔室；内管20置于腔室的内部，且内管20的上端和筛管10的上端相连接；
其中，内管20的外壁与腔室内壁之间的环空区域为分离室40，分离室40，用于采用重力原理对煤层气井中的液体进行气液分离，并将分离后的煤层气从筛管10的孔结构101排出；而分离后的液体，则从内管20的上端被抽出，实现煤层气井的气液分离。
作为一种示例，如图1所示，在气锚的上端面中，分离室40的上端面密封；而为了将气液分离后的液体经过内管20从抽油泵抽出，内管20的中心孔的上端保持畅通。
需要说明的是，筛管10与油管30之间为同轴连接。而筛管10与内管20之间也可以为同轴连接，也可以不是同轴连接，但是，筛管10和内管20之间必须存在环空区域，即，必须分隔出分离室40，进而气液分离。
可以理解的是，适用于煤层气开采的气锚，在结构上需要满足两点基本要求：外径不宜过大，以及分离室40内液体的流动阻力小。故，该煤层气开采的专用气锚采用重力原理进行气液分离最为合适，具体为：根据煤层气和液体的密度差异，使煤层气从包括煤层气的液体中分离出来。
具体实现时，气锚工作于煤层气以下，即，将气锚下至煤层的下方，气锚配合煤层气井中其他采集煤层气的设备(如抽油泵)进行“排水采气”。抽油泵在进行抽取液体时，每个抽取周期内包括上冲程和下冲程两个过程，其中，上冲程即为抽油泵的活塞向上运动的过程；下冲程即为抽油泵的活塞向下运动的过程。
可以理解的是，气液分离条件具体可以包括：条件一，液体向下流动的速度要小于煤层气的气泡在静止液体中的上浮速度；条件二，分离室40的长度足够长。
在下冲程过程中，由于抽油泵的活塞向下运动，故，分离室40内的液体是静止的，此时，煤层气需要依靠自身的上浮速度向上运动到筛管10上的孔结构101处并从孔结构101排出。而在上冲程过程中，由于抽油泵的活塞向上运动，故，气锚分离室40中的包括煤层气的液体向下流动，此时，只有满足：液体向下流动的速度要小于煤层气的气泡在静止液体中的上浮速度，即，只有气泡的上浮速度大于液体向下流动的速度，气泡才可以克服液体向下流动的力，向上聚集后从筛管10上的孔结构101中排出。
此外，为了避免在上冲程过程中分离室40内还未分离的煤层气经过内管20吸入抽油泵，确保充分的气液分离，开采煤层气的气锚的分离条件还可以包括：气锚的分离室40的长度足够长，而参见图1，分离室40的长度等于内管20的长度。即，需要内管20的长度足够长。
通过本发明实施例提供的开采煤层气的气锚，利用气液分离条件选择开采煤层气现场随处可见的筛管、油管和内管，通过简单的组合，制作成适用于煤层气开采的气锚，用于实现煤层气开采过程中，液体进入抽油泵之前的气液分离。该气锚成本低廉、结构简单，组成材料容易获得，制作简单，且可以提高煤层气开采中气液分离的效率，是适用于煤层气开采的专用气锚。
为了使本发明实施例提供的开采煤层气的气锚更加清楚，下面结合一个具体的实例，对本发明实施例提供的开采煤层气的气锚进行详细介绍。
参见图2，本实施例中开采煤层气的气锚1包括：筛管10、内管20、油管30。其中，筛管10为绕丝筛管去除绕丝后的筛管10；内管20为不锈钢无缝钢管；油管30为的平式油管。
而且，上述三个管子的连接具体可以是：筛管10的上端包括筛管上接头102，内管20和筛管10的连接方式为内管20的上端与筛管上接头102相连接。其中，内管20的上端与筛管上接头102的连接方式可以为焊接。
筛管10的下端包括筛管下接头103，油管30和筛管10的连接方式为油管30的上端与筛管下接头103相连接。
油管30的下端包括油管接头301。
可以理解的是，筛管上接头102、筛管下接头103和油管接头301，具体可以是各种类型的卡扣、螺纹扣等接头，只要可以实现筛管10、内管20以及油管30之间的连接，均可以作为上述接头。而且，筛管上接头102、筛管下接头103和油管接头301可以是相同类型的接头，也可以是不同类型的接头，在本发明中不作具体限定。
气锚1与上、下两端的设备的连接方式具体可以是：
筛管上接头102的上端与抽油泵2的下端相连接；
油管接头301的下端与丝堵3相连接。
具体的，在该实例中，废弃的绕丝筛管因绕丝部分损坏，将绕丝完全拆除后，与普通筛管一样，该筛管10的孔结构101的分布长度2米，外径为73毫米，内径为62毫米，且孔结构101的直径为10毫米。
油管30为平式油管，外径为73毫米，内径为62毫米，长度为9.5米；
不锈钢无缝钢管作为内管20，其外径为42毫米，内径为32毫米，长度为8米。
由于气锚1的组成材料没有经过特定的加工，材料的内径、外径、孔结构的长度等参数无法改变，故，该气锚1只需要现场找到材料，进行焊接等简单的组合，即可制作完成投入使用。
而且，通过计算可知该气锚1符合煤层气的气液分离条件。其计算过程如下：
1)对于气液分离条件一的计算。
首先，根据斯托克公式(1)可以计算出气泡在静止液体中的上浮速度，公式(1)如下：
其中，Vd表示气泡在静止液体中的上浮速度，单位为cm/s；d表示气泡直径，单位为cm；g表示重力加速度，单位为cm/s2；μl表示地层水动力粘度，单位为Pa·s；ρl表示地层水密度，单位为g/cm3；ρg表示气体密度，单位为g/cm3。
具体实现时，根据煤矿下井观察，煤层气解吸气泡直径在4mm-20mm，考虑到气泡从分离室40在游动过程中会形成大的气泡，故，d在计算中取值为20mm；g取980cm/s2地层水动力粘度取值1Pa·s，地层水密度取值1g/cm3，气体密度取值0g/cm3。
将上述参数的取值带入公式(1)，可以计算得出煤层气气泡在静止液体中的上浮速度为217.8cm/s。
然后，根据公式(2)可以计算出液体向下流动的速度，公式(2)如下：
其中，Vl表示分离室40内液体下行速度，单位为cm/s；Q表示活塞一个冲程内的体积流量，单位为cm3/s；A表示分离室40内截面积，单位为cm2；D表示活塞直径，单位为cm；S表示活塞冲程，单位为cm；η表示抽油泵的泵效，取0.6；D1表示腔室内径，单位为cm；D2表示内管20外径，单位为cm。
由于现场常用抽油泵的活塞的直径为38mm和44mm两种，冲程可以取2.1m。且D1具体为62mm，D2具体为42mm。根据公式(2)计算液体向下流动的速度，计算结果见表1。
表1两种抽油泵泵型的分离室40内液体的下行速度
| 活塞 | 冲程 | Vl |
| 直径38mm | 2.1m | 87.47cm/s |
| 44mm | 2.1m | 117.28cm/s |
可见，在上冲程阶段时，上述抽油泵的两种活塞直径下，本实施例提供的气锚1的分离室40内液体下行速度分别为87.47cm/s和117.28cm/s，小于气泡在静止液体中的上浮速度217.8cm/s，气泡可以在分离室40内分离。
2)对于气液分离条件二的计算(即，分离室40长度需要满足的条件)。
分离室40的最小长度可以采用公式(3)计算，公式(3)具体如下：
其中，L表示气锚分离室40的长度，单位为cm；A1表示气锚内管截面积，单位为cm2；D3表示气锚内管内径，单位为cm。
具体实现时，D取38mm和44mm两个值，D3具体为32mm，S取2.1m。根据公式(3)计算分离室40的最小长度，计算结果见表2。
表2两种抽油泵泵型的分离室40的最小长度
| 活塞 | 冲程 | L |
| 直径38mm | 2.1m | 2.96m |
| 44mm | 2.1m/s | 3.97m |
为了好的分离效果，分离室40越长越好，但出于摩阻考虑，此次取理论计算值的2倍，加工的自制重力式长气锚1的分离室40长度统一为8m。气锚1的总长度为：筛管10的长度2米+油管30的长度9.5米，约为11.5米。
可见，通过上述计算，验证通过煤层气开采现场获取到的成品材料，简单拼装成的气锚1可以满足煤层气的气液分离条件。该气锚1采用重力原理对煤层气井中的包括煤层气的液体进行气液分离，该气锚1的主要技术参数如下表3所示。
表3气锚1的主要技术参数
| 参数名称 | 参数值 |
| 气锚外管外径 | 73mm |
| 气锚外管内径 | 62mm |
| 气锚内管外径 | 42mm |
| 气锚内管内径 | 32mm |
| 气锚总长度 | 11.5mm |
| 气锚分离室长 | 8mm |
可见，本发明实施例采度用煤层气开采现场容易获得的筛管10、内管20和油管30，通过简单的组合，即可制作出适用于煤层气气液分离的专用气锚，在提高气液分离效率的同时，大大的节约了成本，并实现了生产现场废料的充分利用。
需要说明的是，也可以采用煤层气开采现场容易获得的其他长度和样式的管材，通过简单的结合，形成适用于煤层气开采的气锚，但是，需要通过计算验证每种组合形式下的技术参数，是否满足煤层气井中的气液分离条件，凡是符合煤层气井中的气液分离条件的管材，按照本发明中的连接方式连接而成的气锚，均为本发明保护的气锚范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种开采煤层气的气锚，其特征在于，包括：筛管、油管和内管；其中，所述筛管的管壁上分布有多个能够使煤层气通过的孔结构，且所述筛管、所述油管和所述内管根据煤层气井中的气液分离条件确定；
所述筛管的下端和所述油管的上端相连接，构成腔室；所述内管置于所述腔室的内部，且所述内管的上端和所述筛管的上端相连接；
其中，所述内管的外壁与腔室内壁之间的环空区域为分离室，所述分离室，用于采用重力原理对煤层气井中的液体进行气液分离，并将分离后的煤层气从所述筛管的孔结构排出；而分离后的液体，则从所述内管的上端被抽出，实现煤层气井的气液分离。
2.根据权利要求1所述的开采煤层气的气锚，其特征在于，所述分离室的上端面密封。
3.根据权利要求1所述的开采煤层气的气锚，其特征在于，所述筛管与所述油管之间为同轴连接，所述筛管与所述内管之间为同轴连接。
4.根据权利要求1所述的开采煤层气的气锚，其特征在于，所述筛管为绕丝筛管去除绕丝后的筛管。
5.根据权利要求1所述的开采煤层气的气锚，其特征在于，所述油管为的平式油管。
6.根据权利要求1所述的开采煤层气的气锚，其特征在于，所述内管为不锈钢无缝钢管。
7.根据权利要求1所述的开采煤层气的气锚，其特征在于，
所述筛管的上端包括筛管上接头，所述内管和所述筛管的连接方式为所述内管的上端与所述筛管上接头相连接；
所述筛管的下端包括筛管下接头，所述油管和所述筛管的连接方式为所述油管的上端与所述筛管下接头相连接；
所述油管的下端包括油管接头。
8.根据权利要求7所述的开采煤层气的气锚，其特征在于，
所述内管的上端与所述筛管上接头的连接方式为焊接。
9.根据权利要求7所述的开采煤层气的气锚，其特征在于，
所述筛管上接头的上端与抽油泵的下端相连接；
所述油管接头的下端与丝堵相连接。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的开采煤层气的气锚，其特征在于，
所述筛管的外径为73毫米，内径为62毫米；
所述油管的外径为73毫米，内径为62毫米，长度为9.5米；
所述内管的外径为42毫米，内径为32毫米，长度为8米。
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| CN201810349242.XA CN108505985A (zh) | 2018-04-18 | 2018-04-18 | 一种开采煤层气的气锚 |
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