煤層氣開發中防卡排液泵的研制

霍 軒（中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司，太原 030000）

煤層氣開發中防卡排液泵的研制

霍 軒
（中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司，太原 030000）

煤氣層指的是煤層中吸附于煤基粒表層或者游離在煤空隙內的以甲烷為主的烴類氣體，是煤礦資源常見的伴生資源，也是一種近年來市場前景很大的優質、潔凈的非常規天然氣能源和應用十分廣的化工原料。煤層氣在開發過程中，煤層容易因鉆井機械影響而失穩坍塌，導致部分細煤粒、煤粉掉入井筒并不斷沉積，進而引起砂埋管柱與卡泵等問題，不僅縮短了排液泵的使用壽命，還影響了煤層氣開發效率，增加投入成本。針對這一問題研制了新型的防卡排液泵，本文主要討論防卡排液泵的結構設計、作業原理、工藝特點與現場使用情況。

煤層氣；防卡；排液泵

0　前言

煤層氣儲藏于煤礦的裂縫空隙或基質孔隙中，在開發過程中，機械振動因素會增加煤層有效應力，進而會引起煤層基質的破裂，生成大量的細煤粒、煤粉，一部分掉入井筒中沉積起來，另一部分經排液泵吸出，易引起卡泵現象［1］。卡泵具有較大的危害性，不僅會縮短排液泵設備的使用壽命，加大開發成本投入，影響開發效率，還會影響煤層氣的產出質量，甚至還可引起原井管柱砂卡等事故。由此可見研制具有防卡功能的新型排液泵具有重要意義。

1　結構設計

防卡排液泵主采用了長柱塞結構、環空沉降結構和插入式鎖緊結構3種結構形式，具體組成結構見圖1。整個排液泵由十多個零部件組成，主要有加長柱塞、扶正器、內筒、外筒、尾管、進出油閥組件、密封泵筒、雙通接頭、鎖緊密封裝置等。①環空沉降結構主要由扶正器、內筒、外筒、尾管和雙通接頭共同組成，在設計時又分有盲板、雙通芯軸與沉砂雙通外關3個部分。雙通芯軸上端設計成錐度面，目的是增加其定位、導向和密封功能，從而有效將鎖緊密封裝置引到雙通芯軸中，鎖緊錐面和錐度面共同組成一個錐面的密封結構。雙通芯軸兩側設計有外部連通油套環空、內部連通固定閥組的側向進液孔，三者共同組成排液泵抽汲作業的排液通道，而雙通芯軸同沉砂雙通外管間的環空結構由連通胃管與通油管，進而起到環空沉降煤粉和煤顆粒的作用。②插入式密封結構主要由鎖緊密封裝置和密封接頭兩部分組成，其中鎖緊密封裝置又設計有套環、隔環、密封圈、鎖緊芯軸、下接頭和鎖緊銅環幾個部分，雙通芯軸、鎖緊銅環和密封圈三者共同配合，在鎖緊密封裝置引入雙通芯軸結構時，鎖緊銅環和密封圈就會共同作用而增強緊縮的效果，能夠有效地避免排液泵在抽汲作業期間因為泵筒和柱塞摩擦力作用而出現上下竄動的現象。③防埋閥結構由上下游動閥上部分結構的迷宮閥罩組成，其中迷宮閥罩又設計有閥罩體與擋板兩個部分，在排液泵展開抽汲作業期間，閥罩中的液體會隨著抽汲方向流動，確保在上下沖程中煤粉不會因液流作用力影響而沉降，在抽汲作業停止后，液體所含的煤顆粒與煤粉在重力作用下自然地沉降到環空沉降結構，而這時油管中的液體處于靜止狀態，當煤粉沉降時會落入閥體和擋板之間的位置，而不直接落入閥球，從而有效地避免煤粉與煤顆粒卡埋閥球的問題。④抽油泵的核心結構則是由進出油閥件、泵筒和加長柱塞共同組成，泵筒和長柱塞直徑均為Ф44mm，油管內徑為Ф62mm，沖程上限為6m。在抽汲作業期間，長柱塞上部分會始終停留在泵筒外面，在抽汲作業結束時會同外筒和泵筒共同組成一個環空沉降結構，避免煤顆粒、砂粒和煤粉聚集在泵強上方而導致煤顆粒、煤粉埋柱塞的問題。

圖1　防卡排液泵的結構設計示意圖

2　作業原理

防卡排液泵的作業原理，在上沖程，加長柱塞作上行運動，這時泵強受壓會降低，從而打開進液閥，井筒內的液體就會由側邊進液孔流入泵強。在下沖程，加長柱塞作下行運動，這時泵強受壓會明顯增大，從而關閉進液閥，打開排液閥，泵強中的液體會流入環空桿管中。經過反復的抽汲，在排除液體的同時也會將其中所攜帶的煤顆粒、煤粉排出地面。在排液泵停止抽汲作業時，液體所含有的煤顆粒與煤粉會沉降，但是因為柱塞的上部分結構進行加長改進延伸到泵筒外，因此能夠阻止煤顆粒與煤粉沉入泵筒，使其通過環形沉降空間結構流入排液泵尾管中。

3　工藝特點

防卡排液泵具有良好的防卡效果主要是因為其具有獨特的結構設計與工藝特點：①采取鎖緊密封裝置與雙通芯軸支撐裝置共同組成出入式的鎖緊密封結構，使排液泵在抽汲作業時更加靈活；②迷宮閥罩設計了閥罩體與擋板兩個部分，能夠避免煤顆粒與煤粉直接落入泵強而防止煤顆粒和煤粉埋閥球的現象；③改進了柱塞與泵筒結構，采取泵筒與長柱塞結合的方式靈活地組成環空沉降結構，為煤顆粒與煤粉的環空沉降提供便利通道，解決砂埋、卡泵的問題。

4　現場使用

為了驗證所研制的新型防卡排液泵的效果，在5口煤層氣井中進行了排液試驗作業，結果日總排液量最高可達210m2，效率明顯提高，生產周期增加2倍以上，試驗效果良好。以1號井完鉆井為例，僅深達902m，2014年6月使用傳統Ф38mm管式排液泵進行開發作業，改井煤層煤粉、煤顆粒含量較高，在生產2個月時以煤粉、煤顆粒買柱塞而中止作業。改進砂粒、煤粉含量為2.50%，粒徑中位值為67.52μm，符合Ф防卡排液泵的使用標準。2015年1月采用改進的Ф44mm防卡排液泵進行開發作業，下泵深度達860m，沖次為1.80次/min，沖程為1.65m，日排液量為4.55t/d，泵效達91.20%，連續作業11個月未出現埋柱塞、卡泵問題。其他采氣井的排液試驗也取得良好的成績，其中兩口氣井在施工作業期間因停電原因而多次中止抽汲作業，每次重新開工均為出現異常，累積作業10個月以上均未出現買柱塞、埋泵和卡泵的問題。試驗結果說明，本次研制的新型防卡排液泵具有良好的防埋、卡泵效果，可滿足含砂粒、煤粉量較高的煤層氣采氣井的排液作業要求，性能好，可延長作業周期，且施工操作簡便，可極大地提高煤層氣開發的效率和質量，降低施工投入成本。

5　結語

防卡排液泵是在傳統管式排液泵的基礎上進改進的，優化了傳統排液泵的結構設計。利用獨特工藝對柱塞、泵筒、迷宮閥罩、鎖緊密封裝置等結構進行優化設計，進而增強了排液泵的靈活度和防卡性能，為煤層氣的開發效率的提高和成本控制提供了有利的技術支持。

［1］徐金超，韓修廷，李俊亮等.三元復合驅無間隙自適應防卡泵的研制與應用［J］.石油鉆采工藝，2013，35（04）:106-110.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.044

霍軒（1987），男，陜西咸陽人，本科 ，助理工程師，研究方向是：煤層氣領域的廢舊管桿泵修復、內襯油管的加工和使用，物資采購和使用方面。