真空回位增壓抽砂泵研制及在煤層氣井應(yīng)用

梅永貴，毛生發(fā)，秦利峰，郭軍峰，連小華，徐正國，馬全善

（1.華北油田山西煤層氣分公司，山西晉城048000；2.濮陽市科銳機(jī)械工程技術(shù)有限公司，河南濮陽457000；3.內(nèi)蒙古工業(yè)信息研究所，呼和浩特010020） ①

真空回位增壓抽砂泵研制及在煤層氣井應(yīng)用

梅永貴1，毛生發(fā)1，秦利峰1，郭軍峰1，連小華1，徐正國2，馬全善3

（1.華北油田山西煤層氣分公司，山西晉城048000；2.濮陽市科銳機(jī)械工程技術(shù)有限公司，河南濮陽457000；3.內(nèi)蒙古工業(yè)信息研究所，呼和浩特010020） ①

煤層氣井采用排水降壓采氣工藝，由于井底壓力很低，不適合采用常規(guī)的水力沖砂工藝，只能采用撈砂泵抽取井內(nèi)顆粒物。油井中常用的撈砂泵在煤層氣井中使用時(shí)，由于液面較低、顆粒物量大，其工作效率很低，且很難將糊狀煤粉清理干凈。介紹了真空回位增壓抽砂泵的結(jié)構(gòu)，計(jì)算了吸入壓力、最大排出壓力、活塞回位力、理論排量。該泵的作業(yè)效率高，成本低，適用于煤層氣井撈砂作業(yè)，在水平井中的優(yōu)勢顯著。

煤層氣；抽砂泵；結(jié)構(gòu)；參數(shù)

煤層氣以直井水力加砂壓裂投產(chǎn)和多分支水平井洞穴裸眼完井投產(chǎn)2種井型為主，煤層以下口袋深度50～60m。在多分支水平井內(nèi)進(jìn)行排水采氣過程中，由于煤層疏松，水平井眼的煤粒被帶出，沉積在洞穴井口袋內(nèi)，影響排采設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。常規(guī)的清理方法是：①水力沖砂工藝［1－2］，這種方法費(fèi)用高，且注入水對煤層有污染，造成產(chǎn)氣量減少；②抽砂泵抽吸工藝，由于常規(guī)抽砂泵結(jié)構(gòu)原理的因素，平均撈砂8次才能把井底砂撈干凈，效率低。

為了提高撈砂效率，開展了真空回位增壓抽砂泵的研究。

1 常規(guī)抽砂泵效率低的原因

常規(guī)抽砂泵結(jié)構(gòu)為：泵在管柱中部，下部一般接10～15根沉砂管，底部是排出閥和筆尖。撈砂效率低下的原因如下：

1） 由于煤層氣井液面低，一般在煤層以上30～50m，口袋沉積物多。將177.8mm（7英寸）套管內(nèi)的煤粉抽入73.0mm（2英寸）油管內(nèi)，其長度比為1∶7。假設(shè)套管內(nèi)有30m煤粉，抽入油管內(nèi)的長度應(yīng)該為210m。常規(guī)抽砂泵［3－5］的存砂尾管在泵下，泵吸入壓力低，當(dāng)泵下連接210m尾管后，抽砂泵已高于液面，泵無法抽吸。

2） 尾管下端是進(jìn)液閥，抽入的煤粉沉積在尾管內(nèi)，將進(jìn)液閥淹埋，使排出閥無法打開，泵無法吸液。

2 真空回位抽砂泵結(jié)構(gòu)

真空回位增壓抽砂泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。常規(guī)抽砂泵泵下連接尾管，在尾管的重力作用下抽砂泵可以伸縮，完成吸排液；真空回位抽砂泵連接在油管最下端，其本身的重力不足以使活塞回位到泵筒頂端，而靠活塞桿與泵筒間隙A腔內(nèi)的真空與泵筒外部液柱壓力之差的作用，使活塞回位到泵筒頂端。

A腔為很小的密閉空腔，內(nèi)部壓力為0.1MPa。當(dāng)活塞桿下壓時(shí)，A腔容積變大，壓力下降，活塞到下死點(diǎn)時(shí)，A腔幾乎處于真空狀態(tài)；當(dāng)活塞桿上提時(shí)，在真空作用下，泵筒做相對向下運(yùn)動(dòng)，A腔縮小，活塞回位到上死點(diǎn)。這是此泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

此時(shí)，泵沉浸在井內(nèi)液體里，在A腔內(nèi)外壓差的作用下，泵筒受到向下的力，泵筒克服密封件的摩擦力向下運(yùn)動(dòng)，此力的大小取決于液面高度和泵筒與活塞桿的環(huán)形面積。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：活塞桿與泵筒間隙兩端密封，下壓形成真空，上提靠壓差回位。

3 撈砂作業(yè)過程

撈砂泵連接在撈砂管柱下端，下管柱至下部筆尖觸及砂面以后，泵筒停止下行；在作業(yè)機(jī)的作用下，緩慢下放管柱，在管柱重力作用下，使活塞桿下行，由連接套 、滑閥滑套、滑閥閥芯 、限位套組成的滑閥打開（滑閥閥芯上部開口露出滑閥滑套）；此時(shí)泵下腔壓力升高，泵下腔的煤粉及液體通過滑閥閥芯，打開吸入閥球進(jìn)入油管內(nèi)；當(dāng)活塞下行到下死點(diǎn)時(shí)，限位套與泵筒上接頭互相嚙合，可傳遞扭矩，需要時(shí)可在井口轉(zhuǎn)動(dòng)管柱，鉆碎井底煤塊，如果不需要鉆碎煤塊，直接上提即可。上提管柱，活塞上行，滑閥關(guān)閉（滑閥閥芯上部開口沉于滑閥滑套內(nèi)），泵筒在真空作用下做相對向下運(yùn)動(dòng)，筆尖停留在砂面上，泵腔容積變大，壓力降低，吸入閥打開，水及煤屑（或石英砂）進(jìn)入泵筒。如此緩慢上下提放管柱，沒有進(jìn)尺時(shí)放到下死點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)管柱，旋轉(zhuǎn)破碎煤塊以后繼續(xù)提放管柱，直到管柱下至人工井底，完成全井撈砂過程。

由此抽吸過程可以看出，吸入閥不會被煤粉及砂粒淹埋，開啟順利。由于煤粉是沉積在泵上油管內(nèi)，泵上排出閥將被煤粉及砂粒淹埋。泵腔最高排出壓力與管柱重力直接相關(guān)，可以高達(dá)幾十兆帕，輕松打開排出閥。

圖1 真空回位抽砂泵結(jié)構(gòu)

4 輔助部件

4.1 玻璃堵片及油管伸縮器

為了提高抽砂的效率，安裝玻璃堵片及油管伸縮器，結(jié)構(gòu)如圖2。此部件安裝在泵上第3根油管處，保證在下管柱過程中井內(nèi)液體不進(jìn)入油管內(nèi)，在玻璃堵片破碎前，油管內(nèi)外形成壓差；當(dāng)泵的筆尖碰到砂面時(shí)，下放油管，玻璃堵片被壓碎，井內(nèi)液體攜帶煤粒迅速進(jìn)入油管內(nèi)，靠油管內(nèi)外液位差實(shí)現(xiàn)部分抽吸作用，提高抽吸效率。

在正常抽吸時(shí)，油管伸縮器產(chǎn)生蠕動(dòng)，避免煤粒在油管內(nèi)形成煤塞堵塞通道，降低泵的排出壓力。

圖2 玻璃堵片及油管伸縮器結(jié)構(gòu)

4.2 井口哨音器

井口哨音器結(jié)構(gòu)如圖3，用于判斷井下泵工作狀況。井口哨音器安裝在油管最上端，當(dāng)井下泵正常工作時(shí)，管柱內(nèi)的液面逐漸升高，排出的空氣從口哨中流過，口哨發(fā)出聲音。通過此聲音可判斷出井下泵工作狀況，聲音尖說明排液正常，聲音變小說明排液量降低，不排液時(shí)哨音停止。當(dāng)油管內(nèi)的砂面沉積到一定量時(shí)，泵腔內(nèi)的壓力不能推動(dòng)煤粒排出，此時(shí)造成“憋泵”，沒有氣體排出，哨音停止，立即停止撈砂，起出管柱；當(dāng)液面到達(dá)管柱頂部，哨音也停止，立即停止下放管柱，起出管柱。井口哨音器可以有效避免管柱憋壓，避免煤漿從井口噴出。

圖3 井口哨音器結(jié)構(gòu)

5 參數(shù)計(jì)算

以CSB83－65－1.6型真空回位抽砂泵為例，泵徑D＝83mm，活塞桿直徑d＝65mm，沖程L＝1.6 m。假設(shè)下井深度700m，井內(nèi)沉沒度100m。

5.1 吸入壓力

常規(guī)抽砂泵上行時(shí)，靠下部管柱重力使泵筒下行，下部管柱必須足夠長、足夠重；活塞上行讓出的空間占下部管柱容積很小一部分，因而管柱必須充滿液體，否則無法降低下部管柱壓力，達(dá)不到吸入目的。主要靠油套管內(nèi)外液位差吸入，而且受下閥上部沉砂壓制，吸入狀況不佳。如圖4a。 100m液面之下，上接頭內(nèi)外壓差p1＝1.0MPa。

上提管柱，泵筒相對活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，忽略泵筒與活塞的摩擦力，泵筒受到套管環(huán)空液柱壓力與A腔壓力差值的作用。在工作狀態(tài)，A腔絕壓在0～0.1MPa，即上接頭內(nèi)外壓差p1為1.0～1.1MPa。

活塞回位力為

活塞與泵筒之間有4道O形密封圈，其摩擦力為200～250N，明顯小于2 300N，活塞很容易回位。只要有10m液柱，泵就能正常工作。

5.4 理論排量

泵的容積為

長50m、外徑177.8mm（7英寸）套管的井底口袋容積為1m3。理論上，抽砂120個(gè)行程即可抽干凈，實(shí)際抽砂180個(gè)行程達(dá)到要求。

6 現(xiàn)場應(yīng)用

2011－07—2012－04，在華北油田山西煤層氣樊莊區(qū)塊成功應(yīng)用于48口井撈砂作業(yè)。每次檢泵撈砂次數(shù)由原來常規(guī)撈砂泵作業(yè)的5～8次減少至1次，不但撈出煤粉、煤屑，還撈出水力沖砂沒有徹底沖出來的石英砂。減少起下管柱趟數(shù)，減輕油管損傷，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)時(shí)率，降低作業(yè)施工成本，深受施工作業(yè)者和煤層氣井管理者歡迎。已經(jīng)在其他煤層氣開發(fā)企業(yè)推廣應(yīng)用。

圖4 2種吸入壓力比較

真空回位抽砂泵活塞上行讓出的空間占泵筒絕大部分容積，可以形成一定負(fù)壓，液體和煤屑在泵內(nèi)負(fù)壓和油套液位差作用下被吸入，吸入壓差明顯大于常規(guī)抽砂泵，且不受沉砂影響。如圖4b。

5.2 最大排出壓力

假設(shè)S1為泵活塞面積、S2為活塞桿面積，則泵筒上接頭受力面積為

700m油管重力G＝66 666N，則最大排出壓力

700m油管內(nèi)充滿水的情況下對泵排出閥的靜液柱壓力為

最大排出壓力與管柱靜液柱壓力是4.5倍的關(guān)系，足以克服上部液柱壓力而排液。

5.3 活塞回位力

裝配時(shí)，A腔絕壓為0.1MPa；下井后泵筒沉入

7 結(jié)論

1） 真空回位抽砂泵研制成功并應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，大幅度提高了煤層氣井撈砂作業(yè)效率，縮短了作業(yè)占井周期，降低了作業(yè)成本。

2） 利用活塞桿與泵筒間隙兩端密封，下壓形成真空，上提回位；應(yīng)用玻璃堵片和油管伸縮器，進(jìn)一步提高撈砂效率；井口哨音器有利于判斷井下泵況。

3） 適用于所有煤層氣井撈砂作業(yè)，尤其在多分支水平井撈砂作業(yè)中更顯優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 管恩東.雙級同心整體沖砂管柱工藝研究［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（2）：63－65.

［2］ 汪國慶，周承富，呂選鵬，等.連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)沖砂技術(shù)在水平井的應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（5）：70－74.

［3］ 萬仁薄，羅英俊.采油技術(shù)手冊［K］.北京：石油工業(yè)出版社，1989.

［4］ 國建軍，趙玉華.特種抽油泵及井下工具手冊［K］.北京：石油工業(yè)出版社，2002。

［5］ SY／T5059—2001，抽油泵組件及其規(guī)范［S］.

Vacuum Return Pressure Sand Pump in CBM Well Development and Application

MEI Yong－gui1，MAO Sheng－fa1，QIN Li－feng1，GUO Jun－feng1，LIAN Xiao－h(huán)ua1，XU Zheng－guo2，MA Quan－shan3
（1.Shanxi CBM Subsidiary，Huabei Oilfield Co.，Jincheng048000，China；2.Puyang Kerui Mechanical Engineering Technology Limited Company，Puyang457000，China；3.Inner Mongolia Institute for Information Industry，Huhhot 010020，China）

CBM well use the gas production technology of drainage and reduction pressure，the pressure of bottom hole is very low，not suitable for the use of conventional hydraulic sand washing process，can only use of bailing pump extraction wells particles.Oil well sand pump used in the coalbed gas well，as the liquid level is low，a large quantity of particles，the working efficiency is very low，and it is difficult to clean up the paste coal.The vacuum return pressure sand pump structure，calculation of the suction pressure，maximum discharge pressure，the piston answer force，the theory capacity are introduce.The pump is of high work efficiency，low cost，suitable for coalbed gas well sand－bailing work，a significant advantage in horizontal wells.

coal bed gas；sand pump；structure；parameter

1001－3482（2012）08－0075－04

TE937

A

2012－04－28

專利技術(shù)：真空回位抽砂泵（201220007683.X）

梅永貴（1966－），男，重慶璧山人，高級工程師，1990年畢業(yè)于西南石油學(xué)院采油工程專業(yè)，主要從事煤層氣開發(fā)工程技術(shù)研究及管理工作，E－mail：mcq＿meiyg＠petrochina.com.cn。