煤层气开发中防卡排液泵的研制

霍 轩（中石油煤层气有限责任公司忻州分公司，太原 030000）

煤层气开发中防卡排液泵的研制

霍 轩
（中石油煤层气有限责任公司忻州分公司，太原 030000）

煤气层指的是煤层中吸附于煤基粒表层或者游离在煤空隙内的以甲烷为主的烃类气体，是煤矿资源常见的伴生资源，也是一种近年来市场前景很大的优质、洁净的非常规天然气能源和应用十分广的化工原料。煤层气在开发过程中，煤层容易因钻井机械影响而失稳坍塌，导致部分细煤粒、煤粉掉入井筒并不断沉积，进而引起砂埋管柱与卡泵等问题，不仅缩短了排液泵的使用寿命，还影响了煤层气开发效率，增加投入成本。针对这一问题研制了新型的防卡排液泵，本文主要讨论防卡排液泵的结构设计、作业原理、工艺特点与现场使用情况。

煤层气；防卡；排液泵

0　前言

煤层气储藏于煤矿的裂缝空隙或基质孔隙中，在开发过程中，机械振动因素会增加煤层有效应力，进而会引起煤层基质的破裂，生成大量的细煤粒、煤粉，一部分掉入井筒中沉积起来，另一部分经排液泵吸出，易引起卡泵现象［1］。卡泵具有较大的危害性，不仅会缩短排液泵设备的使用寿命，加大开发成本投入，影响开发效率，还会影响煤层气的产出质量，甚至还可引起原井管柱砂卡等事故。由此可见研制具有防卡功能的新型排液泵具有重要意义。

1　结构设计

防卡排液泵主采用了长柱塞结构、环空沉降结构和插入式锁紧结构3种结构形式，具体组成结构见图1。整个排液泵由十多个零部件组成，主要有加长柱塞、扶正器、内筒、外筒、尾管、进出油阀组件、密封泵筒、双通接头、锁紧密封装置等。①环空沉降结构主要由扶正器、内筒、外筒、尾管和双通接头共同组成，在设计时又分有盲板、双通芯轴与沉砂双通外关3个部分。双通芯轴上端设计成锥度面，目的是增加其定位、导向和密封功能，从而有效将锁紧密封装置引到双通芯轴中，锁紧锥面和锥度面共同组成一个锥面的密封结构。双通芯轴两侧设计有外部连通油套环空、内部连通固定阀组的侧向进液孔，三者共同组成排液泵抽汲作业的排液通道，而双通芯轴同沉砂双通外管间的环空结构由连通胃管与通油管，进而起到环空沉降煤粉和煤颗粒的作用。②插入式密封结构主要由锁紧密封装置和密封接头两部分组成，其中锁紧密封装置又设计有套环、隔环、密封圈、锁紧芯轴、下接头和锁紧铜环几个部分，双通芯轴、锁紧铜环和密封圈三者共同配合，在锁紧密封装置引入双通芯轴结构时，锁紧铜环和密封圈就会共同作用而增强紧缩的效果，能够有效地避免排液泵在抽汲作业期间因为泵筒和柱塞摩擦力作用而出现上下窜动的现象。③防埋阀结构由上下游动阀上部分结构的迷宫阀罩组成，其中迷宫阀罩又设计有阀罩体与挡板两个部分，在排液泵展开抽汲作业期间，阀罩中的液体会随着抽汲方向流动，确保在上下冲程中煤粉不会因液流作用力影响而沉降，在抽汲作业停止后，液体所含的煤颗粒与煤粉在重力作用下自然地沉降到环空沉降结构，而这时油管中的液体处于静止状态，当煤粉沉降时会落入阀体和挡板之间的位置，而不直接落入阀球，从而有效地避免煤粉与煤颗粒卡埋阀球的问题。④抽油泵的核心结构则是由进出油阀件、泵筒和加长柱塞共同组成，泵筒和长柱塞直径均为Ф44mm，油管内径为Ф62mm，冲程上限为6m。在抽汲作业期间，长柱塞上部分会始终停留在泵筒外面，在抽汲作业结束时会同外筒和泵筒共同组成一个环空沉降结构，避免煤颗粒、砂粒和煤粉聚集在泵强上方而导致煤颗粒、煤粉埋柱塞的问题。

图1　防卡排液泵的结构设计示意图

2　作业原理

防卡排液泵的作业原理，在上冲程，加长柱塞作上行运动，这时泵强受压会降低，从而打开进液阀，井筒内的液体就会由侧边进液孔流入泵强。在下冲程，加长柱塞作下行运动，这时泵强受压会明显增大，从而关闭进液阀，打开排液阀，泵强中的液体会流入环空杆管中。经过反复的抽汲，在排除液体的同时也会将其中所携带的煤颗粒、煤粉排出地面。在排液泵停止抽汲作业时，液体所含有的煤颗粒与煤粉会沉降，但是因为柱塞的上部分结构进行加长改进延伸到泵筒外，因此能够阻止煤颗粒与煤粉沉入泵筒，使其通过环形沉降空间结构流入排液泵尾管中。

3　工艺特点

防卡排液泵具有良好的防卡效果主要是因为其具有独特的结构设计与工艺特点：①采取锁紧密封装置与双通芯轴支撑装置共同组成出入式的锁紧密封结构，使排液泵在抽汲作业时更加灵活；②迷宫阀罩设计了阀罩体与挡板两个部分，能够避免煤颗粒与煤粉直接落入泵强而防止煤颗粒和煤粉埋阀球的现象；③改进了柱塞与泵筒结构，采取泵筒与长柱塞结合的方式灵活地组成环空沉降结构，为煤颗粒与煤粉的环空沉降提供便利通道，解决砂埋、卡泵的问题。

4　现场使用

为了验证所研制的新型防卡排液泵的效果，在5口煤层气井中进行了排液试验作业，结果日总排液量最高可达210m2，效率明显提高，生产周期增加2倍以上，试验效果良好。以1号井完钻井为例，仅深达902m，2014年6月使用传统Ф38mm管式排液泵进行开发作业，改井煤层煤粉、煤颗粒含量较高，在生产2个月时以煤粉、煤颗粒买柱塞而中止作业。改进砂粒、煤粉含量为2.50%，粒径中位值为67.52μm，符合Ф防卡排液泵的使用标准。2015年1月采用改进的Ф44mm防卡排液泵进行开发作业，下泵深度达860m，冲次为1.80次/min，冲程为1.65m，日排液量为4.55t/d，泵效达91.20%，连续作业11个月未出现埋柱塞、卡泵问题。其他采气井的排液试验也取得良好的成绩，其中两口气井在施工作业期间因停电原因而多次中止抽汲作业，每次重新开工均为出现异常，累积作业10个月以上均未出现买柱塞、埋泵和卡泵的问题。试验结果说明，本次研制的新型防卡排液泵具有良好的防埋、卡泵效果，可满足含砂粒、煤粉量较高的煤层气采气井的排液作业要求，性能好，可延长作业周期，且施工操作简便，可极大地提高煤层气开发的效率和质量，降低施工投入成本。

5　结语

防卡排液泵是在传统管式排液泵的基础上进改进的，优化了传统排液泵的结构设计。利用独特工艺对柱塞、泵筒、迷宫阀罩、锁紧密封装置等结构进行优化设计，进而增强了排液泵的灵活度和防卡性能，为煤层气的开发效率的提高和成本控制提供了有利的技术支持。

［1］徐金超，韩修廷，李俊亮等.三元复合驱无间隙自适应防卡泵的研制与应用［J］.石油钻采工艺，2013，35（04）:106-110.

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

霍轩（1987），男，陕西咸阳人，本科 ，助理工程师，研究方向是：煤层气领域的废旧管杆泵修复、内衬油管的加工和使用，物资采购和使用方面。