(一)自洁式抽油泵
在煤层气排采中,因排采的水中含有大量煤粉,在普通抽油泵中,煤粉易沉积在固定阀周围,并黏附在阀球、阀座上。抽油泵工作达到一定时间后固定阀失效,导致停抽检泵。停抽后,固定阀被煤粉掩埋更加严重,导致抽油机无法启动。
针对韩城区块煤层气生产问题,对普通抽油泵进行了改进,改进后的自洁式抽油泵能够对沉积在固定阀周围的煤粉进行自行冲洗,延长抽油泵在煤层气井开发中的使用周期。
静止的液体受到水流的冲击时,其内部的沉积物会获得能量而运动,并悬浮在液体中,随水流一起运动。自洁式抽油泵就是利用液流对沉积在固定阀周围的煤粉等(固体颗粒物质)进行冲刷,使其悬浮在液体中,通过抽油泵的吸液、排液过程将煤粉排出抽油泵,实现自洁的功能,防止固定阀因煤粉黏附、掩埋失效,实现煤层气井的连续与稳定生产。自洁式抽油泵主要适合于含煤粉的煤层气井和含砂的油井。
自洁式抽油泵主要由泵筒总成、柱塞总成、泵筒加长管、导流筒、出液阀和进液阀总成六部分组成,如图7-27所示。泵筒总成、泵筒加长管、导流筒和进液阀总成随排采管柱一起下到井筒中的设计深度,柱塞总成和出液阀总成随抽油杆下入排采管柱中。其中导流筒是自洁式抽油泵的主要部件,由圆钢经车床、铣床加工而成。初始方案考虑煤粉的通过率,但由于导流孔面积过大,排砂能力不足,井液含砂量过大,经过现场应用效果不明显。针对以上问题进行以下改进方案:考虑在不影响煤粉等通过的情况下,缩短导流筒长度,减小过流面积,使其与阀座过流面积比约为1.6,使液流能够更充分的对沉积的煤粉进行冲刷(熊先钺,2014)。
自洁式抽油泵工作原理如图7-28、图7-29所示。上冲程时,柱塞上行,柱塞下腔体积变大,下腔压力变小。在压差作用下固定凡尔开启,上、下游动凡尔关闭,地层流体进入泵筒。地层流体从固定凡尔进入泵筒后使泵筒逐渐充满地层流体,直至上冲程结束。在此过程中,地层流体通过固定凡尔导流装置对沉积在泵筒底部的泥砂、煤粉等颗粒进行冲刷,使泥砂、煤粉等颗粒随地层流体排出泵筒。下冲程时,柱塞下行,柱塞下腔体积变小,下腔压力变大。在压差作用下固定凡尔关闭,上、下游动凡尔打开,地层流体通过游动凡尔进入泵筒上部的油管,直至下冲程结束,完成一个抽汲过程。
图7-27 自洁式抽油泵的结构示意图
1—泵筒总成;2—柱塞总成;3—出液阀总成;4—泵筒加长管;5—导流筒;6—进液阀总成
图7-28 上冲程示意图
图7-29 下冲程示意图
通过上述结构设计和工作原理,自洁式抽油泵可实现的功能有:在抽汲过程中,固定凡尔导流装置对从固定凡尔总成进入泵筒的地层流体流向进行引导,使地层流体对沉积在抽油泵底部的泥砂、煤粉等颗粒进行冲刷清洗,并通过地层流体将固体颗粒排出泵筒,起到自洁功效。在泵筒下部增加了泵筒加长管,其内径略大于泵筒内径,柱塞在运动到下死点时能越出泵筒一定长度,这样可以把泵筒内的积砂带出泵筒,起到保护泵筒工作面的作用,防止发生卡泵现象。柱塞具有刮砂槽,可以将进入柱塞和泵筒间隙的煤粉、砂粒等固体颗粒刮进刮砂槽,在柱塞上、下运动过程中带出泵筒,降低泵筒磨损,延长泵筒的使用寿命(熊先钺,2014a)。
(二)射流泵
1.射流泵工作原理
射流泵排采工艺技术是以高压水为动力液驱动井下排水采气装置工作,以动力液和产出液之间的能量转换达到排水采气的目的。在产出液的举升过程中,液体在生产管柱内任意截面的流速均大于保证煤粉上升的最低液流速度,从而能保证煤粉随流体一起顺利排出。排水采气装置的吸入口下至煤层下部,保证煤粉不埋煤层。
高压水(动力液)由动力液罐通过井口进入动力液管线,沿动力液管线到达井下泵体,并驱动井下排水采气装置工作,产出液和动力液的混合液通过动力液管和混合液管组成的环形空间到达井口进入动力液罐(图7-30)(张霖,2008)。
图7-30 射流泵同心双管腔结构示意图
2.主要结构
射流泵排采工艺的设备包括地面和井下两部分。
地面部分主要包括:动力液罐、地面泵、变频器、过滤器、特制井口、控制和计量仪表等,具体流程如下:首先,高压水(动力液)经动力液管线到达该井,通过通用电子流量计到达井口的高压翼一端。其次,地层产出液和动力液的混合液从井口的另一翼产出,经流量计进入混合液管线,然后,进入泥砂、水、煤粉分离罐,沉降分离后,动力液循环使用,煤层产水进入污水池。最后,煤层气从套管产出,计量后进入输气流程(陈凤官等,2012)。
井下部分包括:动力液管、混合液管、排水(煤粉)采气装置、筛管、尾管等(如图7-30)。
3.工艺优点
1)防砂防煤粉
排水采气装置井下泵筒吸入口下至煤层下界,以保证能深抽到一定的动液面,并且煤粉及泥砂不会埋没煤层。此外,在井下泵地层流体进口处装有缝宽为1.8mm的绕丝筛管,以防止大粒径的固体颗粒堵塞井下泵流道,影响井下泵的正常工作。根据泥砂和煤粉直径选择合理的井下泵工作参数,可保证煤粉及泥砂能排至地面。
2)无运动件无偏磨
相对于常规有杆泵排采设备,射流泵排采工艺管柱结构中无有杆部件,无运动部件,因此,不存在管杆偏磨影响。
3)不动管柱换泵
井下泵心坐封于工作筒内,当原井排量无法满足生产需求或泵心出现故障时,只需调整地面阀门,改变动力液由混合液管流入即可实现地面捞泵,将更换的泵心投入动力液管中,恢复动力液流入方向使泵心坐封即可恢复生产。因此,相对于常规有杆泵排采设备,射流泵排采设备可以在不动管柱的情况进行更换井下泵,且操作简单、时间短,无修井作业费用(熊先钺,2014a)。
(三)电潜螺杆泵
地面驱动螺杆泵因驱动杆易造成杆断、杆管磨损、卡杆等问题,制约其进一步推广应用(刘新福,2009)。在这种情况下,同时具有无杆采油、井下驱动和螺杆泵优点的电潜螺杆泵受到普遍关注。
韩城区块应用于煤层气井排采的为电动潜油单螺杆泵,排采系统由地面部分、井下部分和中间连接部分组成。
地面部分由自动控制台、自耦变压器、地面接线盒及井口装置组成(图7-31)。自动控制台可用手动或自动开关来控制电潜螺杆泵工作,同时保护潜油电动机,防止电机-电缆系统短路和电动机过载。
图7-31 电潜螺杆泵地面部分组成
中间部分由特殊结构的电缆和油管组成。将电流从地面部分传输给井下部分,在气井中将电缆和油管外表面固定在一起,在井下部分将电缆和单螺杆泵、保护器外壳固定在一起(图7-32)。
图7-32 电潜螺杆泵中间部分和井下部分组成
井下部分是电潜螺杆泵装置的主要机组,它由潜油单螺杆泵、联轴节(带泵吸入口)、保护器、减速器和潜油电动机部件组成,起着抽液的主要作用(图7-32)。
井下部分主要连接情况:井下潜油电机的输出轴通过花键套与锥齿减速器传动轴连接;减速器通过花键套与保护器轴连接,再通过花键套与泵轴连接;泵的出油口通过带螺纹的接头与输油管连通。
电潜螺杆泵的工作原理:井下潜油螺杆泵由转子和定子组成(饶孟余等,2010)。潜油电机通过机械减速器和联轴节驱动螺杆泵泵轴转动。转子和定子相啮合形成一个个连续的密封腔室,当转子在定子内转动时,空腔从泵的入口端向出口端移动,空腔内的液体也随之从泵的吸入端泵送到排出端,通过油管输送到地面,从而起到泵送作用(李芳,2011)。
从现场应用效果来看,电潜螺杆泵主要具有以下优点。首先,井下系统工作时无动力部件,因此,井下设备有较高的可靠性,且维修周期长,费用低;其次,与有杆泵(如抽油机、螺杆泵等)相比较,更适用于斜井和水平井,对因出砂导致的泵砂卡和因出煤粉导致的卡泵等问题效果显著,减少修井频次,降低因修井对储层造成的伤害。此外,电潜螺杆泵还具有能在高温、高气液比、出砂和腐蚀等复杂条件下工作的优点,能有效解决高产水井因产水高选用大泵径有杆泵出现抽油杆断脱或脱节器损坏的问题等。
然而,电潜螺杆泵最容易损坏的泵部件是定子,每次修泵必须起下管柱;一次性投入成本较高;泵要求流体润滑,要有一定的沉没度;与抽油机相比,安装较为复杂。目前大多数现场应用于浅井(熊先钺,2014a)。
(四)杆式泵
杆式泵与常规管式泵的不同在于杆式泵坐封于油管内。杆式泵分为两部分,一是与油管连接的密封支撑接头,二是杆式泵。在下泵作业时,密封支撑接头随油管一起下入井底,杆式泵随抽油杆一起下入井底,并坐封于支撑接头上。当井下泵因煤粉影响出现故障时,可以通过抽油杆将泵直接提出井筒进行更换,避免常规管式泵作业时需取出全井抽油杆和油管,实现了不动管柱检泵,缩短了占井工期,降低了作业成本。
杆式泵根据固定方式的不同分为顶部固定和底部固定两种。其中,顶部固定杆式泵特点:排出的液体能够把顶部与油管间的煤粉及时冲刷干净,有一定的排煤粉效果。泵筒受液体压力作用,会增大泵筒与柱塞的间隙,导致泵效降低,故不适用于深井。底部固定杆式泵特点:由于支撑装置在泵的底部固定,泵筒受外压力,受力状况好,泵隙变化小,适用于深井,但煤粉容易积存在泵筒和油管的环形空间内,不适用于出煤粉严重井。
杆式泵根据密封方式的不同又分为皮碗和机械密封两种。为保证坐封稳固,韩城区块煤层气井使用双卡式即金属和皮碗双重密封,此种密封不仅锚定力大,并且双密封实现双保险(熊先钺,2014a)。