CN104695913B - 一种煤层气开采设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气开采设备，包括动力设备、油管、抽油杆和井下泵；油管位于井下套管内，形成管套环空；抽油杆位于油管内，形成杆管环空；井下泵位于油管的下端，动力设备位于地面上，通过抽油杆连接井下泵为井下泵提供动力，以便通过杆管环空排采井下液体；抽油杆为中空结构，抽油杆下端设有可开启的封堵结构，以便依次关闭管套环空和杆管环空后，开启封堵结构，通过抽油杆的内部排采。该煤层气开采设备能够采用两种排采方式，根据产水量、产气量的变化选择合适的排采方式，两种排采方式可以实现连续转换，对井筒进行连续、稳定的降压排水，转化时，不需要修井作业，从而能够保证煤层气井的连续、稳定、节能生产。

Description

一种煤层气开采设备

技术领域

本发明涉及煤层气开采技术领域，特别是涉及一种煤层气开采设备。

背景技术

煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。

煤层气又称煤层甲烷气，煤炭工业称之为煤层瓦斯，是在成煤过程中形成并赋存于煤层中的一种非常规天然气。这种天然气大部分(70％～90％)赋存在煤岩孔隙内表面上，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水中。

与天然气生产不同，煤层气在开始产气之前先要排出煤层中大量的水，这与煤储层的独特性质有关。煤层中天然裂隙或割理通常被水饱和，煤层气吸附在煤上。要采出煤层气，首先要让它从煤中解吸出来。只有抽出足够的水，煤层压力降至煤的解吸压力后，煤层气的解吸才能开始。煤层压力小于或等于解吸压力，气体从煤中解吸，顺割理流动到压裂裂缝，然后流到井筒中，煤层气从井筒中开采出来。

煤层气地面钻井排采的初期，一般井产水量较大，基本不产气，使用人工举升设备将井底液体带到地面，实现排水降压。随着井下水的排出，井筒附近压力下降，逐渐有气体解吸产出。进入排采中期后，井筒附近压力下降到一定程度后，产气量逐渐升高并保持稳定，产水量很低或不产水。

目前用于煤层气井的排水设备主要有：有杆泵和螺杆泵。通常由地面上的设备提供动力，通过抽油杆带动井下的泵工作，将井筒内的水排出至地面，井下泵的排水量较大。随着排采的进行，产气量逐渐升高，产水量逐渐降低，产水量极少，甚至不产水，但仍需维持排采，因此，存在杆管偏磨、动力消耗大等问题。

煤层气井的排水设备对煤层气地面钻井的井底地层出水量变化的适应能力较差，进入开采的中期阶段，由于产水量低且是变化的，需要经常调整工作参数，不但经济性不好，而且很难满足连续、稳定降压排水的要求，影响煤层气的开采效率。

因此，如何设计一种水量变化时，能够连续、稳定降压排水的煤层气开采设备，是本领域技术人员目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤层气开采设备，该煤层气开采设备的开采效率较高，能够适应水量的变化，对井筒进行连续、稳定的降压排水。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种煤层气开采设备，包括动力设备、油管、抽油杆和井下泵；所述油管的下部位于井下套管内，形成管套环空；所述抽油杆的下部位于所述油管内，形成杆管环空；所述井下泵位于所述油管的下端，所述动力设备位于地面上，通过所述抽油杆连接所述井下泵为所述井下泵提供动力，以便通过所述杆管环空排采井下液体；所述抽油杆为中空结构，所述抽油杆下端设有可开启的封堵结构，以便依次关闭所述管套环空和所述杆管环空后，开启所述封堵结构时，通过所述抽油杆的内部排采。

优选地，所述封堵结构包括封堵板和护板，所述封堵板和所述护板固设于所述抽油杆的内壁；所述封堵板设有冲击断裂部，以便向所述抽油杆内部投入重物时，所述封堵板能够沿所述冲击断裂部断裂并脱落；所述护板位于所述封堵板的下侧，能够避免物体落入井下。

优选地，所述冲击断裂部为所述封堵板周部的环形的断裂凹槽。

优选地，所述封堵板上下两侧的对应位置均设有所述断裂凹槽。

优选地，所述封堵板和/或所述护板与所述抽油杆的内部焊接。

优选地，所述封堵结构为设置在所述抽油杆内的井下开关，所述井下开关关闭时封堵所述抽油杆，所述井下开关能够被重物触发开启或关闭。

优选地，所述井下开关包括旋塞及其配合结构，所述配合结构设于所述抽油杆的内壁，具有与所述旋塞配合的中心孔；所述重物触发所述旋塞时，所述旋塞能够转动一定角度，以便开启或关闭所述井下开关。

优选地，所述配合结构的下侧具有楔形齿，所述旋塞的下侧具有与所述楔形齿配合的凸块，所述重物触发所述旋塞时，所述凸块能够沿所述楔形齿的斜面移动，以便使得所述旋塞转动。

本发明提供的煤层气开采设备，包括动力设备、油管、抽油杆和井下泵；油管的下部位于井下套管内，形成管套环空；抽油杆的下部位于油管内，形成杆管环空；井下泵位于油管的下端，动力设备位于地面上，通过抽油杆连接井下泵为井下泵提供动力，以便通过杆管环空排采井下液体；抽油杆为中空结构，抽油杆下端设有可开启的封堵结构，以便依次关闭管套环空和杆管环空后，开启封堵结构时，通过抽油杆的内部排采。

该煤层气开采设备中，井下套管和油管之间形成管套环空，油管和抽油杆之间形成杆管环空。该设备工作初期，抽油杆内部的空间被封堵结构封闭，动力设备通过抽油杆为井下泵提供动力，井下泵工作时，通过杆管环空产水，将井下水排出，此工作阶段的产水量较大。随着井下水的排出，煤层的压力逐渐降低，煤层压力降低至解析压力时，煤层气开始解析，解析出的气体流动到井下套管中，通过管套环空产气。进入排采中期后，煤层的压力下降到一定程度，产气量逐渐升高并保持稳定，产水量很低或不产水，产水量不稳定，会出现杆管偏磨的现象，同时对动力设备的动力消耗较大。此时，依次关闭管套环空和杆管环空，开启封堵结构，改变排采方式，则井下的水和气体将均通过抽油杆内部的空间产出，与管套环空和杆管环空相比，抽油杆内部的空间的横截面积较小，不需要地面上的动力设备提供动力，煤层的压力可以使抽油杆产气排水。

该煤层气开采设备能够采用两种排采方式，根据产水量的变化选择合适的排采方式，两种排采方式可以实现连续转换，对井筒进行连续、稳定的降压排水，不需要修井作业，从而能够保证煤层气井的连续稳定生产。

该设备改变排采方式后，通过抽油杆内部的空间排采，不需要地面的动力设备提供动力，能够利用煤层气的能量进行排水，无需增加运行成本，且节能显著。通过抽油杆排采时，不需要抽油杆运动，从而能够避免杆管偏磨的现象，同时，也能够满足较大排量的煤层气井产气量对排水的要求。

一种具体的方式中，封堵结构包括封堵板和护板，封堵板和护板固设于抽油杆的内壁；封堵板设有冲击断裂部，以便向抽油杆内部投入重物时，封堵板能够沿冲击断裂部断裂并脱落；护板位于封堵板的下侧，能够避免物体落入井下。

另一种具体的方式中，封堵结构为设置在抽油杆内的井下开关，井下开关关闭时封堵抽油杆，井下开关能够被重物触发开启或关闭。具体的，井下开关包括旋塞及其配合结构，配合结构设于抽油杆的内壁，具有与旋塞配合的中心孔；重物触发旋塞时，旋塞能够转动一定角度，以便开启或关闭井下开关。

附图说明

图1为本发明所提供的煤层气开采设备一种具体实施方式的结构示意图；

图2为图1所示的煤层气开采设备的局部放大示意图；

图3为图1所示的煤层气开采设备中抽油杆下端的封堵结构一种具体实施方式的结构示意图；

图4为图1所示的煤层气开采设备中抽油杆下端的封堵结构另一种具体实施方式的结构示意图。

其中，图1至图4中的附图标记和部件名称之间的对应关系如下：

井下套管1；油管2；抽油杆3；井下泵4；

管套环空12；杆管环空23；

封堵结构31；封堵板32；护板33；断裂凹槽34；旋塞35；配合结构36。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种煤层气开采设备，该煤层气开采设备的开采效率较高，能够适应水量的变化，对井筒进行连续、稳定的降压排水。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图4，图1为本发明所提供的煤层气开采设备一种具体实施方式的结构示意图，图2为图1所示的煤层气开采设备的局部放大示意图，图3为图1所示的煤层气开采设备中抽油杆下端的封堵结构一种具体实施方式的结构示意图，图4为图1所示的煤层气开采设备中抽油杆下端的封堵结构另一种具体实施方式的结构示意图。

在一种具体的实施方式中，本发明提供了一种煤层气开采设备，包括动力设备、油管2、抽油杆3和井下泵4；油管2的下部位于井下套管1内，形成管套环空12；抽油杆3的下部位于油管2内，形成杆管环空23；井下泵4位于油管2的下端，动力设备位于地面上，通过抽油杆3连接井下泵4为井下泵4提供动力，以便通过杆管环空23排采井下液体；抽油杆3为中空结构，抽油杆3下端设有可开启的封堵结构31，以便依次关闭管套环空12和杆管环空23后，开启封堵结构31时，通过抽油杆3的内部排采。

煤层气在开始产气之前先要排出煤层中大量的水。煤层中天然裂隙或割理通常被水饱和，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，只有抽出足够的水，煤层压力降至煤的解吸压力后，煤层气才开始解吸。

该煤层气开采设备中，井下套管1和油管2之间形成管套环空12，油管2和抽油杆3之间形成杆管环空23，抽油杆3内部为中空结构，井下套筒1内具有三个通道。

该设备工作初期，该煤层气开采设备采用第一种排采方式工作，抽油杆3的下端被封堵结构31封闭，地面上的动力设备通过抽油杆3为井下泵4提供动力，井下泵4工作时，通过杆管环空23产水，将井下水排出，此工作阶段的产水量较大。

随着井下水的排出，煤层的压力逐渐降低，煤层压力降低至解析压力时，煤层气开始解析，解析出的气体流动到井下套管1中，通过管套环空12产气。

进入排采中期后，煤层的压力下降到一定程度，产气量逐渐升高并保持稳定，产水量很低或不产水，产水量不稳定，会出现杆管偏磨的现象，同时对动力设备的动力消耗较大。

此时，可以采用第二种排采方式工作，先依次关闭管套环空12和杆管环空23，然后开启封堵结构31，改变排采方式后，井下的水和气体均通过抽油杆3内部的空间产出，与管套环空12和杆管环空23相比，抽油杆3内部的空间的横截面积较小，在一定的产气量下，可以获得较大的流速，可以由气体携带井下水将水排出，采出的水气混合物可进入气液分离装置分离。

该排采设备使用抽油杆3内部的空间进行排采的过程中，如果产水量增加，可关闭抽油杆3，停止第二种排采方式，重新开启管套环空12和杆管环空23，使用第一种排采方式。

抽油杆3可以由短的空心抽油杆依次连接而成，也可以是连续油管和小油管，或其他具有内部通道的杆柱构成。

该煤层气开采设备能够采用两种排采方式，产水量较大时适用于第一种排采方式，产水量较小产气量较大时适用于第二种排采方式，可以根据产水量的变化选择合适的排采方式，两种排采方式可以实现连续转换，对井筒进行连续、稳定的降压排水，不需要修井作业，从而能够保证煤层气井的连续稳定生产。

该设备能够根据产水量选择合适的排采方式，改变排采方式后，通过抽油杆3内部的空间产气并排水，不需要地面的动力设备提供动力，能够利用煤层气的能量进行排水，无需增加运行成本，节能显著。通过抽油杆3排采时，不需要抽油杆3运动，从而能够避免杆管偏磨的现象。

具体的，在排采初期，需要封堵结构31使抽油杆3保持密封，设备以第一种排采方式工作，需要转换为第二种排采方式时，开启封堵结构31，可以向抽油杆3内部投入重物，重物落下时将以一定的速度冲击封堵结构31，使封堵结构31开启，重物可以为铁球或铁钎，封堵结构31可以为如下结构。

一种优选的实施方式中，封堵结构31包括封堵板32和护板33，封堵板32和护板33固设于抽油杆3的内壁；封堵板32设有冲击断裂部，以便向抽油杆3内部投入重物时，封堵板32能够沿冲击断裂部断裂并脱落；护板33位于封堵板32的下侧，能够避免物体落入井下。

该煤层气开采设备以第一种排采方式工作过程中，封堵板32能够密封抽油杆3下端，当产水量减少到一定程度，需要改变排采方式时，可以向抽油杆3内投入重物，封堵板32设有冲击断裂部，重物做自由落体运动，以一定速度撞击封堵板32时，封堵板32能够沿冲击断裂部断裂，并与重物一起脱落，开启封堵结构31。

位于封堵板32下侧的护板33的作用是防止物体落入井下，能够防止封堵板32和重物落入井下，护板33起到保护支架的作用，井下的水和气体可以通过护板33。护板33的结构可以为部分圆板、具有孔洞的圆板、或者为支架式的结构。

具体的，如图3所示，冲击断裂部为封堵板32周部的环形的断裂凹槽34。当重物撞击封堵板32时，封堵板32可以沿其周部的断裂凹槽34断裂，断裂下来的封堵板32的中心部位与重物一同脱落。

优选地，封堵板32上下两侧的对应位置均设有断裂凹槽34。

根据应力集中的原理，利用断裂力学、冲击力学计算得到封堵板32的结构，具有断裂凹槽34的封堵板32具有一定的强度，在第一种排采方式时，能够保证抽油杆3的密封，同时，需要使用抽油杆3进行排采时，向抽油杆3内投入重物，重物冲击封堵板32时，能够将其冲下，沿断裂凹槽断裂，共同落到护板33上，打开环空，转换排采方式。

在上述实施方式中，封堵板32和/或护板33与抽油杆3的内部焊接。封堵板32和护板33均固设在抽油杆3内部，封堵板32位于护板33上侧，二者相距一定的距离。护板33可以为不封堵抽油杆3，并且能够避免物体落入井下的结构。

另一种优选的实施方式中，封堵结构31为设置在抽油杆3内的井下开关，井下开关关闭时封堵抽油杆3，井下开关能够被重物触发开启或关闭。

如图4所示，封堵结构31可以为井下开关，该井下开关具有关闭、开启两个状态，处于关闭状态时，封堵抽油杆3，需要转换排采方式时，向抽油杆3内投入重物，触动井下开关转化为开启状态，则构成抽油杆3排采的通道。

具体的，井下开关包括旋塞35及其配合结构36，配合结构36设于抽油杆3的内壁，具有与旋塞35配合的中心孔；重物触发旋塞35时，旋塞35能够转动一定角度，改变井下开关的状态。

配合结构36设于抽油杆3的内部，配合结构36具有与旋塞35配合的中心孔，中心孔与旋塞35正常配合时，井下开关关闭，保持密封；当旋塞35转动一定角度时，能够开启井下开关；旋塞35再继续转动一定角度时，井下开关恢复到关闭状态。

旋塞35可以为具有孔并且可旋转的锥形栓塞，当旋塞35的孔完全被配合结构36挡住时，流体就不能通过，井下开关关闭；当旋塞35转动一定角度，旋塞35的孔正朝着配合结构36的中心孔时，井下开关开启，流体就可通过。

一种具体的实施方式中，配合结构36的下侧具有楔形齿，旋塞35的下侧具有与楔形齿配合的凸块，重物触发旋塞35时，凸块能够沿楔形齿的斜面移动，以便使得旋塞35转动。

如图4所示，重物碰触旋塞35时，旋塞35向下移动，移动过程中，由于下侧的气体压力，使得旋塞35的凸块沿着楔形齿的斜面移动，使得旋塞35向下移动的同时绕自身的轴线转动，凸块移动到楔形齿的齿尖后，旋塞35停止下移，下侧的气体压力可以使得凸块沿楔形齿的另一侧斜面移动，移动到另一个楔形齿的齿底时停止转动，旋塞35刚好转过一定角度，井下开关被开启；重复上述动作，旋塞35继续转过一定角度时，可以关闭井下开关。

上述各实施方式中，井下泵4可以为有杆泵，动力设备为抽油机，即抽油机通过抽油杆3带动抽油泵工作。

采用第一种排采方式工作过程中，上冲程(抽油机上行)时，抽油杆3与抽油泵的柱塞随之上行，井底的水被吸入泵筒内；下冲程(抽油机下行)时，抽油杆3及柱塞下行，泵筒内的水进入杆管环空23。随着抽油机的往复运行，井底的水不断进入泵筒和杆管环空23，排出至地面，此时，产出的气体由管套环空12排出至地面。

当煤层气井进入稳定生产阶段，产水量降低，且动液面达到要求时，停止抽油机，开启抽油杆3的封堵结构31，关闭管套环空12和杆管环空23，高压气体将通过抽油杆3内部产出，此时借地层产出气体自身的能量，使地层产出的气体携带水排出至地面，不需要抽油机的往复运动即可实现连续稳定的排水采气，则抽油机停止工作，实现了两种排采方式的转换，第二种排采方式实现了无能耗、无磨损的排采。

上述各实施方式中，井下泵还可以为螺杆泵，螺杆泵的定子设置在油管2的内部，抽油杆3连接螺杆泵的转子。

采用第一种排采方式工作过程中，螺杆泵的定子和转子形成密封容腔，螺杆泵工作时，转动电机带动转子转动，转子转动时，密封容腔的容积将发生变化，由密封容腔的容积变化来吸入和排出液体，排出井下水。

当煤层气井进入稳定生产阶段，产水量较低时，螺杆泵停止工作，开启抽油杆3的封堵结构31，关闭管套环空12和杆管环空23，高压气体将通过抽油杆3内部产出，并能够携带井下水排出至地面，不需要转子电机工作即可实现连续稳定的排水采气，实现了两种排采方式的转换，第二种排采方式实现了无能耗的排采。

以上对本发明所提供的煤层气开采设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种煤层气开采设备，包括动力设备、油管(2)、抽油杆(3)和井下泵(4)；所述油管(2)的下部位于井下套管(1)内，形成管套环空(12)；所述抽油杆(3)的下部位于所述油管(2)内，形成杆管环空(23)；所述井下泵(4)位于所述油管(2)的下端，所述动力设备位于地面上，通过所述抽油杆(3)连接所述井下泵(4)为所述井下泵(4)提供动力，以便通过所述杆管环空(23)排采井下液体；其特征在于，所述抽油杆(3)为中空结构，所述抽油杆(3)下端设有可开启的封堵结构(31)，以便依次关闭所述管套环空(12)和所述杆管环空(23)后，开启所述封堵结构(31)时，通过所述抽油杆(3)的内部排采。

2.如权利要求1所述的煤层气开采设备，其特征在于，所述封堵结构(31)包括封堵板(32)和护板(33)，所述封堵板(32)和所述护板(33)固设于所述抽油杆(3)的内壁；所述封堵板(32)设有冲击断裂部，以便向所述抽油杆(3)内部投入重物时，所述封堵板(32)能够沿所述冲击断裂部断裂并脱落；所述护板(33)位于所述封堵板(32)的下侧，能够避免物体落入井下。

3.如权利要求2所述的煤层气开采设备，其特征在于，所述冲击断裂部为所述封堵板(32)周部的环形的断裂凹槽(34)。

4.如权利要求3所述的煤层气开采设备，其特征在于，所述封堵板(32)上下两侧的对应位置均设有所述断裂凹槽(34)。

5.如权利要求4所述的煤层气开采设备，其特征在于，所述封堵板(32)和/或所述护板(33)与所述抽油杆(3)的内部焊接。

6.如权利要求1所述的煤层气开采设备，其特征在于，所述封堵结构(31)为设置在所述抽油杆(3)内的井下开关，所述井下开关关闭时封堵所述抽油杆(3)，所述井下开关能够被重物触发开启或关闭。

7.如权利要求6所述的煤层气开采设备，其特征在于，所述井下开关包括旋塞(35)及其配合结构(36)，所述配合结构(36)设于所述抽油杆(3)的内壁，具有与所述旋塞(35)配合的中心孔；所述重物触发所述旋塞(35)时，所述旋塞(35)能够转动一定角度，以便开启或关闭所述井下开关。

8.如权利要求7所述的煤层气开采设备，其特征在于，所述配合结构(36)的下侧具有楔形齿，所述旋塞(35)的下侧具有与所述楔形齿配合的凸块，所述重物触发所述旋塞(35)时，所述凸块能够沿所述楔形齿的斜面移动，以便使得所述旋塞(35)转动。