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1、 煤层气井排水采气技术煤层气井排水采气技术n排采系排水采气的简称，即利用机械举升设备排采系排水采气的简称，即利用机械举升设备（主要就是用排采设（主要就是用排采设备下到指定煤层进行排水采气，一般有螺杆泵、管式泵、电潜泵备下到指定煤层进行排水采气，一般有螺杆泵、管式泵、电潜泵等），等），将井筒内的水举升到地面，逐步降低井底流压。随着井底流将井筒内的水举升到地面，逐步降低井底流压。随着井底流压降低，逐渐形成压降漏斗并逐步向外扩展，进而逐步降低煤层的压降低，逐渐形成压降漏斗并逐步向外扩展，进而逐步降低煤层的储层压力，迫使吸附在煤基质孔隙内表面的煤层气被解吸，然后通储层压力，迫使吸附在煤基质孔隙内表面的
2、煤层气被解吸，然后通过基质孔隙的渗流和扩散到天然裂隙，煤层气再从裂隙中渗流到井过基质孔隙的渗流和扩散到天然裂隙，煤层气再从裂隙中渗流到井筒，从而被采出。筒，从而被采出。n开采过程之中会有煤粉卡泵、会出现煤桥造成气量下降、还会出现开采过程之中会有煤粉卡泵、会出现煤桥造成气量下降、还会出现烧泵现象等等，很多。烧泵现象等等，很多。oil zone 中间套管中间套管(技术套管技术套管)表层套管表层套管生产套管生产套管(油层套管油层套管)一开一开二开二开三开三开套管煤层气井一般都是排水煤层气井一般都是排水降压生产，即油管排水降压生产，即油管排水套管产气。套管产气。目目 录录第一章第一章 煤层气井生产特征
3、煤层气井生产特征第二章第二章 国内外煤层气井排采设备研究国内外煤层气井排采设备研究第三章第三章 煤层气井排采设备分析煤层气井排采设备分析第四章第四章 煤层气井排水采气方式优化设计煤层气井排水采气方式优化设计1.1 1.1 煤层气的概念煤层气的概念 煤层气煤层气又称又称煤层甲烷气煤层甲烷气，煤炭工业称之为，煤炭工业称之为煤层瓦斯煤层瓦斯，是在成，是在成煤过程中形成并赋存于煤过程中形成并赋存于煤层中煤层中的一种的一种非常规非常规的天然气。这种天然的天然气。这种天然气大部分（气大部分（70%-90%70%-90%）以）以吸附状态吸附状态赋存在煤岩基质中，少量成赋存在煤岩基质中，少量成游离游离状态存在
4、于煤的割理和其它孔隙、裂隙中，还有少许状态存在于煤的割理和其它孔隙、裂隙中，还有少许溶解溶解在煤层在煤层水中。水中。 煤的煤的吸附性吸附性导致煤层气导致煤层气成藏机制成藏机制和和开发技术开发技术与常规天然气截与常规天然气截然不同。然不同。第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征1.2 1.2 煤层气井的采气机理煤层气井的采气机理 煤层气井的生产是通过煤层气井的生产是通过抽排抽排煤储层中的煤储层中的承压水承压水，使得煤层压，使得煤层压力降至力降至煤的解吸压力煤的解吸压力以下以下，吸附态的甲烷吸附态的甲烷解吸解吸为大量为大量游离态甲烷游离态甲烷，并通过并通过扩散和流动扩散和流动两种不同的机
5、制运移到井筒。两种不同的机制运移到井筒。第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征从煤表面解吸从煤表面解吸通过煤基质和微孔隙扩散通过煤基质和微孔隙扩散通过割理系统的达西流动通过割理系统的达西流动1.2 1.2 煤层气井的采气机理煤层气井的采气机理n煤层气井采气前煤层气井采气前, ,井中液面高度为地下水头高度井中液面高度为地下水头高度, ,此时此时井筒与储层之井筒与储层之间不存在压力差间不存在压力差, ,地下水系统基本平衡地下水系统基本平衡, ,属于属于稳定流态稳定流态；n当煤层气井开始排采后当煤层气井开始排采后, ,井筒中液面下降井筒中液面下降, ,井筒与煤储层之间形成井筒与煤储层之间形
6、成压压力差力差, ,地下水从压力高的地方流向压力低的地方地下水从压力高的地方流向压力低的地方, ,地下水就源源不断地下水就源源不断地地流向井筒流向井筒中中, ,使得煤储层中的使得煤储层中的压力不断下降压力不断下降, ,并逐渐向远方并逐渐向远方扩展扩展, ,最最终在终在以井筒为中心以井筒为中心的煤储层段形成一个的煤储层段形成一个地下水头压降漏斗地下水头压降漏斗, ,随着抽水随着抽水的延续该压降漏斗不断的延续该压降漏斗不断扩大和加深扩大和加深；n当煤储层的当煤储层的出水量出水量和煤层气井井口和煤层气井井口产水量相平衡产水量相平衡时时, ,形成形成稳定的压力稳定的压力降落漏斗降落漏斗, ,降落漏斗不
7、再继续延伸和扩大降落漏斗不再继续延伸和扩大, ,煤储层各点压力也就不能煤储层各点压力也就不能进一步降低，进一步降低，解吸停止解吸停止, ,煤层气井煤层气井采气采气也就也就终止终止。第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征随着排采的进行，围岩中压力梯度逐渐大于煤层中的压力梯度，压力传递轨迹从煤层过渡到围岩中，压力将仅在围岩中传递，开始排采围岩中的水，此时，煤层中压力几乎不再发生变化。 1.3 1.3 煤层气井的生产过程煤层气井的生产过程n1.3.1 1.3.1 煤层气的产出过程煤层气的产出过程 根据煤层气储层流体的地下根据煤层气储层流体的地下流动，可将煤层气的产出过程分流动，可将煤层气的
8、产出过程分为三个阶段：为三个阶段： 第一阶段：单相流阶段。第一阶段：单相流阶段。随随着井筒附近地层压力降低，首先着井筒附近地层压力降低，首先只有水产出只有水产出，因为压力降低较小，因为压力降低较小，煤层气尚未开始解吸，井筒附近煤层气尚未开始解吸，井筒附近只有单相流动。只有单相流动。 第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征1.3 1.3 煤层气井的生产过程煤层气井的生产过程n1.3.1 1.3.1 煤层气的产出过程煤层气的产出过程 第二阶段：非饱和的单相第二阶段：非饱和的单相流阶段。流阶段。当煤储层压力进一步当煤储层压力进一步下降，下降，有一定数量的煤层气有一定数量的煤层气从从煤基质块
9、微孔隙表面煤基质块微孔隙表面解吸解吸，开，开始形成始形成气泡气泡，阻碍水的流动，阻碍水的流动，水的相对渗透率下降，但水的相对渗透率下降，但气体气体不能流动不能流动。 第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征1.3 1.3 煤层气井的生产过程煤层气井的生产过程n1.3.1 1.3.1 煤层气的产出过程煤层气的产出过程 第三阶段：气、水两相流阶段。第三阶段：气、水两相流阶段。随随着煤储层压力进一步降低，有着煤储层压力进一步降低，有更多的煤更多的煤层气解吸层气解吸出来，并出来，并扩散扩散到煤中裂隙系统到煤中裂隙系统中。此时，水中含气已经达到饱和，气中。此时，水中含气已经达到饱和，气泡互相连接
10、，形成泡互相连接，形成连续流动连续流动，气的相对，气的相对渗透率大于零。随着储层压力下降和水渗透率大于零。随着储层压力下降和水饱和度降低，饱和度降低，水的相对渗透率水的相对渗透率不断不断减小减小，气的相对渗透率气的相对渗透率逐渐逐渐增大增大，气产量气产量也随也随之之增加增加。在这一阶段，在煤中裂隙系统。在这一阶段，在煤中裂隙系统中形成中形成气、水两相达西流动气、水两相达西流动。第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征1.3 1.3 煤层气井的生产过程煤层气井的生产过程n1.3.2 1.3.2 煤层气井生产阶段煤层气井生产阶段 煤层气井的生产排采是一个煤层气井的生产排采是一个长时间排水降
11、压采气长时间排水降压采气过程，煤层气单井过程，煤层气单井生产年限一般为生产年限一般为15201520年。从煤层气井生产过程中年。从煤层气井生产过程中气、水产量的变化特气、水产量的变化特征征可把生产分为三个阶段：可把生产分为三个阶段：第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征早期排水降压阶段早期排水降压阶段：主要产水主要产水，随，随着压力降到临界解吸压力以下，气着压力降到临界解吸压力以下，气体体开始解吸开始解吸，并从井口产出。这一，并从井口产出。这一阶段所需的时间取决于井点所处的阶段所需的时间取决于井点所处的构造位置构造位置、储层特征储层特征、地层含水性地层含水性、排水速度排水速度等因素，
12、持续时间可能是等因素，持续时间可能是几天或数月。几天或数月。1.3 1.3 煤层气井的生产过程煤层气井的生产过程n1.3.2 1.3.2 煤层气井生产阶段煤层气井生产阶段 中期稳定生产阶段中期稳定生产阶段：随着排：随着排水的继续，水的继续，产气量逐渐上升并趋产气量逐渐上升并趋于稳定于稳定，出现，出现高峰产气高峰产气，产水量产水量则则逐渐下降逐渐下降。该阶段持续时间的。该阶段持续时间的长短取决于长短取决于煤层气资源丰度煤层气资源丰度（主（主要由要由煤层厚度和含气量控制煤层厚度和含气量控制），），以及储层的以及储层的渗透性渗透性。 第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征1.3 1.3 煤
13、层气井的生产过程煤层气井的生产过程n1.3.2 1.3.2 煤层气井生产阶段煤层气井生产阶段 后期气产量下降阶段后期气产量下降阶段：当大：当大量气体已经采出，煤基质中解量气体已经采出，煤基质中解吸的气体开始逐渐减少，尽管吸的气体开始逐渐减少，尽管排水作业仍在继续，排水作业仍在继续，产气量下产气量下降降，产出，产出少量或微量水少量或微量水。该阶。该阶段延长的时间较长，可以在段延长的时间较长，可以在1010年以上。年以上。第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征1.4 1.4 煤层气井产量的影响因素煤层气井产量的影响因素 与煤层气开采有关的因素很多与煤层气开采有关的因素很多, ,主要有：主
14、要有：n地质因素：地质因素：煤层厚度、含气量、煤的种类、煤的沉积方式和分布煤层厚度、含气量、煤的种类、煤的沉积方式和分布方式、煤层压力和解吸压力等；方式、煤层压力和解吸压力等；n完井方式：完井方式：不同地质条件下的煤层气井完井方式不同；不同地质条件下的煤层气井完井方式不同；n渗透性能：渗透性能：渗透率是决定煤层气单井产量的关键因素之一渗透率是决定煤层气单井产量的关键因素之一；n开采方式：开采方式：主要是排采设备的选择。主要是排采设备的选择。第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征1.5 1.5 影响煤层气井排采效果的主要因素影响煤层气井排采效果的主要因素n非连续性排采的影响非连续性排采
15、的影响: :煤层气井的排采生产应煤层气井的排采生产应连续进行连续进行, , 使液面与地层压力使液面与地层压力持续平稳的下降。如果因关井、卡泵、修井等造成排采终止持续平稳的下降。如果因关井、卡泵、修井等造成排采终止, , 给排采效果给排采效果带来的影响表现在带来的影响表现在:(1) :(1) 地层压力回升地层压力回升, , 使甲烷在煤层中被使甲烷在煤层中被重新吸附重新吸附；(2) (2) 裂隙容易裂隙容易被水再次充填被水再次充填，阻碍气流；，阻碍气流；(3) (3) 回压造成压力波及的距离受限回压造成压力波及的距离受限, ,降降压漏斗压漏斗难以有效扩展，难以有效扩展，恢复排采后需要很长时间排水恢
16、复排采后需要很长时间排水, , 气产量才能上升到气产量才能上升到停排前的状态。（停排前的状态。（4 4）贾敏效应和速敏效应）贾敏效应和速敏效应n井底流压的影响井底流压的影响：井底流压是反映产气量渗流压力特征的参数井底流压是反映产气量渗流压力特征的参数, ,制定合理的制定合理的排采制度和进行精细的排采控制应该以井底流压为依据。较低的井底流压排采制度和进行精细的排采控制应该以井底流压为依据。较低的井底流压, , 有利于增加气的解吸速度和解吸气体量。有利于增加气的解吸速度和解吸气体量。第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征 贾敏效应解吸产气后，发生长时间停抽，近井地带地层压力逐渐恢复，煤储
17、层裂隙再次被水充填，使得煤层吼道处的流动空间变小，甲烷气体流动阻力增大，在吼道处发生“贾敏效应”，致使气体不能顺利通过吼道，阻止煤层气继续向井筒运移，造成供气能力不足，产气量下降。 贾敏效应FZP04-2在控压产气阶段，连续发生卡泵事故，由于道路问题无法及时作业，造成近 近60天的停抽，导致储层受到严重伤害。后经过多次的激动作业，消除了部分贾敏效应，气量有所上升，单井产能已经无法完全恢复。速敏效应排采过程中，煤储层内流体流速快，地层流体携带大量煤粉,发生停抽后流体流速减小，煤粉原地沉淀，堵塞裂缝通道，产生“速敏效应”。“速敏效应”使储层渗透性严重降低，其可致使多分支水平井产气、产水快速下降。
18、FP1-1井控压阶段，最高产气量达到1.9万方，井底流压0.428MPa，还有较大上升空间。由于放气速度过快，发生连续煤粉卡泵停抽，煤灰大量沉积在渗流通道，引起了“贾敏效应”、“速敏效应”，储层遭受严重伤害，煤储层渗透率降低，产气能力大幅下降1.5 1.5 影响煤层气井排采效果的主要因素影响煤层气井排采效果的主要因素n排采强度的影响：排采强度的影响：煤层气排采需要煤层气排采需要平稳逐级降压平稳逐级降压, , 抽排强度过大抽排强度过大带来的影响有带来的影响有:(1) :(1) 易引起煤层激动，使裂隙产生易引起煤层激动，使裂隙产生堵塞效应堵塞效应, ,降低降低渗透率渗透率；(2)(2)影响泄流半径
19、影响泄流半径。排排采阶段，如果液面下降速率过快，采阶段，如果液面下降速率过快，井筒附近的流体就会以较高的速度和较大流体压力差流向井筒，井筒附近的流体就会以较高的速度和较大流体压力差流向井筒，有效应力快速增加，裂缝过早闭合，煤层无法将压力传递到更远有效应力快速增加，裂缝过早闭合，煤层无法将压力传递到更远处，处，造成降压漏斗得不到充分扩展，泄流半径得不到有效延伸。造成降压漏斗得不到充分扩展，泄流半径得不到有效延伸。只有井筒附近很小范围内的煤层得到了有效降压，有效排采半径只有井筒附近很小范围内的煤层得到了有效降压，有效排采半径变得很小，气井产气量在达到高峰后，由于气源的供应不足而急变得很小，气井产气
20、量在达到高峰后，由于气源的供应不足而急剧下降，无法长期持续生产，甚至剧下降，无法长期持续生产，甚至停产。停产。第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征n(3) (3) 吐砂。吐砂。对于常规压裂的直井在排采初期对于常规压裂的直井在排采初期 如果在裂缝尚未完如果在裂缝尚未完全闭合时全闭合时, , 排采强度过大排采强度过大, , 导致井底压差过大引起支撑砂子的流导致井底压差过大引起支撑砂子的流动动, , 使压裂砂返吐使压裂砂返吐, , 影响压裂效果影响压裂效果；(4) (4) 煤粉产出。煤粉产出。煤粉等颗粒煤粉等颗粒的产出也可能的产出也可能堵塞孔眼堵塞孔眼, , 同时出砂、煤屑及其它磨蚀性颗
21、粒也会同时出砂、煤屑及其它磨蚀性颗粒也会影响泵效影响泵效, , 并对泵造成频繁的故障并对泵造成频繁的故障, , 使作业次数和费用增加。我使作业次数和费用增加。我国大多数煤层属于低含水煤层国大多数煤层属于低含水煤层, , 因此因此抽排速度一定要按照煤层的抽排速度一定要按照煤层的产水潜能，进行合理排水产水潜能，进行合理排水。1.5 影响煤层气井排采效果的主要因素影响煤层气井排采效果的主要因素1.6 1.6 我国煤层气资源的主要特点我国煤层气资源的主要特点 煤层气是常规天然气的接替能源之一，开发和利用我国丰富的煤层气是常规天然气的接替能源之一，开发和利用我国丰富的煤层气资源将对我国的能源储备起到至关
22、重要的作用。煤层气资源将对我国的能源储备起到至关重要的作用。 资源量丰富，但在分布上既分散又集中；资源量丰富，但在分布上既分散又集中； 中国陆上埋深中国陆上埋深2000m2000m以浅的煤层气资源量广泛分布在不同的含以浅的煤层气资源量广泛分布在不同的含煤盆地中，其中具有优势开发潜力的资源又相对集中在华北地区的煤盆地中，其中具有优势开发潜力的资源又相对集中在华北地区的中东部中东部(62%)(62%)，该区既是常规气的发育盲区，又是洁净能源的消费，该区既是常规气的发育盲区，又是洁净能源的消费旺区旺区 储层不均一性强烈，华北地区相对优越；储层不均一性强烈，华北地区相对优越；第一第一章：章：煤层气井生
23、产特征煤层气井生产特征1.6 1.6 我国煤层气资源的主要特点我国煤层气资源的主要特点 高阶煤和低阶煤占主导，高阶煤可产气；高阶煤和低阶煤占主导，高阶煤可产气； 中国勘探实践表明，为美国理论所否定的高阶煤区恰恰是目前中国勘探实践表明，为美国理论所否定的高阶煤区恰恰是目前最活跃的勘探区，并取得了产气突破。低阶煤煤层气资源在中国占最活跃的勘探区，并取得了产气突破。低阶煤煤层气资源在中国占的比例最大，但按现有的理论和技术，其开发难度也大。的比例最大，但按现有的理论和技术，其开发难度也大。 煤体结构破坏严重，低渗、低压、低饱和现象突出；煤体结构破坏严重，低渗、低压、低饱和现象突出； 低渗、低压、低饱和
24、是中国煤层气藏的又一个较为显著的特征，低渗、低压、低饱和是中国煤层气藏的又一个较为显著的特征，为煤层气资源的开发带来了很大的难度。为煤层气资源的开发带来了很大的难度。第一第一章：章：煤层气井生产特征煤层气井生产特征目目 录录第一章第一章 煤层气井生产特征煤层气井生产特征第二章第二章 国内外煤层气井排采设备研究国内外煤层气井排采设备研究第三章第三章 煤层气井排采技术分析煤层气井排采技术分析第四章第四章 煤层气井排水采气方式优化设计煤层气井排水采气方式优化设计2.1 2.1 国外研究现状国外研究现状 当今世界当今世界各国在煤层气开发领域，无论是从开发规模，还是从各国在煤层气开发领域，无论是从开发规
25、模，还是从技术水平等方面来看，美国一直处于领先地位。技术水平等方面来看，美国一直处于领先地位。n目前为止，美国已经形成部分煤层气专用开采设备及工艺技术。目前为止，美国已经形成部分煤层气专用开采设备及工艺技术。如：美国常用的煤层气排采设备虽然仍以如：美国常用的煤层气排采设备虽然仍以有杆设备为主有杆设备为主，有杆泵有杆泵适应性强适应性强，操作简单操作简单，性能可靠性能可靠，几乎不需保养几乎不需保养，经改造和研制，经改造和研制后，其后，其工作深度和排量工作深度和排量能较好的适应煤层气井的要求，但对整机能较好的适应煤层气井的要求，但对整机设计和选型上，提出了新的方法，在以圣胡安和黑勇士盆地为主设计和选
26、型上，提出了新的方法，在以圣胡安和黑勇士盆地为主的各煤田取得了良好的经济效益。的各煤田取得了良好的经济效益。第第二章：二章：国内外煤层气井排采设备研究国内外煤层气井排采设备研究2.1 2.1 国外研究现状国外研究现状n19861986年，美国又开始使用年，美国又开始使用螺杆泵螺杆泵排水采气实验，不断地改进螺杆泵排水采气实验，不断地改进螺杆泵系统，使其发展到系统，使其发展到适合煤层气井排水所需的排量和扬程适合煤层气井排水所需的排量和扬程，同时可以，同时可以很好地很好地适应井液中细煤粉及气液混合体适应井液中细煤粉及气液混合体，加上，加上投资成本和运行成本投资成本和运行成本低等低等特点，使该设备在特
27、殊开采要求的煤层气井中得到推广。特点，使该设备在特殊开采要求的煤层气井中得到推广。n从从8080年代后期，美国根据一些煤层气井的年代后期，美国根据一些煤层气井的排水量大、排量变化范围排水量大、排量变化范围较大较大的特点和有杆排采设备在的特点和有杆排采设备在斜井、水平井斜井、水平井方面应用受限的现状，方面应用受限的现状，开始广泛使用开始广泛使用潜油电泵潜油电泵，随后依据煤层气排采用的潜油电泵一般都随后依据煤层气排采用的潜油电泵一般都是小排量离心泵，要求对游离气的适应性高的特点是小排量离心泵，要求对游离气的适应性高的特点并不断地改进潜并不断地改进潜油电泵系统，提高潜油电泵应用的可靠性、适应性和经济
28、性。油电泵系统，提高潜油电泵应用的可靠性、适应性和经济性。第第二章：二章：国内外煤层气井排采设备研究国内外煤层气井排采设备研究2.1 2.1 国外研究现状国外研究现状 目前，国内外煤层气排水开采的方法主要有目前，国内外煤层气排水开采的方法主要有有杆泵法、电潜泵法、有杆泵法、电潜泵法、螺杆泵法、气举法、水力喷射泵法、泡沫法、优选管柱法螺杆泵法、气举法、水力喷射泵法、泡沫法、优选管柱法等。等。 关于排采设备选型方面的问题，目前国外普遍采用的方法是在生关于排采设备选型方面的问题，目前国外普遍采用的方法是在生产工作制度中，选择产工作制度中，选择多种排采方式多种排采方式。例如：低产水量或后期产水较少。例
29、如：低产水量或后期产水较少的煤层气井选用工作制度便于调整、液面比较好控制的变速调控抽油的煤层气井选用工作制度便于调整、液面比较好控制的变速调控抽油机、数控抽油机等。产水量大供液能力强的井，前期考虑以排水为主，机、数控抽油机等。产水量大供液能力强的井，前期考虑以排水为主，选择大泵来加强排水降压，通常采用螺杆泵、大直径管式泵。选择大泵来加强排水降压，通常采用螺杆泵、大直径管式泵。第第二章：二章：国内外煤层气井排采设备研究国内外煤层气井排采设备研究2.2 2.2 国内研究现状国内研究现状 n我国煤层气的地面开发始于我国煤层气的地面开发始于2020世纪世纪8080年代末，经过近二十年的发年代末，经过近
30、二十年的发展，在煤层气基础理论研究、煤层气勘探开发技术等方面取得了展，在煤层气基础理论研究、煤层气勘探开发技术等方面取得了突破性进展。突破性进展。n但是目前对适合我国煤层地质条件的但是目前对适合我国煤层地质条件的排采生产理论和排采技术设排采生产理论和排采技术设备备的研究开展较少，尚没有形成可用的成果，不能满足煤层气开的研究开展较少，尚没有形成可用的成果，不能满足煤层气开采实际的需要；同时，采实际的需要；同时，盲目采用国外传统的煤层气开发技术盲目采用国外传统的煤层气开发技术，应，应用效果不够理想。用效果不够理想。第第二章：二章：国内外煤层气井排采设备研究国内外煤层气井排采设备研究2.2 2.2
31、国内研究现状国内研究现状 n目前我国钻煤层气井目前我国钻煤层气井26002600多口，投入排采多口，投入排采10001000多口，以多口，以中石油、中石油、中联煤和地方矿业公司中联煤和地方矿业公司为主，大多使用的是开采常规油气时常用为主，大多使用的是开采常规油气时常用的的抽油机、管、杆和泵抽油机、管、杆和泵设备。设备。n据统计目前各煤层气井所选用的据统计目前各煤层气井所选用的有杆排采设备有杆排采设备，其型号都普遍大，其型号都普遍大于实际所需要的型号，存在于实际所需要的型号，存在严重的投资大、设备不配套、抽空、严重的投资大、设备不配套、抽空、检泵周期短检泵周期短等诸多问题，严重影响了煤层气井的正
32、常排采，直接等诸多问题，严重影响了煤层气井的正常排采，直接降低了煤层气的投资效益，成为了煤层气商业化、规模开发的瓶降低了煤层气的投资效益，成为了煤层气商业化、规模开发的瓶颈。颈。n螺杆泵螺杆泵正在正在推广使用推广使用中；中；电潜泵电潜泵还处于还处于探索阶段探索阶段，气举法气举法还还未得未得到应用到应用。 第第二章：二章：国内外煤层气井排采设备研究国内外煤层气井排采设备研究2.2 2.2 国内研究现状国内研究现状 综上所述，我国各煤田排采设备的选型不能按照煤层气开采综上所述，我国各煤田排采设备的选型不能按照煤层气开采的实际需要，的实际需要，选择合适类型和具体型号的排采设备选择合适类型和具体型号的
33、排采设备，使得开采效，使得开采效益和设备的适应性、可靠性下降。益和设备的适应性、可靠性下降。 可见，开展煤层气排采设备选型的基础研究，研究适合我国可见，开展煤层气排采设备选型的基础研究，研究适合我国煤层气自身开采实际的排采设备选型方法，指导排采设备进行系煤层气自身开采实际的排采设备选型方法，指导排采设备进行系统而科学地选型，对提升煤层气的开采效益，解决煤层气开采中统而科学地选型，对提升煤层气的开采效益，解决煤层气开采中的关键技术问题，实现我国煤层气的商业化开采十分必要。的关键技术问题，实现我国煤层气的商业化开采十分必要。第第二章：二章：国内外煤层气井排采设备研究国内外煤层气井排采设备研究目目
34、录录第一章第一章 煤层气井生产特征煤层气井生产特征第二章第二章 国内外煤层气井排采设备研究国内外煤层气井排采设备研究第三章第三章 煤层气井排采设备分析煤层气井排采设备分析第四章第四章 煤层气井排水采气方式优化设计煤层气井排水采气方式优化设计3.1 3.1 煤层气排采设备的选择煤层气排采设备的选择 煤层气排采设备及其合理选型是保障煤层气井连续稳定排采的煤层气排采设备及其合理选型是保障煤层气井连续稳定排采的重要因素。因此所用的排采设备必须重要因素。因此所用的排采设备必须成熟可靠、持久耐用、节能低成熟可靠、持久耐用、节能低耗、易于维修耗、易于维修，还要有还要有较大范围的排液能力较大范围的排液能力和和
35、控制排液、系统压力控制排液、系统压力的能力以及有的能力以及有可靠的防煤屑、煤粉危害可靠的防煤屑、煤粉危害的措施。的措施。 对于给定的一口煤层气井，究竟选择何种排水采气工艺应在对对于给定的一口煤层气井，究竟选择何种排水采气工艺应在对气井压力、产量及产水情况气井压力、产量及产水情况进行分析的基础上，进行分析的基础上，地面环境、井下状地面环境、井下状况、开采条件、维修管理等况、开采条件、维修管理等也是考虑的重要因素。此外，选择排采也是考虑的重要因素。此外，选择排采设备时，还需要考虑设备时，还需要考虑可靠性、设计难易、维护简便性等可靠性、设计难易、维护简便性等。而最终考。而最终考虑因素是虑因素是经济投
36、入经济投入。第第三章：三章：煤层气井排采设备分析煤层气井排采设备分析煤层气排水采气要求:排液速度快，不怕井间干扰。降低井底流压，排水设备的吸液口一般都要求下到煤层以下。要求有可靠的防煤屑、煤粉危害的措施。 排水采气要求排水采气要求气井系统气井系统排采系统排采系统井下设备井下设备地面排采流程地面排采流程梁式泵梁式泵螺杆泵螺杆泵发电机发电机动力系统设备动力系统设备排液系统排液系统采气系统采气系统电潜泵电潜泵控制柜控制柜气井系统气井系统抽油杆出气管线出水管线表层套管244.5mm水泥返高煤层套管139.7mm油管73mm煤层泵金属绕丝筛管丝堵音标100m动液面尾管沉砂管人工井底n井下泵挂结构井下泵挂
37、结构:n73mm抽油管抽油管n回音标回音标n管式泵管式泵n尾管尾管n筛管筛管n沉砂管沉砂管n丝堵丝堵井下泵挂结构井下泵挂结构 抽油杆 出水管线 出气管线 表层套管 244.5mm 水泥返煤层套管 139.7mm 油管 73mm 煤层 泵 金属绕丝筛管 丝堵 音标 100m 动液面 尾管 沉砂管 人工井 抽油机泵抽系统设备主要有：抽油机泵抽系统设备主要有：3型抽油机、型抽油机、56mm二级整体筒管式泵、二级整体筒管式泵、73mm油管、音标、油管、音标、89mm金属金属绕丝筛管、管式泵柱塞、绕丝筛管、管式泵柱塞、19mm抽油杆、抽油杆、25.4mm光光杆、丝堵、音标等；杆、丝堵、音标等； 螺杆泵泵
38、挂系统设备主要有：螺杆泵泵挂系统设备主要有：驱动头、驱动头、24.5mm光光杆杆+24.5mm抽油杆抽油杆+抽油杆扶正器抽油杆扶正器+转子转子+定子定子+尾管尾管+金属筛管金属筛管+沉砂管沉砂管+丝堵；丝堵； 电潜泵泵挂系统主要设备有：电潜泵泵挂系统主要设备有：变频器变频器+入井电缆入井电缆+电电潜泵潜泵+筛管筛管+丝堵。丝堵。 气井系统气井系统地面系统地面系统气管线气管线水管线水管线气水分离器气水分离器放空火炬放空火炬水表水表安全阀安全阀井口和采油树井口和采油树地面排采流程地面排采流程工艺流程：油管内排水流程和油管环形空间采气流程排水流程：水分离器深井泵抽油机抽吸水油管油管头高压三通油管出口
39、线地面排液池。排气流程：井下分离器气水混合物油管环空环大四通高压输气管线地面气水分离器集输装置或火把。 工艺流程工艺流程3.2 3.2 主要排采设备的工作原理和技术特点主要排采设备的工作原理和技术特点 第第三章：三章：煤层气井排采设备分析煤层气井排采设备分析排采设备排采设备工作原理工作原理技术特点技术特点三三抽抽有有杆杆泵泵将抽油泵下入到井筒液面以将抽油泵下入到井筒液面以下的适当深度，泵柱塞在抽下的适当深度，泵柱塞在抽水机的带动下，在泵筒内作水机的带动下，在泵筒内作上下往复抽吸运动，从而达上下往复抽吸运动，从而达到从油管内抽吸排水、降低到从油管内抽吸排水、降低液柱对井底的回压，从油套液柱对井底
40、的回压，从油套环形空间采出煤层气的目的。环形空间采出煤层气的目的。排采运作过程：排采运作过程：电动机通过三角带传动，带动减速器。电动机通过三角带传动，带动减速器。减速后由曲柄、连杆、横梁和游梁等四连杆减速后由曲柄、连杆、横梁和游梁等四连杆机构把旋转运动变为驴头往复运动。机构把旋转运动变为驴头往复运动。驴头带动光杆和杆柱作上下往复动。驴头带动光杆和杆柱作上下往复动。抽油杆将往复运动传给井下泵柱塞。抽油杆将往复运动传给井下泵柱塞。抽油泵筒的下部装有固定阀，柱塞上装有游抽油泵筒的下部装有固定阀，柱塞上装有游动阀，在抽油杆往复运动时，完成抽油泵的排动阀，在抽油杆往复运动时，完成抽油泵的排出和吸入过程。
41、出和吸入过程。电电潜潜泵泵潜油电泵的泵体及其辅助部潜油电泵的泵体及其辅助部分安装在油管的最下端，下分安装在油管的最下端，下至井内被抽吸液体中的预定至井内被抽吸液体中的预定位置，将井筒内的液体（水）位置，将井筒内的液体（水）从油管中迅速排出，降低井从油管中迅速排出，降低井筒内的液面高度。筒内的液面高度。潜油电泵排采地面和井下设备组合为：潜油电泵排采地面和井下设备组合为：动力电缆将地面电力送至井下电机。动力电缆将地面电力送至井下电机。保护器防止井液进入电动机。保护器防止井液进入电动机。电机带动离心泵工作。电机带动离心泵工作。井液经气体分离器进入离心泵。井液经气体分离器进入离心泵。离心泵泵送井液，井
42、液具有动能。离心泵泵送井液，井液具有动能。动能转变为压头，井液举升至地面。动能转变为压头，井液举升至地面。3.2 3.2 主要排采设备的工作原理和技术特点主要排采设备的工作原理和技术特点 排采设备排采设备工作原理工作原理技术特点技术特点螺螺杆杆泵泵主要工作部件是定子和转子，主要工作部件是定子和转子，定子与泵外壳连成一体并连定子与泵外壳连成一体并连在油管的最下端，下至井内在油管的最下端，下至井内并沉没于被抽吸的井液中。并沉没于被抽吸的井液中。转子和定子密切配合形成一转子和定子密切配合形成一系列封闭腔和空腔，其不断系列封闭腔和空腔，其不断形成、运移、消失，实现泵形成、运移、消失，实现泵送液体，并将
43、液体排出井口。送液体，并将液体排出井口。螺杆泵排出地面和井下主要设备为：螺杆泵排出地面和井下主要设备为：电控箱通过电缆控制电动机的起停。电控箱通过电缆控制电动机的起停。减速箱传递动力和实现减速，其输入减速箱传递动力和实现减速，其输入轴连接电动机，输出轴连接光杆。轴连接电动机，输出轴连接光杆。动力由光杆通过抽油杆传递到井下螺动力由光杆通过抽油杆传递到井下螺杆泵转子。杆泵转子。转子上部与抽油杆连接，定子固定于转子上部与抽油杆连接，定子固定于钢管内，其上端与油管连接，转子位定钢管内，其上端与油管连接，转子位定子内转动，实现抽吸功能。子内转动，实现抽吸功能。当转子旋转时，即将井液和气体从油当转子旋转时
44、，即将井液和气体从油管内举升至地面管内举升至地面第第三章：三章：煤层气井排采设备分析煤层气井排采设备分析3.2 3.2 主要排采设备的工作原理和技术特点主要排采设备的工作原理和技术特点 排采设备排采设备工作原理工作原理技术特点技术特点 气举阀气举阀气气 举举 泵泵通过气举阀，从地面将高通过气举阀，从地面将高压煤层气注入井中，利用压煤层气注入井中，利用气体的能量举升井筒中的气体的能量举升井筒中的井液，使井恢复生产能力井液，使井恢复生产能力。气举阀气举的运作过程：气举阀气举的运作过程：注入气经套管进入油套环形空间。注入气经套管进入油套环形空间。气体经阀孔进入油管。气体经阀孔进入油管。卸载阀以上的液
45、柱被顶替至地面。卸载阀以上的液柱被顶替至地面。柱柱 塞塞 气气 举举气气 举举 泵泵将柱塞作为气液之间的机将柱塞作为气液之间的机械界面，依靠气井原有的械界面，依靠气井原有的气体压力，以一种循环的气体压力，以一种循环的方式推动活塞在油管内上方式推动活塞在油管内上下移动，将井内液体带出，下移动，将井内液体带出，同时阻止液体的回落，消同时阻止液体的回落，消除了气体穿透液体段塞的除了气体穿透液体段塞的可能，从而减少滑脱损失，可能，从而减少滑脱损失，提高举升效率。提高举升效率。柱塞气举的工艺流程为：柱塞气举的工艺流程为：地面控制器控制薄膜阀关闭生产管线，活塞地面控制器控制薄膜阀关闭生产管线，活塞油管内的
46、气液下落。油管内的气液下落。活塞下落至油管卡定器处，撞击缓冲弹簧，活塞下落至油管卡定器处，撞击缓冲弹簧，液面开始上升。液面开始上升。薄膜阀打开，油管内液面上升，环形空间液薄膜阀打开，油管内液面上升，环形空间液面下降，天然气进入油管，推动活塞及其上部面下降，天然气进入油管，推动活塞及其上部的液体上行。的液体上行。环形空间套压迫使活塞和活塞上部的液体上环形空间套压迫使活塞和活塞上部的液体上升，直至将液柱排出井口。升，直至将液柱排出井口。第第三章：三章：煤层气井排采设备分析煤层气井排采设备分析3.2 3.2 主要排采设备的工作原理和技术特点主要排采设备的工作原理和技术特点 排采设备排采设备工作原理工
47、作原理技术特点技术特点射射流流泵泵地面泵提供的高压动力液通地面泵提供的高压动力液通过喷嘴把其压能转化为万里过喷嘴把其压能转化为万里高速流束，在吸入口形成低高速流束，在吸入口形成低压区，井下流体被吸入与动压区，井下流体被吸入与动力液混合，在扩散管内，动力液混合，在扩散管内，动力液的动能传递给井下流体力液的动能传递给井下流体使之压力增高而排出地面使之压力增高而排出地面（煤层水和气被同时排出地（煤层水和气被同时排出地面）面）射流泵排采主要设备为：射流泵排采主要设备为：电动机带动多缸泵工作，提供动力。电动机带动多缸泵工作，提供动力。气液分离器和旋风分离器除去动力液气液分离器和旋风分离器除去动力液中的游
48、离气和固体，并在足够的压力下中的游离气和固体，并在足够的压力下循环动力液。循环动力液。动力液经井下装置流入井下泵。动力液经井下装置流入井下泵。射流泵泵送流体，通过喷嘴把其位能射流泵泵送流体，通过喷嘴把其位能转换成高速流束的动能。转换成高速流束的动能。喷射流体与井液在喉道中混合，然后喷射流体与井液在喉道中混合，然后进入扩散管，把动能转换成压能，流体进入扩散管，把动能转换成压能，流体经油管举升至地面。经油管举升至地面。第第三章：三章：煤层气井排采设备分析煤层气井排采设备分析3.3 3.3 主要排采设备的适应性主要排采设备的适应性 指指标标排采设备排采设备有杆泵有杆泵电潜泵电潜泵 气举排采气举排采射
49、流泵射流泵螺杆泵螺杆泵 气举阀气举阀 柱塞柱塞生生产产参参数数最大排量最大排量(m3/d)最小排量最小排量(m3/d)最大井深最大井深 （m）6006001 1270027006406406060295029507907903030320032006006000.30.320002000100010001616280028003003005 515001500地地层层参参数数温度限制温度限制（）地层压力地层压力(MPMPa a)最小流压最小流压( (MPMPa a) )120120不限不限1.01.0149149不限不限1.41.418010101.01.0不限不限不限不限高气液比高气液比时时
50、1.01.0=120=12010101.01.0=90=9010100.10.1第第三章：三章：煤层气井排采设备分析煤层气井排采设备分析3.3 3.3 主要排采设备的适应性主要排采设备的适应性 指指标标排采设备排采设备有杆泵有杆泵电潜泵电潜泵 气举排采气举排采射流泵射流泵螺杆泵螺杆泵 气举阀气举阀 柱塞柱塞开开采采条条件件煤粉、砂煤粉、砂限制限制（%）气水比气水比(m3/m3）腐蚀限制腐蚀限制0.10.10.50.5适宜适宜0.020.020.050.05适宜适宜0.10.1不限不限一般一般不限不限360380360380最好最好一般一般33不限不限一般一般101055适宜适宜井井下下状状况况