真空回位增压抽砂泵研制及在煤层气井应用

梅永贵，毛生发，秦利峰，郭军峰，连小华，徐正国，马全善

（1.华北油田山西煤层气分公司，山西晋城048000；2.濮阳市科锐机械工程技术有限公司，河南濮阳457000；3.内蒙古工业信息研究所，呼和浩特010020） ①

真空回位增压抽砂泵研制及在煤层气井应用

梅永贵1，毛生发1，秦利峰1，郭军峰1，连小华1，徐正国2，马全善3

（1.华北油田山西煤层气分公司，山西晋城048000；2.濮阳市科锐机械工程技术有限公司，河南濮阳457000；3.内蒙古工业信息研究所，呼和浩特010020） ①

煤层气井采用排水降压采气工艺，由于井底压力很低，不适合采用常规的水力冲砂工艺，只能采用捞砂泵抽取井内颗粒物。油井中常用的捞砂泵在煤层气井中使用时，由于液面较低、颗粒物量大，其工作效率很低，且很难将糊状煤粉清理干净。介绍了真空回位增压抽砂泵的结构，计算了吸入压力、最大排出压力、活塞回位力、理论排量。该泵的作业效率高，成本低，适用于煤层气井捞砂作业，在水平井中的优势显著。

煤层气；抽砂泵；结构；参数

煤层气以直井水力加砂压裂投产和多分支水平井洞穴裸眼完井投产2种井型为主，煤层以下口袋深度50～60m。在多分支水平井内进行排水采气过程中，由于煤层疏松，水平井眼的煤粒被带出，沉积在洞穴井口袋内，影响排采设备正常运转。常规的清理方法是：①水力冲砂工艺［1－2］，这种方法费用高，且注入水对煤层有污染，造成产气量减少；②抽砂泵抽吸工艺，由于常规抽砂泵结构原理的因素，平均捞砂8次才能把井底砂捞干净，效率低。

为了提高捞砂效率，开展了真空回位增压抽砂泵的研究。

1 常规抽砂泵效率低的原因

常规抽砂泵结构为：泵在管柱中部，下部一般接10～15根沉砂管，底部是排出阀和笔尖。捞砂效率低下的原因如下：

1） 由于煤层气井液面低，一般在煤层以上30～50m，口袋沉积物多。将177.8mm（7英寸）套管内的煤粉抽入73.0mm（2英寸）油管内，其长度比为1∶7。假设套管内有30m煤粉，抽入油管内的长度应该为210m。常规抽砂泵［3－5］的存砂尾管在泵下，泵吸入压力低，当泵下连接210m尾管后，抽砂泵已高于液面，泵无法抽吸。

2） 尾管下端是进液阀，抽入的煤粉沉积在尾管内，将进液阀淹埋，使排出阀无法打开，泵无法吸液。

2 真空回位抽砂泵结构

真空回位增压抽砂泵的结构如图1所示。常规抽砂泵泵下连接尾管，在尾管的重力作用下抽砂泵可以伸缩，完成吸排液；真空回位抽砂泵连接在油管最下端，其本身的重力不足以使活塞回位到泵筒顶端，而靠活塞杆与泵筒间隙A腔内的真空与泵筒外部液柱压力之差的作用，使活塞回位到泵筒顶端。

A腔为很小的密闭空腔，内部压力为0.1MPa。当活塞杆下压时，A腔容积变大，压力下降，活塞到下死点时，A腔几乎处于真空状态；当活塞杆上提时，在真空作用下，泵筒做相对向下运动，A腔缩小，活塞回位到上死点。这是此泵设计的关键技术。

此时，泵沉浸在井内液体里，在A腔内外压差的作用下，泵筒受到向下的力，泵筒克服密封件的摩擦力向下运动，此力的大小取决于液面高度和泵筒与活塞杆的环形面积。

结构特点为：活塞杆与泵筒间隙两端密封，下压形成真空，上提靠压差回位。

3 捞砂作业过程

捞砂泵连接在捞砂管柱下端，下管柱至下部笔尖触及砂面以后，泵筒停止下行；在作业机的作用下，缓慢下放管柱，在管柱重力作用下，使活塞杆下行，由连接套 、滑阀滑套、滑阀阀芯 、限位套组成的滑阀打开（滑阀阀芯上部开口露出滑阀滑套）；此时泵下腔压力升高，泵下腔的煤粉及液体通过滑阀阀芯，打开吸入阀球进入油管内；当活塞下行到下死点时，限位套与泵筒上接头互相啮合，可传递扭矩，需要时可在井口转动管柱，钻碎井底煤块，如果不需要钻碎煤块，直接上提即可。上提管柱，活塞上行，滑阀关闭（滑阀阀芯上部开口沉于滑阀滑套内），泵筒在真空作用下做相对向下运动，笔尖停留在砂面上，泵腔容积变大，压力降低，吸入阀打开，水及煤屑（或石英砂）进入泵筒。如此缓慢上下提放管柱，没有进尺时放到下死点，转动管柱，旋转破碎煤块以后继续提放管柱，直到管柱下至人工井底，完成全井捞砂过程。

由此抽吸过程可以看出，吸入阀不会被煤粉及砂粒淹埋，开启顺利。由于煤粉是沉积在泵上油管内，泵上排出阀将被煤粉及砂粒淹埋。泵腔最高排出压力与管柱重力直接相关，可以高达几十兆帕，轻松打开排出阀。

图1 真空回位抽砂泵结构

4 辅助部件

4.1 玻璃堵片及油管伸缩器

为了提高抽砂的效率，安装玻璃堵片及油管伸缩器，结构如图2。此部件安装在泵上第3根油管处，保证在下管柱过程中井内液体不进入油管内，在玻璃堵片破碎前，油管内外形成压差；当泵的笔尖碰到砂面时，下放油管，玻璃堵片被压碎，井内液体携带煤粒迅速进入油管内，靠油管内外液位差实现部分抽吸作用，提高抽吸效率。

在正常抽吸时，油管伸缩器产生蠕动，避免煤粒在油管内形成煤塞堵塞通道，降低泵的排出压力。

图2 玻璃堵片及油管伸缩器结构

4.2 井口哨音器

井口哨音器结构如图3，用于判断井下泵工作状况。井口哨音器安装在油管最上端，当井下泵正常工作时，管柱内的液面逐渐升高，排出的空气从口哨中流过，口哨发出声音。通过此声音可判断出井下泵工作状况，声音尖说明排液正常，声音变小说明排液量降低，不排液时哨音停止。当油管内的砂面沉积到一定量时，泵腔内的压力不能推动煤粒排出，此时造成“憋泵”，没有气体排出，哨音停止，立即停止捞砂，起出管柱；当液面到达管柱顶部，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压，避免煤浆从井口喷出。

图3 井口哨音器结构

5 参数计算

以CSB83－65－1.6型真空回位抽砂泵为例，泵径D＝83mm，活塞杆直径d＝65mm，冲程L＝1.6 m。假设下井深度700m，井内沉没度100m。

5.1 吸入压力

常规抽砂泵上行时，靠下部管柱重力使泵筒下行，下部管柱必须足够长、足够重；活塞上行让出的空间占下部管柱容积很小一部分，因而管柱必须充满液体，否则无法降低下部管柱压力，达不到吸入目的。主要靠油套管内外液位差吸入，而且受下阀上部沉砂压制，吸入状况不佳。如图4a。 100m液面之下，上接头内外压差p1＝1.0MPa。

上提管柱，泵筒相对活塞向下运动时，忽略泵筒与活塞的摩擦力，泵筒受到套管环空液柱压力与A腔压力差值的作用。在工作状态，A腔绝压在0～0.1MPa，即上接头内外压差p1为1.0～1.1MPa。

活塞回位力为

活塞与泵筒之间有4道O形密封圈，其摩擦力为200～250N，明显小于2 300N，活塞很容易回位。只要有10m液柱，泵就能正常工作。

5.4 理论排量

泵的容积为

长50m、外径177.8mm（7英寸）套管的井底口袋容积为1m3。理论上，抽砂120个行程即可抽干净，实际抽砂180个行程达到要求。

6 现场应用

2011－07—2012－04，在华北油田山西煤层气樊庄区块成功应用于48口井捞砂作业。每次检泵捞砂次数由原来常规捞砂泵作业的5～8次减少至1次，不但捞出煤粉、煤屑，还捞出水力冲砂没有彻底冲出来的石英砂。减少起下管柱趟数，减轻油管损伤，降低工人劳动强度，提高作业时率，降低作业施工成本，深受施工作业者和煤层气井管理者欢迎。已经在其他煤层气开发企业推广应用。

图4 2种吸入压力比较

真空回位抽砂泵活塞上行让出的空间占泵筒绝大部分容积，可以形成一定负压，液体和煤屑在泵内负压和油套液位差作用下被吸入，吸入压差明显大于常规抽砂泵，且不受沉砂影响。如图4b。

5.2 最大排出压力

假设S1为泵活塞面积、S2为活塞杆面积，则泵筒上接头受力面积为

700m油管重力G＝66 666N，则最大排出压力

700m油管内充满水的情况下对泵排出阀的静液柱压力为

最大排出压力与管柱静液柱压力是4.5倍的关系，足以克服上部液柱压力而排液。

5.3 活塞回位力

装配时，A腔绝压为0.1MPa；下井后泵筒沉入

7 结论

1） 真空回位抽砂泵研制成功并应用于生产现场，大幅度提高了煤层气井捞砂作业效率，缩短了作业占井周期，降低了作业成本。

2） 利用活塞杆与泵筒间隙两端密封，下压形成真空，上提回位；应用玻璃堵片和油管伸缩器，进一步提高捞砂效率；井口哨音器有利于判断井下泵况。

3） 适用于所有煤层气井捞砂作业，尤其在多分支水平井捞砂作业中更显优势，应用前景广阔。

［1］ 管恩东.双级同心整体冲砂管柱工艺研究［J］.石油矿场机械，2011，40（2）：63－65.

［2］ 汪国庆，周承富，吕选鹏，等.连续油管旋转冲砂技术在水平井的应用［J］.石油矿场机械，2011，40（5）：70－74.

［3］ 万仁薄，罗英俊.采油技术手册［K］.北京：石油工业出版社，1989.

［4］ 国建军，赵玉华.特种抽油泵及井下工具手册［K］.北京：石油工业出版社，2002。

［5］ SY／T5059—2001，抽油泵组件及其规范［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－hua1，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

专利技术：真空回位抽砂泵（201220007683.X）

梅永贵（1966－），男，重庆璧山人，高级工程师，1990年毕业于西南石油学院采油工程专业，主要从事煤层气开发工程技术研究及管理工作，E－mail：mcq＿meiyg＠petrochina.com.cn。