一种煤层气排水采气装置及其使用方法与流程

本发明涉及煤层气开采技术领域，特别涉及一种煤层气排水采气装置及其使用方法。

背景技术：

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在煤层中的一种非常规的天然气。这种天然气大部分(70％-90％)以吸附状态赋存在煤岩基质中，少量成游离状态存在于煤的割理和其它孔隙、裂隙中，还有少许溶解在煤层水中。煤的吸附性导致煤层气成藏机制和开发技术与常规天然气截然不同。

在现有技术中，煤层气的产出通常采用抽油机有杆泵通过抽排煤储层中的承压水，使得煤层压力降至煤的解吸压力以下，吸附态的甲烷解吸为大量游离态甲烷，并通过扩散和渗流两种不同的机制运移到井筒。使用现有技术采集煤层气通常可分为三个阶段：第一阶段是单相流阶段，排采初期未达到煤层临界解吸压力之前，只有水产出；当储层压力进一步下降，压力达到临界解吸压力时，有吸附气解吸形成气泡，但尚未流动，为第二阶段；第三阶段是气水两相流阶段，随着储层压力进一步下降，含气饱和度超过临界流动饱和度，形成气水两相流；此后，气的相对渗透率逐渐上升，产气量快速上升，形成第一个产气高峰，产水量下降。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：在煤层气采集的中后期，利用抽油机有杆泵只能排出少量或微量水，造成生产耗能较大，开采成本较高。

技术实现要素：

经过本发明人研究发现，之所以存在以上技术问题，是因为：如图1所示，在早期排水降压阶段，主要产水(积液)，随着压力降到临界解吸压力以下，气体开始解吸，并从井口产出；中期稳定生产阶段，随着排水的继续，产气量逐渐上升并趋于稳定，出现高峰产气，产水量则逐渐下降；后期气产量下降阶段，当大量气体已经采出，煤基质中解吸的气体开始逐渐减少，产气量下降，且产出少量或微量水。由于煤层气开采的中后期时间持续较长，抽油泵的持续工作势必造成生产耗能较大，开采成本较高的问题。

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种能够利用中后期煤层气进行携水采气的煤层气排水采气装置及其使用方法。

具体而言，包括以下的技术方案：

一种煤层气排水采气装置，该煤层气排水采气装置包括：

油管；

连接在所述油管的下端、且与所述油管密封连接的抽油泵，所述抽油泵包括位于所述油管的内部的空心杆和连接在所述空心杆的上端的空心光杆；所述空心杆和所述空心光杆连通，所述空心光杆的上端与所述油管之间密封连接，且所述空心杆和所述空心光杆与所述油管之间形成有第一环形空间；所述第一环形空间可通过位于所述油管的上端的油管阀门与外界连通；

以及套设在所述油管和所述抽油泵的外部的套管，所述抽油泵固定连接在所述套管上；所述油管和所述抽油泵与所述套管之间形成有第二环形空间；所述第二环形空间可通过位于所述套管的上端的套管阀门与外界连通；

在所述抽油泵的所述空心光杆的上端设置有空心光杆堵塞器，且在所述抽油泵的所述空心杆的下端设置有过液孔；所述空心杆可通过所述过液孔与所述第一环形空间连通；以及

在所述油管的下端设置有机械控制开关，且在所述空心杆上设置有用于启闭所述机械控制开关的开关启闭工具；所述第一环形空间可通过所述机械控制开关与所述第二环形空间连通。

优选地，所述抽油泵为长柱塞沉砂泵。

进一步地，在所述抽油泵的下端还设置有筛管，所述筛管位于煤层处。

优选地，在所述抽油泵和所述筛管之间还设置有油管锚，所述抽油泵通过所述油管锚固定连接在所述油管上。

优选地，在所述筛管的下端还设置有用于堵塞所述筛管的丝堵。

进一步地，所述套管的上端还具有套管头，所述套管头上设置有带有所述套管阀门的第二管道，所述第二管道与所述第二环形空间连通。

进一步地，所述油管的上端还具有采油井口，所述采油井口上设置有带有所述油管阀门的第一管道，所述第一管道与所述第一环形空间连通。

进一步地，在所述采油井口上方还设置有防喷盒，所述防喷盒用于密封所述空心光杆和所述采油井口。

进一步地，所述空心光杆和所述空心杆之间通过螺纹连接。

进一步地，本发明还提供一种煤层气排水采气装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：打开所述油管阀门和所述套管阀门，开动抽油机带动所述抽油泵运转，所述煤层处的积液进入所述油管与所述空心杆之间形成的所述第一环形空间，并经由所述油管阀门排出；而煤层气滞留在所述套管与所述油管之间形成的所述第二环形空间中，并经由所述套管阀门排出；

步骤二：随着井底积液面的降低，排出的水量逐渐减少，当所述抽油泵排出少量或微量积液时，关闭抽油机使所述抽油泵停止运转，将所述空心光杆的上端连入地面水流程，并打开所述空心光杆的上端的所述空心光杆堵塞器；将氮气经所述油管阀门通入所述第一环形空间中，所述第一环形空间内的压力增大，迫使所述第一环形空间中的积液通过所述空心杆的下部的所述过液孔进入所述空心杆和所述空心光杆中，并排入地面水流程中；

步骤三：当继续通入氮气只有少量或微量积液从所述空心光杆中排出时，关闭所述套管阀门和所述油管阀门，上提所述空心光杆，此时所述空心光杆上的所述开关启闭工具带动所述油管上的所述机械控制开关打开，所述第二环形空间中的积液依靠煤层气的地层能量通过所述机械控制开关进入所述第一环形空间中，并由所述空心杆的所述过液孔进入所述空心杆和所述空心光杆内，最终排入地面水流程中；

步骤四：当所述第二环形空间中的积液增多，液面逐步上升，地层气的能量不足以携水排出时，可通过从所述油管阀门向所述第一环形空间通入氮气而排出积液；若通入氮气还不能使积液排出，可下放所述空心光杆，使所述空心光杆上的所述开关启闭工具带动所述油管上的所述机械控制开关关闭，即可重新启动所述抽油泵进行排水。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：提供一种能够利用中后期煤层气进行携水采气的煤层气排水采气装置及其使用方法。具体地，在现有的煤层气排水采气装置的基础上增设空心光杆堵塞器、机械控制开关以及开关启闭工具等部件，由于装置内外存在的压力差，在煤层气开采的中后期，本发明提供的煤层气排水采气装置及其使用方法可利用煤层气自身的能量将井底积液排出，从而达到减少耗能、降低开采成本的目的；另外，该煤层气排水采气装置配置简单、易操作，适应性强，当井底积液增多，底层能量不足时，还可继续切换到抽油机有杆泵进行排水采气。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是煤层气和井底积液在各阶段采集中的产量示意图；

图2是本发明实施例提供的一种煤层气排水采气装置的结构示意图。

图中的附图标记分别表示：

1、油管；

2、抽油泵；

3、空心杆；

4、空心光杆；

5、套管；

6、油管阀门；

7、套管阀门；

8、油管锚；

9、空心光杆堵塞器；

10、过液孔；

11、机械控制开关；

12、开关启闭工具；

13、丝堵；

14、套管头；

15、第二管道；

16、采油井口；

17、第一管道；

18、防喷盒；

19、煤层；

20、筛管；

x1、第一环形空间；

x2、第二环形空间。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。

本发明提供一种煤层气排水采气装置，如图2所示，图2是本发明实施例提供的一种煤层气排水采气装置的结构示意图，该煤层气排水采气装置包括：

油管1；

连接在油管1的下端、且与油管1密封连接的抽油泵2，抽油泵2包括位于油管1的内部的空心杆3和连接在空心杆3的上端的空心光杆4；空心杆3和空心光杆4连通，空心光杆4的上端与油管1之间密封连接，且空心杆3和空心光杆4与油管1之间形成有第一环形空间x1；第一环形空间x1可通过位于油管1的上端的油管阀门6与外界连通；

以及套设在油管1和抽油泵2的外部的套管5，抽油泵2固定连接在套管5上；油管1和抽油泵2与套管5之间形成有第二环形空间x2；第二环形空间x2可通过位于套管5的上端的套管阀门7与外界连通；

在抽油泵2的空心光杆4的上端设置有空心光杆堵塞器9，且在抽油泵2的空心杆3的下端设置有过液孔10；空心杆3可通过过液孔10与第一环形空间x1连通；以及

在油管1的下端设置有机械控制开关11，且在空心杆3上设置有用于启闭机械控制开关11的开关启闭工具12；第一环形空间x1可通过机械控制开关11与第二环形空间x2连通。

需要说明的是，空心光杆4的上端通过单向阀连入地面水流程，从而可使通过空心杆3和空心光杆4而流入地面水流程的煤层气和水被采集或者被利用。同样的，油管阀门6和套管阀门7分别连接有水、煤层气的采集或利用装置，以对其进行采集或利用。

本发明实施例提供的煤层气排水采气装置是在现有技术的基础上分别在油管1和空心杆3上设置了机械控制开关11、开关启闭工具12，使得当通过上提或下放空心光杆4(空心光杆4带动空心杆3上提或下放)时，能通过空心杆3上的开关启闭工具12来控制油管1上的机械控制开关11的启闭。例如，当上提空心光杆4一定距离时，空心光杆4上的开关启闭工具12可带动油管1上的机械控制开关11打开，使得第一环形空间x1能与第二环形空间x2连通，第二环形空间x2中的积液依靠煤层气的地层能量通过机械控制开关11进入第一环形空间x1中，并由空心杆3的过液孔10进入空心杆3、空心光杆4内，最终排入地面水流程中；当下放空心光杆4一定距离时，空心光杆4上的开关启闭工具12可带动油管1上的机械控制开关11关闭，即可重新启动抽油泵2进行排水。在实际操作中，在煤层气开采的初期，由于存在大量的井底积液，可开动抽油机带动抽油泵2进行排水采气；而在煤层气开采的中后期，由于井底积液逐渐减少，继续使用抽油泵2只能排出少量或微量水，为了节能降耗及节约作业成本，本发明的煤层气排水采气装置能充分利用底层能量产气携水，从而节约开采成本。具体操作为：

在煤层气开采初期，打开油管阀门6和套管阀门7，开动抽油机带动抽油泵2运转，煤层19处的积液进入油管1与空心杆3之间形成的第一环形空间x1，并经由油管阀门6排出；而煤层气滞留在套管5与油管1之间形成的第二环形空间x2中，并经由套管阀门7排出；

随着井底积液面的降低，排出的水量逐渐减少，当抽油泵2只能排出少量或微量积液时，关闭抽油机使抽油泵2停止运转，将空心光杆4的上端连入地面水流程，并打开空心光杆4的上端的空心光杆堵塞器9；将氮气经油管阀门6通入第一环形空间x1中，第一环形空间x1内的压力增大，迫使第一环形空间x1中的积液通过空心杆3的下部的过液孔10进入空心杆3和空心光杆4中，并排入地面水流程中，从而将抽油泵2上的油管1与空心杆3、空心光杆4中的积液顶出；

当继续通入氮气只有少量或微量积液从空心光杆4中排出时，关闭套管阀门7和油管阀门6，上提空心光杆4，使空心光杆4上的开关启闭工具12带动机械控制开关11打开，第二环形空间x2中的积液依靠煤层气的地层能量通过机械控制开关11进入第一环形空间x1中，并由空心杆3的过液孔10进入空心杆3、空心光杆4内，最终排入地面水流程中；

当第二环形空间x2中的积液增多，液面逐步上升，地层气的能量不足以携水排出时，可通过从油管阀门6向第一环形空间x1通入氮气而排出积液；若通入氮气还不能使积液排出，可下放空心光杆4，使空心光杆4上的开关启闭工具12带动机械控制开关11关闭，即可重新启动抽油泵2进行排水。

在上述的煤层气排水采气装置中，为了防止作业过程中煤粉卡泵，抽油泵2可选用长柱塞沉砂泵。

在上述的煤层气排水采气装置中，为了避免煤层气进入油管1中，在抽油泵2的下端还设置有筛管20，筛管20位于煤层19处，当煤层气从煤层19处析出时，筛管20能防止煤层气进入油管1中，使煤层气滞留在第二环形空间x2中，从而保证煤层气从套管阀门7排出，而积液从油管阀门6排出。

在上述的煤层气排水采气装置中，抽油泵2固定连接在套管5上，本发明对其固定连接方式没有严格限定，例如可以在抽油泵2和筛管20之间设置油管锚8，使抽油泵2通过油管锚8固定连接在油管1上。

在上述的煤层气排水采气装置中，在筛管20的下端还设置有丝堵13，丝堵13用于堵塞筛管20，防止从筛管20进入油管1的积液向下流出。

在上述的煤层气排水采气装置中，套管5的上端还具有套管头14，套管头14上设置有带有套管阀门7的第二管道15，第二管道15的一端与第二环形空间x2连通，第二管道15的另一端可连接用于采集煤层气的装置，也可以连接用于消耗煤层气的装置。

在上述的煤层气排水采气装置中，油管1的上端还具有采油井口16，采油井口16上设置有带有油管阀门6的第一管道17，第一管道17的一端与第一环形空间x1连通，第一管道17的另一端可连接用于收集积液的装置。

在上述的煤层气排水采气装置中，为了防止积液在抽油泵2运行过程中从油管1中溅出，在采油井口16的上方还可设置有防喷盒18，防喷盒18用于密封空心光杆4和采油井口16。

在上述的煤层气排水采气装置中，对空心光杆4和空心杆3之间的连接方式没有严格限定，只要能实现二者之间的固定连接即可，例如空心光杆4和空心杆3之间可以为螺纹连接、焊接等。

本发明进一步提供了一种煤层气排水采气装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：打开油管阀门6和套管阀门7，开动抽油机带动抽油泵2运转，煤层19处的积液进入油管1与空心杆3之间形成的第一环形空间x1，并经由油管阀门6排出；而煤层气滞留在套管5与油管1之间形成的第二环形空间x2中，并经由套管阀门7排出。

步骤二：随着井底积液面的降低，排出的水量逐渐减少，当抽油泵2只能排出少量或微量积液时，关闭抽油机使抽油泵2停止运转，将空心光杆4的上端连入地面水流程，并打开空心光杆4的上端的空心光杆堵塞器9；将氮气经油管阀门6通入第一环形空间x1中，第一环形空间x1内的压力增大，迫使第一环形空间x1中的积液通过空心杆3的下部的过液孔10进入空心杆3和空心光杆4中，并排入地面水流程中。

步骤三：当继续通入氮气只有少量或微量积液从空心光杆4中顶出时，关闭套管阀门7和油管阀门6，上提空心光杆4，使空心光杆4上的开关启闭工具12带动机械控制开关11打开，第二环形空间x2中的积液依靠煤层气的地层能量通过机械控制开关11进入第一环形空间x1中，并由空心杆3的过液孔10进入空心杆3和空心光杆4内，最终排入地面水流程中。

步骤四：当第二环形空间x2中的积液增多，液面逐步上升，地层气的能量不足以携水排出时，可通过从油管阀门6向第一环形空间x1通入氮气而排出积液；若通入氮气还不能使积液排出，可下放空心光杆4，使空心光杆4上的开关启闭工具12带动机械控制开关11关闭，即可重新启动抽油泵2进行排水。

本发明提供的煤层气排水采气装置及其使用方法可利用煤层气自身的能量将井底积液排出，从而达到减少耗能、降低开采成本的目的；此外，该煤层气排水采气装置配置简单、易操作，适应性强，当井底积液增多，底层能量不足时，还可继续切换到抽油机有杆泵进行排水采气。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。