本發(fā)明涉及鉆井與煤層氣開采技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及煤層氣采集設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及液力投撈式排砂排煤粉采氣裝置及方法。

背景技術(shù)：

煤層氣是煤在生成過程中的一種伴生物，是一種具有很高價值的優(yōu)質(zhì)的清潔能源，隨著對環(huán)保的日益重視，煤層氣的開采得到更多人的關(guān)注，在我國，煤層氣已被納入推動能源生產(chǎn)和消費革命的重要載體。

煤層氣的開采在我國已經(jīng)有很長一段時間，從石油開采的方式移植過來的煤層氣開采方式有著自身的發(fā)展規(guī)律。隨著技術(shù)積累和進步，煤層氣井逐漸由直井、斜井向定向井、水平井的方向發(fā)展。同時受控于國家土地政策和成本的需求，單井井場越來越不能滿足要求，而平臺式的多井、從式井模式受到了行業(yè)的青睞。

在煤層氣的開采過程中，需要排水采氣降低井底壓力，當(dāng)壓力降低至煤層氣的解析壓力時，煤層氣析出后進入井筒，隨后被采集地面管網(wǎng)。由于煤層氣解析的特殊性，要求排水穩(wěn)定可靠。同時降低井底壓力時，地層水也會流入井底，煤層內(nèi)的煤粉和壓裂砂也會流入井底。煤粉和壓裂砂會導(dǎo)致埋沒采氣管柱，堵塞采氣通道，因此需要把煤粉和壓裂砂排到地面，因此煤層氣井排采作業(yè)的核心任務(wù)之一為煤粉管理。排水采氣設(shè)備主要為移植采油設(shè)備，通常為有桿抽油系統(tǒng)在，而在煤層氣井排采現(xiàn)場應(yīng)用中，有桿泵在前期排采中能排出少量的煤粉，但在穩(wěn)產(chǎn)及后期的低排量條件下，卻無法有效地排出煤粉。而煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)是導(dǎo)致卡泵停機的主要原因，井筒中的煤粉引起卡泵，進而需要修井作業(yè)、嚴(yán)重影響了煤層氣井的連續(xù)生產(chǎn)。而大斜度井、定向井、水平井的興起，又給有桿泵系統(tǒng)帶來了管桿偏磨的問題，增加了生產(chǎn)檢修成本。

煤層氣井的開采需要連續(xù)對煤層氣井進行排水采氣管理，導(dǎo)致需要大量人員進行不間斷管理，人工成本越來越高，因此對遠程控制，自動控制，甚至智能控制提出了需求。

常規(guī)的井底排采技術(shù)為有桿泵技術(shù)，通過抽油驅(qū)動桿驅(qū)動井底設(shè)備進行排水采氣。適用于直井?，F(xiàn)在煤層氣井多采用從式井，水平井，如果采用常規(guī)有桿泵技術(shù)，在造斜段將會造成抽油驅(qū)動桿與套管的偏磨，設(shè)備需經(jīng)常維護，因此常規(guī)有桿排采設(shè)備并不適用于有造斜段的煤層氣井排采。

目前常用的排采設(shè)備包括電動潛油螺桿泵和活塞泵。

電動潛油螺桿泵是一種成熟的井底無桿排采設(shè)備。它是由多級潛油電動機、螺桿泵、減速齒輪等主要部件構(gòu)成，通過地面變頻器進行排量控制，由電動機驅(qū)動螺桿泵進行工作。螺桿泵主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子是一個內(nèi)部帶螺旋型的橡膠套鋼管組成；轉(zhuǎn)子是一根適應(yīng)定子螺旋的金屬螺桿。在定轉(zhuǎn)子之間形成密封腔體，當(dāng)轉(zhuǎn)子在電動機驅(qū)動下選擇時，螺旋腔體就會從一端移動向另一端，產(chǎn)生泵的作用。從井底吸入的地層液就會隨著腔體的螺旋移動向泵口排出，并經(jīng)油管輸送到地面。電動潛油螺桿泵的排量可達10-150m³/D，揚程900-2200m，適用于砂粒直徑小于0.1mm，地層液含砂小于3％，溫度小于150℃的工作環(huán)境。

電動潛油螺桿泵結(jié)構(gòu)簡單，與有桿泵相比，電動潛油螺桿泵能節(jié)能30％-60％，而且排采連續(xù)平穩(wěn)，無脈動沖擊現(xiàn)象，可達90％的高效率。適用和維護簡單，運行成本低。

活塞泵是一種利用液力驅(qū)動的無桿抽油設(shè)備，由地面液壓站提供高壓動力，經(jīng)連接裝置和油管送入井底活塞泵，活塞泵在井底做往復(fù)活塞運動，抽吸地層液并擠壓地層液排到地面。分為動力液與產(chǎn)出液混合的開式循環(huán)泵和動力液不與產(chǎn)出液混合的閉式循環(huán)泵，液壓驅(qū)動液多為油基和水基兩種，也可利用液力進行投撈，活塞換向可在井底換向，也可在地面驅(qū)動液進行換向?；钊哂写蟮哪芎漠a(chǎn)出比，生產(chǎn)效率高的特點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：現(xiàn)有技術(shù)中常用的排采設(shè)備仍需改進，例如：針對電動潛油螺桿泵，由于螺桿泵的結(jié)構(gòu)限制，當(dāng)?shù)貙右簻囟容^高，地層液含砂和煤粉較高時，將會嚴(yán)重影響螺桿泵定子橡膠的使用壽命。同時電動潛油螺桿泵不適合排量小于10m³/D的情況，由于排量低，排出的地層液流速也低，不足以對電動機進行冷卻，易造電動機故障。因此不適用于煤層氣井的后期排采作業(yè)。針對活塞泵，由于煤層氣井的地層液含有煤粉或壓裂砂等小直徑固體顆粒，導(dǎo)致活塞泵缸體磨損快，工作一段時間后內(nèi)部泄漏大；由于地層液含有游離氣，易在活塞內(nèi)形成氣鎖導(dǎo)致工作效率下降，形成維護成本高，維護次數(shù)多的特性。因此活塞泵應(yīng)用于煤層氣井的排水采氣還有待與進一步改進。

本發(fā)明的目的是解決煤層氣井完井后的自動排水采氣問題。目前煤層氣井多為大斜度井、定向井、水平井。排采初期排水量一般為20m³/D，根據(jù)井礦不同，每日液面降低1m-5m，同時排水量逐漸減小，一年后排水量達到1m³/D。排采時液體一般含煤粉1-2％，高峰段是煤粉含量高達8-9％。液體投撈式自動控制排砂排煤粉系統(tǒng)能滿足排采情況變化大的要求。同時該系統(tǒng)對高懸浮、高粘度的液體同樣有很好的效果。通過調(diào)整地面高壓動力液的輸出，常規(guī)裝置能實現(xiàn)1-70m³/D排量的調(diào)節(jié)。針對于目前單平臺多井的煤層氣井的情況，可以實現(xiàn)泵組并聯(lián)，共享動力液管道、氣液分離、沉淀罐，降低成本。利用流量控制設(shè)備實現(xiàn)單井自動控制排采。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種液力投撈式排砂排煤粉采氣裝置，包括地面裝置、連接裝置和井底裝置。地面裝置提供滿足要求的動力液，控制單井動力液的需求量，實現(xiàn)返回液的氣液分離，固相沉淀，采集生產(chǎn)需求的各類參數(shù)。連接裝置提供地面動力液與井底裝置的通道，實現(xiàn)液力通道的交換。井底裝置為排水產(chǎn)氣裝置，按照排采工藝實現(xiàn)排出定量的地層液或井底壓力的設(shè)定值降壓。

具體來說，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

一種液力投撈式排砂排煤粉采氣裝置，包括順序連通的地面裝置，連接裝置和井底裝置，其特征在于，所述地面裝置包括罐身設(shè)置有流體進口和流體出口的沉淀罐1、分別與之流體出口和流體進口連通的地面管道和返液管12，以及與下述井口裝置11連通的采氣管14；所述連接裝置包括井口裝置11、懸掛于井口裝置11內(nèi)的動力液管16和混合液管15；所述井底裝置包括與動力液管16和混合液管15均連通的正循環(huán)反向噴射射流泵17；其中，所述地面管道和返液管12通過井口裝置11分別與動力液管16和混合液管15連通；所述混合液管15套在動力液管16外面或與動力液管16并排設(shè)置。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述沉淀罐1內(nèi)設(shè)置有多級隔板槽，所述流體出口設(shè)置在流體流經(jīng)的最后一級隔板槽處。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述正循環(huán)反向噴射射流泵17包括泵筒25和泵芯，所述泵芯內(nèi)設(shè)置有動力液流道、地層液流道和混合液流道，所述動力液流道入口與動力液管16下端連通，所述混合液流道出口與所述混合液管15下端連通；

其中，所述動力液流道沿動力液流向依次設(shè)置有：與所述動力液管16連通的起始段流道511、沿所述泵筒筒壁設(shè)置的引流段流道514和壓力腔515，所述壓力腔515在與起始段流道511中流體流向相反的一端設(shè)置有噴嘴29。

優(yōu)選的，在所述引流段流道514處，泵筒作為流道管壁的一部分，與泵芯配合形成引流段流道514。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述混合液流道沿流體流向依次設(shè)置有喉管28、擴散管27和出口段混合液流道，所述喉管28與噴嘴29連通，所述喉管28中流體流向與起始段流道511中流體流向相反；所述出口段混合液流道中流體流向與動力液流道的起始段流道511中流體流向的夾角≥90°。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述泵芯內(nèi)還設(shè)置有用于連通起始段流道511和引流段流道514的承接段流道513，所述承接段流道還連通有支流流道512，所述支流流道512與動力液管16連通，且與起始段流道511呈夾角。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述地層液流道與所述喉管28連通，地層液流道設(shè)置有復(fù)位固定閥30，所述復(fù)位固定閥30上安裝有彈簧。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述正循環(huán)反向噴射射流泵17泵芯還設(shè)置有用于隔離動力液流道、地層液流道和混合液流道的密封31。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述井底裝置還包括與地層液流道連通的尾管18和置于尾管18內(nèi)腔的吸入管19，所述尾管18在連通地層液流道的一端設(shè)置有篩管。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述地面管道包括與沉淀罐1依次連接的低壓管道2、高壓泵4和高壓管道6；其中，所述低壓管道的壓力小于或等于1.6MPa；所述高壓管道的壓力范圍為大于1.6MPa；

所述地面裝置還包括用于調(diào)控流量和/或壓力的自動調(diào)控裝置，與高壓管道6連接。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述低壓管道2和高壓管道6上均設(shè)置有過濾器。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述高壓管道6上安裝有遠程壓力表5，所述遠程壓力表5與自動調(diào)控裝置連接。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述高壓管道6設(shè)置有高壓分支管道。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述返液管12上設(shè)置有氣液分離器13，所述氣液分離器13通過管道與采氣管14相連通。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述井口裝置11包括高壓井口流程件、低壓井口流程件、頂部閥門231、與頂部閥門連接的十字四通233、井口110和設(shè)置于井口110內(nèi)的懸掛裝置232；

所述高壓井口流程件包括并列設(shè)置的中心高壓管61和環(huán)空高壓管62，均與高壓管道6連接；所述低壓井口流程件包括并列設(shè)置的中心低壓管211和環(huán)空低壓管221，均與返液管12連接；

所述混合液管15通過懸掛裝置232與環(huán)空高壓管62和環(huán)空低壓管221連接；所述動力液管16通過十字四通233與中心高壓管61和中心低壓管211連接。

優(yōu)選的，上述采氣裝置中，所述中心高壓管61上設(shè)置有高壓閥門611，所述環(huán)空高壓管62上設(shè)置有環(huán)空高壓閥門621，所述中心低壓管211上設(shè)置有中心低壓閥門212，所述環(huán)空低壓管221上設(shè)置有環(huán)空低壓閥門222。

本發(fā)明還提供上述任一段所述液力投撈式排砂排煤粉采氣裝置的采氣方法，其特征在于，包括下述步驟：

(1)混合液的煤粉和地層砂在沉淀罐中沉入罐底后，沉淀罐中所得液體依次經(jīng)過地面管道，通過井口裝置11流向動力液管16，進入井底裝置的正循環(huán)反向噴射射流泵17；

(2)在正循環(huán)反向噴射射流泵17的作用下，包含煤粉和地層砂的地層液被吸入正循環(huán)反向噴射射流泵17，與動力液混合形成混合液后，經(jīng)過混合液管15舉升到地面；

(3)混合液管15中的混合液經(jīng)過返液管12返回沉淀罐1內(nèi)；

(4)煤層氣通過采氣管14排出。

優(yōu)選的，上述采氣方法中，所述正循環(huán)反向噴射射流泵17包括泵筒25和泵芯，所述泵芯內(nèi)設(shè)置有動力液流道、地層液流道和混合液流道，所述動力液流道入口與動力液管16下端連通，所述混合液流道出口與所述混合液管15下端連通；

其中，所述動力液流道沿動力液流向依次設(shè)置有：與所述動力液管16連通的起始段流道511、沿所述泵筒筒壁設(shè)置的引流段流道514和壓力腔515，所述壓力腔515在與起始段流道511中流體流向相反的一端設(shè)置有噴嘴29；

所述步驟(2)包括下述步驟：

所述沉淀罐所得液體從起始段流道511進入動力液流道后，反向在噴嘴29處向上噴射，地層液受噴嘴處低壓形成的壓力差驅(qū)動，進入地層液流道，與沉淀罐所得液體在混合液流道中混合后排入混合液管15中。

優(yōu)選的，上述采氣方法中，所述混合液流道沿流體流向依次設(shè)置有喉管28、擴散管27和出口段混合液流道，所述喉管28與噴嘴29連通，所述喉管28中流體流向與起始段流道511中流體流向相反；所述出口段混合液流道中流體流向與動力液流道的起始段流道511中流體流向的夾角≥90°；

所述步驟(2)中，所述地層液進入地層液流道，在喉管28內(nèi)與沉淀罐所得液體混合形成混合液，混合液流向擴散管27，經(jīng)過出口段混合液流道排入混合液管15中。

優(yōu)選的，上述采氣方法中，所述泵芯內(nèi)還設(shè)置有用于連通起始段流道511和引流段流道514的承接段流道513，所述承接段流道還連通有支流流道512，所述支流流道512與動力液管16連通，且與起始段流道511呈夾角；

所述步驟(2)中，沉淀罐所得液體還經(jīng)過支流流道512進入動力液流道。

優(yōu)選的，上述采氣方法中，所述正循環(huán)反向噴射射流泵17泵芯還設(shè)置有用于隔離動力液流道、地層液流道和混合液流道的密封31；

所述步驟(2)中，沉淀罐所得液體還經(jīng)過支流流道512進入動力液流道。

優(yōu)選的，上述采氣方法中，所述井底裝置還包括與地層液流道連通的尾管18和置于尾管18內(nèi)腔的吸入管19，所述尾管18在連通地層液流道的一端設(shè)置有篩管；

所述步驟(2)中，地層液經(jīng)過篩管進入尾管18，流經(jīng)吸入管19進入地層液流道通道。

優(yōu)選的，上述采氣方法中，所述井底裝置還包括與地層液流道連通的尾管18和置于尾管18內(nèi)腔的吸入管19，所述尾管18在連通地層液流道的一端設(shè)置有篩管；

所述步驟(2)中，所述地層液從篩管進入尾管18，流經(jīng)吸入管19，流經(jīng)地層液流道后在喉管28處與動力液混合。

優(yōu)選的，上述采氣方法中，所述地面管道包括與沉淀罐1依次連接的低壓管道2、高壓泵4和高壓管道6；其中，所述低壓管道的壓力小于或等于1.6MPa；所述高壓管道的壓力范圍為大于1.6MPa；所述地面裝置還包括用于調(diào)控流量和/或壓力的自動調(diào)控裝置，與高壓管道6連接。

所述低壓管道2和高壓管道6上均設(shè)置有過濾器；

所述步驟(1)中，沉淀罐中的液體先經(jīng)過低壓管道2，過濾后流入高壓泵4，經(jīng)高壓泵4加壓后，流向高壓管道6，通過井口裝置流向動力液管16；通過自動調(diào)控裝置調(diào)控高壓管道6的液體流量和/或壓力。

優(yōu)選的，上述采氣方法中，所述高壓管道6上安裝有遠程壓力表5，所述遠程壓力表5與自動調(diào)控裝置連接；

其中，步驟(1)中，動力液流入高壓管道6時，所述遠程壓力表5檢測壓力信號，通過自動調(diào)控裝置調(diào)節(jié)高壓泵的工作壓力，進而調(diào)控高壓管道6的壓力值。

單井控制時，可去掉遠程壓力表5和流量控制裝置9，自動調(diào)控裝置直接與流量計8連接，直接控制動力液流量來起到自動控制的目的。

優(yōu)選的，上述采氣方法中，所述井口裝置11包括高壓井口流程件、低壓井口流程件、頂部閥門231、與頂部閥門連接的十字四通233、井口110和設(shè)置于井口110內(nèi)的懸掛裝置232；

所述高壓井口流程件包括并列設(shè)置的中心高壓管61和環(huán)空高壓管62，均與高壓管道6連接；所述低壓井口流程件包括并列設(shè)置的中心低壓管211和環(huán)空低壓管221，均與返液管12連接；

所述混合液管15通過懸掛裝置232與環(huán)空高壓管62和環(huán)空低壓管221連接；所述動力液管16通過十字四通233與中心高壓管61和中心低壓管211連接；

所述步驟(1)中，所述沉淀罐中的液體流經(jīng)高壓管道6后，通過井口裝置的中心高壓管61進入連接裝置的動力液管16；

步驟(3)中，所述混合液流經(jīng)混合液管15后，通過環(huán)空低壓管221進入地面裝置的返液管12中。

優(yōu)選的，上述采氣方法中，所述返液管12上設(shè)置有氣液分離器13，所述氣液分離器13通過管道與采氣管14連通；

其中，所述步驟(4)包括下述兩個步驟：

(1)地下煤層氣流經(jīng)井口裝置11進入采氣管14；

(2)返液管12中的流體經(jīng)氣液分離器13分離后，所得煤層氣進入采氣管14。

優(yōu)選的，所述采氣方法中，所述中心高壓管61上設(shè)置有高壓閥門611，所述環(huán)空高壓管62上設(shè)置有環(huán)空高壓閥門621，所述中心低壓管211上設(shè)置有中心低壓閥門212，所述環(huán)空低壓管221上設(shè)置有環(huán)空低壓閥門222；

其中，正常生產(chǎn)時打開中心高壓閥門611和環(huán)空低壓閥門222，同時關(guān)閉環(huán)空高壓閥門621和中心低壓閥門212；當(dāng)需要換取泵芯時，打開環(huán)空高壓閥門621和中心低壓閥門212，關(guān)閉中心高壓閥門611和環(huán)空低壓閥門222，向混合液管15中注入流體，把泵芯舉升到井口裝置11，打開頂部閥門231取出泵芯。

本發(fā)明的優(yōu)點是：(1)在地面裝置增加了高壓過濾器、氣液分離器，提高了排砂排煤粉裝置的使用壽命和安全性；(2)在地面裝置增加了流量控制設(shè)備，連接裝置增加了井底壓力計，為自動控制和遠程控制提供了硬件基礎(chǔ)，為自動化控制做好了準(zhǔn)備；(3)可在地面裝置中的柱塞泵增加強制潤滑系統(tǒng)，在低頻率工作時很好的保護了柱塞泵的運動部件，延長了使用壽命；(4)可在射流泵體內(nèi)增加硬化層，延長磨損時間；(5)突破性的設(shè)計了正循環(huán)反向噴射的流道設(shè)計，減少了煤粉和砂粒的聚集，降低了能耗。

附圖說明

圖1為實施例1所述地面裝置的示意圖。

圖2為實施例1所述連接裝置的示意圖。

圖3-1、圖3-2和圖3-3分別為常規(guī)的射流泵示意圖、正循環(huán)射流泵示意圖和反循環(huán)射流泵示意圖。

圖4為實施例1所述正循環(huán)反向噴射射流泵的示意圖。

圖5為實施例1所述正循環(huán)反向噴射射流泵中動力液流道的示意圖。

其中，1為沉淀罐，111為內(nèi)隔板，112為溢流口，2為低壓管道，3為低壓過濾器，4為高壓泵，5為遠程壓力表，6為高壓管道，7為高壓過濾器，8為流量計，9為流量控制裝置，10為高壓壓力計，11為井口裝置，12為返液管；13為氣液分離器，110為井口；231為頂部閥門，232為懸掛裝置，233為十字四通，61為中心高壓管，62為環(huán)空高壓管，211為中心低壓管，221為環(huán)空低壓管，611為中心高壓閥門，621為環(huán)空高壓閥門，212為中心低壓閥門，222為環(huán)空低壓閥門，14為采氣管，15為混合液管，16為動力液管，17為水力射流泵，18為尾管，19為吸入管，20為煤層，21為人工井底，22為套管，23為井底壓力計；311為套管，312為動力液管，313為返出通道，314為固定卡，用于固定泵芯，315為閥門，316為噴嘴，317為吸入環(huán)道，318為喉管，319為擴散管；24為插入接頭，25為泵筒，26為泵芯殼體，27為擴散管，28為喉管，29為噴嘴，30為固定閥，31為密封，32為混合液出口，511為動力液流道的起始端流道，512為支流流道，513為承接段流道，514為引流段流道，515為壓力腔。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種液力投撈式排砂排煤粉采氣裝置，包括地面裝置、連接裝置和井底裝置。

其中，井底裝置主要是射流泵，射流泵的工作原理為：當(dāng)動力液通過噴嘴高速噴出后，動力液的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽瑖娮熘車纬傻蛪?，地層液在井底壓力下被吸入管?nèi)，兩股液體在喉管中進行混合，動力液速度降低，被吸入液速度升高，最終形成混合液，速度趨于一致。當(dāng)混合液流出喉管后，隨著流道增大，混合液速度降低，根據(jù)伯努利原理可知，此時混合液的壓力增加，壓力足夠時就會被舉升到地面。

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明及其有益技術(shù)效果進行詳細說明。

實施例1

本發(fā)明的一種的優(yōu)選實施方式中，所述液力投撈式排砂排煤粉采氣裝置包括下述裝置：

1.地面裝置

地面裝置作為整套裝置的動力所在，是保證整套裝置能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。本實施例所述地面裝置組成如圖1所示，包括下述結(jié)構(gòu)：

1.1沉淀罐1

所述沉淀罐1為逐級沉淀罐，是返回液進行煤粉砂粒沉淀的設(shè)備，罐體內(nèi)有多級內(nèi)隔板111，在罐體內(nèi)形成多個隔板槽。所述沉淀罐1罐身上部設(shè)置有溢流口112，罐身在最后一級隔板槽處設(shè)置有流體出口；在罐身中部設(shè)置有流體入口。

1.2地面管道

所述地面管道包括低壓管道2和高壓管道6，所述低壓管道2與沉淀罐1流體出口連通，低壓管道2上設(shè)置有低壓過濾器3。

低壓管道2與高壓管道6之間設(shè)置有高壓泵4。

所述高壓管道6引出第一分支管道和第二分支管道，分別與第一生產(chǎn)井和第二生產(chǎn)井的連接裝置的井口裝置11連通；所述高壓管道6上設(shè)置有遠程壓力表5，分支管道上沿流體流向依次設(shè)置有高壓過濾器7、流量計8、流量控制裝置9和高壓壓力計10，最終與井口裝置11的高壓井口流程件連通。

本實施例中，所述高壓泵為柱塞泵，但本發(fā)明中所述高壓泵不限于柱塞泵，還可以是壓力能達到要求的其他泵型。

其中，所述“低壓”指的是不高于1.6MPa的壓力環(huán)境，所述“高壓”指的是高于1.6MPa的壓力環(huán)境。

本實施例中，分支管道為兩個，但本發(fā)明中，所述高壓支管的數(shù)量不限于兩個，可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)，最佳效果為1-6個。

1.3自動調(diào)控裝置

所述自動調(diào)控裝置與高壓分支管道上的遠程壓力表5和流量控制裝置9連接，以控制動力液流量和壓力。

1.4返液管12

返液管12一端與沉淀罐1的流體入口連通，另一端與生產(chǎn)井的井口裝置11的低壓井口流程件連通；且在返液管12上設(shè)置有氣液分離器13。

1.5采氣管14

所述采氣管14的下端伸至套管22內(nèi)，置于套管22和混合液管15間的環(huán)形空間內(nèi)、上端口高于地面。

上述地面裝置的工作狀態(tài)如下：

井底裝置內(nèi)的返回液通過返液管12進入沉淀罐1的第一級內(nèi)隔板的槽內(nèi)，裝滿后自動流入下一級隔板槽，直至流入最后一級隔板槽。利用重力和低流速，煤粉和砂粒就會沉淀到罐底。舉升上來多余的水，在罐體上部通過溢流口排放到處理池。沉淀后的水通過低壓管道2流出，再經(jīng)過低壓過濾器3過濾后流入柱塞泵4，在柱塞泵內(nèi)加壓到系統(tǒng)設(shè)定壓力成為動力液，動力液流向高壓管道6，高壓管道上的遠程壓力表5會把壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?，輸入給變頻器，壓力參數(shù)與變頻器設(shè)定的壓力值做比較后，升高或降低柱塞泵變頻電機的工作頻率，使高壓管內(nèi)的壓力值穩(wěn)定在變頻器所設(shè)定的壓力值范圍內(nèi)。動力液通過井口裝置11的高壓井口流程件，進入動力液管16中；井下混合液從混合液管15中舉升到地面后，流經(jīng)井口裝置的低壓井口流程件，進入返液管12中。

由于柱塞泵有高壓運動部件，其閥芯在高壓和高頻運轉(zhuǎn)下有時會碎裂，這些碎裂片可能會堵塞井下流道，大一些的碎片甚至?xí)?dǎo)致停產(chǎn)檢泵作業(yè)。增加了高壓過濾器后，只需要清洗高壓過濾器即可，保護了井底裝置。

地層液在井底裝置處與動力液混合形成混合液后，通過連接裝置舉升到地面，通過返液管12流向氣液分離器13，氣液分離器會把返回液內(nèi)的煤層氣和混合液分離，混合液流入逐級沉淀罐1。煤層氣通過管道進入采氣管14，這樣既做到了安全環(huán)保，又沒有浪費煤層氣。

2.連接裝置

連接裝置上連接地面裝置，下連接井底裝置，起到連通各裝置的作用，同時也是井底裝置投放、舉升、生產(chǎn)的保障裝置，結(jié)構(gòu)如圖2，包括下述結(jié)構(gòu)：

2.1井口裝置11

井口裝置頂部設(shè)置有頂部閥門231，井口裝置包括井口110、設(shè)置于井口110內(nèi)的懸掛裝置232、十字四通233，4個閥門、高壓井口流程件和低壓井口流程件。其中高壓井口流程件由中心高壓管61和環(huán)空高壓管62組成，后端分別通過中心高壓閥門611和環(huán)空高壓閥門621與動力液管16和混合液管15連接。低壓井口流程件由中心低壓管211和環(huán)空低壓管221組成，前端分別通過中心低壓閥門212和環(huán)空低壓閥門222與動力液管16和混合液管15連接。高壓井口流程件前端與地面裝置中的高壓管6連通。低壓井口流程件與返液管12連通。

正常生產(chǎn)時打開中心高壓閥門611和環(huán)空低壓閥門222，同時關(guān)閉環(huán)空高壓閥門621和中心低壓閥門212。當(dāng)需要換取泵芯時，閥門開關(guān)情況與正常生產(chǎn)相反即可，此時由混合液管注水，把泵芯舉升到井口裝置11，打開頂部閥門231取出泵芯。

此外，也可用電磁換向閥替換中心高壓閥門611和環(huán)空高壓閥門621，同理中心低壓閥門212和環(huán)空低壓閥門222也一樣，當(dāng)需要換取泵芯時，換向后原來注入液體動力液管變成流出液體的管道，此時泵芯被液力強行舉升到地面，方便更換，從而實現(xiàn)泵芯的投放和維修變更，操作簡便安全。

2.2動力液管16

所述動力液管16通過十字四通233與中心高壓管61和中心低壓管211連接。在十字四通233與中心高壓管61間安裝有中心高壓閥門611，在十字四通16與中心低壓管211間安裝有中心低壓閥門212。

2.3混合液管15

混合液管15套在動力液管16外面，混合液管15通過懸掛裝置232懸掛于井口110內(nèi)。通過環(huán)空高壓閥門621與環(huán)空高壓管62連接，通過環(huán)空低壓閥門222與環(huán)空低壓管221連接。工作時，井下混合液依次通過混合液管15、環(huán)空低壓管221進入返液管12內(nèi)。

井口裝置供井下管柱懸掛使用，內(nèi)部有高、低壓流道。井下動力液管16的上端通過井口裝置11與地面高壓管道連通，混合液管15的上端通過井口裝置11與返液管12連通；井下動力液管16的下端和混合液管15的下端均與井底裝置的水力射流泵17的上端連通。

3.井底裝置

井底裝置包括水力射流泵、尾管和吸入管。

3.1水力射流泵

由于煤層氣井排采在各個時期的要求和煤層氣井的地層液變化，導(dǎo)致射流泵的排量變化范圍非常大，為了調(diào)整射流泵排量大小，我們需要更換泵芯以滿足生產(chǎn)需求。因此把射流泵分解為泵筒、泵芯兩個部分，泵筒安裝到混合液管15下端，尾管18和吸入管19安裝到泵筒下端，再把混合液管、泵筒、尾管、吸入管放入煤層氣井井底的泵掛位置，然后把整根管柱懸掛到井口裝置11上。然后在混合液管中間插入動力液管，直到動力液管下端插入泵筒，再把動力液管上端連到井口裝置11的動力液流道上，與高壓管道連通。在需要生產(chǎn)時，打開井口裝置11頂部閥門，就可投入泵芯，關(guān)閉頂部閥門后，泵芯就隨著動力液下行插入到泵筒固定位置。這樣既節(jié)約了更換時間，又節(jié)約了大量的作業(yè)成本。

常規(guī)的射流泵示意圖如圖3-1所示。其中，311為套管，312為動力液管，313為返出通道，314為固定卡，用于固定泵芯，315為閥門，316為噴嘴，317為吸入環(huán)道，318為喉管，319為擴散管。動力液通過動力液管312從噴嘴316噴出，地層液從吸入環(huán)道317進入喉管318，與動力液混合后，進入擴散管319。

按照循環(huán)方式的不同，射流泵又可分為正循環(huán)(標(biāo)準(zhǔn)循環(huán))和反循環(huán)兩種方式，結(jié)構(gòu)分別如圖3-2和3-3所示。正循環(huán)方式是以中心油管為動力液管柱，以油、套環(huán)形空間為混合液返回管柱；反循環(huán)方式則是以油、套環(huán)形空間為為動力液管柱，而混合液則由中心油管返排到地面。

煤層氣井用的射流泵大多都是正循環(huán)方式，方便泵芯的投放。如圖3-2所示，正循環(huán)的常規(guī)射流泵動力液在噴嘴的噴射方向是向下噴射，因噴嘴處產(chǎn)生的低壓或負壓產(chǎn)生壓力差，地層液通過吸入管往上流動，此時動力液的流動方向和地層液的流動方向是相反的。地層液和動力液在喉管中混合后繼續(xù)往下流動到擴散管，動能轉(zhuǎn)換成壓力能，混合液又在泵芯和泵筒的連接流道處再次換向，通過動力液管和混合液管之間的環(huán)形空間被舉升到地面。正循環(huán)的常規(guī)射流泵，地層液是需要進行2次換向的，在換向的地方會形成湍流，由于地層液含煤粉和砂粒，煤粉和砂粒易在換向的流道里聚集，導(dǎo)致流道磨損加快且容易堵塞流道。

如圖3-3所示，反循環(huán)的常規(guī)射流泵動力液在噴嘴的噴射方向是向上噴射，因噴嘴處產(chǎn)生的低壓或負壓產(chǎn)生壓力差，地層液通過吸入管往上流動，此時動力液的流動方向和地層液的流動方向是相同的。底層液與動力液在喉管中混合后繼續(xù)向上流動到擴散管，通過中心油管被舉升到地面。反循環(huán)的常規(guī)射流泵，底層液只需要進行一次換向。反循環(huán)的射流泵在煤層氣井應(yīng)用的比較少，因為泵芯需要更換，反循環(huán)的泵芯投放到井底泵筒的時候還需要錨定，如錨定不嚴(yán)，動力液會把泵芯舉升到地面，導(dǎo)致射流泵無法正常工作。當(dāng)需要更換泵芯時，解除錨定也有可能失敗，導(dǎo)致需要檢泵作業(yè)，因此盡管反循環(huán)的流道更加合理，但在煤層氣井采用反循環(huán)的射流泵也非常少。

為解決上述問題，本實施例中使用的射流泵為正循環(huán)反向噴射的射流泵，綜合了正循環(huán)和反循環(huán)的優(yōu)點，很好的解決了正循環(huán)和反循環(huán)的缺陷。正循環(huán)反向噴射射流泵如圖4所示，包括泵筒25和泵芯。

井下動力液管16的下端和混合液管15的下端均與所述水力射流泵17的上端連通，動力液管16下端通過插入接頭24與泵筒25內(nèi)腔相連，混合液管15直接與泵筒25外接頭相連。泵筒25的內(nèi)腔和外接頭間有環(huán)形空間，與動力液管16和混合液管15的環(huán)形空間相連。

所述泵芯包括泵芯殼體26和設(shè)置于殼體內(nèi)部的動力液流道、地層液流道和混合液流道。所述各流道通過殼體與泵筒隔離。

其中，所述動力液流道結(jié)構(gòu)如圖5所示，沿流向依次設(shè)置有：沿泵筒25中心軸設(shè)置的起始段流道511、承接段流道513、沿筒壁軸向設(shè)置的引流段流道514和壓力腔515，在壓力腔與起始段流道動力液流向相反的一端設(shè)置有噴嘴29。其中，承接段流道513用于連通起始段流道511和引流段流道515，且連通有支流流道512，所述支流流道512與起始段流道511呈夾角；所述起始段流道511和支流流道512都與動力液管16相通。此時，起始段流道511中流體流向與動力液管16中流體流向一致，都可稱之為正向流動。

其中，地層液流道設(shè)置有可復(fù)位固定閥30，并與下述混合液流道的喉管28連通，當(dāng)泵處于大井斜段或處于水平段時，由于重力或煤粉的影響，常規(guī)固定閥球有可能不能復(fù)位。經(jīng)過試驗驗證后，我司設(shè)計的固定閥球可在彈簧的推動下復(fù)位，避免了因固定閥球不能復(fù)位導(dǎo)致的泄漏。

其中，混合液流道沿動力液管16中液體流向反向依次連接有：喉管28、擴散管27和出口段混合液流道；所述喉管28與噴嘴29和地層液流道連通，所述擴散管27呈喇叭狀，所述出口段混合液流道中流體流向與動力液管16中流體流向呈夾角，優(yōu)選≥90°。

在本實施例的水力射流泵中，動力液反向在噴嘴29處向上噴射。通過可復(fù)位固定閥30的地層液受噴嘴處低壓形成的壓力差驅(qū)動，在喉管28內(nèi)與動力液混合形成混合液。混合液流向擴散管27，在擴散管完成動能和壓力能的轉(zhuǎn)換，通過混合液出口32排入動力液管16和混合液管15的環(huán)形空間，然后舉升到地面。

其中，所述射流泵中還設(shè)置有密封31，用于將動力液、地層液、混合液隔離開來。

3.2尾管18和吸入管19

在泵筒下端連接有尾管18和吸入管19，尾管18上端設(shè)置有篩管，與射流泵17的下端連接。吸入管19居于尾管18的內(nèi)腔，上端與射流泵17的下端連通，尾管和吸入管都與地層液流道連通。尾管18和吸入管19下端置于煤層20以下、人工井底21以上；所述采氣管14的下端伸至套管內(nèi)、上端口高于地面。封閉層設(shè)在射流泵17和尾管18之間，尾管18上端裝有篩管，由于煤層氣的密度遠低于地層液的密度，煤層氣會通過混合液管與套管間的環(huán)形空間進入采氣管14，不會流進吸入管19，這樣就形成了對煤層氣的封閉層。由于射流泵的抽吸，地層液會從篩管進入，流經(jīng)吸入管19，在射流泵喉管處與動力液混合，形成混合液。地面柱塞泵4提供的高壓動力液經(jīng)井口裝置11流向動力液管16，在動力液管下端進入射流泵17，在噴嘴處噴出。在喉管形成的混合液經(jīng)擴散管后，流入動力液管16和混合液管15之間的環(huán)形空間，最后通過井口裝置11舉升到地面。在射流泵上端的混合液管外側(cè)，安裝有井底壓力計23可以實時監(jiān)測井底壓力，給自動控制提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

本實施例中，所述正循環(huán)反向噴射射流泵動力液在射流泵內(nèi)部完成了換向，也是動力液、地層液、混合液三種液體的唯一一次換向，因此具有能耗損失低，煤層沉積少的優(yōu)點。同時動力液在地面裝置內(nèi)已完成沉淀和多次過濾，含砂含煤粉少，對換向流道沖擊、磨損也很低，延長了使用壽命。地層液被抽吸進入射流泵后，流向沒有劇烈改變，因此煤粉聚集少，砂粒沉淀少，能耗損失小，有效的提高了射流泵的泵效。

井底空管柱間小，導(dǎo)致射流泵部分泵體壁厚薄，動力液在射流泵內(nèi)流動速度很高，其攜帶的少量固體雜質(zhì)對泵體磨損影響大，因此引流段流道514薄壁泵體上增加了硬化層，提高了薄壁泵體的硬度和耐磨性。同時，根據(jù)井下空間的大小，引流段流道514不僅限于建立在泵芯內(nèi)部，也可與泵筒25共享部分空間建立引流段流道，在流段流道薄壁泵體上增加硬化層。

實施例2

本發(fā)明另外一種優(yōu)選的實施方式中，所述投撈式排砂排煤粉采氣裝置與實施例1類似，區(qū)別僅在于所述混合液管15并非套在動力液管16外面，而是與動力液管16并排排列。

所述混合液管15與正循環(huán)反向噴射射流泵的混合液流道出口相通，所述動力液管16與正循環(huán)反向噴射射流泵的動力液流道相通。

實施例3

本發(fā)明另外一種優(yōu)選的實施方式中，所述投撈式排砂排煤粉采氣裝置與實施例1類似，區(qū)別僅在于，所述高壓管道6連接單井，未設(shè)置分支管道；高壓管道6上僅安裝有流量計8，未安裝遠程壓力表5，自動調(diào)控裝置直接與流量計8連接，直接控制動力液流量來起到自動控制的目的。

實施例4

本發(fā)明另外一個優(yōu)選的實施方式中，所述投撈式排砂排煤粉采氣裝置與實施例1類似，區(qū)別僅在于，在正循環(huán)反向噴射射流泵中，泵芯動力液流道的引流段流道514也是沿筒壁軸向設(shè)置，但與筒壁之間不設(shè)置殼體，即：在引流段流道514處，泵芯與泵筒配合形成引流段流道514，泵筒直接作為引流段流道514管壁的一部分。

在實際應(yīng)用中，可根據(jù)空間大小，可通過與實施例4類似的方法，調(diào)整地層液流道或混合液流道的結(jié)構(gòu)，只要通過密封31將動力液、地層液、混合液隔離開即可。

綜上所述，本發(fā)明所述液力投撈式排砂排煤粉采氣裝置可通過過濾器和氣液分離器可提高使用壽命和安全性，可通過自動調(diào)控裝置進行自動化控制，所用正循環(huán)反向噴射射流泵可減少煤粉和砂粒的聚集，降低能耗，實現(xiàn)泵組并聯(lián)，共享動力液管道，降低成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。