一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵及方法与流程

1.本发明涉及煤层气开发技术领域，具体来说是一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵。


背景技术：

2.在煤层气井压裂改造后的排采过程中，地层砂、压裂砂、煤粉会随着地层流体进入井筒，造成井筒堵塞、排采泵磨损、卡泵等，并导致产气量下井。采用水力冲砂方法，借助高速循环流动的液体可将井筒积砂积粉冲散并携带到地面，但是，由于排采后储层压力很低，洗井过程中水量滤失严重，井筒中上返的液体流量和流速很低，建立不起有效的循环，砂子及煤屑难以返排出井筒，相反，注入水可能将煤粉等压入储层，造成储层裂缝污染和产量降低。采用机械捞砂泵，根据抽油泵的原理，由作业机提供动力，油管作为动力轴，下沉砂管作为储砂口袋，在地层压力低、漏失严重的井中使用效果较好，但由于机械结构限制，只能在直井或一定斜度井中使用，即使通过在捞砂泵下端配套相应的捞砂管柱可以进行水平井捞砂，但受捞砂泵排量的限制和流速，有效捞砂距离有限。后来在扶正器的辅助下，实现了水平井的捞砂工作。扶正器的工作原理为将原来的管、杆与套管的面接触改成了点接触，从而减小摩擦力，防止管杆磨损的同时，可便于管杆下入井内。所以采用的扶正器一般为金属、合金材质，表面光滑。虽然加入扶正器可便于管杆进入水平井，但在活塞往复抽拉时，容易带动沉砂管一起运动，导致活塞行程较短。另外在活塞反复抽吸过程中，井液在沉砂管的两端形成紊流，导致沉砂管两端集砂多，中间少。被砂粉封堵两端的沉砂管使得活塞运行阻力大，不得不将捞砂泵提出井外清理，沉砂管空间未得到完全利用，重要的是频繁的提泵放泵费时费力，一次提泵大约需要5人操作3天左右，放泵时间更长，成本高。
3.如授权公告号为cn 201180520y公开的一种用于油井捞砂的装置，其通过扶正器在活塞与上阀、底阀的配合实现捞砂泵放入水平井。其中用到的橡胶扶正器和滚轮扶正器的作用均为减小摩擦力，减少捞砂泵在上提下放中与套管及接箍之间摩擦，延长使用寿命。为传统方法。该方法依然存在沉砂管两端易赌、捞砂效率低，成本高的问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于如何解决长距离、高效的水平井捞砂工作。
5.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
6.一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，包括依次连接的动力油管、排液短接、顶阀、活塞、沉砂管、碎砂推砂短接、底阀、旋转短接、砂铲；在所述动力油管位于二开位置至少套装一个滚轮扶正器，在所述沉砂管外套设有大摩擦力扶正器；所述沉砂管内设有至少一道第一挡砂环、至少一道第二挡砂环,所述第一挡砂环、第二挡砂环的高度相同或不同，与沉砂管内部夹角相同或不同。
7.本发明通过在动力油管套设滚轮扶正器和沉砂管套设大摩擦力橡胶扶正器，实现“泵前减阻，泵后增阻”，提高前后摩擦力差，保证捞砂泵活塞能够产生有效行程，提高每次
井液吸入量；在沉砂管内设置第一挡砂环，让井液在沉沙管内紊流，有足够的时间沉淀，并均匀分散在沉砂管内，解决沉砂管上下口易堵塞问题，提高沉砂管的利用率，减少提泵频率，降低成本；采用旋转短接，可保证砂铲始终贴紧套管下部，保持砂铲高效工作。
8.进一步的，所述第一挡砂环朝向沉砂管出口方向倾斜。
9.进一步的，还包括至少一道第二挡砂环，所述第二挡砂环位于第一挡砂环下游。
10.进一步的，所述第二挡砂环的倾斜方向与第一挡砂环相反。
11.进一步的，所述第二挡砂环数量多于第一挡砂环。
12.进一步的，所述第一挡砂环、第二挡砂环与沉砂管内壁夹角为30
°‑
60
°
。
13.进一步的，在所述第一挡砂环(13)和第二挡砂环(13’)之间还设置第三挡砂环(13”)；所述第三挡砂环(13”)与沉砂管(12)内壁垂直。
14.进一步的，所述第一挡砂环、第二挡砂环的高度相同或不同，夹角相同或不同，间距相同或不同。
15.进一步的，所述大摩擦力扶正器采用橡胶制作，外径小于套管内径。
16.进一步的，所述顶阀和底阀结构相同，包括阀座、弹簧、阀芯；所述弹簧位于阀座内，一端与阀座固定，另一端与阀芯固定；无外力作用下，弹簧推动阀芯封堵阀座进口。
17.与上述装置对应的，本发明还提供一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂方法，包括以下步骤：
18.(1)作业前设计，确定泵参数、沉砂管长度、滚轮扶正器数量、大摩擦力扶正器数量、顶阀和底阀的参数；
19.(2)作业前检查，检查活塞、旋转短接、砂铲是否完好有效，检查沉砂管是否清洗干净；
20.(3)通过起吊设备将捞砂泵管串下放，每下放二分之一的二开深度时加设一个滚轮扶正器；捞砂泵进入水平段开始，砂铲始终紧贴套管下部，首先将套管下部的积砂积粉铲起，碎砂推砂短接进一步对套管残砂进行清理和前推，当砂堆积到一定程度后，地面起吊设备可以感受到泵体遇阻，停止下放；
21.(4)通过起吊设备对捞砂泵管串进行匀速往复抽拉活塞运动，当上提动力油管时，顶阀关闭，底阀打开，井液携带砂粉进入沉砂管，并分别储存在不同的挡砂环板之间；当下放动力油管时，底阀关闭，顶阀打开，过滤后的井液经过顶阀、排液短接重新回到油套环空；
22.(5)经过往复抽拉活塞作业，砂粉不断进入沉砂管并被分储，当上提活塞困难时，判断沉砂管内满砂；可通过起吊设备将捞砂泵管串带出井筒，立即采用正反向振动高压水冲洗方法将沉砂管清洗干净；
23.(6)循环步骤(2)到步骤(5)，直至全水平井段。
24.本发明的优点在于：
25.本发明通过前滑轮扶正器、后大摩擦力扶正器，可保证沉砂管触底摩擦损耗的同时，增大捞砂泵前后摩擦力差，保证活塞能够产生有效行程，提高每次井液吸入量；在沉砂管内设置第一挡砂环，让井液在沉沙管内紊流，有足够的时间沉淀，并均匀分散在沉砂管内，解决沉砂管上下口易堵塞问题；采用旋转短接，可保证砂铲始终贴紧套管下部，保持砂铲高效工作，同时，当遇到坚固障碍物时，砂铲可自动调整角度，顺利通过。
26.本发明采用倾斜方向相反的第一挡砂环和第二挡砂环，可保证井液在达到活塞之
前进一步加大紊流效果，提高砂粉沉淀。
附图说明
27.图1为本发明实施例1中捞砂泵的整体结构示意图；
28.图2为本发明实施例1中底阀(顶阀)的结构示意图；
29.图3为本发明实施例1中砂铲与旋转短接的结构示意图；
30.图4为本发明实施例1中旋转短接与扶正器、套管的结构示意图；
31.图5为本发明实施例2中捞砂泵的整体结构示意图。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本实施例提供一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，如图1所示，包括依次连接的动力油管2、排液短接4、顶阀5、活塞、沉砂管12、碎砂推砂短接14、底阀15、旋转短接16、砂铲17；在动力油管2套装至少一个滚轮扶正器3，在沉砂管12外套设有大摩擦力扶正器10；沉砂管12内设有多道第一挡砂环13、第二挡砂环13’。第二挡砂环13’位于第一挡砂环13下游。第一挡砂环13和第二挡砂环13’可以与沉砂管12内壁垂直，起到紊流作用，加速砂粒沉积在沉砂管12内。本实施例采用第一挡砂环13朝向沉砂管12出口方向倾斜，第二挡砂环13’的倾斜方向与第一挡砂环13相反。利用挡砂环与沉砂管12内壁的夹角及挡砂环的高度两个参数，影响这两个参数的因素主要是泵排量、沉砂管12长度、粉砂量、粒径。多道挡砂环的角度和高度可以一样，也可以不同，不同的角度和高度，可加剧紊流，加快沉淀。
34.由于沉砂管12较长，为了让砂粒均匀分散在沉砂管12内，第二挡砂环13’数量少于第一挡砂环13，第一挡砂环13倾斜方向与砂粒流向一致，在紊流的同时，尽量让砂水混合物往沉砂管12下游流动，然后在第二挡砂环13’的方向紊流作用下，进一步沉淀砂粉，避免砂粉堆积在沉砂管12的上游。本实施例中，沉砂管12内2/3长度设置第一挡砂环13，第一挡砂环13、第二挡砂环13’与沉砂管12内壁夹角为30
°‑
60
°
。具体角度可通过上述各种因素综合计算获得。
35.本实施例中大摩擦力扶正器10采用橡胶制作，直径小于套管内径，在重量作用下，橡胶扶正器的底部与套管1接触，顶部与套管1不接触，供水循环。橡胶扶正器可提高与套管1的摩擦力，避免油管2施力时沉砂管12窜动。
36.本实施例中，顶阀5和底阀15结构相同，如图2所示，以底阀15为例，包括阀座151、弹簧152、阀芯153；弹簧152位于阀座151内，一端与阀座151固定，另一端与阀芯153固定；无外力作用下，弹簧152推动阀芯153封堵阀座151进口。本实施例中，阀芯153为球体。活塞往复运动是，顶阀5和底阀15开闭交替，将井液吸入沉砂管12内，并将沉淀过滤后的井液从排液短接4排出，进入套管1内循环。
37.本实施例中，滚轮扶正器在每二分之一个二开深度可设1个，降低动力油管与二开套管之间的偏磨，减小动力油管在套管水平段的摩擦阻力。
38.排液短接作用为在一个捞砂段内形成泵内外循环，降低作业时液面波动。
39.顶阀的阀芯与阀座之间用弹簧连接，是捞砂泵能够下入水平段的关键；动力油管下放时，顶阀打开，泵内液体通过排液短接进入套管；动力油管上提时，顶阀关闭。
40.挡砂短接对抽汲上来的井液进行过滤，以使活塞内不会进入砂和煤粉。
41.橡胶扶正器作用一是减少沉砂管和套管中间的摩擦以提高使用寿命，二是保证动力油管上提下放时活塞能够产生有效行程。
42.沉砂管，长度一般100米至300米为宜，沉砂管内设有挡砂环板，作用分砂储砂，以降低每次上提下放时沉砂管内砂粉流动，降低挡砂短接和底阀堵塞风险，进而增加一次捞砂有效距离；每次带出井筒后，立即采用正反向振动高压水冲洗方法清洗干净。
43.所述碎砂推砂短接，作用一是刮擦套管内壁残留砂粉并推到吸砂口，二是为沉砂管提供一定的摩擦阻力。
44.底阀，上提时底阀打开，井液进入沉砂管；下放时底阀关闭，顶阀打开，沉砂管内液体通过活塞杆、排液短接进入套管。
45.砂铲，上部连接旋转短接，无论下泵时沉砂管体如何旋转，保证砂铲始终贴紧套管下部。可以从砂桥18底部抄起。本实施例中，如图3、图3所示，旋转短接16的结构包括滚珠轴承161，砂铲与滚珠轴承外圈固定，滚珠轴承内圈通过接箍头162与底阀固定。在滚珠轴承外圈外套设扶正器163。当捞砂泵在下放过程中发生旋转时，砂铲的重量使外圈的重心发生偏移，外圈将向相反方向旋转，保持砂铲始终位于套管下部。另外，当砂铲前方碰到坚硬障碍物无法正常通过时，外力将促使外圈旋转，使砂铲自动调整姿态(角度)，顺利通过障碍物。图3为俯视图，砂铲17前端尖状设计便于铲砂。
46.针对上述的装置，其捞砂方法如下：
47.(1)作业前设计，确定泵参数、沉砂管12长度、滚轮扶正器3数量、大摩擦力扶正器10数量、顶阀5和底阀15的参数、挡砂环道数、高度、夹角；然后依次串接；
48.(2)作业前检查，检查活塞、旋转短接16、砂铲17是否完好有效，检查沉砂管12是否清洗干净；
49.(3)通过起吊设备将捞砂泵管串下放，每下放二分之一的二开深度时加设一个滚轮扶正器3；捞砂泵进入水平段开始，砂铲17始终紧贴套管1下部，首先将套管1下部的积砂积粉铲起，碎砂推砂短接14进一步对套管1残砂进行清理和前推，当砂堆积到一定程度后，地面起吊设备可以感受到泵体遇阻，停止下放；
50.(4)通过起吊设备对捞砂泵管串进行匀速往复抽拉活塞运动，当上提动力油管2时，顶阀5关闭，底阀15打开，井液携带砂粉进入沉砂管12，并分别储存在不同的挡砂环板之间；当下放动力油管2时，底阀15关闭，顶阀5打开，过滤后的井液经过顶阀5、排液短接4重新回到油套环空；
51.(5)经过往复抽拉活塞作业，砂粉不断进入沉砂管12并被分储，当上提活塞困难时，判断沉砂管12内满砂；可通过起吊设备将捞砂泵管串带出井筒，立即采用正反向振动高压水冲洗方法将沉砂管12清洗干净；
52.(6)循环步骤(2)到步骤(5)，直至全水平井段。
53.实施例2
54.如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，在第一挡砂环13和第二挡砂环13’之
间还设置第三挡砂环13”，第三挡砂环13”与沉砂管12垂直，便于后期清洗。第一挡砂环13和第二挡砂环13’只需1道或2道即可。
55.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，其特征在于，包括依次连接的动力油管(2)、排液短接(4)、顶阀(5)、活塞、沉砂管(12)、碎砂推砂短接(14)、底阀(15)、旋转短接(16)、砂铲(17)；在所述动力油管(2)位于二开位置至少套装一个滚轮扶正器(3)，在所述沉砂管(12)外套设有大摩擦力扶正器(10)；所述沉砂管(12)内设有至少一道第一挡砂环(13)、至少一道第二挡砂环(13’),所述第一挡砂环(13)、第二挡砂环(13’)的高度相同或不同，与沉砂管(12)内部夹角相同或不同。2.根据权利要求1所述的一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，其特征在于，所述第一挡砂环(13)朝向沉砂管(12)出口方向倾斜。3.根据权利要求1或2所述的一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，其特征在于，所述第二挡砂环(13’)位于第一挡砂环(13)下游。4.根据权利要求3所述的一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，其特征在于，所述第二挡砂环(13’)的倾斜方向与第一挡砂环(13)相反。5.根据权利要求3所述的一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，其特征在于，所述第二挡砂环(13’)数量少于第一挡砂环(13)。6.根据权利要求4所述的一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，其特征在于，所述第一挡砂环(13)、第二挡砂环(13’)与沉砂管(12)内壁夹角为30
°‑
60
°
。7.根据权利要求4所示的一种压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，其特征在于，在所述第一挡砂环(13)和第二挡砂环(13’)之间还设置第三挡砂环(13”)；所述第三挡砂环(13”)与沉砂管(12)内壁垂直。8.根据权利要求1或2所述的一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，其特征在于，所述大摩擦力扶正器(10)采用橡胶制作，外径小于套管(1)内径。9.根据权利要求1或2所述的一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵，其特征在于，所述顶阀(5)和底阀(15)结构相同，包括阀座(151)、弹簧(152)、阀芯(153)；所述弹簧(152)位于阀座(151)内，一端与阀座(151)固定，另一端与阀芯(153)固定；无外力作用下，弹簧(152)推动阀芯(153)封堵阀座(151)进口。10.一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂方法，应用于权利要求1至9任一所述的捞砂泵；其特征在于，包括以下步骤：(1)作业前设计，确定泵参数、沉砂管(12)长度、滚轮扶正器(3)数量、大摩擦力扶正器(10)数量、顶阀(5)和底阀(15)的参数；(2)作业前检查，检查活塞、旋转短接(16)、砂铲(17)是否完好有效，检查沉砂管(12)是否清洗干净；(3)通过起吊设备将捞砂泵管串下放，每下放二分之一的二开深度时加设一个滚轮扶正器(3)；捞砂泵进入水平段开始，砂铲(17)始终紧贴套管(1)下部，首先将套管(1)下部的积砂积粉铲起，碎砂推砂短接(14)进一步对套管(1)残砂进行清理和前推，当砂堆积到一定程度后，地面起吊设备可以感受到泵体遇阻，停止下放；(4)通过起吊设备对捞砂泵管串进行匀速往复抽拉活塞运动，当上提动力油管(2)时，顶阀(5)关闭，底阀(15)打开，井液携带砂粉进入沉砂管(12)，并分别储存在不同的挡砂环板之间；当下放动力油管(2)时，底阀(15)关闭，顶阀(5)打开，过滤后的井液经过顶阀(5)、排液短接(4)重新回到油套环空；
(5)经过往复抽拉活塞作业，砂粉不断进入沉砂管(12)并被分储，当上提活塞困难时，判断沉砂管(12)内满砂；可通过起吊设备将捞砂泵管串带出井筒，立即采用正反向振动高压水冲洗方法将沉砂管(12)清洗干净；(6)循环步骤(2)到步骤(5)，直至全水平井段。

技术总结
本发明提高一种欠压煤层气储层全水平井段负压捞砂泵及方法，包括依次连接的动力油管、排液短接、顶阀、活塞、沉砂管、碎砂推砂短接、底阀、旋转短接、砂铲；在所述动力油管位于二开位置至少套装一个滚轮扶正器，在所述沉砂管外套设有大摩擦力扶正器；所述沉砂管内设有多道第一挡砂环。本发明通过大摩擦力扶正器，可保证沉砂管触底摩擦损耗的同时，增大摩擦力，保证活塞能够产生有效行程，提高每次井液吸入量；在沉砂管内设置第一挡砂环，让井液在沉沙管内紊流，有足够的时间沉淀，并均匀分散在沉砂管内，解决沉砂管上下口易堵塞问题；采用旋转短接，可保证砂铲始终贴紧套管下部，保持砂铲高效工作。持砂铲高效工作。持砂铲高效工作。


技术研发人员：陈本良 李平 丰安祥 苏雷 荚胜丰 唐勇敢
受保护的技术使用者：平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/28