煤层气排采井下泵的设计技术与理论研究

煤层气排采井下泵是保障煤层气井连续稳定经济排采的关键技术之一。本课题将研究开采中压降与渗透率变化规律，形成井底煤粉和出水的运动规律预测；建立泵阀运动规律的模型，研究低沉没度下泵阀关闭和打开所需的条件；然后研究煤粉和煤焦的产出规律和运移特性，给出杆管环空中固粒和煤焦排出所需的排液量、井液流速和排采参数设定等条件；同时分析固粒群体由悬浮状态转变为沉积状态的淤积规律，建立井下泵排煤粉的间抽工作机制；最后依据泵阀运动规律和煤粉排出条件，给出排采泵参数的设计依据，优化泵的结构。该研究旨在完成煤层气井整个抽排历史产能的数值模拟、泵阀开启条件、煤粉和煤焦排出条件及间抽机制的理论分析，给出适用煤层气开采实际的井下泵设计技术，形成合适、配套的排采设备，以便提高泵的使用寿命，降低故障率，延长检泵周期，显著提高单井产量和煤层气开采的综合效益。

煤粉运移和防煤粉技术是保障煤层气井排采井下泵连续稳定排水的关键技术，在系统研究煤储层产气通道携煤粉运移规律和井筒携煤粉运移规律,形成了从储层-井筒-地面整个系统携煤粉排煤粉理论体系,为煤层气井排采井下泵的设计提供了理论依据；基于泵阀开启条件以及煤粉排出条件，对煤层气井井下防煤粉泵进行了详细设计。防煤粉排采泵设计和杆管尺寸优选及结构设计等关键技术组成了系统防/排煤粉方法体系，对延长检泵周期，降低煤层气井生产管理成本，提高煤层气产量与开发效益将起到重要的作用。煤储层产气通道内脱落的煤粉需排出，才能保证产气通道的畅通性，有利于煤层气的产出。研究了煤粉在储层产气通道内运移规律和适度携煤粉排出理论，依据力学原理，得到产气通道内已脱落的煤粉颗粒滚动启动、悬浮运移以及支撑剂不被排出的临界条件并研究煤粉在产气通道内的运移规律，建立煤粉脱落、运移和堵塞的孔隙度和渗透率模型，分析煤粉排出量对煤层孔隙度和渗透率的影响；研究建立煤粉适度排出与携煤粉地层液速度窗口模型；基于该理论建立储层产气通道内适度携煤粉模型，研究产气通道内适度携煤粉理论，使产气通道内脱落的煤粉适度的排出，以增加通道的渗流能力，提高产气量。.通过分析管套环空中煤粉沉降状态，建立静止井液中煤粉沉降的力学模型，得到球形煤粉的沉降特性，建立固液两相管流的计算模型，并采用数值、仿真方法研究杆管环空中煤粉颗粒的运移规律。在此基础上，建立井液运动微分方程和整体流速计算模型，建立了杆管环空中实际井液的运动规律；进行杆管环空流场中煤粉沉降特性的实验研究，分析得到煤粉在杆管环空中的沉降规律；基于杆管环空中液流携煤粉运移规律，建立了井筒内煤粉排出理论，为杆管优化和选型提供依据。.依据上述系统的煤粉排出理论，对煤层气排采井下泵进行设计。完成了防煤粉排采泵的设计与计算，所设计的三个型号泵的现场应用结果表明，应用该排采泵可有效提高泵效并延长检泵周期。