一种捞水式排水采气机.pdf

1、10申请公布号CN103321612A43申请公布日20130925CN103321612ACN103321612A21申请号201310230813522申请日20130609E21B43/0020060171申请人苏州大一装备科技有限公司地址215123江苏省苏州市苏州工业园区仁爱路150号B106、B107室申请人华中科技大学72发明人陈学东曾理湛朱连利王仕博李小清74专利代理机构华中科技大学专利中心42201代理人曹葆青54发明名称一种捞水式排水采气机57摘要一种捞水式排水采气机，包括卷扬及动力机构、液体密封传动机构、机架和排采机构。液体密封传动机构利用液体密封原理对运动钢丝绳进行密封

2、，避免井下气体泄漏，同时实现排水采气过程中的钢丝绳传动；机架起支撑作用，通过卷扬机构可升降调节，便于井下设备检修；钢丝绳带动排采机构中具有底部单向阀的捞水桶上下往复运动，捞取井液，并通过排水管底部自平衡单流阀在对井下气体有效密封的同时将井液排到地面，从而降低煤岩储层压力，使蕴藏在煤层间的煤层气不断解吸并进行采收。该设备结构简单、安装维护方便、投资少、节能效果好、无磨损密封、可靠性高、寿命长，便于进行智能化控制，特别适合于煤层气井长期稳定、高效排水采气。51INTCL权利要求书2页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图2页10申请公布号CN

3、103321612ACN103321612A1/2页21一种捞水式排水采气机，它包括卷扬及动力机构、机架、密封传动机构以及排采机构；所述卷扬及动力机构包括电机101、第一卷扬机102、排绳器103和第一钢丝绳104；所述机架包括底架201、轨道架202和主架203，轨道架202与主架203采用桁架结构，且主架203固定在轨道架202内部，底架201内部用于布置第一卷扬机102和排绳器103；轨道架202固定在底架201上；所述密封传动机构包括用于实现第一钢丝绳104动力的传输滑轮组，以及用于实现管路中气体的密封的阻液式密封管道；所述排采机构包括导水管404、防撞弹簧405、容桶管406、导气管

4、407、第二闸阀408、井口法兰409、井下套管410、捞水桶411、出水管412、自平衡单流阀413、单向阀414、导向头415、定位盖416和安全阀417；容桶管406通过连接管路与所述阻液式密封管道连通，导水管404和导气管407均安装在容桶管406上，且导水管404位于导气管407的上方；捞水桶411位于容桶管406内；第一钢丝绳104通过排绳器103后，绕过所述传输滑轮组和所述阻液式密封管道到达排采机构，依次穿过以共轴同心方式按自上而下结构布置的所述定位盖416、连接管路、容桶管406、防撞弹簧405、井口法兰409、井下套管410、出水管412、自平衡单流阀413、捞水桶411、单

5、向阀414、导向头415并固定连接在导向头415上；单向阀414及导向头415固定安装在捞水桶411的底部；安全阀417安装在所述连接管路上，用于当排采机构内的气压超过临界值将高压气体排到外界空气中。2根据权利要求1所述的捞水式排水采气机，其特征在于，所述密封传动机构包括汲液管301、第一转轮302、第一转轮密封盖303、上行密封管304、供液泵305、供液箱306、供液管307、第二转轮308、第三转轮密封盖309、第三转轮310、下行密封管311和回流管312、第一闸阀313、储液箱316、储液箱上液位管314、储液箱下液位管315、上行密封连接管318和下行密封连接管317；供液箱306

6、、汲液管301、供液泵305、供液管307、储液箱316、储液箱上液位管314、储液箱下液位管315、下行密封管311、下行密封连接管317、第一转轮密封盖303、第一闸阀313、上行密封连接管318、上行密封管304及回流管312依次连接并形成回路，即所述阻液式密封管道；第一转轮302及密封用水被密封在第一转轮密封盖303内；第二转轮308和第三转轮310安装在主架203顶端布置的平台上，第三转轮密封盖309用于将第三转轮310以及高压气体密封在其内部；第一转轮密封盖303、供液箱306固定在底架201上，上行密封管304与下行密封管311固定在主架203上；第一卷扬机102的第一钢丝绳10

7、4经过排绳器103，绕过第二转轮308，穿过上行密封管304及上行密封连接管318，进入第一转轮密封盖303内并绕过第一转轮302，穿过下行密封连接管317及下行密封管311，进入第三转轮密封盖309内，绕过第三转轮310后到达排采机构。权利要求书CN103321612A2/2页33根据权利要求1或2所述的捞水式排水采气机，其特征在于，所述机架还包括离合器501、第二卷扬机502、第二钢丝绳503、导轮支座504、导轮505、轨道卡506、销块507、轨道508、活动梯架509、升降用螺栓孔510；第二卷扬机502和底架201用于固定在地面上；轨道架202固定在底架201上，内侧布置有轨道50

8、8；主架203以及轨道架202上开有多个升降用螺栓孔510，主架203固定在轨道架202内侧，第二钢丝绳503一端连接第二卷扬机502，另一端连接并固定在主架203底端；轨道架202顶端与第二卷扬机502相邻的一侧安装有导轮支座504，导轮支座504上面安装有导轮505；轨道架202顶端方形四个角位置安装有轨道卡506，将主架203的龙骨限制在轨道内；轨道架202靠近顶部的位置安装有多个销块507，用于主架203升降时，通过与对应的升降用螺栓孔510之间的固定配合实现主架203与轨道架202的固定；活动梯架509安装在主架203上。4根据权利要求1或2所述的捞水式排水采气机，其特征在于，所述连

9、接管路包括依次连接的金属软管401、伸缩套管402和过渡管403，安全阀417安装在第三转轮密封盖309下部，阀体开口方向直接对外界空间。权利要求书CN103321612A1/5页4一种捞水式排水采气机技术领域0001本发明涉及一种煤层气井排水采气设备，具体涉及一种捞水式排水采气机。背景技术0002煤层气井开发可以解决煤矿开采前的安全问题，同时煤层气是一种重要的清洁能源资源。煤层气井主要采用排水采气法，通过排放煤岩储层中的地层水，使煤岩储层压力降低，进而使吸附在煤层中的煤层气解吸出来，在压差的驱使下，煤层气通过煤层的空隙通道扩散到井底，然后排出地层。通过排水有效解除煤层气的吸附状态是煤层气井生

10、产的关键，目前主要采用有杆泵人工举升排采设备，由于工作方式的制约，安装的设备型号均大于供液能力，存在投资大、设备不配套、抽空、检泵周期短、维护成本高等诸多问题，而其它开采设备普遍存在控制、检修不方便等问题，制约了煤层气井的有效开采。缺乏有效的排水采气设备成为了煤层气商业化、规模开发的瓶颈。发明内容0003本发明目的在于提供一种捞水式排水采气机，具有载荷轻、安全性好、结构简单、安装维护方便、投资少、节能效果好、无磨损密封、可靠性高、寿命长、便于进行智能化控制等优点，以实现煤层气井稳定、高效排采。0004为了解决现有技术中的问题，本发明提供的技术方案是一种捞水式排水采气机，它包括卷扬及动力机构、机

11、架、密封传动机构以及排采机构；0005所述卷扬及动力机构包括电机、卷扬机、排绳器和第一钢丝绳；0006所述机架包括底架、轨道架和主架，支撑架与主架采用桁架结构，且主架固定在轨道架内部，底架内部用于布置卷扬机和排绳器；支撑架固定在底架上；0007所述密封传动机构包括用于实现第一钢丝绳动力的传输滑轮组，以及用于实现管路中气体密封的阻液式密封管道；0008所述排采机构包括导水管、防撞弹簧、容桶管、导气管、第二闸阀、井口法兰、井下套管、捞水桶、出水管、自平衡单流阀、单向阀、导向头、定位盖和安全阀；0009容桶管通过连接管路与所述阻液式密封管道连通，导水管和导气管均安装在容桶管上，且导水管位于导气管的上

12、方；捞水桶位于容桶管内；0010第一钢丝绳通过排绳器后，绕过所述传输滑轮组和所述阻液式密封管道到达排采机构，依次穿过以共轴同心方式按自上而下结构布置的所述定位盖、连接管路、容桶管、防撞弹簧、井口法兰、井下套管、出水管、自平衡单流阀、捞水桶、单向阀、导向头并固定连接在导向头上；0011安全阀安装在所述连接管路上，用于当排采机构内的气压超过临界值将高压气体排到外界空气中。0012相对于现有技术中的方案，本发明的优点是00131本发明所描述的捞水式排水采气机结构简单，安装、调试、维护方便，可大大节说明书CN103321612A2/5页5约成本。无需起重设备，机架可根据需要调节高度，便于井下设备检修，

13、优化了设备的使用效果。00142本发明采用的液体密封技术相对于接触式密封具有稳定性好、效果明显、不易磨损、成本较低的优点。00153本发明中，井下捞水桶内使用自平衡单流阀，该阀在井下高压气体环境中，可保证水流的单向导通并起到对高压气体的密封作用。00164本发明中，捞水式采水设备各结构清晰，执行机构明确，便于实现自动控制，可实现对煤层气井的长期稳定排采，极大的节省人力。附图说明0017图1是本发明实例提供的捞水式排水采气机的整体结构示意图。0018图2是机架机构的整体结构示意图。具体实施方式0019以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限制本发明的范围

14、。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。0020本发明实例提供的一种捞水式排水采气机，它包括卷扬及动力机构、机架、密封传动机构以及排采机构四大部分组成。借助如图1所示的实施例，本发明内容不限于该实施例，是用于说明本发明内容而并不限制本发明的范围。0021所述卷扬及动力机构包括电机101、第一卷扬机102、排绳器103和第一钢丝绳104。0022所述机架包括底架201、轨道架202和主架203，为确保稳定性，轨道架202与主架203采用桁架结构，底架201固定在地面，内部用于布置第一卷扬机102和排绳器103。轨道架202通过螺栓固定在

15、底架201上，横截尺寸略小的主架203通过螺栓结构固定在轨道架202内部，相对轨道架202，主架203有更大的高度。0023所述密封传动机构包括汲液管301、第一转轮302、第一转轮密封盖303、上行密封管304、供液泵305、供液箱306、供液管307、第二转轮308、第三转轮密封盖309、第三转轮310、下行密封管311和回流管312、第一闸阀313、储液箱316、储液箱上液位管314、储液箱下液位管315、上行密封连接管318、下行密封连接管317。0024供液箱306、汲液管301、供液泵305、供液管307、储液箱316、储液箱上下液位管314、315、下行密封管311、下行密封连接

16、管317、第一转轮密封盖303、第一闸阀313、上行密封连接管318、上行密封管304及回流管312依次连接并形成回路。第一转轮302及密封用水被密封在第一转轮密封盖303内。主架203顶端布置有平台，平台上安装有第二转轮308和第三转轮310，第二转轮308可以不参与密封暴露在外，第三转轮密封盖309将第三转轮310以及高压气体密封在其内部。第一转轮密封盖303、供液箱306固定在底架201上，上行密封管304与下行密封管311采用支架固定在主架203上。第一卷扬机102的第一钢丝绳104经过排绳器103，绕过第二转轮308，穿过上行密封管304及上行密封连接管318，进入第一转轮密封盖30

17、3内并绕过第一转轮302，穿过下行密封连接管317及下行密封管311，说明书CN103321612A3/5页6进入第三转轮密封盖309内，绕过第三转轮310后到达排采机构。0025供液泵305用于提供动力，将供液箱306内的水通过供液管307注入上行密封管304、第一转轮密封盖303、下行密封管311及回流管312，再回到供液箱306，与在第三转轮密封盖309内的煤层气高压气体共同作用下，保持对管道环路的密封。0026储液箱316与下行密封管311有上下两个连接管储液箱上液位管314、储液箱下液位管315，用于导流并监测下行密封管311内的水位高低。0027第一闸阀313的开闭实现对密封机构供

18、液回路的控制，在停机等情况下，可实现对密封机构内液体的封闭。0028布置在第一卷扬机上的第一钢丝绳依次绕过第二转轮308、第一转轮302、第三转轮310，三个转轮相互配合，实现了第一钢丝绳动力的传输。0029所述排采机构包括连接管路包括金属软管401、伸缩套管402、过渡管403、导水管404、防撞弹簧405、容桶管406、导气管407、第二闸阀408、井口法兰409、井下套管410、捞水桶411、出水管412、自平衡单流阀413、单向阀414、导向头415、定位盖416、安全阀417。0030第一钢丝绳104依次穿过以共轴同心方式按自上而下结构布置的所述定位盖416、金属软管401、伸缩套管

19、402、过渡管403、容桶管406、防撞弹簧405、井口法兰409、井下套管410、出水管412、自平衡单流阀413、捞水桶411、单向阀414、导向头415并固定连接在导向头上，单向阀414及导向头41固定在捞水桶411底端，自平衡单流阀413安装在出水管412底端。定位盖416将第一钢丝绳104的活动位置限制在排采机构套管中心位置，作为连接机构的金属软管401将第三转轮密封盖309与伸缩套管402连接在一起，一方面可以根据需要实现连接管长度的变化，另一方面实现对高压气体的良好密封。过渡管403将伸缩套管402与容桶管406连接在一起，其上一侧开有导水管404，供由捞水桶411提拉上来的水排

20、出用。容桶管406内径比捞水桶411外径略大，捞水桶411可以在容桶管406内部上下运动，防撞弹簧405安装在容桶管406内，防止发生意外时，捞水桶411强烈撞击容桶管406，造成设备损毁，从而可以保证发生意外时，第一钢丝绳持续作用下设备的平稳停车，保障安全。第二闸阀408可以根据需要闸住第一钢丝绳，实现设备安全停车，并在密封结构辅助下保持对高压气体的密封。井口法兰409与井下套管410连接在一起，实现了对井口的密封。单向阀414、导向头415布置在捞水桶411底端，捞水桶411内装满水后，单向阀414关闭，第一钢丝绳104拉动安装在捞水桶411底端的导向头415，捞水桶411上升，到达井口附

21、近，遇到自平衡单流阀413，捞水桶套住自平衡单流阀413，自平衡单流阀413的外部密封圈保持对捞水桶的密封，在拉力作用下，自平衡单流阀413打开，液体经出水管412由导水管404排出。在捞水桶411外部空间，充满了高压的煤层气体，通过导气管407排出，即可采得煤层气。安全阀417安装在第三转轮密封盖309下部，阀体开口方向直接对外界空间，当排采机构内的气压超过临界值，为防止设备损毁，安全阀417自动打开，将高压气体排到外界空气中，保证安全生产。0031第一钢丝绳104通过排绳器103后，相继绕过第二转轮308，穿过上行密封管304，进入第一转轮密封盖303内并绕过第一转轮302，穿过下行密封管

22、311，进入第三转轮密封盖309内，绕过第三转轮310后到达排采机构，依次穿过金属软管401、伸缩套管402、过渡管403、容桶管406、防撞弹簧405、井口法兰409、井下套管410、捞水桶411、出水管412、自说明书CN103321612A4/5页7平衡单流阀413、单向阀414并固定连接在导向头415上。0032工作时，电机101带动第一卷扬机102转动，第一钢丝绳104松动、下放，在自身重力作用下，捞水桶411及其附属部分单向阀414、导向头415一起下放，到达井下液面时，在井下压力作用下，单向阀414打开，水经过单向阀414，流入捞水桶411，等水充满后，电机101反转，带动第一卷

23、扬机102转动，在第一钢丝绳104牵拉作用下，捞水桶411开始上升，单向阀414关闭，当捞水桶411接近出水管412底部的自平衡单流阀413，捞水桶411通过自平衡单流阀413的底部锥形结构与其自动对心，随着捞水桶411继续提升，自平衡单流阀413打开，水由捞水桶411通过自平衡单流阀413进入出水管412，出水管412连接外部导水管404，从而将水排出井外。这个过程结束后，再重复上述步骤，实现了循环排水。0033当井下排水到一定程度后，吸附在煤层间的煤层气开始解吸，并不断聚集，达到一定压强后，打开井口安装的导气管407，实现采气。煤层气与水已经实现分离，直接收集导气管407的煤层气即可。00

24、34上行密封管304与下行密封管311都由密封管道单元沿着第一钢丝绳104的输送路径而设置并以多段管道串联的方式形成，并且彼此相邻的各段管道之间通过管径相对更小的过渡管路相连；供液管307、供液箱306和回流管312组成闭合回路，储存在供液箱306内的密封液经由供液管307输送至所述密封管道组件处于最上端的管道，同时通过回流管312与密封管道组件保持回流连通。正常情况下，密封液体的液面压力与高压气体的压力基本保持相等。捞水桶411、第三转轮密封盖309、回流缓冲腔以及密封液体的液面构成高压气体的密封系统，使高压气体不能通过密封管道组件流出至外界。密封管道组件由若干组截面大小交替突变的变截面管道

25、组成，加之小截面管道的入口端突出深入到大截面管道中，因此密封液体以一定的流速从上述每组变截面管道中流过时，存在相对较大的局部压力损失和一定的沿程压力损失；流经一定组数的上述变截面管道后，其压力可以降低到与大气压力基本相同，从而可以直接排放到与大气连通的密封液体储存箱中。0035作为优化，当捞水桶411中的气体压力变化时，利用传感器检测得到的气体压力信号，经过驱动控制器处理后控制泵的运行状态，从而调节密封液体的流量和压力，使密封液体的压力与高压气体的压力基本保持一致。具体而言，当气体压力降低时，密封液体的液面会升高，由于存在容积相对较大的回流缓冲腔，因此密封液体的液面不至于迅速上升并回流到由第三

26、转轮密封盖309、第三转轮310组成的密封件和排采机构中；同时，控制系统根据检测得到的气体压力降低的信号调整供液泵305的工作状态，降低密封液体的流量，从而降低密封管道系统中的液体压力，使密封液体的液面降低至正常水平。当气体压力升高时，密封液体的液面会降低，由于存在多组容积相对较大的密封管道，因此密封液体的液面不至于迅速降低至由第一转轮302和第一转轮密封盖303组成的密封件中；同时，控制系统根据检测得到的气体压力增大的信号调整供液泵305的工作状态，增大密封液体的流量，从而提高密封管道系统中的液体压力，使密封液体的液面升高至正常水平。0036作为优化，所述机架机构采用如图2所示的包括主架20

27、3、底架201、轨道架202、活动梯架509、导轮505以及第二卷扬机502。其中离合器501、第二卷扬机502、第二钢丝绳503、导轮支座504、导轮505、轨道卡506、销块507、轨道508、活动梯架509、升降用螺栓孔510、主架203、轨道架202、底架201。第二卷扬机502和底架201固定在地面上。轨道架202通过螺栓固定在底架201上，内侧布置有轨道508。主架203以及轨道架202上开有说明书CN103321612A5/5页8多个升降用螺栓孔510，主架203通过螺栓、螺母固定在轨道架202内侧，第二钢丝绳503一端连接第二卷扬机502，另一端连接并固定在主架203底端。轨道

28、架202顶端与第二卷扬机502相邻的一侧安装有导轮支座504，导轮支座504上面安装有导轮505。轨道架202顶端方形四个角位置安装有轨道卡506，将主架203的龙骨限制在轨道内。轨道架202靠近顶部的位置安装有多个销块507，用于主架203升降时，通过与对应的升降用螺栓孔510之间的固定配合实现主架203与轨道架202的固定。活动梯架509安装在主架203上，供人员上下。一般地，主架203底端固定在轨道架202底端，需要提升主架203高度时，启动离合器501，将第二卷扬机502与电机101实现连接，松动升降用螺栓孔510处的螺栓，开动第二卷扬机502，卷动第二钢丝绳503将主架203提升，主

29、架203在轨道508内移动一定距离达到指定位置后，通过将轨道架202上的销块507与升降用螺栓孔510固定，实现主架203与轨道架202的固定；需要降低主架203的高度时，松动升降用螺栓孔510处的螺栓，开动第二卷扬机502将第二钢丝绳503逐渐松动，主架203沿轨道508在重力作用下下降，到达指定位置后，固定方法同提升主架203时。0037上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。说明书CN103321612A1/2页9图1说明书附图CN103321612A2/2页10图2说明书附图CN103321612A10