排水和生产设备的优化措施
在煤层气抽排中，由于排出的水中含有大量的煤粉，在普通油泵中，煤粉很容易沉积在固定阀周围，粘在阀球和阀座上。抽油泵工作一定时间后，固定阀失效，导致取样泵停止工作。停泵后，固定阀被煤粉掩埋更严重，导致抽油机无法启动。
针对韩城区块煤层气开采存在的问题，对普通抽油泵进行了改进。改进后的自清洗抽油泵能够自动清洗固定阀周围沉积的煤粉，延长抽油泵在煤层气井开发中的使用寿命。
当静止的液体受到水流冲击时，其中的沉积物会获得能量而运动，并悬浮在液体中随水流运动。自清洗抽油泵是利用液流冲刷沉积在固定阀周围的煤粉(固体颗粒物)，使其悬浮在液体中，通过抽油泵的吸液和排液过程，将煤粉从抽油泵中排出，从而实现自清洗功能，防止固定阀因煤粉的粘附和掩埋而失效，实现煤层气井的连续稳定生产。自清洗抽油泵主要适用于含煤粉的煤层气井和含砂油井。
自清洗抽油泵主要由泵筒总成、柱塞总成、泵筒延伸管、导向筒、出液阀和进液阀总成六部分组成，如图7-27所示。泵筒组件、泵筒延伸管、导向筒和进液阀组件随排采管柱下放至井筒中的设计深度，柱塞组件和出液阀组件随抽油杆下放至排采管柱中。其中，尾水管是自清洗抽油泵的主要部件，由圆钢经车床和铣床加工而成。初期方案考虑了煤粉的通过率，但由于导流孔面积大，排沙能力不足，井液含砂量过大，现场应用后效果不明显。针对上述问题，进行如下改进:在不影响煤粉通过的情况下，缩短尾水管长度，减小过流面积，使尾水管与阀座过流面积之比约为1.6，使沉积的煤粉能被液流冲刷得更充分(熊先勇，2014)。
自清洗抽油泵的工作原理如图7-28和图7-29所示。在上行冲程中，柱塞向上移动，柱塞下腔的容积变大，下腔的压力变小。在压差作用下，固定阀打开，上下游动阀关闭，地层流体进入泵筒。在地层流体从固定阀进入泵筒后，泵筒逐渐充满地层流体，直到上冲程结束。在此过程中，地层流体通过固定阀导流装置冲刷沉积在泵筒底部的泥沙、煤粉等颗粒，使泥沙、煤粉等颗粒随地层流体排出泵筒。在下行冲程中，柱塞下降，柱塞下腔的容积变小，下腔的压力变大。在压差作用下，固定阀关闭，上下浮阀打开，地层流体通过浮阀进入泵筒上部油管，直至下冲程结束，完成一次抽汲过程。
图7-27自清洗油泵结构图
1—泵筒组件；2-柱塞组件；3—液体出口阀组件；4—泵筒延伸管；5—尾水管；6—进口阀组件
图7-28上行程示意图
图7-29下冲程示意图
通过上述结构设计和工作原理，本发明可实现以下功能:在抽汲过程中，固定阀导流装置引导地层流体从固定阀组件进入泵筒的流向，使地层流体对沉积在抽油泵底部的泥、砂、煤粉等颗粒进行冲刷清洗，固体颗粒通过地层流体排出泵筒，达到自清洗的效果。在泵筒下部增加一根泵筒延长管，其内径略大于泵筒的内径。当柱塞运动到下止点时，可以超出泵筒一定的长度，这样就可以将泵筒内积聚的砂子带出泵筒，起到保护泵筒工作面，防止卡泵的作用。柱塞上有刮沙槽，可将进入柱塞与泵筒间隙的煤粉、砂粒等固体颗粒刮入刮沙槽，并在柱塞上下运动过程中将其带出泵筒，从而减少泵筒的磨损，延长泵筒的使用寿命(熊先勇，2014a)。
(2)喷射泵
喷射泵的工作原理。
射流泵排水技术是利用高压水作为动力流体，驱动井下排水采气装置工作，通过动力流体与产出流体之间的能量转换，达到排水采气的目的。在采出液提升过程中，生产管柱内任意截面的液体流速大于保证煤粉上升的最小流速，从而保证煤粉随流体顺利排出。抽放瓦斯回收装置的吸口下到煤层下部，保证煤粉不埋在煤层中。
高压水(动力液)从动力液罐经井口进入动力液管道，沿动力液管道到达井下泵体，带动井下排水采气装置工作。产出液和动力液的混合液通过动力液管和混合液管形成的环形空间到达井口，进入动力液罐(图7-30)(张林，2008)。
图7-30喷射泵同心双管腔示意图
2.主要结构
射流泵排水技术的设备包括地面和井下两部分。
地面部分主要包括:动力液罐、地面泵、变频器、过滤器、专用井口、控制和计量仪表等。具体流程如下:首先，高压水(动力液)通过动力液管线到达井内，通过通用电子流量计到达井口高压翼的一端。其次，地层产出液和动力液混合液从井口另一翼产出，通过流量计进入混合液管线，再进入泥砂水煤粉分离罐。动力液经沉降分离后循环使用，煤层产出水进入污水池。最后，煤层气从套管中产出，经计量后进入输气过程(陈等，2012)。
地下部分包括:动力液管、混合液管、排水(煤粉)产气装置、筛管、尾管等。(如图7-30所示)。
3.技术优势
1)防砂防煤粉
排水采气装置的井下泵筒吸入口下到煤层的下边界，保证一定的动液面能被深抽，煤粉和泥砂不会掩埋煤层。此外，在井下泵的地层流体入口处安装缝宽为1.8mm的绕丝筛管，以防止大颗粒固体颗粒堵塞井下泵的流道，影响井下泵的正常工作。根据泥沙和煤粉的直径选择合理的井下泵工作参数，可以保证煤粉和泥沙能够排到地面。
2)无移动部件的非偏心研磨
与常规有杆泵排水设备相比，射流泵排水技术的管柱结构中没有杆部件和运动部件，因此不存在管杆偏磨的影响。
3)在不移动管柱的情况下更换泵
井下泵芯密封在工作筒内。当原有井排量不能满足生产需求或泵芯失效时，只需调整地面阀门，改变混合液管动力液的流入量，即可实现地面抽油。将更换后的泵芯放入动力液管中，恢复动力液的流入方向，密封泵芯，即可恢复生产。因此，与常规的有杆泵排水设备相比，射流泵排水设备可以在不移动管柱的情况下代替井下泵，而且操作简单，时间短，没有修井作业费用(熊先勇，2014a)。
(3)电动潜油螺杆泵
地面驱动螺杆泵易出现断杆、杆管磨损、卡钻等问题，制约了其进一步推广应用(刘新富，2009)。在这种情况下，集无杆采油、井下驱动和螺杆泵等优点于一身的电潜泵受到了广泛关注。
电动潜油单螺杆泵用于韩城区块煤层气井的排采。排水和生产系统由地面部分、地下部分和中间连接部分组成。
地面部分由自动控制台、自耦变压器、地面接线盒和井口装置组成(图7-31)。自动控制台可以使用手动或自动开关来控制电潜泵的工作，同时保护电潜泵电机，防止电机电缆系统短路和电机过载。
图7-31电潜泵螺杆泵地面部分组成
中间部分由特殊结构的电缆和油管组成。将电流从地面部分输送到地下部分，将电缆和油管外表面一起固定在气井中，将电缆、单螺杆泵和保护器外壳一起固定在地下部分(图7-32)。
图7-32电潜泵中部和井下部分的组成。
井下部分是电潜螺杆泵装置的主要单元，由潜油单螺杆泵、接箍(带泵吸口)、保护器、减速器和潜油电机部分组成，主要起泵送液体的作用(图7-32)。
井下部分主要连接情况:井下潜水电机的输出轴通过花键套与锥齿轮减速器的传动轴连接；减速器通过花键套与保护器轴连接，再通过花键套与泵轴连接；泵的出油口通过螺纹接头与输油管道连通。
电潜泵工作原理:井下电潜泵由转子和定子组成(饶虞梦等，2010)。潜油电机通过机械减速器和联轴器带动螺杆泵轴旋转。转子和定子啮合以形成连续的密封室。当转子在定子中旋转时，空腔从泵的入口端向出口端移动，空腔内的液体从泵的吸入端被泵送到排出端，再通过油管输送到地面，从而起到泵送作用(方莉，2011)。
从现场应用效果来看，电潜泵具有以下优点。首先，井下系统工作时无动力部分，井下设备可靠性高，维护周期长，成本低；其次，与有杆泵(如抽油机、螺杆泵等)相比。)，更适用于斜井和水平井，对出砂引起的泵砂卡和煤粉生产引起的泵卡效果明显，减少修井次数，减少修井对储层的伤害。此外，电潜泵还具有在高温、高气液比、出砂、腐蚀等复杂条件下工作的优点，可有效解决高产水井选用大泵径有杆泵造成的抽油杆断裂或断连器损坏问题。
而电潜泵最容易损坏的泵部件是定子，每次修泵都要上提下放管柱。一次性投入成本高；泵需要流体润滑和一定的沉没度；与抽油机相比，安装更加复杂。目前多用于浅井(熊先勇，2014a)。
(4)杆式泵
有杆泵与传统管式泵的区别在于，有杆泵是密封在油管内的。有杆泵分为两部分，一部分是与油管连接的密封支撑接头，另一部分是有杆泵。下泵时，密封支撑接头随油管下到井底，有杆泵随抽油杆下到井底，坐在支撑接头上。当井下泵受煤粉影响出现故障时，可通过抽油杆直接将泵提出井筒进行更换，避免了常规贯流泵作业时需要取出全井的抽油杆和油管，实现了固定管柱检泵，缩短了占井周期，降低了作业成本。
根据固定方式的不同，有杆泵可分为顶部固定和底部固定。其中顶部固定杆泵的特点是排出的液体能及时冲洗顶部和油管之间的煤粉，有一定的排煤粉效果。当泵筒受到液体压力时，会增大泵筒与柱塞之间的间隙，降低泵效，因此不适合深井。定底有杆泵的特点:由于支撑装置固定在泵的底部，泵筒受外压，受力状况好，泵隙变化小，适用于深井，但煤粉容易堆积在泵筒与油管之间的环形空间，不适合煤粉产出严重的井。
有杆泵根据密封方式的不同分为皮碗和机械密封。为保证坐封稳定，韩城区块煤层气井采用双卡密封，即金属皮碗双密封。这种印章不仅锚固力大，而且与双印实现了双保险(熊先岳，2014a)。