段艷寧，韓保山，喬 康，鞏澤文

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077）

四川古敘礦區(qū)煤層氣排采設備優(yōu)化研究

段艷寧1,2，韓保山2，喬 康2，鞏澤文2

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077）

排采設備的選擇是影響煤層氣井排采效果的重要因素。目前國內普遍采用的排采設備有抽油機、螺桿泵和電潛泵，這些設備大多是從油田上移植過來，在選擇上往往根據經驗決定，存在著設備效率低、型號普遍偏大，投資成本偏高等問題。在分析排采設備的適應性及影響因素的基礎上，結合古敘礦區(qū)實際地質條件、工程參數、產水情況等，利用層次分析法進行了排采設備的優(yōu)選研究，并結合正在排采的5口井的生產經驗，優(yōu)選出古敘礦區(qū)最佳排采方式為抽油機；同時，通過綜合考慮靜載荷、動載荷、摩擦載荷的影響，對不同情況下的抽油機設備型號進行了優(yōu)化。研究推薦，即當井深≤550 m時，選擇CYJ3型抽油機；當井深在550～750 m時，選擇CYJ4型抽油機，當井深≥750 m時，選擇CYJ5型。并建議選擇Φ32 mm或Φ38 mm管式泵進行排采。研究成果可為今后古敘礦區(qū)及類似地區(qū)的煤層氣排采設備選擇提供一定的技術支撐。

煤層氣排采；設備選型優(yōu)化；層次分析法；古敘礦區(qū)

煤層氣地面排采是排水降壓的過程，必須利用排采設備進行排水，降低儲層壓力，以使煤層氣從煤基質中解吸出來。目前國內普遍采用的排采設備主要從油田移植過來，依照油田經驗選型設計。但因國內大部分煤層氣井地質條件相對復雜，煤層氣自身特點及產出機理與油氣相差甚遠，所以從油田移植的排采設備效率低、型號普遍偏大，投資成本偏高，造成能源浪費，制約著煤層氣的發(fā)展。

在分析排采設備適應性和設備選擇的影響因素基礎上，通過層次分析法確定影響因素的權重，建立比較矩陣，計算特征向量，最終優(yōu)選出最佳排采設備。古敘礦區(qū)利用層次分析法優(yōu)選出最佳排采方式為抽油機；考慮到井深、井斜、產水量以及井下生產狀況等對摩擦載荷的影響，優(yōu)化懸點最大載荷計算公式，提高選擇機型的準確度，以及設備利用率，做到最大化節(jié)能，為后續(xù)該區(qū)煤層氣地面排采設備的選擇提供一定的指導。

1 排采設備類型及特點

1.1 排采設備類型

國內煤層氣地面開發(fā)中，主要的排采設備有抽油機、螺桿泵和電潛泵。

抽油機——技術成熟，結構簡單，可適應各種井況要求。排采不同階段，可以利用變頻電機調整抽汲參數、排采強度。適合于儲層壓力不限、儲層溫度＜120℃、井斜＜5°、井深＜2500 m、最小排量適合1～20 m3/d、出砂、煤粉較少的井。

螺桿泵——占地小、維護簡單、自動化程度高、費用低、對液面要求高。在工作中，液面過高不利于排采降壓，液面過低，容易造成燒泵。適合于儲層壓力＜10 MPa、儲層溫度＜90℃、井斜小于2.5°、井深＜1500 m的井。

電潛泵——排量調整范圍大、運轉周期長，但成本相對較高。適合于儲層壓力不限、儲層溫度＜150℃、井斜＜60°、井深＜3 000 m、最小排量適合＜60 m3/d，適合于大排量、斜井和水平井排采。

1.2 設備選擇的影響因素

綜合煤層氣排采特點和國內煤層氣開發(fā)經驗，歸納出影響設備選擇的因素有：生產因素、管理因素和經濟因素三大類（圖1）。

圖1 設備選擇的影響因素Figure 1 Impacting factors in equipment selection

1.3 排采設備的適應性分析

在調研國內外常用排采設備的基礎上，結合前人總結的經驗，對排采設備所適應的各種因素進行對比分析，為古敘礦區(qū)排采設備的選擇提供理論依據，如表1所示。

2 排采設備優(yōu)化

2.1 礦區(qū)概況及地質條件

2.1.1 概況

古敘礦區(qū)地處川黔邊界，位于四川省瀘州市古藺縣東南部。礦區(qū)位于古藺復式背斜南翼石寶向斜的東段，北東端與大村礦段相鄰；向斜北西翼西段與觀文礦段毗鄰；南東翼西端與椒園礦段接壤，走向長15 km，南北寬10 km，礦段總面積為130.03 km2。

礦區(qū)地處山區(qū)，地形起伏、溝壑縱橫，地形條件較差，對后續(xù)排采設備的選擇有一定的影響。

2.1.2 地質條件

（1）地層。各井鉆遇地層由上到下依次為嘉陵江組、飛仙關組二段、飛仙關組一段、龍?zhí)督M及茅口組。從煤層氣井成孔角度講，都屬于易可鉆地層。但從成孔的持續(xù)性角度講，其持續(xù)性極差，該區(qū)煤系取心鉆進過程中，易發(fā)生井斜超標，井斜對后期排采設備的機型選擇、桿管的偏磨等影響較大。

表1 煤層氣排采設備的適應性Table 1 CBM drainage equipment adaptability

（2）煤層。礦段含可采煤層一般3～6層，可采煤層總厚3～10 m，含煤面積87 km2。全礦段估算的煤層氣地質資源量為116.22×108m3（不含各煤層標高±0以下范圍），煤層氣資源豐富。

2.2 礦區(qū)前期排采情況

結合古敘礦區(qū)5口試驗井的排采數據，其中最高日產氣量214.6 m3，5口井累計產氣量83732.69 m3，最大日產液量6.31 m3。具體情況如表2所示。

表2 5口井生產數據統(tǒng)計Table 2 Statistics of 5 CBM wells production data

通過調研排采數據及地質條件獲知，古敘礦區(qū)地層傾角、地層的持續(xù)性較差，導致鉆井時井斜控制困難，5口井井斜偏大，地質條件錯綜復雜。儲層壓力4.5～7.8 MPa，平均儲層溫度28.2℃；井深550～810 m，井斜3.79°～8.83°；截止到目前，5口排采井沒有出現(xiàn)吐砂吐粉現(xiàn)象、未進行過修井作業(yè)。

2.3 排采設備優(yōu)選

結合礦區(qū)復雜的地質條件，利用層次分析法進行設備優(yōu)選。

層次分析法，是將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。

2.3.1 建立遞階層次結構

目標層——排采設備優(yōu)選。

準則層——生產因素、管理因素和經濟因素。方案層——抽油機、螺桿泵和電潛泵。

2.3.2 構造兩兩比較矩陣

對各指標之間進行兩兩對比之后，然后排定各評價指標的相對優(yōu)劣順序，依次構造出評價指標的判斷矩陣A。其中aij的取值表示i要素對于j要素的重要程度。

其中準則層對目標層的兩兩比較矩陣

方案層對準則層的兩兩比較矩陣

2.3.3 計算比較矩陣的最大特征值及其對應的特征向量

設矩陣的最大特征值為λmax，對應的特征向量為ω

（查找RI與矩陣階數的對應表），認為當CR＜0.1時，判斷矩陣的一致性可以接受；然后計算方案層對總目標的權向量，從而優(yōu)選出最佳排采設備。

本文利用excel計算各比較矩陣的最大特征值及其特征向量，如表3所示。

表3 矩陣的特征值及其對應的特征向量Table 3 Matrix eigenvalues and corresponding eigenvectors

從表3可以看出，一致性比例CR均小于0.1，認為判斷矩陣的一致性可以接受。計算方案層對總目標的權向量為：{0.6464，0.2578，0.0958}。

綜上所述，古敘礦區(qū)最佳排采設備為抽油機，其次為螺桿泵。

2.4 抽油機機型優(yōu)化

抽油機機型的選擇對于后續(xù)排采的連續(xù)性、節(jié)能效果影響很大，因此機型選擇很重要。

抽油機機型的選擇是根據懸點最大載荷來確定的。抽油桿柱載荷、作用在柱塞上的液柱載荷及慣性載荷是構成懸點載荷的三項基本載荷。假設采用D級Φ19 mm抽油桿，沖程1.5 m，沖次3次/min，假設載荷只與三項基本載荷有關，其他載荷忽略不計的情況下，計算抽油桿最大折算應力為46.72 N/mm2＜D級抽油桿的許用應力110 N/mm2，因此，D級Φ19 mm抽油桿完全可以滿足礦區(qū)的排采要求。

針對古敘礦區(qū)地層傾角大、地質條件復雜等因素，結合以往排采數據，在計算懸點最大載荷時，不能僅僅考慮三項基本載荷，還要考慮井深，井斜、產水量大小等因素對摩擦載荷的影響，從而進一步優(yōu)化載荷計算公式，同時結合載荷利用率及現(xiàn)場情況，優(yōu)選出最適合的機型，滿足連續(xù)排采的要求。

2.4.1 載荷公式優(yōu)化

懸點載荷由靜載荷、動載荷和摩擦載荷組成。懸點最大載荷發(fā)生在上沖程中，因此以下陳述和計算，僅為上沖程中各載荷的大小。

（1）靜載荷。在一般近似計算中，靜載荷由Wr和Wl組成。其中

Wr=frρsgL Wl=(fw-fr) Lρlg

（2）動載荷。一般只考慮抽油桿柱和液柱變速運動產生的慣性載荷Iru。

（3）摩擦載荷。抽油機在上沖程工作時，作用在懸點上的摩擦載荷有：抽油桿柱與油管的摩擦力F1、柱塞與泵筒之間的摩擦力F2、液柱與油管之間的摩擦力F3[1]。

煤層氣排水采氣過程中，由于采出液主要是水，而不是可以起潤滑作用的油，由此造成桿管間、柱塞和泵筒間以及液柱與油管間的摩擦力增大。

結合5口井的井深和桿徑，以及煤層氣井的開采經驗，F(xiàn)1的取值為抽油桿質量的1.5%；DH為柱塞截面直徑，δ為柱塞與泵筒間的間隙，通常取0.053 mm。

式中：K為油管內徑與抽油桿直徑比值。

結合礦區(qū)的實際情況，井深、井斜對摩擦載荷的影響不能忽略，因此，懸點最大載荷計算公式，增加了后三項摩擦載荷，使機型的選擇更加趨于合理。

2.4.2 機型等設備優(yōu)化

古敘礦區(qū)5口排采井中，X-03井，排采初期根據經驗選擇CYJ4型抽油機，排采過程中出現(xiàn)前重后輕，抽油機嚴重不平衡的現(xiàn)象，而且已經無法再加平衡重進行調節(jié)。

投產時，根據預測產量選擇了Φ44 mm的泵進行生產，同時配套井口回流裝置使用，方便控制排采強度。而結合實際排采數據發(fā)現(xiàn)，最大日產水量6.31 m3，選擇Φ44 mm管式泵進行生產，泵徑偏大。

2.4.2.1 機型優(yōu)化

假設沖程為1.5 m，沖次為3次/min，抽油桿直徑為19 mm，根據古敘礦區(qū)5口井的井深、泵徑和桿徑等數據，考慮到摩擦載荷的影響，得出5口井的最大載荷[2-4]如表4。

表4 5口井懸點最大載荷Table 4 Maximum polished rod load of 5 CBM wells

影響懸點載荷的因素很多，主要有泵掛深度、井斜、產水量等生產參數，泵徑、桿徑等設備參數以及井下生產狀況等。

（1）懸點最大載荷與泵掛深度呈正相關。從圖2可以看出，抽油機最大懸點載荷隨著泵掛深度的增加線性增大，泵掛深度是影響設備型號的主要因素。

圖2 泵掛深度與懸點最大載荷關系Figure 2 Relationship between pump setting depth and maximum polished rod load

（2）摩擦載荷與井斜的關系[5-7]。

由圖3可以看出：

圖3 摩擦載荷與井斜的關系Figure 3 Relationship between friction load and well deviation

①井X-05和X-04，井斜基本一致，但井X-05的泵掛深度小于X-04，摩擦載荷與泵掛深度呈正相關關系。

②摩擦載荷降低段：井X-04和X-02，兩者井斜相差3°，但X-02的摩擦載荷卻較小，因為深度較X-04淺，且X-02井產水量高，相當于起到了一定的潤滑作用，減小了彼此的摩擦力，因此，摩擦載荷的最主要因素是井深，其次是井斜、產水量等因素。

③摩擦載荷增加段：井X-02、X-01和X-03，泵掛深度、井斜依次增加，雖然產水量有差距，但差距較小，其摩擦載荷線性增加，說明泵掛深度和井斜在摩擦載荷中起到重要作用，產水量影響較小，但也不能忽略。

因此，影響摩擦載荷大小的主要因素有泵掛深度、井斜，次要因素有產水量、井下生產狀況等。

在現(xiàn)場應用中，考慮到載荷利用率60%～80%[3]，結合上述對懸點載荷與泵掛深度、摩擦載荷與井斜關系的分析，以及各載荷計算中與泵徑、桿徑的關系，從表4可以看出，當懸點最大載荷≤額定載荷的70%，認為選擇合理，否則選擇大一型的抽油機進行排采。

綜上所述，當井深≤550 m時，選擇CYJ3型抽油機；當井深在550～750 m時，選擇CYJ4型抽油機，當井深≥750 m時，選擇CYJ5型。

對X-03井而言，因為不平衡無法調節(jié)，最后更換為CYJ5型抽油機，一直運轉良好。這也驗證了上述所總結的井深大于750 m，選擇CYJ5型抽油機的判斷。

2.4.2.2 泵徑優(yōu)化

在盡可能滿足最大產液量的前提下，建議采用小泵徑。這是因為在同樣的井況條件下，泵徑越小，懸點載荷越小，有利于減少能耗、延長設備壽命[8-10]。

設定沖程為1.5 m，分析不同泵徑不同沖次下的理排（表5）。

表5 不同泵徑不同沖次下的理排Table 5 Theoretical water discharge under different pump diameters and stroke numbers

本次5口排采井的抽油泵都選擇Φ44 mm管式泵，而5口井中，最大日產水量為6.31 m3/d，根據表5可以看出，Φ32 mm或Φ38 mm管式泵能夠滿足排采要求。針對上述情況，目前在利用Φ44 mm泵抽采的條件下，結合利用回流裝置控制排采強度；在無特殊因素影響下，為了避免間斷抽采對排采效果的影響，在下次修井作業(yè)時，一并將抽油泵換小泵徑Φ 32 mm或Φ38 mm進行排采，不僅能夠滿足生產需要，同時做到節(jié)能減排。

3 結論

（1）利用層次分析法，將影響排采設備選擇的因素建立比較矩陣，將多因素問題簡單化進行設備選型，具有一定的優(yōu)勢，最終優(yōu)選出古敘礦區(qū)最佳排采設備為抽油機。

（2）結合實際泵掛深度、井斜、產水量等因素，分析了影響懸點最大載荷的主要因素是泵掛深度和井斜，其次是產水量、泵徑、桿徑等生產參數和設備參數，最后井下生產狀況也不容忽略。

（3）結合古敘礦區(qū)的排采經驗，考慮各因素的影響大小，進行機型優(yōu)化，即當井深≤550 m時，選擇CYJ3型抽油機；當井深在550～750 m時，選擇CYJ4型抽油機，當井深≥750 m時，選擇CYJ5型。

（4）對于抽油泵的選擇，在滿足產液量的條件下，盡量選擇小泵徑進行生產，既滿足排采需求，又節(jié)約成本，結合古敘礦區(qū)實際產水量，最終選擇Φ 32 mm或Φ38 mm管式泵進行排采。

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Study on CBM Drainage Equipment Optimization in Guxu Mining Area,Sichuan

Duan Yanning1,2,Han Baoshan2,Qiao Kang2and Gong Zewen2
(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013; 2.Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xi’an,Shaanxi 710077)

The selection of drainage equipment is an important factor impacting CBM well drainage effect.Commonly adopted drainage equipments in the country at present have oil pumping unit,screw pump and electric submersible pump;mostly transplanted from oilfields.The selection of them often based on experience,thus have problems of low equipment efficiency,generally too large sizes and higher investment costs.On the basis of equipment adaptability and impacting factor analyses,combined with actual geological conditions,engineering parameters and water yield state in the Guxu mining area,through analytic hierarchy process(AHP)carried out drainage equipment optimization;in the light of production experience from 5 wells operating,optimized the best equipment for the area is oil pumping unit.Meanwhile,through comprehensive consideration of impact from static,dynamic and friction loads,optimized oil pumping unit sizes under different situation.The study recommended that when well depth≤550m,to use oil pumping unit type CYJ3; depth 550～750 m,type CYJ14;depth≥750m,type CYJ5.Study also recommended using Φ32mm or Φ38mm tubular pump in drainage.The result can provide certain technical support for CBM drainage equipment selection in Guxu mining area and other similar areas.

CBM drainage;equipment selection optimization;AHP;Guxu mining area

TE933

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.12

1674-1803(2017)02-0057-05

段艷寧（1986—），女，陜西華陰人，在讀碩士研究生，從事煤層氣開發(fā)研究。

2016-08-29

責任編輯：樊小舟