煤层气田井口供电技术优化

陈仕林 熊德华 周 军 牛立圆 宫 敬

(1. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249；2. 中联煤层气有限责任公司，北京 100011；3. 中国石油西气东输管道公司苏北管理处，江苏 扬州 225009)

煤层气是一种非常规天然气资源[1]。近年来，我国煤层气开发取得了显著成就，国内煤层气产量也实现了快速增长，2013年我国煤层气产量达138.13亿m3，其中地面抽采29.26亿m3，井下抽采108.87亿m3[2]。煤层气的开发既能提供清洁能源，弥补天然气供需缺口，又能减少煤炭开采中甲烷排放造成的温室效应和大气污染，对建设和谐环境、实现绿色能源经济具有重要作用。

煤层气开发采用排水降压工艺，井口排采设备的稳定性和可控性关系到后期的气井生产能力，合适的排采方法和制度是煤层气田开发技术的关键。如何针对煤层气开发特点提高煤层气排采工艺水平、降低建设投资和生产成本是煤层气田高效开发必须解决的重要问题。

我国煤层气田大多位于地形复杂的偏远山区，其主要特点是气井数量多、单井产气量低、井口压力低、井与井之间的水平距离较短且井口分布密度较大。煤层气单井排采设备的额定功率通常只有5.5～15.0kW，每平方千米排采设备的额定功率仅为60～160kW，因此煤层气田井口排采动力系统是典型的低负荷、分散型动力系统。由于煤层水量有限，随着排采时间的推移，井口产水量呈下降趋势，排采设备动力负荷也随之下降，当煤层水量干涸时停止连续排采，设备负荷趋于零。

国内煤层气田井口供电技术主要有国家电网工业用电供电、井口燃气发动机供电、大型燃气发电机集中供电和小型燃气发电机阀组发电供电4种模式。笔者优化了国内煤层气田井口排采设备的供电技术，以降低单井排采能耗和排采费用，并大幅增加煤层气井口供电距离。

1 国内煤层气田井口供电技术分析①

中联煤层气有限责任公司2004年开始实施沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程项目，共建设煤层气井150口，并于2009年10月正式投产。该项目的成功实施促进了我国煤层气产业的商业化开发进程。总结近年来我国煤层气田井口排采动力系统的发展过程，其供电方式主要有国家电网工业供电、井口燃气发动机供电、大型燃气发电机集中供电和小型燃气发电机阀组供电4种模式。

1.1 国家电网工业供电

井口抽油机采用电机驱动，从井口到阀组铺设380V低压电缆，阀组所辖井的电缆在阀组汇集，通过低压配电柜对阀组所辖井进行统一计量控制，并将监测数据上传。与低压配电柜相连接的是0.4kV/10kV变压器，为保证电力输送距离，阀组之间、阀组与集气站之间采用10kV高压线路。10kV高压线路经集气站高压配电室与国家电网主干线路相连接。在国家电网电力资源充足的地方一般采用此种供电模式，其供电示意图如图1所示。

图1 国家电网供电模式示意图

1.2 井口燃气发动机供电

由于煤层气田多处于山区，国家电网电力资源相对缺乏，在周围没有可用电力资源的条件下，需采用井口燃气发动机供电模式。抽油机依靠燃气发动机驱动，井场不需要电力资源，井口工艺和抽油机施工完成后即可投产。燃气发动机为双燃料发动机，气井尚未产气前以汽油为燃料，气井产气后燃料变为气井自身产出的煤层气。

1.3 大型燃气发电机集中供电

在国家电网电力资源不足或不具备供电条件的地方，为实现稳定供电可在集气站建设发电站，通过燃气发电机为井口抽油机提供电力。该模式与采用国家电网供电模式仅在电力资源来源上有所不同，且需要生产单位对燃气发电站进行日常维护和保养。

1.4 小型燃气发电机阀组供电

沁水盆地南部柿庄南区块地形条件复杂，而且林地覆盖率高，导致高压线路施工难度较大；同时，国家电网高压线路总体容量较少，不能满足煤层气田大规模排采的需要。因此，该地区煤层气开发采用阀组集中供电模式。井口抽油机采用电机驱动，各阀组低压电缆汇集至阀组配电柜，并将阀组配电柜连接至小型燃气发电机，每个阀组由单独的燃气发电机供电，一个阀组就是一个相对独立的电力系统，阀组建设完成后即可投产运行。该模式取消了10kV高压线路的架设，其供电示意图如图2所示。

图2 小型燃气发电机阀组供电模式示意图

2 井口供电技术优化

对比煤层气田井口排采动力系统的各种供电模式发现，井口抽油机多采用电机驱动。电机类型分为普通电磁调速电机和变频调速电机。在煤层气田开发中，抽油机多选用五型抽油机，配套电机多为5.5kW电磁调速电机。近年来，随着煤层气井深度的增加，抽油机配套电机大多使用变频调速电机。

根据电力系统设计规范的要求，在使用380V低压电缆供电时，其长度一般不超过750m，最长不宜超过1km。煤层气井一般呈300m×300m网格排列，考虑到地形等环境因素的影响，每个低压配电柜管辖井数应较少。沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程先导性示范项目设定每个低压配电柜管辖10口煤层气井。从集输工艺方面考虑，每个阀组管辖井数一般为10～20口井。但为了方便统一管理，配电柜和阀组一般设置在同一井场，但也因此使阀组实际管辖井数减少，阀组数量增加。为增大低压电缆的输送长度，增加阀组管辖井的数量，中联煤层气有限责任公司先后进行了660V供电技术和380V抽油机智能调控技术的研究和试验。

660V供电技术是在煤矿井下采煤供电技术的基础上发展而来，该技术以小型燃气发电机阀组供电模式为基础，将发电机电压等级提高到660V，井口和阀组发电机间采用660V电压等级，抽油机电机采用660V电磁调速电机。根据交流输配电理论，在电网负荷和导线截面积不变的前提下，同一导线上的最大输电能力与输电电压的平方成正比，因此输电电压由380V 升到660V后，同一线路的输电能力将提高至原来的3倍；同理，在线路负荷和导线截面积相同的前提下，采用660V电压后的最大输送距离可达到采用380V电压时的1.732倍。另外，供电半径的延伸简化了电网，使阀组发电机的数量大幅减少，排采动力系统的可靠性大幅提高。因此660V供电技术既降低了建设投资，又减少了后期的生产维护工作。

380V抽油机智能调控技术结合了伺服技术和变频调速技术，利用可编程DSP芯片对抽油机进行实时跟踪和控制以达到节能降耗的目的。该技术不需要改造游梁式抽油机的机械结构，采用功率为原装机功率1/3～1/2的普通交流异步电动机就可以让抽油机正常工作。利用专用的32位可编程DSP芯片核心组成伺服系统，使交流异步电动机工作时的电流、力矩、速度和位置处于闭环系统中。抽油机启动时，伺服控制器用底层的软件实现恒功低速高转矩控制，使其达到启动力矩的要求；抽油机启动后，伺服控制器控制电动机的力矩，在达到给定的预置冲次时，通过DSP内的PI调节器稳定此工况。伺服控制器在运行过程中随时监测电动机的扭矩，在其逐步减小即将为零时截止电动机的力矩电流输出。电动机因在自由状态而被抽油机拖着加速空转，驴头和抽油杆的大量势能转换成旋转惯性动能。抽油机电机功率降低后，实际运行电流随之显著降低，加之系统采用变频启动方式，没有启动电流冲击，低压电缆的最大负荷显著降低，由此可以较大程度地增大低压电缆的输送距离。经过现场试验测试，采用380V电压时，电缆长度超过2km时抽油机仍然可以正常运行。

3 现场试验与应用

为验证优化技术的可行性，中联煤层气有限责任公司在柿庄南区块对380V抽油机智能调控技术进行了周详的现场测试。测试方案采用50kW燃气发电机供电，测试4口井在各种工况下的运行状态参数。参与试验的4口井均采用五型抽油机，具体试验相关参数见表1。

表1 试验方案的相关参数

试验首先对发电机输出端各相参数进行了测试，测试结果见表2、3。

表2 发电机端各相测试结果

表3 发电机端综合平均值测试结果

试验过程中针对A、B、C井电缆长度不同的情况，分别测试了B井在正常工况下的运行参数(表4)、A井在抽油机高负荷工况下的运行参数(表5)和C井在不同负荷工况下的运行参数(表6)。为方便与其他技术相比较，测试所得D井在正常工况下的运行参数见表7。

表4 B井在正常工况下的运行参数

表5 A井在抽油机高负荷工况下的运行参数

表6 C井在不同负荷工况下的运行参数

表7 D井电机在正常工况下的运行参数

为了测试智能调控技术抽油机启动过程中的参数变化情况，试验测试中同时利用两台测试仪器对C井启动过程中电源端和电机端的参数进行监测。电源端电压、电流和有功功率的变化情况如图3所示，电机端电压、电流和有功功率的变化情况如图4所示。

由试验测试数据可以看出，智能调控技术采用软启动方式，电流、电压变化平稳，没有启动电流冲击。抽油机运行过程中，伺服控制器实时控制电动机的力矩，由于抽油机在运行过程中电机扭矩呈周期性变化，因此电机电流和有功功率呈周期性变化，在抽油机扭矩为零时电机电流为零。C井电缆长度已达2km，但抽油机启动和运行时的电压仍然能够达到规范要求。

a. 电压

b. 电流

c. 有功功率

a. 电压

b. 电流

c. 有功功率

4 技术发展探讨

随着数字变频技术的不断发展，相关产品价格大幅下降，变频器在抽油机、电机调速控制方面的应用越来越普及。近年来，公共直流母线供电技术在带有变频器的电力系统中的应用越来越广泛，将原来的AC-DC-AC模式改为DC-AC模式，具有减少电能变换环节、降低线路损耗及提高电能质量等优点[3]，目前已大量应用于轧钢、纺织、造纸、船舶及油田采油等领域。

如在煤层气田排采抽油机供电系统中应用公共直流母线技术，当抽油机在上冲程时可通过直流母线汲取驱动能量，而在下冲程时，可将电机产生的倒发电电流回馈到直流母线中，实现各抽油机之间的馈能循环互补共享，能够极大地发挥抽油机的群体优势。公共直流母线可采用架空线路或直流电缆线路。直流架空线路仅需两根或一根导线，可以减轻电杆的荷重，减少线路走廊的宽度和施工工作量，比交流架空线路节省投资。

首先，相同型号的电缆用于公共直流母线时，其允许工作电压比交流电要高两倍，所以在电压相同时，直流电缆线路的造价低于交流电缆。其次，在公共直流母线系统中，不存在并网困难问题，系统中可以实现多点任意并网，便于采气区电力负荷发生变化时，动态调整供电电源功率和位置。再次，公共直流母线中没有感抗等不利因素存在，不存在电流的无功损耗和集肤效应损耗，线损比交流输电要小30%以上，由此输电半径至少可以提高30%。

5 结束语

煤层气产业是一个社会效益巨大、经济利润空间有限的新兴产业，采用新技术措施减少煤层气开发过程投资、降低生产成本是煤层气产业发展的基本策略。380V抽油机智能调控技术能够很好地适应煤层气开发特点，经现场初步推广应用，具有良好的经济效益，可以在煤层气开发项目中进行大规模推广应用。公共直流母线可以作为后期研究的重点方向，争取尽早在煤层气田开发中得以试验应用。

[1] 周军，李晓平，成梦娅，等.物质平衡法对沁水盆地煤层气生产动态的预测[J].化工机械，2013，40(4)：420～424.

[2] 程宇婕.煤层气今年有望实现大幅增长[J/OL]. http://www.cnenergy.org/tt/201401/t20140127_284685.html，2014-01-27.

[3] 雍静，徐欣，曾礼强，等. 低压直流供电系统研究综述[J]. 中国电机工程学报，2013，33(7)：42～52.