阜新地区煤层气井变频技术应用

赵飞彪

(中石油长城钻探工程有限公司煤层气开发公司，辽宁 124010)

阜新地区煤层气井变频技术应用

赵飞彪

(中石油长城钻探工程有限公司煤层气开发公司，辽宁 124010)

阜新地区煤层气井排采一般使用游梁抽油机，耗能严重，且由于电机冲次的限制，不能满足低产液井排液要求，变频器的应用很好的解决了这些问题。通过变频器改变供电频率可调节抽油机冲次，不仅可节电，减少煤层气井修井次数，达到降低生产成本的目的，同时，通过变频控制适当的排液速度，可使压降漏斗在煤层中得到充分扩展，有效提高了煤层气采出量。阜新地区变频器的应用实践为其它具备相似生产条件的煤层气井能提供了参考。

阜新 煤层气井 变频器

1 项目概况

阜新煤层气开发项目于2006年建产，该项目采用在未采区地面钻井的方式开采煤层气，先后共施工34口直井，最高日产气达到6万m3。近年，受煤矿地下矿面掘进的影响，部分井先后出现套管损坏等情况，目前共有20口纯气井在正常排采，日产气约23000m3。

随着整个煤层气开发项目开发进入中后期，在整个项目经营成本中，生产井动力电费所占比例超过1/3，因此针对单井的节能工艺显得尤为重要。阜新地区煤层气井井深一般为1000m左右，排采基本使用φ62mm平式油管，抽油杆采用φ19mm+φ22mm和φ19mm两种组合方式，根据各井产液量不同，分别使用泵径φ38mm、φ44mm和φ57mm防砂抽油泵，地面排采设备为“六型”曲柄平衡游梁抽油机，配套使用22kW三相交流异步电机。由于游梁抽油机运行时上下冲程驴头负载变化大，而且平衡率低使得无功损耗大，耗能严重，电机运行存在“大马拉小车”的情况。而且煤层气井在排采的不同阶段对排液速度要求有所不同，现场通常采取更换电动机皮带轮的方式达到改变排液量的目的。由于电机皮带轮限制，目前最低冲次为4次，有时无法满足低产液井的生产要求。

为满足煤层气井生产节能降耗和排液量要求，通过前期调研，阜新项目部在2012年共购置12台变频器用于单井生产，通过对这12口井2年时间的跟踪记录，变频器在现场使用情况良好，达到了预期节能效果。

2 变频技术原理

变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成，是靠内部绝缘栅双极型晶体管的开断来调整输出电压和频率，可根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

在游梁抽油机运行时，电机无功功率高，功率因数降低，一方面会增加线损和设备的发热，另一方面会导致电网有功功率的降低，设备使用效率低，浪费严重。使用变频器后，由于其内部滤波电容的作用，可有效减少无功损耗，达到补偿节能的目的。

同时，抽油机使用普通配电箱在启动时为硬启动，电机硬启动对电网会造成严重的冲击，且对电网容量要求过高，影响设备的使用寿命。而变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，减轻对电网的冲击和对供电容量的要求，延长设备使用寿命。

3 现场应用情况

总结阜新煤层气井变频器近两年时间的使用情况，变频器适用于产液量较低(一般日产液量低于10m3)的煤层气井，且对抽油机平衡率要求较高，一般要求在90%～110%。平衡率越好，冲次可降至越低，最低可降至原冲次的0.2倍，通过泵径、冲程的不同组合，可满足低产液井的排液要求。

3.1 对生产成本方面的影响

阜新煤层气项目部购置的12台变频器在安装调试完成后，于2012年10月份先后投入使用。跟踪计算各生产井耗电情况。12口煤层气井在变频器使用前平均日耗电量约为115kWh，耗电量随井深、管杆组合、排液量等参数不同而变化，使用变频器后平均日耗电量77kWh，较之前平均日节约电量38kWh，节电率达到33%。单井每年可节约动力电费约8800元，直接降低了生产运行成本。

同时，对比使用变频器煤层气井的检泵周期发现，在使用变频器后，检泵周期均有不同程度的延长，12口井检泵周期平均延长46天，检泵次数的减少也直接降低了煤层气井生产成本。

L21井是12口使用变频器生产井之一，该井人工井底1051m，射孔煤层为孙家湾、中间和太平煤层群，总厚度为85.7m/12层，煤层中夹有细砂层。在使用变频器前平均日产水10m3，出砂较严重，平均检泵周期为96天，修井时发现砂面增长速度较快。在应用变频后，平均日产水控制在4m3左右，检泵周期明显延长至230天，通过计算出砂速度为(井筒内砂面高度-人工井底)/检泵周期可看出，出砂速度减慢，见表1。

表1 L21井修井情况数据表

通过分析不难发现，煤层气井应用变频器可延长检泵周期，一方面是因为降低抽油机冲次可减缓管杆磨损，减少因抽油杆断脱、油管漏失等原因发生的修井作业，同时可减少因管杆磨损产生的金属碎屑回落泵筒发生的卡泵情况。另一方面，在其它排采参数(泵径、冲程、泵深等)不变的情况下，较低的冲次会降低排液量，使煤层割理及缝隙等渗流通道中煤层水流速减慢，减少对煤层扰动，从而进入井筒的砂和煤粉速度减慢，达到延长检泵周期的目的。

3.2 对煤层气产出方面的影响

对比分析使用变频器前后煤层气井产液和产气情况发现，变频器不仅达到了预期的节能效果，对单井煤层气产出也有很大影响。

根据煤层气排采理论分析，煤层气井应用变频器进行排采，一方面延长了检泵周期，降低修井作业频率，保证煤层气井可连续排采，防止出现因排采中断而出现煤粉在孔喉等位置堆积而堵塞渗流通道的情况，从而使煤层水可连续向井筒渗流，同时，修井次数的减少可减轻在作业过程中起下油管柱产生的激动压力对煤层近井地带渗透率的影响。另一方面，通过不断调节冲次，探索各井合适的排液强度，可减少排液过程对煤层的扰动，减少煤粉的产生，最大限度的将煤层中的杂质排出，保持渗流通道畅通，使压降漏斗在煤层中得到充分扩展。由于各井的地质条件不尽相同，合理排液强度的确定是一个不断摸索对比的过程。

L21井于2007年投产，在2010年产气量达到顶峰，最高日产气量超过6000m3，在使用变频器前，平均日产气3500m3，日产水10m3左右，且产气量波动较大。在使用变频器后，目前日产气稳定在4000m3左右，日产水4m3，产气量较使用变频器前明显增加且波动幅度小，如图1所示。

4 结论与认识

通过分析阜新地区煤层气井变频器的现场使用效果，可以得出以下结论。

图1 L21井产量曲线图

(1)变频器适用于产液量较低的煤层气井，对游梁抽油机平衡率要求高，最低可降至原冲次的0.2倍。

(2)使用变频器可节约煤层气井单井生产电量消耗，平均节电率达到33%。

(3)变频器的使用可减缓管杆磨损，减少修井次数，既节约了生产成本，又保证了煤层气井的连续生产，防止因煤层水中断采出对煤层渗流通道产生不利影响。

(4)通过变频器调节适当的抽油机冲次频率，控制煤层气井排液速度，可促进煤层中压降漏斗的扩展，提高煤层气产出量。

[1] 李鹏，牛东梅.抽油机变频控制柜在采油管理的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2013，9：194.

[2] 陈兆山，路爱平.煤层气小井网排采试验中各参数间关系的研究[J].中国煤田地质，2003，15(2)：23-25.

[3] 姚锦，等.阜新地区煤层气井作业分析[J].中国煤层气，2010，7(2)：36-38.

(责任编辑 丁 聪)

Application of Variable-Frequency Technology on CBM Wells in Fuxin Area

ZHAO Feibiao

(GWDC Coalbed Methane Development Company, CNPC, Liaoning 124010)

Conventional beam pumping unit is generally used on CBM wells in Fuxin area, which consumes a lot of energy and cannot meet the discharge requirement of the low fluid-production well due to the stroke limit. The problems are well resolved by the application of the Variable-Frequency Drive(VFD). By changing the frequency of the electricity via the VFD, the stroke of the beam pumping will be changed. On the one hand, the powder consumption and the times of well workover will be reduced, so the production cost of CBM wells is decreased. On the other hand, the radius of the depressurization cone will be expanded sufficiently by controlling the appropriate fluid production rate, and the gas production will be increased. Some references can be offered for CBM wells with similar production conditions on the base of the VFD application in Fuxin area.

Fuxin; CBM well; Variable-frequency Drive (VFD)

赵飞彪，男，助理工程师，主要从事煤层气开发现场管理工作。