四川古叙矿区煤层气排采设备优化研究

段艳宁，韩保山，乔 康，巩泽文

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077）

四川古叙矿区煤层气排采设备优化研究

段艳宁1,2，韩保山2，乔 康2，巩泽文2

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077）

排采设备的选择是影响煤层气井排采效果的重要因素。目前国内普遍采用的排采设备有抽油机、螺杆泵和电潜泵，这些设备大多是从油田上移植过来，在选择上往往根据经验决定，存在着设备效率低、型号普遍偏大，投资成本偏高等问题。在分析排采设备的适应性及影响因素的基础上，结合古叙矿区实际地质条件、工程参数、产水情况等，利用层次分析法进行了排采设备的优选研究，并结合正在排采的5口井的生产经验，优选出古叙矿区最佳排采方式为抽油机；同时，通过综合考虑静载荷、动载荷、摩擦载荷的影响，对不同情况下的抽油机设备型号进行了优化。研究推荐，即当井深≤550 m时，选择CYJ3型抽油机；当井深在550～750 m时，选择CYJ4型抽油机，当井深≥750 m时，选择CYJ5型。并建议选择Φ32 mm或Φ38 mm管式泵进行排采。研究成果可为今后古叙矿区及类似地区的煤层气排采设备选择提供一定的技术支撑。

煤层气排采；设备选型优化；层次分析法；古叙矿区

煤层气地面排采是排水降压的过程，必须利用排采设备进行排水，降低储层压力，以使煤层气从煤基质中解吸出来。目前国内普遍采用的排采设备主要从油田移植过来，依照油田经验选型设计。但因国内大部分煤层气井地质条件相对复杂，煤层气自身特点及产出机理与油气相差甚远，所以从油田移植的排采设备效率低、型号普遍偏大，投资成本偏高，造成能源浪费，制约着煤层气的发展。

在分析排采设备适应性和设备选择的影响因素基础上，通过层次分析法确定影响因素的权重，建立比较矩阵，计算特征向量，最终优选出最佳排采设备。古叙矿区利用层次分析法优选出最佳排采方式为抽油机；考虑到井深、井斜、产水量以及井下生产状况等对摩擦载荷的影响，优化悬点最大载荷计算公式，提高选择机型的准确度，以及设备利用率，做到最大化节能，为后续该区煤层气地面排采设备的选择提供一定的指导。

1 排采设备类型及特点

1.1 排采设备类型

国内煤层气地面开发中，主要的排采设备有抽油机、螺杆泵和电潜泵。

抽油机——技术成熟，结构简单，可适应各种井况要求。排采不同阶段，可以利用变频电机调整抽汲参数、排采强度。适合于储层压力不限、储层温度＜120℃、井斜＜5°、井深＜2500 m、最小排量适合1～20 m3/d、出砂、煤粉较少的井。

螺杆泵——占地小、维护简单、自动化程度高、费用低、对液面要求高。在工作中，液面过高不利于排采降压，液面过低，容易造成烧泵。适合于储层压力＜10 MPa、储层温度＜90℃、井斜小于2.5°、井深＜1500 m的井。

电潜泵——排量调整范围大、运转周期长，但成本相对较高。适合于储层压力不限、储层温度＜150℃、井斜＜60°、井深＜3 000 m、最小排量适合＜60 m3/d，适合于大排量、斜井和水平井排采。

1.2 设备选择的影响因素

综合煤层气排采特点和国内煤层气开发经验，归纳出影响设备选择的因素有：生产因素、管理因素和经济因素三大类（图1）。

图1 设备选择的影响因素Figure 1 Impacting factors in equipment selection

1.3 排采设备的适应性分析

在调研国内外常用排采设备的基础上，结合前人总结的经验，对排采设备所适应的各种因素进行对比分析，为古叙矿区排采设备的选择提供理论依据，如表1所示。

2 排采设备优化

2.1 矿区概况及地质条件

2.1.1 概况

古叙矿区地处川黔边界，位于四川省泸州市古蔺县东南部。矿区位于古蔺复式背斜南翼石宝向斜的东段，北东端与大村矿段相邻；向斜北西翼西段与观文矿段毗邻；南东翼西端与椒园矿段接壤，走向长15 km，南北宽10 km，矿段总面积为130.03 km2。

矿区地处山区，地形起伏、沟壑纵横，地形条件较差，对后续排采设备的选择有一定的影响。

2.1.2 地质条件

（1）地层。各井钻遇地层由上到下依次为嘉陵江组、飞仙关组二段、飞仙关组一段、龙潭组及茅口组。从煤层气井成孔角度讲，都属于易可钻地层。但从成孔的持续性角度讲，其持续性极差，该区煤系取心钻进过程中，易发生井斜超标，井斜对后期排采设备的机型选择、杆管的偏磨等影响较大。

表1 煤层气排采设备的适应性Table 1 CBM drainage equipment adaptability

（2）煤层。矿段含可采煤层一般3～6层，可采煤层总厚3～10 m，含煤面积87 km2。全矿段估算的煤层气地质资源量为116.22×108m3（不含各煤层标高±0以下范围），煤层气资源丰富。

2.2 矿区前期排采情况

结合古叙矿区5口试验井的排采数据，其中最高日产气量214.6 m3，5口井累计产气量83732.69 m3，最大日产液量6.31 m3。具体情况如表2所示。

表2 5口井生产数据统计Table 2 Statistics of 5 CBM wells production data

通过调研排采数据及地质条件获知，古叙矿区地层倾角、地层的持续性较差，导致钻井时井斜控制困难，5口井井斜偏大，地质条件错综复杂。储层压力4.5～7.8 MPa，平均储层温度28.2℃；井深550～810 m，井斜3.79°～8.83°；截止到目前，5口排采井没有出现吐砂吐粉现象、未进行过修井作业。

2.3 排采设备优选

结合矿区复杂的地质条件，利用层次分析法进行设备优选。

层次分析法，是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。

2.3.1 建立递阶层次结构

目标层——排采设备优选。

准则层——生产因素、管理因素和经济因素。方案层——抽油机、螺杆泵和电潜泵。

2.3.2 构造两两比较矩阵

对各指标之间进行两两对比之后，然后排定各评价指标的相对优劣顺序，依次构造出评价指标的判断矩阵A。其中aij的取值表示i要素对于j要素的重要程度。

其中准则层对目标层的两两比较矩阵

方案层对准则层的两两比较矩阵

2.3.3 计算比较矩阵的最大特征值及其对应的特征向量

设矩阵的最大特征值为λmax，对应的特征向量为ω

（查找RI与矩阵阶数的对应表），认为当CR＜0.1时，判断矩阵的一致性可以接受；然后计算方案层对总目标的权向量，从而优选出最佳排采设备。

本文利用excel计算各比较矩阵的最大特征值及其特征向量，如表3所示。

表3 矩阵的特征值及其对应的特征向量Table 3 Matrix eigenvalues and corresponding eigenvectors

从表3可以看出，一致性比例CR均小于0.1，认为判断矩阵的一致性可以接受。计算方案层对总目标的权向量为：{0.6464，0.2578，0.0958}。

综上所述，古叙矿区最佳排采设备为抽油机，其次为螺杆泵。

2.4 抽油机机型优化

抽油机机型的选择对于后续排采的连续性、节能效果影响很大，因此机型选择很重要。

抽油机机型的选择是根据悬点最大载荷来确定的。抽油杆柱载荷、作用在柱塞上的液柱载荷及惯性载荷是构成悬点载荷的三项基本载荷。假设采用D级Φ19 mm抽油杆，冲程1.5 m，冲次3次/min，假设载荷只与三项基本载荷有关，其他载荷忽略不计的情况下，计算抽油杆最大折算应力为46.72 N/mm2＜D级抽油杆的许用应力110 N/mm2，因此，D级Φ19 mm抽油杆完全可以满足矿区的排采要求。

针对古叙矿区地层倾角大、地质条件复杂等因素，结合以往排采数据，在计算悬点最大载荷时，不能仅仅考虑三项基本载荷，还要考虑井深，井斜、产水量大小等因素对摩擦载荷的影响，从而进一步优化载荷计算公式，同时结合载荷利用率及现场情况，优选出最适合的机型，满足连续排采的要求。

2.4.1 载荷公式优化

悬点载荷由静载荷、动载荷和摩擦载荷组成。悬点最大载荷发生在上冲程中，因此以下陈述和计算，仅为上冲程中各载荷的大小。

（1）静载荷。在一般近似计算中，静载荷由Wr和Wl组成。其中

Wr=frρsgL Wl=(fw-fr) Lρlg

（2）动载荷。一般只考虑抽油杆柱和液柱变速运动产生的惯性载荷Iru。

（3）摩擦载荷。抽油机在上冲程工作时，作用在悬点上的摩擦载荷有：抽油杆柱与油管的摩擦力F1、柱塞与泵筒之间的摩擦力F2、液柱与油管之间的摩擦力F3[1]。

煤层气排水采气过程中，由于采出液主要是水，而不是可以起润滑作用的油，由此造成杆管间、柱塞和泵筒间以及液柱与油管间的摩擦力增大。

结合5口井的井深和杆径，以及煤层气井的开采经验，F1的取值为抽油杆质量的1.5%；DH为柱塞截面直径，δ为柱塞与泵筒间的间隙，通常取0.053 mm。

式中：K为油管内径与抽油杆直径比值。

结合矿区的实际情况，井深、井斜对摩擦载荷的影响不能忽略，因此，悬点最大载荷计算公式，增加了后三项摩擦载荷，使机型的选择更加趋于合理。

2.4.2 机型等设备优化

古叙矿区5口排采井中，X-03井，排采初期根据经验选择CYJ4型抽油机，排采过程中出现前重后轻，抽油机严重不平衡的现象，而且已经无法再加平衡重进行调节。

投产时，根据预测产量选择了Φ44 mm的泵进行生产，同时配套井口回流装置使用，方便控制排采强度。而结合实际排采数据发现，最大日产水量6.31 m3，选择Φ44 mm管式泵进行生产，泵径偏大。

2.4.2.1 机型优化

假设冲程为1.5 m，冲次为3次/min，抽油杆直径为19 mm，根据古叙矿区5口井的井深、泵径和杆径等数据，考虑到摩擦载荷的影响，得出5口井的最大载荷[2-4]如表4。

表4 5口井悬点最大载荷Table 4 Maximum polished rod load of 5 CBM wells

影响悬点载荷的因素很多，主要有泵挂深度、井斜、产水量等生产参数，泵径、杆径等设备参数以及井下生产状况等。

（1）悬点最大载荷与泵挂深度呈正相关。从图2可以看出，抽油机最大悬点载荷随着泵挂深度的增加线性增大，泵挂深度是影响设备型号的主要因素。

图2 泵挂深度与悬点最大载荷关系Figure 2 Relationship between pump setting depth and maximum polished rod load

（2）摩擦载荷与井斜的关系[5-7]。

由图3可以看出：

图3 摩擦载荷与井斜的关系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的泵挂深度小于X-04，摩擦载荷与泵挂深度呈正相关关系。

②摩擦载荷降低段：井X-04和X-02，两者井斜相差3°，但X-02的摩擦载荷却较小，因为深度较X-04浅，且X-02井产水量高，相当于起到了一定的润滑作用，减小了彼此的摩擦力，因此，摩擦载荷的最主要因素是井深，其次是井斜、产水量等因素。

③摩擦载荷增加段：井X-02、X-01和X-03，泵挂深度、井斜依次增加，虽然产水量有差距，但差距较小，其摩擦载荷线性增加，说明泵挂深度和井斜在摩擦载荷中起到重要作用，产水量影响较小，但也不能忽略。

因此，影响摩擦载荷大小的主要因素有泵挂深度、井斜，次要因素有产水量、井下生产状况等。

在现场应用中，考虑到载荷利用率60%～80%[3]，结合上述对悬点载荷与泵挂深度、摩擦载荷与井斜关系的分析，以及各载荷计算中与泵径、杆径的关系，从表4可以看出，当悬点最大载荷≤额定载荷的70%，认为选择合理，否则选择大一型的抽油机进行排采。

综上所述，当井深≤550 m时，选择CYJ3型抽油机；当井深在550～750 m时，选择CYJ4型抽油机，当井深≥750 m时，选择CYJ5型。

对X-03井而言，因为不平衡无法调节，最后更换为CYJ5型抽油机，一直运转良好。这也验证了上述所总结的井深大于750 m，选择CYJ5型抽油机的判断。

2.4.2.2 泵径优化

在尽可能满足最大产液量的前提下，建议采用小泵径。这是因为在同样的井况条件下，泵径越小，悬点载荷越小，有利于减少能耗、延长设备寿命[8-10]。

设定冲程为1.5 m，分析不同泵径不同冲次下的理排（表5）。

表5 不同泵径不同冲次下的理排Table 5 Theoretical water discharge under different pump diameters and stroke numbers

本次5口排采井的抽油泵都选择Φ44 mm管式泵，而5口井中，最大日产水量为6.31 m3/d，根据表5可以看出，Φ32 mm或Φ38 mm管式泵能够满足排采要求。针对上述情况，目前在利用Φ44 mm泵抽采的条件下，结合利用回流装置控制排采强度；在无特殊因素影响下，为了避免间断抽采对排采效果的影响，在下次修井作业时，一并将抽油泵换小泵径Φ 32 mm或Φ38 mm进行排采，不仅能够满足生产需要，同时做到节能减排。

3 结论

（1）利用层次分析法，将影响排采设备选择的因素建立比较矩阵，将多因素问题简单化进行设备选型，具有一定的优势，最终优选出古叙矿区最佳排采设备为抽油机。

（2）结合实际泵挂深度、井斜、产水量等因素，分析了影响悬点最大载荷的主要因素是泵挂深度和井斜，其次是产水量、泵径、杆径等生产参数和设备参数，最后井下生产状况也不容忽略。

（3）结合古叙矿区的排采经验，考虑各因素的影响大小，进行机型优化，即当井深≤550 m时，选择CYJ3型抽油机；当井深在550～750 m时，选择CYJ4型抽油机，当井深≥750 m时，选择CYJ5型。

（4）对于抽油泵的选择，在满足产液量的条件下，尽量选择小泵径进行生产，既满足排采需求，又节约成本，结合古叙矿区实际产水量，最终选择Φ 32 mm或Φ38 mm管式泵进行排采。

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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

段艳宁（1986—），女，陕西华阴人，在读硕士研究生，从事煤层气开发研究。

2016-08-29

责任编辑：樊小舟