段艷寧，韓保山，喬 康，鞏澤文

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

排采設(shè)備的選擇是影響煤層氣井排采效果的重要因素。目前國(guó)內(nèi)普遍采用的排采設(shè)備有抽油機(jī)、螺桿泵和電潛泵，這些設(shè)備大多是從油田上移植過(guò)來(lái)，在選擇上往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定，存在著設(shè)備效率低、型號(hào)普遍偏大，投資成本偏高等問(wèn)題。在分析排采設(shè)備的適應(yīng)性及影響因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合古敘礦區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件、工程參數(shù)、產(chǎn)水情況等，利用層次分析法進(jìn)行了排采設(shè)備的優(yōu)選研究，并結(jié)合正在排采的5口井的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)選出古敘礦區(qū)最佳排采方式為抽油機(jī)；同時(shí)，通過(guò)綜合考慮靜載荷、動(dòng)載荷、摩擦載荷的影響，對(duì)不同情況下的抽油機(jī)設(shè)備型號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化。研究推薦，即當(dāng)井深≤550 m時(shí)，選擇CYJ3型抽油機(jī)；當(dāng)井深在550～750 m時(shí)，選擇CYJ4型抽油機(jī)，當(dāng)井深≥750 m時(shí)，選擇CYJ5型。并建議選擇Φ32 mm或Φ38 mm管式泵進(jìn)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(shè)備選擇提供一定的技術(shù)支撐。

煤層氣排采；設(shè)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(guò)程，必須利用排采設(shè)備進(jìn)行排水，降低儲(chǔ)層壓力，以使煤層氣從煤基質(zhì)中解吸出來(lái)。目前國(guó)內(nèi)普遍采用的排采設(shè)備主要從油田移植過(guò)來(lái)，依照油田經(jīng)驗(yàn)選型設(shè)計(jì)。但因國(guó)內(nèi)大部分煤層氣井地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，煤層氣自身特點(diǎn)及產(chǎn)出機(jī)理與油氣相差甚遠(yuǎn)，所以從油田移植的排采設(shè)備效率低、型號(hào)普遍偏大，投資成本偏高，造成能源浪費(fèi)，制約著煤層氣的發(fā)展。

在分析排采設(shè)備適應(yīng)性和設(shè)備選擇的影響因素基礎(chǔ)上，通過(guò)層次分析法確定影響因素的權(quán)重，建立比較矩陣，計(jì)算特征向量，最終優(yōu)選出最佳排采設(shè)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(jī)；考慮到井深、井斜、產(chǎn)水量以及井下生產(chǎn)狀況等對(duì)摩擦載荷的影響，優(yōu)化懸點(diǎn)最大載荷計(jì)算公式，提高選擇機(jī)型的準(zhǔn)確度，以及設(shè)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(shè)備的選擇提供一定的指導(dǎo)。

1 排采設(shè)備類型及特點(diǎn)

1.1 排采設(shè)備類型

國(guó)內(nèi)煤層氣地面開(kāi)發(fā)中，主要的排采設(shè)備有抽油機(jī)、螺桿泵和電潛泵。

抽油機(jī)——技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可適應(yīng)各種井況要求。排采不同階段，可以利用變頻電機(jī)調(diào)整抽汲參數(shù)、排采強(qiáng)度。適合于儲(chǔ)層壓力不限、儲(chǔ)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(hù)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、費(fèi)用低、對(duì)液面要求高。在工作中，液面過(guò)高不利于排采降壓，液面過(guò)低，容易造成燒泵。適合于儲(chǔ)層壓力＜10 MPa、儲(chǔ)層溫度＜90℃、井斜小于2.5°、井深＜1500 m的井。

電潛泵——排量調(diào)整范圍大、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，但成本相對(duì)較高。適合于儲(chǔ)層壓力不限、儲(chǔ)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(shè)備選擇的影響因素

綜合煤層氣排采特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，歸納出影響設(shè)備選擇的因素有：生產(chǎn)因素、管理因素和經(jīng)濟(jì)因素三大類（圖1）。

圖1 設(shè)備選擇的影響因素Figure 1 Impacting factors in equipment selection

1.3 排采設(shè)備的適應(yīng)性分析

在調(diào)研國(guó)內(nèi)外常用排采設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)排采設(shè)備所適應(yīng)的各種因素進(jìn)行對(duì)比分析，為古敘礦區(qū)排采設(shè)備的選擇提供理論依據(jù)，如表1所示。

2 排采設(shè)備優(yōu)化

2.1 礦區(qū)概況及地質(zhì)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(fù)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(zhǎng)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(duì)后續(xù)排采設(shè)備的選擇有一定的影響。

2.1.2 地質(zhì)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(guān)組二段、飛仙關(guān)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(jìn)過(guò)程中，易發(fā)生井斜超標(biāo)，井斜對(duì)后期排采設(shè)備的機(jī)型選擇、桿管的偏磨等影響較大。

表1 煤層氣排采設(shè)備的適應(yīng)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(zhì)資源量為116.22×108m3（不含各煤層標(biāo)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(jié)合古敘礦區(qū)5口試驗(yàn)井的排采數(shù)據(jù)，其中最高日產(chǎn)氣量214.6 m3，5口井累計(jì)產(chǎn)氣量83732.69 m3，最大日產(chǎn)液量6.31 m3。具體情況如表2所示。

表2 5口井生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of 5 CBM wells production data

通過(guò)調(diào)研排采數(shù)據(jù)及地質(zhì)條件獲知，古敘礦區(qū)地層傾角、地層的持續(xù)性較差，導(dǎo)致鉆井時(shí)井斜控制困難，5口井井斜偏大，地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜。儲(chǔ)層壓力4.5～7.8 MPa，平均儲(chǔ)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(méi)有出現(xiàn)吐砂吐粉現(xiàn)象、未進(jìn)行過(guò)修井作業(yè)。

2.3 排采設(shè)備優(yōu)選

結(jié)合礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，利用層次分析法進(jìn)行設(shè)備優(yōu)選。

層次分析法，是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。

2.3.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)

目標(biāo)層——排采設(shè)備優(yōu)選。

準(zhǔn)則層——生產(chǎn)因素、管理因素和經(jīng)濟(jì)因素。方案層——抽油機(jī)、螺桿泵和電潛泵。

2.3.2 構(gòu)造兩兩比較矩陣

對(duì)各指標(biāo)之間進(jìn)行兩兩對(duì)比之后，然后排定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)劣順序，依次構(gòu)造出評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣A。其中aij的取值表示i要素對(duì)于j要素的重要程度。

其中準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的兩兩比較矩陣

方案層對(duì)準(zhǔn)則層的兩兩比較矩陣

2.3.3 計(jì)算比較矩陣的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量

設(shè)矩陣的最大特征值為λmax，對(duì)應(yīng)的特征向量為ω

（查找RI與矩陣階數(shù)的對(duì)應(yīng)表），認(rèn)為當(dāng)CR＜0.1時(shí)，判斷矩陣的一致性可以接受；然后計(jì)算方案層對(duì)總目標(biāo)的權(quán)向量，從而優(yōu)選出最佳排采設(shè)備。

本文利用excel計(jì)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(duì)應(yīng)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(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受。計(jì)算方案層對(duì)總目標(biāo)的權(quán)向量為：{0.6464，0.2578，0.0958}。

綜上所述，古敘礦區(qū)最佳排采設(shè)備為抽油機(jī)，其次為螺桿泵。

2.4 抽油機(jī)機(jī)型優(yōu)化

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

抽油機(jī)機(jī)型的選擇是根據(jù)懸點(diǎn)最大載荷來(lái)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(gòu)成懸點(diǎn)載荷的三項(xiàng)基本載荷。假設(shè)采用D級(jí)Φ19 mm抽油桿，沖程1.5 m，沖次3次/min，假設(shè)載荷只與三項(xiàng)基本載荷有關(guān)，其他載荷忽略不計(jì)的情況下，計(jì)算抽油桿最大折算應(yīng)力為46.72 N/mm2＜D級(jí)抽油桿的許用應(yīng)力110 N/mm2，因此，D級(jí)Φ19 mm抽油桿完全可以滿足礦區(qū)的排采要求。

針對(duì)古敘礦區(qū)地層傾角大、地質(zhì)條件復(fù)雜等因素，結(jié)合以往排采數(shù)據(jù)，在計(jì)算懸點(diǎn)最大載荷時(shí)，不能僅僅考慮三項(xiàng)基本載荷，還要考慮井深，井斜、產(chǎn)水量大小等因素對(duì)摩擦載荷的影響，從而進(jìn)一步優(yōu)化載荷計(jì)算公式，同時(shí)結(jié)合載荷利用率及現(xiàn)場(chǎng)情況，優(yōu)選出最適合的機(jī)型，滿足連續(xù)排采的要求。

2.4.1 載荷公式優(yōu)化

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

（1）靜載荷。在一般近似計(jì)算中，靜載荷由Wr和Wl組成。其中

Wr=frρsgL Wl=(fw-fr) Lρlg

（2）動(dòng)載荷。一般只考慮抽油桿柱和液柱變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性載荷Iru。

（3）摩擦載荷。抽油機(jī)在上沖程工作時(shí)，作用在懸點(diǎn)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(guò)程中，由于采出液主要是水，而不是可以起潤(rùn)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(jié)合5口井的井深和桿徑，以及煤層氣井的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)1的取值為抽油桿質(zhì)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(nèi)徑與抽油桿直徑比值。

結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況，井深、井斜對(duì)摩擦載荷的影響不能忽略，因此，懸點(diǎn)最大載荷計(jì)算公式，增加了后三項(xiàng)摩擦載荷，使機(jī)型的選擇更加趨于合理。

2.4.2 機(jī)型等設(shè)備優(yōu)化

古敘礦區(qū)5口排采井中，X-03井，排采初期根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇CYJ4型抽油機(jī)，排采過(guò)程中出現(xiàn)前重后輕，抽油機(jī)嚴(yán)重不平衡的現(xiàn)象，而且已經(jīng)無(wú)法再加平衡重進(jìn)行調(diào)節(jié)。

投產(chǎn)時(shí)，根據(jù)預(yù)測(cè)產(chǎn)量選擇了Φ44 mm的泵進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)配套井口回流裝置使用，方便控制排采強(qiáng)度。而結(jié)合實(shí)際排采數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，最大日產(chǎn)水量6.31 m3，選擇Φ44 mm管式泵進(jìn)行生產(chǎn)，泵徑偏大。

2.4.2.1 機(jī)型優(yōu)化

假設(shè)沖程為1.5 m，沖次為3次/min，抽油桿直徑為19 mm，根據(jù)古敘礦區(qū)5口井的井深、泵徑和桿徑等數(shù)據(jù)，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(diǎn)最大載荷Table 4 Maximum polished rod load of 5 CBM wells

影響懸點(diǎn)載荷的因素很多，主要有泵掛深度、井斜、產(chǎn)水量等生產(chǎn)參數(shù)，泵徑、桿徑等設(shè)備參數(shù)以及井下生產(chǎn)狀況等。

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

圖2 泵掛深度與懸點(diǎn)最大載荷關(guān)系Figure 2 Relationship between pump setting depth and maximum polished rod load

（2）摩擦載荷與井斜的關(guān)系[5-7]。

由圖3可以看出：

圖3 摩擦載荷與井斜的關(guān)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(guān)關(guān)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?yàn)樯疃容^X-04淺，且X-02井產(chǎn)水量高，相當(dāng)于起到了一定的潤(rùn)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(chǎn)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(chǎn)水量有差距，但差距較小，其摩擦載荷線性增加，說(shuō)明泵掛深度和井斜在摩擦載荷中起到重要作用，產(chǎn)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(chǎn)水量、井下生產(chǎn)狀況等。

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，考慮到載荷利用率60%～80%[3]，結(jié)合上述對(duì)懸點(diǎn)載荷與泵掛深度、摩擦載荷與井斜關(guān)系的分析，以及各載荷計(jì)算中與泵徑、桿徑的關(guān)系，從表4可以看出，當(dāng)懸點(diǎn)最大載荷≤額定載荷的70%，認(rèn)為選擇合理，否則選擇大一型的抽油機(jī)進(jìn)行排采。

綜上所述，當(dāng)井深≤550 m時(shí)，選擇CYJ3型抽油機(jī)；當(dāng)井深在550～750 m時(shí)，選擇CYJ4型抽油機(jī)，當(dāng)井深≥750 m時(shí)，選擇CYJ5型。

對(duì)X-03井而言，因?yàn)椴黄胶鉄o(wú)法調(diào)節(jié)，最后更換為CYJ5型抽油機(jī)，一直運(yùn)轉(zhuǎn)良好。這也驗(yàn)證了上述所總結(jié)的井深大于750 m，選擇CYJ5型抽油機(jī)的判斷。

2.4.2.2 泵徑優(yōu)化

在盡可能滿足最大產(chǎn)液量的前提下，建議采用小泵徑。這是因?yàn)樵谕瑯拥木疀r條件下，泵徑越小，懸點(diǎn)載荷越小，有利于減少能耗、延長(zhǎng)設(shè)備壽命[8-10]。

設(shè)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(chǎn)水量為6.31 m3/d，根據(jù)表5可以看出，Φ32 mm或Φ38 mm管式泵能夠滿足排采要求。針對(duì)上述情況，目前在利用Φ44 mm泵抽采的條件下，結(jié)合利用回流裝置控制排采強(qiáng)度；在無(wú)特殊因素影響下，為了避免間斷抽采對(duì)排采效果的影響，在下次修井作業(yè)時(shí)，一并將抽油泵換小泵徑Φ 32 mm或Φ38 mm進(jìn)行排采，不僅能夠滿足生產(chǎn)需要，同時(shí)做到節(jié)能減排。

3 結(jié)論

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

（2）結(jié)合實(shí)際泵掛深度、井斜、產(chǎn)水量等因素，分析了影響懸點(diǎn)最大載荷的主要因素是泵掛深度和井斜，其次是產(chǎn)水量、泵徑、桿徑等生產(chǎn)參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，最后井下生產(chǎn)狀況也不容忽略。

（3）結(jié)合古敘礦區(qū)的排采經(jīng)驗(yàn)，考慮各因素的影響大小，進(jìn)行機(jī)型優(yōu)化，即當(dāng)井深≤550 m時(shí)，選擇CYJ3型抽油機(jī)；當(dāng)井深在550～750 m時(shí)，選擇CYJ4型抽油機(jī)，當(dāng)井深≥750 m時(shí)，選擇CYJ5型。

（4）對(duì)于抽油泵的選擇，在滿足產(chǎn)液量的條件下，盡量選擇小泵徑進(jìn)行生產(chǎn)，既滿足排采需求，又節(jié)約成本，結(jié)合古敘礦區(qū)實(shí)際產(chǎn)水量，最終選擇Φ 32 mm或Φ38 mm管式泵進(jìn)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(kāi)發(fā)研究。

2016-08-29

責(zé)任編輯：樊小舟