煤层气井智能型低能耗排采工艺技术

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煤层气井智能型低能耗排采工艺技术胡捍东（中国石油新疆油田公司采油工程研究院)摘要：煤层气主要以吸附形式储藏于煤岩中，少部分以溶解、游离状态储存于煤层水和煤层空隙和裂隙。煤层的产气过程可概述为：排水→降压→解吸→扩散→渗流→流向井底→产出。煤层气井能否实现长期、有效开采，排采过程有效地控制压裂支撑剂返吐和煤粉的产出是十分重要的，其关键是控制排采过程的井底流压，适合的排采工艺技术是控制井底流压的基础。我国目前主要的排采工艺技术，主要是与油田采油相同的游梁式抽油机与管式泵的组合，即常规抽油机井系统。该系统对于煤层气井排采一般存在如下问题：①功能单一，系统效率低，能耗高，易出现机、泵不配套的问题；②因泵漏、泵卡及机杆管磨损等问题需停机作业，难以满足煤层气井长时间连续排采要求；③调整抽吸参数困难（调整泵径和泵挂深度需修井作业；调整冲程、冲次需专业队伍和设备），难以控制合理排采强度。所以无法完全满足煤层气排采工艺技术的要求。针对上述问题，本文介绍了一种适用于煤层气开采的、能够自动调控排采强度，同时也为低能耗、低排采成本和比较环保的智能化柔性排采工艺系统。关键词：煤层气井智能自控低能耗排采工艺0前言煤层气藏的天然气主要以吸附形式储藏于煤岩中，少部分以溶解、游离状态储存于煤层水和煤层空隙和裂隙。其产气过程可概述为：排水→降压→解吸→渗流→流向井底→产出（见图1），由于煤层低渗一般需对其压裂造缝，形成气液通道后才能开采。压裂又会在较脆、易碎煤层中产生大量的煤粉颗粒，影响开采。煤层气井排采过程可分为排水降压阶段、稳产阶段和产量递减阶段等三个阶段，各阶段具有不同的排采参数特征。因此，煤层气排采工艺技术主要是围绕合理的排采制度，进行精细的排采控制，以有效地控图1煤层气藏产气过程示意图2常规排采工艺技术示意作者简介：胡捍东，男、1960.2出生，1985年毕业于新疆石油学院，现工作单位：新疆油田公司采油工程研究院，职称：高级工程师，从事学科研究方向：油气田开发测井和采油工程新技术，通信地址：克拉玛依市胜利路87号，邮编：834000，电话：0990-6881900、邮箱：hhd@petrochina.com.cn。 制压裂支撑剂返吐和煤粉的产出，其关键是控制排采过程的井底流压，其基础是应用适应的排采装备。煤层气排采工艺方法，我国目前主要用的是有杆泵法，即与油田采油相同的游梁式抽油机与管式泵组合（下称常规工艺技术），进行油管排水，套管采气（见图2）。对于煤层气井，该工艺存在以下问题：①设备功能单一，存在运动性能差、传递环节较多，系统效率低，能耗高，易出现机、泵不配套的问题；②由于泵漏、泵卡及机杆管磨损等问题需经常停机作业，难以满足煤层气井长时间连续排采要求；③煤层气的产出具有解吸、扩散和渗流三种形式，经历了单相水流、不饱和两相流和两相流三个阶段。合理的排采强度是实现此三个阶段的平稳过渡的关键，是确保煤层气井稳产、高产的前提。如果排采强度过大，则易出现压裂支撑剂返吐和煤粉颗粒堵塞煤层气产出通遒，使得储层严重伤害；如果排采强度过低，将无法发挥有效产能，造成产气量过低低、开发成本较高的问题。因此，合理的排采制度和精细的排采控制是保证煤层气井稳产、高产的基础，而常规排采工艺技术调整抽吸参数困难（调整泵径和泵挂深度需修井作业；调整冲程、冲次需专业队伍和设备），难以控制合理排采强度。所以无法完全满足煤层气排采工艺技术的要求。针对上述问题，本文介绍了一种适用于煤层气开采的智能型排采工艺技术，即多功能柔性智能排采工艺技术。1工艺技术构成1.1系统构成系统主要由电机系统、绞车装置、复合柔性钢缆（内置导线）、井下活塞装置和地面控制系统等构成。1.2地面抽吸机的组成地面抽吸机主要由⑴机架、⑵刹车装置、⑶钢缆滚筒、⑷智能控制柜、⑸减速器及其电机、⑹排绳装置、⑺排绳器、⑻复合钢丝绳（特制电缆）、⑼斜拉支架、⑽支撑滑轮、⑾导向横梁、⑿导向滑轮计数器、⒀导向支架、⒁井口密封器、⒂活塞体等组成，见图1-1所示。 111210987654133142115图1-1抽吸机结构示意图1.3井口及井下泵管柱组成主要由井口密封装置、单流阀和闸门等部件组成；井下主要油管、压力传感器、活塞体和加重杆等部件组成，见1-2图所示。2、主要配套技术简介2.1活塞及胶筒技术活塞的内部结构如2-1图所示，主要由2组胶筒、3组凡尔和钢体等部件组成。下行时在加重杆作用下，胶筒有被拉伸回缩功能，便于下行；上行时在液柱压力作用下，会自动膨胀，从而可达到减少漏失、提高抽油效率的功能。 上接头上凡尔上胶筒中心管中凡尔下胶筒下凡尔下接头图1-2抽吸系统井口及井下管柱示意图2-1活塞体结构示意图图2-2胶筒结构示意图胶筒（见图2-2所示），为克服磨损造成的漏失，在其内部加一层钢环，这样可以让胶筒随着磨损始终保持一定的状态，从而提高密封性和活塞的使用寿命（一般胶筒的使用周期在6个月左右）。2.2、复合柔性钢缆技术主要由芯线、多股钢丝绳、充填胶合材料和非金属外铠层组成，见图2-3。采用复合材料将钢丝绳的缝隙完全填满，同时用耐温较宽（-40—+60℃）的特制非金属复合材料外铠包 充填料外铠层钢丝绳芯线图2-3复合钢缆结构示意图图2-4复合钢缆样片裹，不仅大幅度降低与盘根的摩擦力，便于动密封，又加强钢缆的强度，经现场试验证明不仅比普通钢丝绳使用寿命更长，而且井口的密封效果更好。如图2-4所示。2.3、井口密封技术针对复合钢丝绳的特性，井口采用特制盘根密封结构，如图2-5所示。其盘根除可以自动抱紧钢丝绳、起到密封作用外，还具有磨损后自动补偿的功效，以保证较好的密封效果。2.4、油管接头的处理技术由于本抽吸系统是把整个油管作为工作筒进行抽吸的，普通油管接箍内、两油管接头处的凹槽会磨损活塞胶筒，为此，特制了一与其配套的油管接头内衬管（见图2-6），下油管时将其置于接箍内弥补两个油管接头处的凹槽，使油管内部平整，以保证了活塞的抽吸效率。图2-6油管接头内衬管图2-5井口密封器结构示意3、工艺系统工作原理本系统以柔性钢丝绳代替原刚性抽油杆，能量传递从绞车穿过井口密封装置，直作用在井下活塞体上， 使地面部分和井下活塞的动力传递为一体。活塞把整个油管柱作为工作筒，其运行受地面控制器控制。活塞下行时，绞车制动器在控制器的作用下自动松开，活塞体在自重、钢缆重量和加重杆的作用下自动下行（电机不工作），同时安装在活塞体上的压力传感器将所检测到的井下压力信号反馈给地面控制器，判断出活塞体是否入液面，当活塞体到达液面时，控制器则记录液面深度，活塞继续下行（两凡尔球在液体浮力作用下开启，液体通过活塞进入油管），下行的停止时刻和上抽的开始时刻，由地面控制器根据设定的抽吸参数智能判断。分两种情况，一是当活塞下行还未到达设置抽吸深度，而活塞以上的液柱高度已经到达设置抽吸高度时，下行停止，转为上行抽油；二是当下行至所设置的抽吸深度时，活塞上方的液柱高度还未到达设置的抽吸高度，则抽油机停止下行，等待液面恢复达到设置抽吸高度时，开始上行抽吸，即举升活塞上部液体同时吸入套管液体。至设计（或限位传感器）位置时停止上行（绞车制动器制动）。至此，完成一个抽吸周期。下一个抽吸周期开始时刻，也由控制器根据液面恢复速度自行确定（即抽吸的间歇时间），待液面恢复到设定的液柱高度后，绞车制动器自动松开，活塞体下行，开始下一个工作循环。由于本系统的抽吸的间歇时间和下行深度都是根据每次测得的液面动态变化情况而确定的，避免干抽，所以抽吸效率较高。4、工艺系统主要特点4.1自动控制排采强度由于井底流压变化可反映产气井的渗流特征，是制定合理排采制度和进行精细化排采控制的基础，所以本系统在活塞体上安装了压力传感器，实时在线监测井底流压。同时，绞车系统由西门子的PLC控制电机、制动器及相关电功能传感器等部件组成，在控制器面板上可方便设置排采制度，如抽吸深度（泵深和冲程）、抽吸速度（冲次）和抽吸时间等，控制器通过检测到的相关参数进行综合分析，自动控制系统严格按设定的定压或定产制度排采，从而使排采强度稳定、产气量较高。图4-1控制器控制面板照片4.2自动测试液面、流压等生产曲线控制系统利用装在活塞体上的压力传感器及控制系统的时钟电路，可自动测试液面、井底流压和活塞位置等多种参数。图5-1为部分监测曲线，自上而下分别为活塞体位置曲线（蓝色），液面曲线（黑色）、压力曲线（绿色）、电流曲线（红色）。 图5-1控制面板显示的系统自动监测的运行曲线4.3自动计量抽吸产量控制系统的处理器可根据上述参数，自动计算出每一周期抽出液的体积和相对密度（液柱的压力差。通过液体密度、水密度及其油密度，系统还可计算出液体的含水率），即可准确计算、记录每天的产量。4.4可远程监控控制系统集成了GPRS技术，利用移动通信的商业频段，可在控制室用电脑或授权的手机，实现对抽油机的远程监控（控制系统自动验证权限）。主要监控功能如下：①故障自动检测远传报警。运行时会实时地对设备自身进行故障检测，当发生故障时，如停电、下行遇阻、负荷过大过小、电流异常等，系统会将故障信息发送到控制室和设定的工作人员的手机上。②设备运行状态监视功能。用户可以通过手机向抽油机发送短信运行状态，设备收到信息并通过验证后，系统会将当前速度、当前负荷、活塞现在的位置、电机电流、液面位置、下行深度、上行深度、间歇时间、已运行的次数等参数，以短信的形式回复给用户。③产量查询功能。用户可以通过手机向抽油机发送短信查询当前井的产量信息。如：发送“井码号+产量？”，则用户手机就会收到“当前日产12.11，上日产量12.33，上月份产量144.36”的短信。④远程控制功能。授权用户可以用手机向本系统发送控制短信，对抽油机进行启停控制。⑤防盗功能。地面装置在各个敏感的位置都安装有防盗传感器，并配备有备用电源，停电不会影响到防盗系统的正常运行。在防盗系统处于运行的状态时，如果有人未经许可拆卸设备时，控制系统会拉响警报，同时向所有拥有监控权限的人员以及控制室发送“入侵警报”信息，并按照一定的时间间隔循环发送，直至警报解除，或用户关闭防盗系统。5、与常规排采系统相比主要优点5.1能耗较低，可节电60-80％。主要原因为：①钢缆重量轻。φ19mm的复合材料钢缆的重量为1.0kg/m，比同规格抽油杆（2.11kg/m）的重量轻一倍； ②电机运转方式不同。常规抽油机工作时电机需24小时运转；本系统工作时，只有上行抽吸时电机才运转，下行则是靠加重杆和钢缆自重运行，电机不工作。负A线B线5-1工作时两系统理论负荷线变化示意图5-2常规抽油机系统抽吸示意③工作时，抽油机的负荷不同。常规抽油机系统工作时，抽油机始终要克服活塞以上液柱重量，即抽吸时油管内液体始终满至井口（见图5-2）。所以每抽出1冲程液体，抽油机都要承担（泵挂深度-1冲程）液柱重量图的负荷，为接替抽吸，从泵挂将液体举升到地面，其理论负荷线的变化如图5-1中A；本抽吸系统由于是连续抽吸，从泵挂将液体举升到地面，活塞上覆载荷随着液体的排出则逐渐减小至0，其理论负荷线的变化如图5-1中B。所以总负荷大约只有常规抽油机系统的一半。5.2泵效高、排量大，主要原因为：①冲程损失较小。常规抽油机系统在抽油过程中，由于抽油杆和油管的形变，存在长度为λ的冲程损失，如图5-3。图5-4为用机采效率监测仪在一常规抽油机系统井上实测的示功图：该井泵深1705m，地面实际冲程为2.53m，实测井下有效冲程只有1.63m，冲程损失:0.9m，损失率为35.6%。本系统也会产生的钢缆形变，但会转化为举升动能做有用功。图5-3常规抽油系统理论示功图5-4常规抽油机系统实测示功图②本系统为柔性连续抽油杆体系，抽吸时无常规抽油杆接头产生的活塞效应，根据相关研究成果可知，连 续抽油杆系统比常规抽油杆系统可提高功效20-30%。③该系统可根据液面深度、液面恢复速度等参数自动设定合理的工作制度（间抽时间、抽吸速度等），使抽汲参数与地层供液能力合理的配合、避免干抽，所以泵效可达75%以上。④由于将整个油管柱作为工作筒（2.5吋油管相当于φ62mm的泵径）进行抽吸，所以排量较大。如果供液能力够，1000m的泵深最大理论排量可达40m3/d，相比于冲程为1.5m、冲次8次/分的38mm管式泵，其最大理论排量为19.58m3/d来说高104.3%。5.3管理成本低且环保由于该工艺系统，不会向常规系统发生偏磨、泵卡等问题，所以不需要经常修井作业（活塞漏失，排采工自己就可更换），也不需要热洗清蜡、专业队伍调抽吸参数和单独测试功图液面和计量产量。所以直接管理成本比常规抽油机低很多，以克油田五1区为例，年直接管理费见下表，即本工艺系统可比常规抽油井系统节约约5.52万元，节省率约为84.7%。同时，由于不需要上述单独作业，所以比较环保。抽油机热洗检泵功图液面测试抽油机保养合计次数费用次数费用次数费用次数费用常规系统21.013.5120.2231.86.52本系统21.01.0对比-1.0-3.5-0.22-2-0.8-5.525.4体积相对较小，易于复杂地形安装见图5-5所示，与同型号常规抽油机系统相比，体积仅有2/3，更适合地势环境比较复杂的山区安装。图5-5本工艺系统现场安装照片6结论①要保证煤层气井的稳产、高产，合理的排采制度和精细控制是关键，其核心是控制排采过程中的井底流 压，本技术看根据排采技术的要求，自动控制井底流压。②多功能柔性智能排采系统，其控制系统集成多种相关传感器，可在控制器面板上方便的设置排采制度，控制系统可智能分析相关参数，自动控制排采强度，保证系统严格按设定的排采制度运行，确保排采强度合理。③与常规排采工艺系统相比，多功能柔性智能排采系统具有低耗（可节电60-80％）；泵效较高可达75%以上；直接管理成本可降低80%。比常规工艺系统更加环保。④可自动监测流压、液面、电流、电压和计量产量等生产参数，并具有远程监控和防盗功能。⑤体积相对较小，仅有同型号常规抽油机系统体积2/3，更适合环境比较复杂的山区安装。参考文献[1]饶孟余，江舒华.煤层气井排采技术分析[J].中国煤层气，2010年，7（1）：22-25[2]赵群,王洪岩,李景明等.快速排采对低渗透煤层气井产能伤害的机理研究[J].山东科技大学学报(自然科学版)，2008,27(3):27-31[3]康永尚,邓泽,刘洪林.我国煤层气井排采工作制度探讨[J].天然气地球科学,2008,19(3):423-426[4]杨秀春,李明宅.煤层气排采动态参数及其相互关系[J].煤田地质与勘探,2008,36(2):19-23[5]姚艳芳,李新春等.煤层气井排采试气技术[J].油气井测试,2001,10(4)：70-72[6]张怀文，程维恒.煤层气开采工艺技术[J].新疆石油科技，2010年，20（4）：33-39[7]刘景涛，梁立移，孙顺东.游梁式抽油机在煤层气开采中的应用与改进，2006第六届国际煤层气研讨会[8]曹立刚，郭海林，顾谦隆.煤层气井排采过程中各排采参数间关系的探讨[J].中国煤田地质,2000，12(1):31−35.[9]程百利.煤层气排采工艺研究[J].石油天然气学报，2010年，32（6）：480-482[10]智能提捞抽油机说明书