“煤層氣井排采裝備與工藝”實驗教學平臺研究

張芬娜　趙海暉　綦耀光　余焱群　杜宏偉

摘 要 應非常規油氣排采技術實驗教學的需要，針對學生難以理解和區分煤層氣排采與常規油氣排采設備與工藝的差異性問題，研制了煤層氣井排水采氣實驗教學平臺。采用該平臺進行綜合實驗教學，利于學生掌握抽水機與排采泵的工作原理和結構組成、排采沖次的調節方法和實現方式、固-液-氣多相流對排采效能的影響，進而強化對煤層氣井桿管環空排水-管套環空出氣的工作原理和生產工藝的認知，從系統的角度加深對非常規油氣排采設備的理解，提高了實驗教學效果和學生的工程應用能力。

關鍵詞 排水采氣實驗平臺 非常規油氣 煤層氣排采 實驗教學 工程應用能力

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.10.051

Study about Experimental Teaching Platform for CBM Drainage

Equipment and Technology

ZHANG Fenna[1]， ZHAO Haihui[1]， QI Yaoguang[1]， YU Yanqun[1]， DU Hongwei[2]

（[1]College of Mechanical and Electronic Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580；

[2] Mechanical and Electronic Engineering College， Qingdao Agricultural University， Qingdao， Shandong 266109）

Abstract Motivated by the experimental teaching of unconventional oil and gas drainage system， a set of CBM wells drainage experiment teaching platform has been developed， aiming at the problem that students usually felt puzzled to understand and distinguish the difference between CBM drainage and conventional oil and gas drainage. Adopting the platform in the comprehensive experimental teaching， it can benefit the students mastering the working principle and structure of pumping unit and rod pump， adjustment and implementation method of back and forth frequency， solid - liquid - gas multiphase flow's influence on drainage system. And then， it could strengthen the comprehension of the working principle and technique about the water draining through rod- pipe hohlraum and gas exhausting through pipe-drive pipe hohlraum， strengthening the systemically comprehension to the unconventional drainage equipment and improving the teaching efficiency and students engineering application ability.

Keywords experimental platform of drainage system； Unconventional oil and gas； coalbed methane（CBM） drainage； experimental teaching； engineering application ability

0 引言

非常規油氣排采設備與工藝，是面向煤層氣等非常規油氣的裝備研發及工藝設計而開設的課程，包含理論教學與實驗教學兩部分。對于前期理論基礎較為薄弱的非常規油氣開采而言，試驗的作用尤為重要。本課程實驗教學可用于原理模擬、裝備調試以及技術革新，在當前國家大力發展非常規油氣政策的支持下，[1-5]具有重要的理論及實踐意義。

但是，目前多數學生對煤層氣排采系統[6-7]的認識較淺顯，難以區分和理解其與常規油氣排采的不同，亦缺乏實際動手操作訓練。[8-11]因此，有必要研發一套煤層氣井排水采氣實驗教學平臺，使學生掌握排水采氣系統的具體構成、工作方式以及調節方法，深刻理解煤粉和氣體對煤層氣排采的影響，為國家專業人才的培養提供研究和學習的條件。

1 煤層氣排采教學平臺研制要求與工作原理

基于類比實驗研究方法，等比例縮小800m深煤層氣井，研制用于實驗教學的煤層氣井排采系統模擬樣機。樣機由地面驅動系統、井口裝置、貯水系統、檢測系統、桿柱系統和排采泵等組成，如圖1所示。

實驗基本要求：（1）桿柱和管柱的高度為30m；（2）保證在較大傳動比范圍內抽水機沖次從1.3～7min-1連續可調。

樣機工作原理：（1）無線動態應力檢測儀、拉壓力傳感器、壓力變送器、激光測距儀、數據采集器、液位變送器、電磁流量計等檢測裝置用以數據實時采集、分析與計算；（2）排采桿柱、管柱和套管柱自里而外逐次排列，經桿管環空排水，由管套環空產氣；（3）抽水機驅動井液由桿管環空輸送至井口，然后經由出水管輸送至貯水罐中貯存，以備隨時補充井液；（4）補液時液體經由進水管輸送至井口，再進入管套環空，最后經由尾管與泵柱塞進入桿管環空，由此實現模擬實驗中井下動液面的相對穩定及井液的循環利用。endprint

2 實驗教學平臺研制

實驗教學平臺分為地面系統和井下系統，其中地面系統包含抽水機、井口裝置及貯水裝置，井下系統由抽油桿、油管、套管及排采泵組成。

2.1 教學平臺地面系統

（1）抽水機 抽水機采用復合平衡方式，以保持較好的平衡狀態。減速機將電機、調速器和減速器集成，輸出力矩可滿足中小型抽水機的要求，無級變速傳動并結合以調節調速器可以以實現較大傳動比范圍內的沖次連續調整。

（2）井口裝置 自上而下布置有密封盒、三通、排采管頭、四通、套管頭和井口支撐。三通端口連接出水管，四通分別連接進水管及進（出）氣管（附壓力計用以井口壓力測量）；密封盒實現井口與光桿的密封。

（3）貯水裝置 用以貯存井液并實時向井內補充井液，由貯水罐、進水管、出水管、水閥及底座構成。其中，出水管一端與貯水罐連接，另一端與井口三通連接，而進水管則是連接貯水罐與井口四通。出水管和進水管上水閥用于控制液體流速從而模擬井內排液量變化，改變進水管和出水管中井液流速可調整管套環空內動液面高度。

2.2 教學平臺井下系統

排采桿柱與排采管柱構成桿管環空，作為液體輸送通道，管壁分布有不同直徑的篩孔作為不同大小固體顆粒的通道。套管柱與排采管柱構成管套環形空間，套管采用透明PVC材質以便于觀察，底部與進氣管連接。當煤粉或煤矸石等造成井底堵塞時，可經由井底三通端口清理淤積的固體顆粒。正常狀態下，管套環形空間的物性分布自上而下依次為氣柱段、氣水兩相液柱段及水柱段，桿管環形空間產出水，而管套環形空間產出煤層氣。

排采泵包括泵筒總成、柱塞總成及固定閥總成。柱塞總成由柱塞與游動閥總成構成，正常狀態下，游動閥向上單向打開，柱塞下的井液排入桿管環空。固定閥總成位于泵筒下端，正常工作狀態下，該固定閥亦向上單向打開，以實現液體由管套環空流經尾管進入泵筒。

2.3 教學平臺采集處理系統

圖2 模擬實驗裝置的數據采集系統

數據采集系統如圖2所示，用以實現實驗數據的實時采集、分析與處理。將無線動態應力儀的應變片貼于抽水機主要受力桿件及排采桿柱上端以測試桿件受力；采用無線動態應力與加速度測試儀測量抽水機負荷與位移、桿件應力與應變及曲柄軸扭矩等進行有桿泵設備的設計與計算；采用激光測距儀和轉速表測量懸點與柱塞的位移和速度，結合動力學分析檢驗其動力學性能；在井口四通端口和井底三通端口處配置壓力變送器以測試井口及井底壓力，分析壓力與產能的動態關系；在貯水裝置的進水管和出水管配置電磁流量計以測取管中液體流速和排液量；在管套環空中動液面以下的井底處配置液位變送器以測量液位并監控動液面及沉沒度；數據采集器和單輸入通道儀表通過串口與檢測設備及計算機相連，檢測數據由數據采集器和單輸入通道儀表輸入計算機，對數據進行分析、反饋及處理。

3 教學實驗與教學效果分析

3.1 教學實驗設計

基于本教學實驗平臺研制目標與設計功能，可為如下實驗提供模擬實驗條件。

（1）實現管套環空從上至下的氣柱、氣水兩相液柱及水柱的物性分布模擬，進行不同的壓力、氣液比及排液速度下兩相流對排采泵充滿度影響規律實驗研究；

（2）裝置中的排采桿柱、排采管柱和套管柱形成兩環形空間，可進行桿管環空排水及管套環空出氣模擬；

（3）利用液位變送器實時測量管套環空內動液面，可實現沉沒度在0～20.0m范圍內任意調整的現場模擬，進行低沉沒度下泵閥開啟條件的實驗研究；

（4）結合電磁流量計，減速機無級變速傳動系統可實現較大傳動比和沖次連續可調，可在沖次1.3～7min-1區間實時測量排液量，進行砂、煤粉及煤焦的運動規律與排出條件的實驗分析；

（5）利用激光測距儀及無線動態應力測試儀實時測量并分析懸點載荷及桿件應力、應變隨位移變化規律；

（6）利用壓力變送器實時測量井口壓力和井底壓力，進行產能隨井底流壓變化的氣井動態研究。

3.2 教學效果分析

實驗教學平臺于2015年10月投入使用，截至目前，共進行非常規油氣排采技術教學試驗115次，進行攜沙教學實驗70次。實驗測試和實驗教學表明：可模擬非常規油氣排采多種實驗，滿足實驗教學的要求，可完成石油開采相關專業的實驗教學任務。

（1）實驗裝置的啟用有效地縮短了教學課時，節約了教學投入費用。以上述教學實驗（1）～ （4）為例，與未采用本實驗教學系統時相比，平均減少教學學時17%，與現場教學實習相比平均節約試驗投入51%，在降低教學成本的情況下使學生能夠更深入地理解和掌握排采工藝及開發技術。

（2）基于數據采集及處理系統的人機交互機理，學生可自行在合理范圍內改變三抽設備的參數控制實驗臺三抽設備的運行情況，從而真實的體驗現場調參對排采設備的運行狀態的影響機理及效果。在實驗教學中，將不同工況下采集的數據用于生成實驗報告。砂、煤粉及煤焦的運動規律與排出條件的實驗既能如圖3直觀顯示，又可以通過數據顯示（如圖4）和圖形顯示（如圖5）。

工況1； 工況2； 工況3； 工況4

圖3 砂煤粉運移規律直觀顯示

圖4 砂煤粉運移規律數據顯示

圖5 砂煤粉運移規律圖形顯示

（3）數據采集及處理系統采用迭代逼近算法，賦予該教學實驗平臺以較強大的數據分析效能，強化了學生對實驗條件與結果的對應關系的理解。在此，以典型試驗（4）為例，對實驗教學中學生的主體作用與實驗精準性的關系加以描述：

學生自主設定實驗條件，如：沖次3.5 min-1，沉沒20m，由此分析砂、煤粉及煤焦在兩相流下運移規律。學生自行分析實驗條件對實驗結果的影響，當實驗結果滿足誤差低于5%要求后，完成實驗報告并就參數設置對實驗結果的影響程度進行評估，由此激發學生自主設計實驗能力及工程實踐能力。endprint

4 結束語

（1）煤層氣井排水采氣模擬實驗裝置設計目標面向非常規油氣開采實驗，對于常規油氣開發模擬具有通用性，可完成目前已有生產現場開發條件的模擬。實驗平臺實現了排采過程的可視化且采用實時交互的實驗操作方式，在本學科實驗教學方面具有創新性。

（2）可為桿管環空排水-管套環空出氣的設定實驗目標提供具有設定取值范圍的沉沒度和排液量且實時調整的實驗系統，可實現排液量、動液面、井壓、井液成份和桿件受力實時監測以及沖次在較大范圍內連續可調的實驗要求，進而完成井筒中煤粉顆粒沉降規律、排采泵的泵閥開啟條件和桿管環空顆粒排出條件等實驗。

（3）實驗裝置可用于石油高校機械工程和石油工程學科及現場技術人員培訓的實驗教學，使學生掌握非常規油氣排采裝置工作原理和結構組成、排采沖次的調節方法和實現方式以及固-液-氣多相流對排采的影響，掌握煤層氣桿管環空排水-管套環空出氣的工作原理和生產工藝，實現了實驗教學與工程應用的有機結合，對培養學生綜合素質起到了積極的作用。

*通訊作者：張芬娜

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助（16CX02004A）；國家油氣重大科技專項資助（2016ZX05066004-002）

參考文獻

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