提升煤層氣排采井系統效率研究分析

王業開（中國石油天然氣集團公司節能技術監測評價中心）

1 概述

煤層氣排采井的開采目的和油田抽油機開采目的有著明顯的不同，煤層氣井排采可以大致劃分為3個時期，分別是排采初期、穩定產氣期和產量衰減期。由于排采的主要任務是通過合理的排采在煤儲層內形成大面積降壓，連通與井筒的滲流通道，形成高效的導流能力和盡可能遠的泄壓半徑，以提高煤層氣井產氣量，為實現長期穩產創造條件，因此控制適宜的排采強度是煤層氣開采的關鍵[1]。而油田抽油機運行過程在保持合理油井沉沒度的同時，盡可能多的保持較高的油井產液量是抽油機井運行的關鍵。GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》評價抽油機井的主要技術參數包括抽油機井系統效率、電動機功率因數、抽油機運行平衡度。對于排采井來說，從節能角度出發，主要技術指標也應包括系統效率、電動機功率因數、抽油機平衡度。但對于煤層氣排采井節能監測指標的評價不能完全按照GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》的相關規定去判定和評價，只能做為參考。排采井節能電動機、變頻電動機等相關節能設備及節能技術應用較多，功率因數指標相對較高，對排采井評價指標需要結合實際情況進行調整完善。

2 排采井節能監測

為充分掌握排采井能耗情況，為下一步降低排采井綜合能耗，提升系統效率，對某煤層氣公司434臺排采井進行了系統效率進行測試。主要技術指標：排采井平均系統效率為21.01%；排采井電動機平均功率因數為0.78；排采井百米噸液平均單耗為1.30 kWh/100 m·t；排采井產氣單耗0.035 0 kWh/m3，各單位排采井節能監測評價結果及主要技術指標情況見表1。

表1 某煤層氣公司排采井運行主要技術指標Tab.1 The key technical indexes of CBM drainage well operation

3 排采井監測結果分析

根據相關監測數據，從系統效率方向對相關參數進行分析。

1）電動機負載率分析。排采井生產屬于變動負載，由于受啟動力矩的影響，電動機功率配置較大，很容易出現載荷過低的現象，當設備長期處于低效區運行，影響整體運行效率[2]。電動機功率利用率與系統效率關紗統計見表2。

根據SY/T 6374—2016《機械采油系統經濟運行規范》中5.2.1中的要求，排采井電動機功率利用率大于或等于20%。由表2可知，隨著功率利用率的提高，地面效率呈現增高趨勢。由此可見，煤層氣公司排采井電動機存在嚴重的載荷過低現象，電動機功率利用率低直接導致地面效率降低。

表2 電動機功率利用率與系統效率關系統計Tab.2 Statistics on motor power utilization rate and system efficiency

電動機效率與電動機的功率利用率大小有著直接關系，根據實驗數據得知，當電動機功率利用率為20%時，電動機效率與滿載時相比下降14個百分點，當電動機功率利用率為10%時，電動機效率為55%，當電動機功率利用率為6%時，電動機效率為30.15%。因此，排采井平均系統效率偏低地面的最大因素是電動機功率利用率偏低造成的。如圖1所示，隨著功率利用率的增加，排采井系統效率及地面效率呈上升趨勢。

圖1 排采井電動機負載率與地面效率和系統效率關系Fig.1 Relationship between the motor load rate of drainage well and surface efficiency and system efficiency

2）深井泵效率分析。泵效是指泵的實際產液量與抽油泵的理論排量之比。泵效主要與地層氣液流量（地層供液能力充足，泵效高）、井下含氣情況（含氣量大，泵效會降低）、沉沒度、抽汲參數有關。根據監測數據，以10%為區間，對泵效與系統效率關系進行分析。

表3 泵效與系統效率統計Tab.3 Statistics on pump efficiency and system efficiency

如圖2所示，排采井井下效率、系統效率隨泵效的增大呈增加趨勢，所以排采井可以通過提升抽汲能力，提高泵效，以此提升排采井的井下效率，進而提高排采井的系統效率，如沉沒度小的排采井可以通過間抽來提高抽汲能力，使泵效處于高效區，進而提高系統效率[3]。深井泵效率的高低與泵筒水的充滿度、泵筒是否漏失又有直接的關系。由于排采工藝的特點，氣井的產水量變化比較大，早期會產出大量的水，往后產水量相對減少，甚至很小，因此要針對排采井的不同生產階段，做好排采系統的優化運行，應根據區域地質條件及產水量，優化選擇深井泵泵徑，調整合理的抽汲參數（主要是排采井的沖次）及工作時間，使泵效在盡量高的范圍內運行[4]。

圖2 排采井泵效與井下效率、系統效率關系圖Fig.2 Relation schema on pumping station and downhole efficiency and system efficiency

3）地面效率、井下效率分析。通過收集匯總排采井功圖等參數，對排采井地面效率和井下效率進行測算分析，煤層氣公司排采井地面效率平均為46.39%，井下效率平均為46.19%。排采井生產過程就是一個能量不斷傳遞和轉化的過程，能量的每一次傳遞和轉化都會有一定的損失，根據排采井的組成，可把系統的能量損失分為八部分，其能量損失見圖3。

圖3 排采井系統能量傳遞與損失流程Fig.3 Energy transfer and loss process in drainage well system

表4為理想狀態下排采井生產過程中各部分效率及能量損失情況，結合煤層氣公司排采井各部分能量實際損失情況（30 kW電動機）對排采井地面效率和井下效率進行分析。

表4 理想狀況下排采井系統的能量損失和傳動效率統計Tab.4 Statistics on energy loss and transmission efficiency of drainage well system under ideal conditions

1）地面效率。影響排采井地面效率的主要因素有電動機、變頻器、傳動系統、四連桿等設備的效率及其他輔助生產設備，正常生產工況下，皮帶、減速箱及四連桿等部分效率都維持在較高水平且變化較小，因此，影響地面系統效率最大的因素是電動機的效率，各部分效率見表5。電動機損失是地面能量損失的最主要組成部分，占地面各項能量損失的82.29%。

表5 煤層氣公司排采井地面效率分析Tab.5 Surface efficiency analysis of CBM drainage well

電動機損耗主要由固定損耗和負載損耗構成，固定損耗是電動機運行時的固有損耗，與電動機材料、工藝、結構等有關，負載損耗取決于電動機負載大小，因此，電動機負載率高低決定電動機效率，進而影響地面效率及系統效率。因此需要根據排采井工作狀況，對負載率低的排采井采取更換小功率電動機或安裝適應排采井工作狀態，在低負荷情況下還具有較高效率的節能電動機，提升電動機效率；同時要合理匹配井用變壓器，排采井、電動機、變壓器盡量合理匹配，避免載荷過低的現象發生，造成不必要的能源浪費[5]。

排采井傳動部分損失主要有兩類，一類是與載荷無關的損失，主要是繞皮帶輪的彎曲損失，進入與退出輪槽的摩擦及風阻損失，多條皮帶傳動時，由于皮帶長度誤差及輪槽誤差造成的功率損失。另一類是與載荷有關的損失，包括彈性滑動損失，打滑損失，皮帶與輪槽間徑向滑動摩擦損失等。工程常用的皮帶傳動效率都比較高，最高可達98%，在現有技術條件下，傳動部分效率的調高潛力很小。對排采井來說，需要做好的是皮帶的管理工作，研究合理的皮帶量化測試方法，確定符合生產工況的皮帶松緊度，對磨損的皮帶做到及時發現，及時更換。

表6為標準井固定工況下皮帶松緊度對排采井系統效率影響。

表6 排采井皮帶松緊度對排采井系統效率影響Tab.6 The influence of belt tigntness on system efficiency

減速箱的損失主要是軸承損失和齒輪損失，一般傳動效率為95%以上。從工程角度上看，這基本是目前減速箱傳動效率的最高值。因此，各分公司只需按照要求及時更換潤滑油，做好減速箱的管理和維護工作。

2）井下效率。影響井下效率高低主要有泵效、摩擦力、油桿彈性、地層滲透率等因素。由表7可知各部分能量損失占比情況，抽油泵損失是井下能量損失的最主要組成部分，占各項能量損失的77.01%，煤層氣公司排采井井下效率分析見表7。

表7 煤層氣公司排采井井下效率分析Tab.7 Downhole efficiency analysis of CBM drainage well

抽油桿該部分損失占井下各項能量損失的10.62%，主要是排采井在上下沖程工作過程中與油管和井液間的摩擦損耗，抽油桿與液柱間的摩擦損耗與下泵深度；與油管間的摩擦跟井筒斜度和彎曲程度有關，井筒的斜度或彎曲程度越大，摩擦耗功越大。該部分能效在日常工作中提高的潛力不大，可操作性較低。

排采井深井泵的功率損失包括機械功率損失、容積功率損失和水力功率損失。機械功率損失是柱塞與泵筒（襯套）之間的機械摩擦損失，一般情況下較?。蝗莘e功率損失是柱塞與泵筒（襯套）之間漏失及泵閥關閉不嚴造成的漏失產生的功率損失；水力功率損失是水流經泵閥時由于水力阻力引起的功率損失[6]。深井泵損失的主要形式是容積損失和水力損失，其次是抽油桿彈性伸縮引起的沖程損失。

通過對監測數據進行統計，分析不同泵效區間與相關參數之間的關系，由表8可知，監測排采井深井泵效率小于10%占監測總量的31.36%；有59.93%的排采井泵效小于30%，其平均產液量為0.94 m3/d，遠低于4.49 m3/d的公司平均產液量，沉沒度遠低于泵效超過30%的排采井。

表8 煤層氣公司泵效及相關指標分布Tab.8 Pump efficiency and related index distribution of CBM

監測的排采井沖程利用率為81.67%；排采井中泵效小于50%的井平均產液量為1.55 m3/d，平均沖次為2.25次/min，泵效高于50%井的平均產液量為11.99 m3/d，平均沖次為2.74次/min，二者沖次相差0.51次/min。由此可知，在沖程沖次調整方面空間不大，可結合生產實際對該部分井抽水泵進行更換。

在日常工作中，減小抽水泵損失需要做好以下工作：經常關注排采井地下參數的變化情況，對出現泵漏失等情況要及時進行解決，做好檢泵工作[7]；對供液量不足的排采井要及時進行調參，調節沖程沖次，或者考慮進行間抽，合理調節沉沒度，提高泵效；但同時需注意泵效并不是越高，排采井系統效率也越高，一般情況下泵效低于40%的排采井采取措施后，系統效率提升較明顯[8]。

由表9可知，泵效小于40%排采井的產液量遠低于泵效高于40%的排采井，但運行頻率、沖次卻高于泵效高排采井或相當，因此，需要對該部分井沖次及頻率進行調整，提高泵效。

表9 煤層氣公司泵效及沖次、運行頻率分布Tab.9 Pump efficiency，flushing times and operating frequency of CBM

降低排采井的沖程損失也是提高泵效的重要方面，沖程損失與泵活塞及油管截面積、抽油桿長度及截面積、動液面深度、液體密度等有關，這需要對抽油桿及抽油泵等的選用進行優化組合。抽油管柱損失。主要包括容積損失和水力損失。管柱水力損失與管柱內表面的粗糙度及井液向上流動速度的平方成正比。因此對于井液腐蝕性較強或者易結垢的油井需對油管采取防腐或防結垢措施；選擇抽汲參數時盡量長沖程、低沖次，降低液體上升速度，減少水力損失，提高泵效；減少容積損失主要是在油管螺紋處加裝密封件，做好油管密封。

4 排采井節能監測建議及措施

排采井是煤層氣公司主要的耗能設備，能耗節點較多，而系統效率是反映其運行情況的主要指標，為了提高運行效率可以從以下幾個方面入手：

1）加強排采井的運行管理。提高排采井驢頭、懸繩器、盤根盒中心的三點一線對中率[9]；提高排采井運轉平衡率；提高排采井傳動部位潤滑率；定期檢查排采井各運行部件是否正常工作；保持皮帶松緊度適中（15～20 N），盤根盒力矩（40～80 N·m）處于正常范圍內；保證減速箱潤滑油液位處于正常水平；加強平衡度的日常管理。由于排采井受產液量的影響，平衡度波動較大，導致部分排采井長期處于不平衡狀態下運行，不僅增加了地面系統的能量損失，也降低了整體系統效率，并加速了設備的老化。

2）加強設備管理。結合生產實際，有計劃、分批次采用節能型電動機；據排采井的實際運行負荷，合理匹配排采井的電動機容量，降低電動機的自身損耗，提高電動機負載率；對無功補償裝置損壞的應及時維修或更換；對裝有變頻設備的排采井，由于變頻器損壞或使用工頻運行的，應對變頻器進行維修或結合實際投入變頻運行；節能控制柜未在節能狀態運行的，查明原因，排除故障，使節能設施正常投入使用。

3）優化運行參數。產液量較低的排采井，加強排采井監管力度，可以降低排采井沖次，進而提高泵效及系統效率[10]；優化排采井抽汲參數。一方面優化舉升方式，對于供液不足井，可考慮智能間抽等方式。根據井況的變化，及時優選和調整抽汲參數，使其系統在最優參數下運行。

4）結合排采井監測數據及生產實際，對排采井存在的問題從淘汰設備更新改造、排采井間抽應用、參數優化及平衡調節等等方面入手，提出節能改造建議，為降低生產能耗提供參考方向。對27臺高耗能排采井電動機進行更新替換，按節電率10%計算，預計可實現年節電量2.78×104kWh；對236臺產液量小于0.3 m3/h的供液不足及空抽排采井進行間抽改造，按節電率45%計算，預計可實現年節電量85.97×104kWh；對系統效率小于10%的151臺排采井沖程、沖次、泵徑等進行調整優化，按節電率15%計算，預計可實現年節電量24.75×104kWh；排采井調平衡，對106臺平衡度不合格排采井進行調平衡，按節電率6%計算，預計可實現年節電量12.27×104kWh。以上措施可實現年節電125.77×104kWh，折標煤154.58 tce，實現二氧化碳減排1 112.22 t。

5 結論

1）可通過調整盤根松緊及光桿對中、調整皮帶松緊度、及時對減速箱潤滑、降低排采井機械及傳動損失、及時調平衡等措施提高排采井地面系統效率。

2）通過優化抽汲參數提升泵效，提升井下效率：在保證產氣量的前提下，應盡可能選擇泵徑小的抽水泵；對于供液嚴重不足的井，應通過調小生產參數（沖速、沖程、泵徑）提高泵效；對于非正常漏失嚴重的井，需要及時檢泵提高泵效。

3）對排采井采取優化調整措施后，可實現年節電125.77×104kWh，折標煤154.58 tce，實現二氧化碳減排1 112.22 t；同時，結合監測工作實際，功率因數指標不適用于排采井監測評價指標，應將深井泵效率納入評價指標體系，同時制定相應的排采井節能監測規范。