中淺層煤層氣井游梁式抽油機間抽控制技術研究及應用

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.010

摘" " 要：為解決韓城采氣管理區的中淺層煤層氣井生產氣量不足、連續抽取效率低下，以及能源消耗過高的問題，采取變速控制策略，調整抽油機的抽采頻率，從連續抽取轉變為間歇抽取，以實現供需平衡。間抽技術方案通過選取合適的時機進行抽采和改變抽采沖次，實現能量的有效利用。結果表明，施加智能間抽策略后，開井的時耗電量降低45.14%，節約了電能和成本；實施間抽策略前沖次的改變對時產氣量影響很大，在1.6、2.6、3.6 次/min沖次條件下的時產氣量分別為16.14、15.24、0.14 m3/h，沖次為3.6 次/min的時產氣量較低；實施間抽策略后，3種沖次下的平均時產氣量可提高至15.30 m3/h。針對韓城采氣管理區的采氣現狀，建議在沖次為2.6次/min的條件下實施智能間抽策略，運行30 min停30 min。制定的間抽控制技術可以在降低抽油機能耗的同時保持系統的穩定運行，并提高煤層氣的開采效率。

關鍵詞：中淺層煤層氣；游梁式抽油機；間歇采油方式；沖次

Abstract：To address the challenges of insufficient gas production， low efficiency of continuous pumping， and high energy consumption， a variable speed control strategy was adopted to adjust the pumping frequency of the pumping unit. This shift from continuous pumping to intermittent pumping aims to achieve a balance between supply and demand. The energy was effectively utilized by the intermittent pumping technology through timely oil pumping and pumping stroke frequency adjustment. The results indicate that after implementing an intelligent intermittent pumping strategy， there is a reduction of 45.14% in power consumption per hour during well opening， saving power and costs. Additionally， changes in stroke frequency before implementing the intermittent pumping strategy have a substantial impact on hourly gas production. At stroke frequencies of 1.6， 2.6， and 3.6 strokes/min， the hourly gas productions are recorded as 16.14 m3/h， 15.24 m3/h， and 0.14 m3/h. The hourly gas production is low at a stroke frequency of 3.6 strokes/min. After implementing the intermittent pumping strategy， the average hourly gas production at the above stroke frequencies can be increased to 15.30 m3/h. In view of the current situation regarding gas production in Hancheng gas production management area， it is recommended that an intelligent intermittent pumping strategy be implemented at a stroke frequency of 2.6 strokes/min， running for thirty minutes and then stopping for another thirty minutes. The developed intermittent pumping control technology can reduce the power consumption of the pumping unit while maintaining system stability， thereby improving the exploitation efficiency of coalbed gas.

Keywords：middle-shallow coalbed gas; beam pumping unit; intermittent oil production mode; stroke frequency

近年來，由于全球能源消費持續攀升，能源結構深度變革，煤層氣的價值逐漸凸顯。煤層氣被視為一種環保、富足的能源而備受關注。中淺層煤層氣井的有效開發與利用成為能源領域的研究熱點之一。中淺層煤層氣是指埋深小于2 000 m的煤層氣資源，開發難度相對較小，但也面臨一系列挑戰。在煤層氣開采過程中，抽油機作為一種關鍵設備，其效率和節能性能直接影響到整個生產系統的運行成本和可持續發展[1-2]。在中淺層煤層氣的開采過程中，傳統抽油設備面臨著抽取效率低下和能源消耗過大的挑戰。隨著礦區的開發進程進入中后期，氣層的能量開始減弱，滲透能力也隨之降低。低滲透性的氣層狀況致使低產氣井的數量逐年增長；同時，削弱氣井供氣能力，引發了抽油設備出現不同程度的“泵空”現象。由于供需之間的不平衡，抽油設備的負載率降低，無效運行時間增加，從而導致整個系統的效率降低；此外，這種現象也加劇了抽油桿和抽油管的機械磨損和沖擊破壞。為實現氣井的高效開采和低能耗運行，最大限度地利用地下氣藏資源，必須解決一個關鍵問題：如何在控制節能的前提下，優化煤層氣抽取系統的運行技術，以及提高生產效率，并挖掘地下氣層的全部潛能，以實現煤層氣開采的高效與高產。

目前，對采油節能控制做了大量的研究。燕宜君[1]基于示功圖的泵充滿度求解模型，分析了不同沖次條件下油井產液量和系統效率，并提出了自適應控制策略。張曉東[2]根據負載情況調整常規游梁式抽油機的輸入頻率，確保電動機在最佳負載率下運行，提高了電動機功率因數和實際效率。徐向前[3]進行了游梁式抽油機采油系統的節能降耗研究，優化設計了抽油機的四連桿機構、電動機和負載特性。姜燕等[4]采用液面恢復法，對部分低產低效井實施間開措施，取得了較好的開采效果。張麥云等[5]運用壓力恢復試井理論和井筒流動壓力分布理論，研究了低產油井間歇生產工作制度的確定方法。雷群等[6]在現場實施合理優化間開策略后發現，單井產量不會隨間開制度的實施出現較大幅度的降低，反而可提高低產井的經濟效益。于小明等[7]通過揭示低效井的動液面變化規律，結合示功圖計算沉沒度范圍，確定間抽運行和啟停機時間，確保抽油泵在供液能力條件下運行，達到節能目的。關寧等[8]運用油井流入動態規律和井筒內物質平衡原理，定性分析了低效井間抽時油層出液和井口產液的變化規律，為不同類型井間抽制度的確定提供了一定的理論依據。周代余等[9]運用盈虧平衡分析和環空體積平衡原理，從技術經濟層面確定單井經濟界限，構建了低效油井間歇抽油數學模型，確定間歇抽油井的合理工作制度。劉海濤[10]利用實驗數據和理論探討了低液面抽油井的間歇抽油策略，明確了合理關井時間和生產時間的確定方法。嚴慶雨[11]通過現場測試和理論分析確定了間抽井的間抽周期，提出了以套壓變化速率等參數為依據制定油井間抽周期的方法，為低產井的經濟開采提供了思路。蒙曉靈等[12]運用油井靜液面恢復與產能的關系，并考慮液柱自重對供液能力的影響，建立了液柱高度恢復模型，通過引入油層折算壓力設定工作制度。向瑜章等[13]提出了考慮多參數的間抽工作制度，采用時間控制器簡化微處理系統，實現多時段定時控制。

在韓城采氣管理區，現有的抽油機大部分屬于游梁式抽油機。抽油機電機通過皮帶傳動裝置驅動減速機帶動曲柄機構工作，機械損耗在3%左右。據統計，片區中有36.2%的生產井的泵效低于10%，大部分井的產氣量低，連續抽采過程存在泵效低、能耗較高等問題。基于韓城采氣管理區的采氣實際，依據上述研究成果，研究、制定并實施高效、節能的抽采技術，才能解決片區中淺層煤層氣開采中的高能耗難題。為解決煤層氣開采過程中出現的供需失衡問題，主要采取了兩種策略：一是從連續式煤層氣開采模式轉變為間歇式開采模式，二是通過調整抽油機的沖次來實現抽采速度和頻率的調節。這兩種方法都能夠有效地調整抽油機的開采效率，進而實現供需之間的平衡。間歇式開采技術（以下簡稱間抽技術）通過選取合適的時機進行抽采和改變抽采沖次，以實現能量的有效利用；通過合理運用間歇性抽采方式，在降低能耗的同時，還能保持系統的穩定運行，并提高煤層氣的開采效率。同時，期望間抽技術的實施可以減少能源浪費，降低設備的磨損，延長抽油機的使用壽命，為煤層氣的可持續開采提供可行性的理論支撐。本文基于韓城采氣管理區實際抽氣現狀，深入探討了如何通過優化抽采沖次并結合間歇抽采技術方法，用以提升煤層氣的開采效率，降低能耗。

1" " 間抽方案設定

在韓城采氣管理區，程序化間抽技術主要考慮光伏發電和峰谷時段、峰谷電價等綜合因素來設定調沖及間抽機制，在不降低產氣量的基礎上最大程度減少開井時率，最大程度利用光伏能源，以及夜間低電價時段的用電生產機制，實現節能降費目的。

在現場試驗過程中主要采用兩種間抽模式——停機間抽和不停機間抽，并根據井的生產特性進行調整，對于停機間抽模式的井，優先在有視頻監控的井場進行，避免啟/停機過程中抽油機周邊有員工活動而產生安全風險。

控制系統通過有線或無線的方式與后臺上位機無縫對接，實現后臺上位機的實時監控及控制，控制系統流程如圖1所示。

1.1" " 停機間抽控制策略

低滲透巖層滲出氣產量會隨著時間積累而逐漸升高，直至達到可以抽汲的狀態。恢復過程中采取停井措施，抽油機等待氣量恢復后才開始抽汲作業。等待時間和抽取時間需要依據井的氣量實際恢復快慢來確定。通過定期測量電功率曲線并將其轉換為沉沒度值，構建出一個沉沒度隨時間變化曲線（見圖2）。在曲線下降段判斷沉沒度的下降是否達到了預設閾值，如果達到了，進一步的抽汲將導致泵的抽取能力顯著降低，抽取工具的磨損也會加劇，同時還會消耗更多的能源，從而導致成本的大幅上升。一旦發現曲線斜率低于預設閾值ζ1（ζ1可根據實際井的生產情況來確定），即|h2 - h1|/|t2 - t1|≤ζ1，便立即執行關閉井口的操作，并將這一時刻標記為關井時間T1。

圖2中，t1與t2之間的產氣量可以表示為：

式中：Q12為t1與t2之間的產氣量，kg；ρ為混合液體密度，kg/m3；f為含水率，%；R為套管內徑，m；r為油管外徑，m；h1為t1時刻動液面的高度，m；h2為t2時刻動液面的高度，m。

在沉沒度隨時間變化曲線恢復段，若曲線的斜率高于設定值ζ2（ζ2也是根據井的實際生產情況來確定），即|h3-h4|/|t3-t4|≥ζ1，則執行開井操作，該點對應的時間即為開井時間T2。

其中，t3與t4之間的產氣量可以表示為：

式中：Q34為t3與t4之間的產氣量，kg；h3為t3時刻動液面的高度，m；h4為t4時刻動液面的高度，m。

沉沒度與系統效率關系的計算公式為：

式中：η為系統效率，%；Q為抽油機井產氣量，Q=24（Q12+ Q34）/[ρ1（t2- t1+ t4- t3）]，m3/d； H為有效揚程，H=h+1 000（P0-Pc）/ ρg（h為動液面高度，m；P0為抽油機井油壓，MPa；Pc為抽油機井套壓，MPa），m；Pu為抽油機井總消耗功率，kW。

1.2" " 變沖次控制策略

持續抽取煤層氣會降低氣井的供氣能力，當氣井的供氣能力顯著降低時，繼續對其進行開采將會引發供氣不足的問題。如果沖次設定得過高，可能會導致泵的充盈程度急劇下降，這種情況不僅可能引發泵的抽空問題，還可能觸發液擊現象。此外，如果抽汲參數設置不合理，會對抽油機系統造成嚴重影響，增加抽油機的工作能耗。為了解決這個問題，可以通過調整抽油機的沖次來達到供氣能力和理論排量之間的平衡，也可以利用泵的充盈程度來計算沖次。調整沖次的主要手段有電功率法、示功圖法、動液面法等。通過嚴謹的理論分析與數據匹配，電功率法在處理地下復雜且多變的工作環境時，能更為精確地執行自適應調整以適應沖次的變化，其沖次變化調整方案流程如圖3所示。

動液面的高度反映了供需關系的均衡狀態，如圖4所示。因此，通過調整抽油機的沖次，改變其單位時間的運行速率，可以實現對供需關系的微調，從而影響動液面的高度，并最終達到優化泵效率的目標。采用機理公式作為氣井沖次優化控制的研究對象，可根據系統狀態控制輸入，即歷史時刻動液面高度和前一時刻抽油機沖次，得到當前時刻動液面高度值。

設在Δt時間間隔內，因地層壓力從產層進入井底的氣量Qin（m3/d）為：

式中：p為地層壓力，MPa；Qmax為p=0時的最大流量，m3/d；γ為地層流體的平均比重；h為當前沉沒度值，m。

在Δ t時間間隔內抽油機的采氣量Qout（m3/d）為：

式中：Ap為柱塞橫截面面積，m2；Sp為有效沖程，m；u為沖次，次/min；α為排量系數。

由物料守恒關系可知，在Δt的時間間隔內，氣層供液量與抽油機采水量的差值等于井筒中液體變化的體積，即：

式中：Δh為沉沒度變化值，m。

整理得：

當Δt趨近于無限小時，式（7）可寫成：

兩邊取積分得：

式中：h0是t=0時刻的沉沒度值，m。

可根據泵深計算動液面，由此確定動液面模型。

2" " 實例分析及節能效果

在韓城采氣管理區，通過調整抽油機的抽取速率，將持續的煤層氣開采模式轉變為周期性的開采模式，利用速度調節抽油機的沖程次數來實現開采模式的轉變，并編制了軟件，如圖5所示。對于韓3-038井采用間抽技術方案，通過選取合適的時機進行抽采和改變抽采沖次，實現能量的有效利用。在不同沖次下實施間抽策略前后的結果見表1、表2。

對比表1、表2發現：在沖次和開井時長相同的情況下，實施間抽策略前沖次的改變對時產氣量影響很大，在1.6、2.6、3.6 次/min三種沖次條件下，時產氣量分別為16.14、15.24、0.14 m3/h，沖次為3.6 次/min的時產氣量較低；實施間抽策略后3種沖次下的平均時產氣量可提高至15.30 m3/h。實施間抽策略后，開井時耗電量分別降低50.82%、34.59%、50.00%，平均降幅為45.14%，產氣量在3.6次/min的沖次下大幅增加，在2.6、1.6 次/min沖次下產氣量分別增加了0.44%、-5.15%。綜上，針對韓城采氣管理區的采氣現狀，從產氣量和耗電量兩方面綜合考慮，建議在沖次為2.6 次/min的條件下實施智能間抽策略，即運行30 min停30 min。

3" " 結論

基于韓城采氣管理區的采氣現狀，為改善產液量低、連續抽采過程泵效低，以及能耗較高的現狀，通過調整抽油機的采油速率，從持續的煤層氣開采模式轉變為周期性的開采模式，編制了可控制軟件，并利用速度調節抽油機的沖程次數來實現開采模式的轉變。解決了片區中淺層煤層氣開采中的高能耗問題，并達到了供采匹配的目的。研究結論如下：

1）實施間抽策略前沖次的改變對時產氣量影響很大，在1.6、2.6、3.6 次/min沖次條件下的時產氣量分別為16.14、15.24 、0.14 m3/h，沖次為3.6次/min的時產氣量較低；實施間抽策略后3種沖次下的平均時產氣量提高至15.30 m3/h。

2）施加智能間抽策略后，開井時耗電量平均降低45.14%，節約了電能和成本。

3）針對韓城采氣管理區的采氣現狀，建議在沖次為2.6 次/min的條件下，實施智能間抽策略，運行30 min停30 min。

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基金項目：中國石油煤層氣公司科技項目（2022-KJ-36）資助；四川省自然科學基金項目“基于非線性動力學的超深井全井鉆柱振動機理與抑振研究”（2022NSFSC1143）資助；四川省南充市市校合作項目“耦合非線性萬米超深井全井簡鉆柱系統振動引致失效機理及可控性研究”（23XNSYSX0040）資助；四川省南充市市校合作項目“斯特林制冷機精確無振控制策略研究”（23XNSYSX0123）資助。

作者簡介：王" " 波（1989—），男，陜西咸陽人，工程師，2012年畢業于西安工業大學電子信息工程專業，現從事數字信息化相關領域工作。Email：wangbo_cbm@petrochina.com.cn

收稿日期：2024-08-18；修回日期：2024-10-22