陳仕林 熊德華 周 軍 牛立圓 宮 敬

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2. 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011；3. 中國(guó)石油西氣東輸管道公司蘇北管理處，江蘇 揚(yáng)州 225009)

煤層氣是一種非常規(guī)天然氣資源[1]。近年來(lái)，我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)取得了顯著成就，國(guó)內(nèi)煤層氣產(chǎn)量也實(shí)現(xiàn)了快速增長(zhǎng)，2013年我國(guó)煤層氣產(chǎn)量達(dá)138.13億m3，其中地面抽采29.26億m3，井下抽采108.87億m3[2]。煤層氣的開(kāi)發(fā)既能提供清潔能源，彌補(bǔ)天然氣供需缺口，又能減少煤炭開(kāi)采中甲烷排放造成的溫室效應(yīng)和大氣污染，對(duì)建設(shè)和諧環(huán)境、實(shí)現(xiàn)綠色能源經(jīng)濟(jì)具有重要作用。

煤層氣開(kāi)發(fā)采用排水降壓工藝，井口排采設(shè)備的穩(wěn)定性和可控性關(guān)系到后期的氣井生產(chǎn)能力，合適的排采方法和制度是煤層氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵。如何針對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)特點(diǎn)提高煤層氣排采工藝水平、降低建設(shè)投資和生產(chǎn)成本是煤層氣田高效開(kāi)發(fā)必須解決的重要問(wèn)題。

我國(guó)煤層氣田大多位于地形復(fù)雜的偏遠(yuǎn)山區(qū)，其主要特點(diǎn)是氣井?dāng)?shù)量多、單井產(chǎn)氣量低、井口壓力低、井與井之間的水平距離較短且井口分布密度較大。煤層氣單井排采設(shè)備的額定功率通常只有5.5～15.0kW，每平方千米排采設(shè)備的額定功率僅為60～160kW，因此煤層氣田井口排采動(dòng)力系統(tǒng)是典型的低負(fù)荷、分散型動(dòng)力系統(tǒng)。由于煤層水量有限，隨著排采時(shí)間的推移，井口產(chǎn)水量呈下降趨勢(shì)，排采設(shè)備動(dòng)力負(fù)荷也隨之下降，當(dāng)煤層水量干涸時(shí)停止連續(xù)排采，設(shè)備負(fù)荷趨于零。

國(guó)內(nèi)煤層氣田井口供電技術(shù)主要有國(guó)家電網(wǎng)工業(yè)用電供電、井口燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)供電、大型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)集中供電和小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)閥組發(fā)電供電4種模式。筆者優(yōu)化了國(guó)內(nèi)煤層氣田井口排采設(shè)備的供電技術(shù)，以降低單井排采能耗和排采費(fèi)用，并大幅增加煤層氣井口供電距離。

1 國(guó)內(nèi)煤層氣田井口供電技術(shù)分析①

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司2004年開(kāi)始實(shí)施沁南煤層氣開(kāi)發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程項(xiàng)目，共建設(shè)煤層氣井150口，并于2009年10月正式投產(chǎn)。該項(xiàng)目的成功實(shí)施促進(jìn)了我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化開(kāi)發(fā)進(jìn)程。總結(jié)近年來(lái)我國(guó)煤層氣田井口排采動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程，其供電方式主要有國(guó)家電網(wǎng)工業(yè)供電、井口燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)供電、大型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)集中供電和小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)閥組供電4種模式。

1.1 國(guó)家電網(wǎng)工業(yè)供電

井口抽油機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從井口到閥組鋪設(shè)380V低壓電纜，閥組所轄井的電纜在閥組匯集，通過(guò)低壓配電柜對(duì)閥組所轄井進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)量控制，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳。與低壓配電柜相連接的是0.4kV/10kV變壓器，為保證電力輸送距離，閥組之間、閥組與集氣站之間采用10kV高壓線路。10kV高壓線路經(jīng)集氣站高壓配電室與國(guó)家電網(wǎng)主干線路相連接。在國(guó)家電網(wǎng)電力資源充足的地方一般采用此種供電模式，其供電示意圖如圖1所示。

圖1 國(guó)家電網(wǎng)供電模式示意圖

1.2 井口燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)供電

由于煤層氣田多處于山區(qū)，國(guó)家電網(wǎng)電力資源相對(duì)缺乏，在周?chē)鷽](méi)有可用電力資源的條件下，需采用井口燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)供電模式。抽油機(jī)依靠燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，井場(chǎng)不需要電力資源，井口工藝和抽油機(jī)施工完成后即可投產(chǎn)。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，氣井尚未產(chǎn)氣前以汽油為燃料，氣井產(chǎn)氣后燃料變?yōu)闅饩陨懋a(chǎn)出的煤層氣。

1.3 大型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)集中供電

在國(guó)家電網(wǎng)電力資源不足或不具備供電條件的地方，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電可在集氣站建設(shè)發(fā)電站，通過(guò)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)為井口抽油機(jī)提供電力。該模式與采用國(guó)家電網(wǎng)供電模式僅在電力資源來(lái)源上有所不同，且需要生產(chǎn)單位對(duì)燃?xì)獍l(fā)電站進(jìn)行日常維護(hù)和保養(yǎng)。

1.4 小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)閥組供電

沁水盆地南部柿莊南區(qū)塊地形條件復(fù)雜，而且林地覆蓋率高，導(dǎo)致高壓線路施工難度較大；同時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)高壓線路總體容量較少，不能滿足煤層氣田大規(guī)模排采的需要。因此，該地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)采用閥組集中供電模式。井口抽油機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各閥組低壓電纜匯集至閥組配電柜，并將閥組配電柜連接至小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，每個(gè)閥組由單獨(dú)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電，一個(gè)閥組就是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電力系統(tǒng)，閥組建設(shè)完成后即可投產(chǎn)運(yùn)行。該模式取消了10kV高壓線路的架設(shè)，其供電示意圖如圖2所示。

圖2 小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)閥組供電模式示意圖

2 井口供電技術(shù)優(yōu)化

對(duì)比煤層氣田井口排采動(dòng)力系統(tǒng)的各種供電模式發(fā)現(xiàn)，井口抽油機(jī)多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)類(lèi)型分為普通電磁調(diào)速電機(jī)和變頻調(diào)速電機(jī)。在煤層氣田開(kāi)發(fā)中，抽油機(jī)多選用五型抽油機(jī)，配套電機(jī)多為5.5kW電磁調(diào)速電機(jī)。近年來(lái)，隨著煤層氣井深度的增加，抽油機(jī)配套電機(jī)大多使用變頻調(diào)速電機(jī)。

根據(jù)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，在使用380V低壓電纜供電時(shí)，其長(zhǎng)度一般不超過(guò)750m，最長(zhǎng)不宜超過(guò)1km。煤層氣井一般呈300m×300m網(wǎng)格排列，考慮到地形等環(huán)境因素的影響，每個(gè)低壓配電柜管轄井?dāng)?shù)應(yīng)較少。沁南煤層氣開(kāi)發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程先導(dǎo)性示范項(xiàng)目設(shè)定每個(gè)低壓配電柜管轄10口煤層氣井。從集輸工藝方面考慮，每個(gè)閥組管轄井?dāng)?shù)一般為10～20口井。但為了方便統(tǒng)一管理，配電柜和閥組一般設(shè)置在同一井場(chǎng)，但也因此使閥組實(shí)際管轄井?dāng)?shù)減少，閥組數(shù)量增加。為增大低壓電纜的輸送長(zhǎng)度，增加閥組管轄井的數(shù)量，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司先后進(jìn)行了660V供電技術(shù)和380V抽油機(jī)智能調(diào)控技術(shù)的研究和試驗(yàn)。

660V供電技術(shù)是在煤礦井下采煤供電技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，該技術(shù)以小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)閥組供電模式為基礎(chǔ)，將發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)提高到660V，井口和閥組發(fā)電機(jī)間采用660V電壓等級(jí)，抽油機(jī)電機(jī)采用660V電磁調(diào)速電機(jī)。根據(jù)交流輸配電理論，在電網(wǎng)負(fù)荷和導(dǎo)線截面積不變的前提下，同一導(dǎo)線上的最大輸電能力與輸電電壓的平方成正比，因此輸電電壓由380V 升到660V后，同一線路的輸電能力將提高至原來(lái)的3倍；同理，在線路負(fù)荷和導(dǎo)線截面積相同的前提下，采用660V電壓后的最大輸送距離可達(dá)到采用380V電壓時(shí)的1.732倍。另外，供電半徑的延伸簡(jiǎn)化了電網(wǎng)，使閥組發(fā)電機(jī)的數(shù)量大幅減少，排采動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性大幅提高。因此660V供電技術(shù)既降低了建設(shè)投資，又減少了后期的生產(chǎn)維護(hù)工作。

380V抽油機(jī)智能調(diào)控技術(shù)結(jié)合了伺服技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，利用可編程DSP芯片對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和控制以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。該技術(shù)不需要改造游梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用功率為原裝機(jī)功率1/3～1/2的普通交流異步電動(dòng)機(jī)就可以讓抽油機(jī)正常工作。利用專(zhuān)用的32位可編程DSP芯片核心組成伺服系統(tǒng)，使交流異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電流、力矩、速度和位置處于閉環(huán)系統(tǒng)中。抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，伺服控制器用底層的軟件實(shí)現(xiàn)恒功低速高轉(zhuǎn)矩控制，使其達(dá)到啟動(dòng)力矩的要求；抽油機(jī)啟動(dòng)后，伺服控制器控制電動(dòng)機(jī)的力矩，在達(dá)到給定的預(yù)置沖次時(shí)，通過(guò)DSP內(nèi)的PI調(diào)節(jié)器穩(wěn)定此工況。伺服控制器在運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的扭矩，在其逐步減小即將為零時(shí)截止電動(dòng)機(jī)的力矩電流輸出。電動(dòng)機(jī)因在自由狀態(tài)而被抽油機(jī)拖著加速空轉(zhuǎn)，驢頭和抽油桿的大量勢(shì)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)慣性動(dòng)能。抽油機(jī)電機(jī)功率降低后，實(shí)際運(yùn)行電流隨之顯著降低，加之系統(tǒng)采用變頻啟動(dòng)方式，沒(méi)有啟動(dòng)電流沖擊，低壓電纜的最大負(fù)荷顯著降低，由此可以較大程度地增大低壓電纜的輸送距離。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，采用380V電壓時(shí)，電纜長(zhǎng)度超過(guò)2km時(shí)抽油機(jī)仍然可以正常運(yùn)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用

為驗(yàn)證優(yōu)化技術(shù)的可行性，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司在柿莊南區(qū)塊對(duì)380V抽油機(jī)智能調(diào)控技術(shù)進(jìn)行了周詳?shù)默F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試方案采用50kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電，測(cè)試4口井在各種工況下的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。參與試驗(yàn)的4口井均采用五型抽油機(jī)，具體試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案的相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)首先對(duì)發(fā)電機(jī)輸出端各相參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2、3。

表2 發(fā)電機(jī)端各相測(cè)試結(jié)果

表3 發(fā)電機(jī)端綜合平均值測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中針對(duì)A、B、C井電纜長(zhǎng)度不同的情況，分別測(cè)試了B井在正常工況下的運(yùn)行參數(shù)(表4)、A井在抽油機(jī)高負(fù)荷工況下的運(yùn)行參數(shù)(表5)和C井在不同負(fù)荷工況下的運(yùn)行參數(shù)(表6)。為方便與其他技術(shù)相比較，測(cè)試所得D井在正常工況下的運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表7。

表4 B井在正常工況下的運(yùn)行參數(shù)

表5 A井在抽油機(jī)高負(fù)荷工況下的運(yùn)行參數(shù)

表6 C井在不同負(fù)荷工況下的運(yùn)行參數(shù)

表7 D井電機(jī)在正常工況下的運(yùn)行參數(shù)

為了測(cè)試智能調(diào)控技術(shù)抽油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的參數(shù)變化情況，試驗(yàn)測(cè)試中同時(shí)利用兩臺(tái)測(cè)試儀器對(duì)C井啟動(dòng)過(guò)程中電源端和電機(jī)端的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電源端電壓、電流和有功功率的變化情況如圖3所示，電機(jī)端電壓、電流和有功功率的變化情況如圖4所示。

由試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，智能調(diào)控技術(shù)采用軟啟動(dòng)方式，電流、電壓變化平穩(wěn)，沒(méi)有啟動(dòng)電流沖擊。抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，伺服控制器實(shí)時(shí)控制電動(dòng)機(jī)的力矩，由于抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)扭矩呈周期性變化，因此電機(jī)電流和有功功率呈周期性變化，在抽油機(jī)扭矩為零時(shí)電機(jī)電流為零。C井電纜長(zhǎng)度已達(dá)2km，但抽油機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)的電壓仍然能夠達(dá)到規(guī)范要求。

a. 電壓

b. 電流

c. 有功功率

a. 電壓

b. 電流

c. 有功功率

4 技術(shù)發(fā)展探討

隨著數(shù)字變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格大幅下降，變頻器在抽油機(jī)、電機(jī)調(diào)速控制方面的應(yīng)用越來(lái)越普及。近年來(lái)，公共直流母線供電技術(shù)在帶有變頻器的電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，將原來(lái)的AC-DC-AC模式改為DC-AC模式，具有減少電能變換環(huán)節(jié)、降低線路損耗及提高電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[3]，目前已大量應(yīng)用于軋鋼、紡織、造紙、船舶及油田采油等領(lǐng)域。

如在煤層氣田排采抽油機(jī)供電系統(tǒng)中應(yīng)用公共直流母線技術(shù)，當(dāng)抽油機(jī)在上沖程時(shí)可通過(guò)直流母線汲取驅(qū)動(dòng)能量，而在下沖程時(shí)，可將電機(jī)產(chǎn)生的倒發(fā)電電流回饋到直流母線中，實(shí)現(xiàn)各抽油機(jī)之間的饋能循環(huán)互補(bǔ)共享，能夠極大地發(fā)揮抽油機(jī)的群體優(yōu)勢(shì)。公共直流母線可采用架空線路或直流電纜線路。直流架空線路僅需兩根或一根導(dǎo)線，可以減輕電桿的荷重，減少線路走廊的寬度和施工工作量，比交流架空線路節(jié)省投資。

首先，相同型號(hào)的電纜用于公共直流母線時(shí)，其允許工作電壓比交流電要高兩倍，所以在電壓相同時(shí)，直流電纜線路的造價(jià)低于交流電纜。其次，在公共直流母線系統(tǒng)中，不存在并網(wǎng)困難問(wèn)題，系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)任意并網(wǎng)，便于采氣區(qū)電力負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整供電電源功率和位置。再次，公共直流母線中沒(méi)有感抗等不利因素存在，不存在電流的無(wú)功損耗和集膚效應(yīng)損耗，線損比交流輸電要小30%以上，由此輸電半徑至少可以提高30%。

5 結(jié)束語(yǔ)

煤層氣產(chǎn)業(yè)是一個(gè)社會(huì)效益巨大、經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)空間有限的新興產(chǎn)業(yè)，采用新技術(shù)措施減少煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程投資、降低生產(chǎn)成本是煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本策略。380V抽油機(jī)智能調(diào)控技術(shù)能夠很好地適應(yīng)煤層氣開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初步推廣應(yīng)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，可以在煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。公共直流母線可以作為后期研究的重點(diǎn)方向，爭(zhēng)取盡早在煤層氣田開(kāi)發(fā)中得以試驗(yàn)應(yīng)用。

[1] 周軍，李曉平，成夢(mèng)婭，等.物質(zhì)平衡法對(duì)沁水盆地煤層氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)[J].化工機(jī)械，2013，40(4)：420～424.

[2] 程宇婕.煤層氣今年有望實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)[J/OL]. http://www.cnenergy.org/tt/201401/t20140127_284685.html，2014-01-27.

[3] 雍靜，徐欣，曾禮強(qiáng)，等. 低壓直流供電系統(tǒng)研究綜述[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(7)：42～52.