竇 武 王冀川 李洪濤

(中國(guó)石油長(zhǎng)治煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司,山西 046000)

夏店區(qū)塊煤層氣井智能間抽技術(shù)研究及應(yīng)用

竇 武 王冀川 李洪濤

(中國(guó)石油長(zhǎng)治煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司,山西 046000)

煤層氣井開(kāi)發(fā)進(jìn)入產(chǎn)氣階段后，大部分井日產(chǎn)水量逐漸減少，如果井筒內(nèi)無(wú)液體，泵繼續(xù)工作會(huì)導(dǎo)致活塞在泵筒里干磨，容易損壞泵，同時(shí)檢泵周期縮短，增加作業(yè)費(fèi)用；泵效降低，導(dǎo)致電能的浪費(fèi)，增加煤層氣井排采費(fèi)用。通過(guò)對(duì)煤層氣井排采技術(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)只要保證井筒內(nèi)液面在煤層以下，則不會(huì)影響煤層壓力，更不會(huì)影響煤層氣井穩(wěn)定產(chǎn)量，還能加間抽模塊，通過(guò)上位機(jī)限定抽油機(jī)啟、停周期或壓力，從而實(shí)現(xiàn)煤層氣井智能間抽。應(yīng)用表明，智能間抽技術(shù)實(shí)現(xiàn)了井底流壓不隨間抽發(fā)生變化，排采管控更精確，保證煤層氣井氣量平穩(wěn)上升。

煤層氣井 智能 排采技術(shù) 間抽技術(shù) PLC控制技術(shù)

夏店區(qū)塊位于沁水盆地中南部，北緯39度以北，隸屬山西省長(zhǎng)治地區(qū)，包括長(zhǎng)子、屯留、襄垣等縣市，該區(qū)塊主體為丘陵山地，溝谷發(fā)育，切割較深，地面海拔580～1300m，含有豐富的煤炭資源。該區(qū)塊屬于高階煤(貧瘦煤)開(kāi)發(fā)區(qū)域，整體熱演化程度高，噸煤含氣量高，整體富集程度高，割理裂縫發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)破碎，煤質(zhì)較軟。煤層滲透率低應(yīng)力敏感性較強(qiáng)，單井產(chǎn)水量差異性大、煤粉產(chǎn)出明顯，排采難度大。

煤層氣井開(kāi)發(fā)進(jìn)入產(chǎn)氣階段后，產(chǎn)水量逐漸減少，經(jīng)過(guò)2年多排采，夏店區(qū)塊500口煤層氣井日產(chǎn)水不到0.3m3的就達(dá)到240口。最小參數(shù)生產(chǎn)，也不能滿(mǎn)足煤層氣井精確控制井底流壓要求，且泵效明顯下降，導(dǎo)致電能的浪費(fèi)，增加了煤層氣井排采費(fèi)用。針對(duì)以套壓控制井底流壓的低水量井，利用煤層井鉆井預(yù)留50m口袋，根據(jù)煤層以下液面高度自動(dòng)啟停抽油機(jī)，實(shí)現(xiàn)了智能間抽，保持了井底流壓相對(duì)穩(wěn)定。

1 煤層氣間抽原理

井底流壓即井底流動(dòng)壓力，是煤層氣井生產(chǎn)時(shí)的井底壓力，它表示煤層氣從地層流到井底后的剩余壓力。在煤層氣生產(chǎn)過(guò)程中，井底流壓不僅制約著煤層氣井產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量，而且對(duì)儲(chǔ)層滲透性?xún)?chǔ)層特性有一定影響，保證穩(wěn)定的井底流壓是煤層氣排采的核心。煤層氣間抽的原理是利用煤層氣鉆井過(guò)程中留有的50 m口袋空間存儲(chǔ)效應(yīng)，存儲(chǔ)煤層滲流至井筒內(nèi)的水，通過(guò)啟停抽油機(jī)控制煤層下面液面高度，保證井筒內(nèi)液面在煤層以下波動(dòng)，不影響煤層的壓力，確保井底流壓相對(duì)穩(wěn)定，從而達(dá)到既保證煤層氣井正常生產(chǎn)、不影響產(chǎn)量，又能減少抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)間的效果。

根據(jù)煤層氣井排采設(shè)備的不同，采用2種方法實(shí)現(xiàn)間抽：(1)人工確定間抽時(shí)間，通過(guò)上位機(jī)設(shè)定間抽周期自動(dòng)實(shí)施，即“周期法”間抽；(2)通過(guò)采集下入井底的壓力計(jì)數(shù)值，上位機(jī)對(duì)壓力進(jìn)行限定實(shí)現(xiàn)智能間抽，即“閥值法”間抽。

2 “周期法”間抽技術(shù)

2.1 “周期法”間抽原理

“周期法”智能間抽技術(shù)原理比較復(fù)雜，如圖1。其原理為利用煤層以下井筒存儲(chǔ)效應(yīng)，存儲(chǔ)煤層滲流至井筒的水；根據(jù)單井產(chǎn)液能力，計(jì)算液面恢復(fù)至煤層底板處的時(shí)間，確定單井間抽停井時(shí)間，確保停井后液面始終保持在煤層底板以下，不會(huì)造成煤層壓力的回升；待液面回升到煤層底板附近時(shí)重新開(kāi)井，采用相對(duì)較大的沖次，在較短的時(shí)間內(nèi)將井筒內(nèi)液體排出，根據(jù)泵效計(jì)算降液面降至泵吸入口所需時(shí)間，確定煤層氣井開(kāi)井生產(chǎn)時(shí)間；待液面降至泵吸入口，然后再次停井，進(jìn)入下一個(gè)間抽循環(huán)。計(jì)算周期后按周期循環(huán)即可。

圖1 “周期法”智能間抽工作原理

2.2 “周期法”間抽周期計(jì)算

液面恢復(fù)高度(H)：停井前井筒內(nèi)液面與停井后某時(shí)刻井筒內(nèi)液面高度之差。定義間抽井液面最大恢復(fù)高度為Hmax，其大小為煤層底板與泵吸入口的高度差，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際下泵數(shù)據(jù)計(jì)算其大小為10～20m。

口袋體積(V)：指煤層底板至泵吸入口的油套環(huán)形空間的體積，若假定泵外徑等于油管外徑(泵外徑實(shí)際小于油管外徑)。其大小為

(1)

式中，DT為生產(chǎn)套管內(nèi)徑， 124.26mm；DY為油管內(nèi)徑， 73mm。

由式(1)計(jì)算的油套環(huán)空可利用存儲(chǔ)空間V為0.08～0.12m3。

停井時(shí)間(tstop):抽油機(jī)停井時(shí)刻至下一次開(kāi)井時(shí)刻的時(shí)間差，其大小由日供液能力和可利用存儲(chǔ)空間V決定，產(chǎn)液能力越小，間抽停井時(shí)間越長(zhǎng)。

(2)

式中，Qy為單井每小時(shí)實(shí)際產(chǎn)液量，m3/h。

由式(2)可以計(jì)算不同停井時(shí)間所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)液能力。

泵效(η):目前日產(chǎn)液所占泵正常工作時(shí)理論排量的百分比，其大小為

(3)

式中，QL為泵正常工作理論排量，m3/h；Db為泵內(nèi)徑，mm；S 為沖程，m； R為沖次，次/min。

開(kāi)井生產(chǎn)時(shí)間(trun)：抽油機(jī)開(kāi)井時(shí)刻至下一次停井時(shí)刻，其大小取決于單井供液能力、泵效和可利用存儲(chǔ)空間和沖次大小。

(4)

再次起抽是需要采用比全天運(yùn)行較大的沖次，目的為了較短的時(shí)間排出井筒里的液體，但考慮到高沖次啟動(dòng)，電機(jī)扭矩過(guò)大，不利于抽油井系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，起抽沖次選擇1～3次/min，單井選擇根據(jù)其泵效來(lái)選取合適的沖次，縮短開(kāi)井運(yùn)行的時(shí)間。通過(guò)以上參數(shù)建立間抽模型確定開(kāi)井及停井周期，確定周期后執(zhí)行循環(huán)控制。

2.3 “周期法”間抽控制模型

限定開(kāi)停井周期，通過(guò)公式計(jì)算tstop、trun，在tstop周期內(nèi)進(jìn)行停井操作、在trun周期內(nèi)進(jìn)行啟井操作即可，保證井筒內(nèi)液面在煤層以下，不影響煤層壓力。

3 “ 閥值法”間抽技術(shù)

3.1 “ 閥值法”間抽原理

“閥值法”間抽技術(shù)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)下入井底的井下壓力計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底流壓，應(yīng)用公式計(jì)算煤層氣井生產(chǎn)時(shí)煤層底板處壓力及泵吸入口處的壓力，規(guī)定泵吸入口處的壓力為啟井壓力，煤層底板處壓力為關(guān)井壓力，通過(guò)抽油機(jī)的啟停操作保證煤層中壓力不發(fā)生變化。

3.2 “ 閥值法”間抽周期計(jì)算

停井壓力:煤層氣間抽井關(guān)停時(shí)刻的壓力pt，

pt=pb

啟井壓力：煤層氣間抽井啟動(dòng)時(shí)刻壓力pq，

Pq=Pt+ P液

P液=ρgh

式中，pb——泵吸入口處壓力值、通過(guò)壓力計(jì)可讀取

p液為煤層底板到泵吸入口的壓力差； h為煤層底板與泵吸入口的高度差，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際下泵數(shù)據(jù)其大小為10～20m。

3.3 “ 閥值法”間抽控制模型

通過(guò)壓力計(jì)讀取泵吸入口的壓力作為停井壓力pt，公式計(jì)算得出啟井壓力，在上位機(jī)設(shè)定啟停井壓力，控制抽油機(jī)啟停，保證不影響煤層壓力。

4 智能間抽技術(shù)

根據(jù)“周期法”、“閥值法”理論模型，利用生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)自動(dòng)啟停抽油機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能間抽。智能間抽技術(shù)核心為PLC控制技術(shù)，“周期法”間抽技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要應(yīng)用了PLC控制技術(shù)，通過(guò)地質(zhì)人員利用公式計(jì)算間開(kāi)井開(kāi)井、停井周期，上位機(jī)對(duì)時(shí)間進(jìn)行限定，PLC通過(guò)采集抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間并與上位機(jī)限定時(shí)間對(duì)比，控制抽油機(jī)的自動(dòng)啟停?！?閥值法”間抽技術(shù)主要應(yīng)用了PLC控制技術(shù)及智能排采技術(shù)，地質(zhì)人員根據(jù)每口井的煤層位置及泵下入位置計(jì)算兩位置的壓力值，將計(jì)算出來(lái)的值作為啟井和停井的壓力，PLC通過(guò)采集井底壓力計(jì)回傳數(shù)值和閥值進(jìn)行比對(duì)進(jìn)行自動(dòng)啟停，保持井底流壓相對(duì)穩(wěn)定。

4.1 智能間抽程序原理

煤層氣井智能抽開(kāi)是根據(jù)煤層氣井底流壓變化規(guī)律，以“周期法”和“閥值法”2種控制方法為基礎(chǔ)，通過(guò)地質(zhì)人員計(jì)算抽油機(jī)啟停周期或抽油機(jī)啟停壓力，在上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定后，抽油機(jī)按照指定的程序自動(dòng)啟停，無(wú)需人員操作，智能化啟停井。其程序原理如圖2。

圖2 智能間抽原理圖

4.2 間抽控制技術(shù)

間抽控制技術(shù)核心為PLC控制技術(shù)，現(xiàn)階段PLC技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比較成熟，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、性能優(yōu)越靈活、使用方便、可靠性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，煤層氣井智能間抽應(yīng)用的PLC控制技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)采集對(duì)象不同，考慮因素也有差異。

“周期法”間抽主要是利用PLC采集和對(duì)比、同步功能，PLC采集上位機(jī)限定的時(shí)間，同時(shí)上位機(jī)根據(jù)PLC回傳時(shí)間對(duì)比同步，將對(duì)比同步后的時(shí)間在返回PLC中，實(shí)現(xiàn)在限定周期內(nèi)抽油機(jī)啟停，在PLC控制程序編制過(guò)程中最主要考慮的因素就是時(shí)間同步，如果時(shí)間不同步會(huì)造成數(shù)據(jù)的誤差，我們利用ABPLC廠家提供的SyncTAD軟件，實(shí)現(xiàn)了“周期法”間抽井時(shí)間的精確控制。

“閥值法”與“周期法”P(pán)LC控制有所不同，區(qū)別在與采集對(duì)象不一樣，“閥值法”是通過(guò)采集井底壓力值，與上位機(jī)設(shè)定閥值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的啟停，“閥值法”程序編制過(guò)程中要考慮兩方面因素，首先壓力計(jì)傳輸錯(cuò)誤將如何解決，其次啟井后怎樣保證壓力平穩(wěn)下降。

針對(duì)傳輸錯(cuò)誤問(wèn)題在PLC中對(duì)壓力進(jìn)行了限制，當(dāng)壓力計(jì)采集數(shù)值為O時(shí)并持續(xù)時(shí)間超過(guò)2小時(shí)及以上時(shí)，智能控制模式自動(dòng)切換為“周期法”并提醒地質(zhì)人員在上位機(jī)進(jìn)行周期限定；當(dāng)壓力計(jì)采集數(shù)字出現(xiàn)波動(dòng)超出正常范圍時(shí)，暫時(shí)保持原抽油機(jī)狀態(tài)，并提醒地質(zhì)人員對(duì)壓力計(jì)進(jìn)行檢查，同時(shí)設(shè)置啟停周期；

針對(duì)啟井后怎樣保證壓力平穩(wěn)下降，采用了智能排采控制技術(shù)，通過(guò)多回路的PID調(diào)節(jié)，根據(jù)該井不同的地質(zhì)狀況，不斷調(diào)整不斷改變控制方案，保證了啟井后井底壓力平穩(wěn)下降。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

長(zhǎng)治地區(qū)從2014年開(kāi)始規(guī)模試驗(yàn)，目前已經(jīng)應(yīng)用100多口井，井底流壓保持相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)氣量逐步上升，節(jié)能效果明顯。

智能間開(kāi)技術(shù)的應(yīng)用保證了煤層壓力的穩(wěn)定，解決了排采方式以最小參數(shù)生產(chǎn)，也不能滿(mǎn)足煤層氣井精確控制井底流壓要求的問(wèn)題，以X-1井為例，該井2012年12月投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)2年排采，產(chǎn)水量下降到0.3m3。2014年9月實(shí)施智能間抽，由于該井無(wú)井下壓力計(jì)，采用“周期法”間開(kāi)控制技術(shù)，該井煤底深度為771.2m,泵吸入口高度為786.2m，恢復(fù)液面高度為15m，每小時(shí)產(chǎn)水量0.04m3，通過(guò)計(jì)算采用1d開(kāi)井2 h間抽周期。間抽后氣量上升平穩(wěn)，井底流壓平穩(wěn)下降，該井現(xiàn)日產(chǎn)氣1270 m3，如圖3。

圖3 X-1井綜合曲線

X-2井2013年12月投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)1年的排采產(chǎn)水量下降到0.1m3，2014年12月實(shí)施智能間開(kāi)，該井下入井底壓力計(jì)，用“閥值法”進(jìn)行智能間開(kāi)，該井煤底高度為611.2m,泵吸入口高度為622.2m，通過(guò)計(jì)算煤底位置壓力為0.42MPa、泵吸入口位置壓力為0.31MPa,把這兩個(gè)壓力做為啟停壓力，實(shí)現(xiàn)了智能間抽。間抽后氣量上升平穩(wěn)，井底流壓平穩(wěn)下降，該井現(xiàn)日產(chǎn)氣800m3，如圖4。

圖4 X-2井綜合曲線

5.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

智能間抽技術(shù)實(shí)現(xiàn)了井底流壓不隨間抽發(fā)生變化，排采管控更精確，保證煤層氣井氣量平穩(wěn)上升；應(yīng)用智能間抽技術(shù)節(jié)能率85%，大大降低了排采成本；依托自動(dòng)化管理平臺(tái)，應(yīng)用智能間抽技術(shù)，管理簡(jiǎn)單，控制精確。

6 結(jié)論

(1)以井底流壓為核心，利用“口袋效應(yīng)”為基礎(chǔ)的智能間抽技術(shù)在長(zhǎng)治地區(qū)煤層氣井應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了井底流壓相對(duì)穩(wěn)定，保證煤層氣井產(chǎn)氣量穩(wěn)步上升。

(2)智能間抽技術(shù)的應(yīng)用解決了煤層氣開(kāi)發(fā)后期產(chǎn)水量小、泵效低的問(wèn)題，通過(guò)減少排采時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了降低能耗、提高效率、延長(zhǎng)設(shè)備壽命目的。

(3)智能間抽技術(shù)的應(yīng)用大大降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，不需要人員盯守，節(jié)約了時(shí)間，提高勞動(dòng)效率。

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(責(zé)任編輯 丁 聰)

Research and Application of Intelligent Intermissive Draiange Technology for CBM Wells in Xiadian Block

DOU Wu, WANG Jichuan, LI Hongtao

(Changzhi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina，Shanxi 046000)

With the gas production of CBM wells, the daily water production will gradually reduces in most of the wells. If there is no liquid and the pump continue to work, it will lead to the piston’s dry wearing in the pump cylinder, and cause damages to the pump. It will also reduce the period of pump inspection cycle, increasing the operation cost, decrease the pump efficiency, and cause the waste of electricity, resulting in an increase of CBM production costs. Based on the study on CBM drainage technologies, the paper proposes that only when the liquid level in the shaft lower than the coal seam, it won’t affect the pressure in the coal seam as well as the stable production of CBM well. Intermissive pumping model can be added to realize the intelligent intermissive drainage through the control of host computer on the start-stop period or pressure of pumping unit. The application shows the technology can ensure the flowing pressure of bottom hole to keep stable alone with the intermissive pumping, and the accurate management and control of CBM well drainage will help to guarantee the stable increase of CBM production.

CBM well; intelligence; drainage technology; intermissive pumping technology; PLC control technology

竇武，男，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事煤層開(kāi)發(fā)工作。