DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.010

摘" " 要：為解決韓城采氣管理區(qū)的中淺層煤層氣井生產(chǎn)氣量不足、連續(xù)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(diào)整抽油機(jī)的抽采頻率，從連續(xù)抽取轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇抽取，以實(shí)現(xiàn)供需平衡。間抽技術(shù)方案通過選取合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行抽采和改變抽采沖次，實(shí)現(xiàn)能量的有效利用。結(jié)果表明，施加智能間抽策略后，開井的時(shí)耗電量降低45.14%，節(jié)約了電能和成本；實(shí)施間抽策略前沖次的改變對(duì)時(shí)產(chǎn)氣量影響很大，在1.6、2.6、3.6 次/min沖次條件下的時(shí)產(chǎn)氣量分別為16.14、15.24、0.14 m3/h，沖次為3.6 次/min的時(shí)產(chǎn)氣量較低；實(shí)施間抽策略后，3種沖次下的平均時(shí)產(chǎn)氣量可提高至15.30 m3/h。針對(duì)韓城采氣管理區(qū)的采氣現(xiàn)狀，建議在沖次為2.6次/min的條件下實(shí)施智能間抽策略，運(yùn)行30 min停30 min。制定的間抽控制技術(shù)可以在降低抽油機(jī)能耗的同時(shí)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并提高煤層氣的開采效率。

關(guān)鍵詞：中淺層煤層氣；游梁式抽油機(jī)；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(fèi)持續(xù)攀升，能源結(jié)構(gòu)深度變革，煤層氣的價(jià)值逐漸凸顯。煤層氣被視為一種環(huán)保、富足的能源而備受關(guān)注。中淺層煤層氣井的有效開發(fā)與利用成為能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(fā)難度相對(duì)較小，但也面臨一系列挑戰(zhàn)。在煤層氣開采過程中，抽油機(jī)作為一種關(guān)鍵設(shè)備，其效率和節(jié)能性能直接影響到整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行成本和可持續(xù)發(fā)展[1-2]。在中淺層煤層氣的開采過程中，傳統(tǒng)抽油設(shè)備面臨著抽取效率低下和能源消耗過大的挑戰(zhàn)。隨著礦區(qū)的開發(fā)進(jìn)程進(jìn)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(chǎn)氣井的數(shù)量逐年增長；同時(shí)，削弱氣井供氣能力，引發(fā)了抽油設(shè)備出現(xiàn)不同程度的“泵空”現(xiàn)象。由于供需之間的不平衡，抽油設(shè)備的負(fù)載率降低，無效運(yùn)行時(shí)間增加，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的效率降低；此外，這種現(xiàn)象也加劇了抽油桿和抽油管的機(jī)械磨損和沖擊破壞。為實(shí)現(xiàn)氣井的高效開采和低能耗運(yùn)行，最大限度地利用地下氣藏資源，必須解決一個(gè)關(guān)鍵問題：如何在控制節(jié)能的前提下，優(yōu)化煤層氣抽取系統(tǒng)的運(yùn)行技術(shù)，以及提高生產(chǎn)效率，并挖掘地下氣層的全部潛能，以實(shí)現(xiàn)煤層氣開采的高效與高產(chǎn)。

目前，對(duì)采油節(jié)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(chǎn)液量和系統(tǒng)效率，并提出了自適應(yīng)控制策略。張曉東[2]根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整常規(guī)游梁式抽油機(jī)的輸入頻率，確保電動(dòng)機(jī)在最佳負(fù)載率下運(yùn)行，提高了電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和實(shí)際效率。徐向前[3]進(jìn)行了游梁式抽油機(jī)采油系統(tǒng)的節(jié)能降耗研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)了抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)和負(fù)載特性。姜燕等[4]采用液面恢復(fù)法，對(duì)部分低產(chǎn)低效井實(shí)施間開措施，取得了較好的開采效果。張麥云等[5]運(yùn)用壓力恢復(fù)試井理論和井筒流動(dòng)壓力分布理論，研究了低產(chǎn)油井間歇生產(chǎn)工作制度的確定方法。雷群等[6]在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施合理優(yōu)化間開策略后發(fā)現(xiàn)，單井產(chǎn)量不會(huì)隨間開制度的實(shí)施出現(xiàn)較大幅度的降低，反而可提高低產(chǎn)井的經(jīng)濟(jì)效益。于小明等[7]通過揭示低效井的動(dòng)液面變化規(guī)律，結(jié)合示功圖計(jì)算沉沒度范圍，確定間抽運(yùn)行和啟停機(jī)時(shí)間，確保抽油泵在供液能力條件下運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能目的。關(guān)寧等[8]運(yùn)用油井流入動(dòng)態(tài)規(guī)律和井筒內(nèi)物質(zhì)平衡原理，定性分析了低效井間抽時(shí)油層出液和井口產(chǎn)液的變化規(guī)律，為不同類型井間抽制度的確定提供了一定的理論依據(jù)。周代余等[9]運(yùn)用盈虧平衡分析和環(huán)空體積平衡原理，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面確定單井經(jīng)濟(jì)界限，構(gòu)建了低效油井間歇抽油數(shù)學(xué)模型，確定間歇抽油井的合理工作制度。劉海濤[10]利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(guān)井時(shí)間和生產(chǎn)時(shí)間的確定方法。嚴(yán)慶雨[11]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shù)為依據(jù)制定油井間抽周期的方法，為低產(chǎn)井的經(jīng)濟(jì)開采提供了思路。蒙曉靈等[12]運(yùn)用油井靜液面恢復(fù)與產(chǎn)能的關(guān)系，并考慮液柱自重對(duì)供液能力的影響，建立了液柱高度恢復(fù)模型，通過引入油層折算壓力設(shè)定工作制度。向瑜章等[13]提出了考慮多參數(shù)的間抽工作制度，采用時(shí)間控制器簡化微處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多時(shí)段定時(shí)控制。

在韓城采氣管理區(qū)，現(xiàn)有的抽油機(jī)大部分屬于游梁式抽油機(jī)。抽油機(jī)電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)減速機(jī)帶動(dòng)曲柄機(jī)構(gòu)工作，機(jī)械損耗在3%左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，片區(qū)中有36.2%的生產(chǎn)井的泵效低于10%，大部分井的產(chǎn)氣量低，連續(xù)抽采過程存在泵效低、能耗較高等問題?；陧n城采氣管理區(qū)的采氣實(shí)際，依據(jù)上述研究成果，研究、制定并實(shí)施高效、節(jié)能的抽采技術(shù)，才能解決片區(qū)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(xiàn)的供需失衡問題，主要采取了兩種策略：一是從連續(xù)式煤層氣開采模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇式開采模式，二是通過調(diào)整抽油機(jī)的沖次來實(shí)現(xiàn)抽采速度和頻率的調(diào)節(jié)。這兩種方法都能夠有效地調(diào)整抽油機(jī)的開采效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供需之間的平衡。間歇式開采技術(shù)（以下簡稱間抽技術(shù)）通過選取合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行抽采和改變抽采沖次，以實(shí)現(xiàn)能量的有效利用；通過合理運(yùn)用間歇性抽采方式，在降低能耗的同時(shí)，還能保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并提高煤層氣的開采效率。同時(shí)，期望間抽技術(shù)的實(shí)施可以減少能源浪費(fèi)，降低設(shè)備的磨損，延長抽油機(jī)的使用壽命，為煤層氣的可持續(xù)開采提供可行性的理論支撐。本文基于韓城采氣管理區(qū)實(shí)際抽氣現(xiàn)狀，深入探討了如何通過優(yōu)化抽采沖次并結(jié)合間歇抽采技術(shù)方法，用以提升煤層氣的開采效率，降低能耗。

1" " 間抽方案設(shè)定

在韓城采氣管理區(qū)，程序化間抽技術(shù)主要考慮光伏發(fā)電和峰谷時(shí)段、峰谷電價(jià)等綜合因素來設(shè)定調(diào)沖及間抽機(jī)制，在不降低產(chǎn)氣量的基礎(chǔ)上最大程度減少開井時(shí)率，最大程度利用光伏能源，以及夜間低電價(jià)時(shí)段的用電生產(chǎn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降費(fèi)目的。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中主要采用兩種間抽模式——停機(jī)間抽和不停機(jī)間抽，并根據(jù)井的生產(chǎn)特性進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于停機(jī)間抽模式的井，優(yōu)先在有視頻監(jiān)控的井場(chǎng)進(jìn)行，避免啟/停機(jī)過程中抽油機(jī)周邊有員工活動(dòng)而產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。

控制系統(tǒng)通過有線或無線的方式與后臺(tái)上位機(jī)無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及控制，控制系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.1" " 停機(jī)間抽控制策略

低滲透巖層滲出氣產(chǎn)量會(huì)隨著時(shí)間積累而逐漸升高，直至達(dá)到可以抽汲的狀態(tài)。恢復(fù)過程中采取停井措施，抽油機(jī)等待氣量恢復(fù)后才開始抽汲作業(yè)。等待時(shí)間和抽取時(shí)間需要依據(jù)井的氣量實(shí)際恢復(fù)快慢來確定。通過定期測(cè)量電功率曲線并將其轉(zhuǎn)換為沉沒度值，構(gòu)建出一個(gè)沉沒度隨時(shí)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(dá)到了預(yù)設(shè)閾值，如果達(dá)到了，進(jìn)一步的抽汲將導(dǎo)致泵的抽取能力顯著降低，抽取工具的磨損也會(huì)加劇，同時(shí)還會(huì)消耗更多的能源，從而導(dǎo)致成本的大幅上升。一旦發(fā)現(xiàn)曲線斜率低于預(yù)設(shè)閾值ζ1（ζ1可根據(jù)實(shí)際井的生產(chǎn)情況來確定），即|h2 - h1|/|t2 - t1|≤ζ1，便立即執(zhí)行關(guān)閉井口的操作，并將這一時(shí)刻標(biāo)記為關(guān)井時(shí)間T1。

圖2中，t1與t2之間的產(chǎn)氣量可以表示為：

式中：Q12為t1與t2之間的產(chǎn)氣量，kg；ρ為混合液體密度，kg/m3；f為含水率，%；R為套管內(nèi)徑，m；r為油管外徑，m；h1為t1時(shí)刻動(dòng)液面的高度，m；h2為t2時(shí)刻動(dòng)液面的高度，m。

在沉沒度隨時(shí)間變化曲線恢復(fù)段，若曲線的斜率高于設(shè)定值ζ2（ζ2也是根據(jù)井的實(shí)際生產(chǎn)情況來確定），即|h3-h4|/|t3-t4|≥ζ1，則執(zhí)行開井操作，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為開井時(shí)間T2。

其中，t3與t4之間的產(chǎn)氣量可以表示為：

式中：Q34為t3與t4之間的產(chǎn)氣量，kg；h3為t3時(shí)刻動(dòng)液面的高度，m；h4為t4時(shí)刻動(dòng)液面的高度，m。

沉沒度與系統(tǒng)效率關(guān)系的計(jì)算公式為：

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

1.2" " 變沖次控制策略

持續(xù)抽取煤層氣會(huì)降低氣井的供氣能力，當(dāng)氣井的供氣能力顯著降低時(shí)，繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行開采將會(huì)引發(fā)供氣不足的問題。如果沖次設(shè)定得過高，可能會(huì)導(dǎo)致泵的充盈程度急劇下降，這種情況不僅可能引發(fā)泵的抽空問題，還可能觸發(fā)液擊現(xiàn)象。此外，如果抽汲參數(shù)設(shè)置不合理，會(huì)對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，增加抽油機(jī)的工作能耗。為了解決這個(gè)問題，可以通過調(diào)整抽油機(jī)的沖次來達(dá)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(jì)算沖次。調(diào)整沖次的主要手段有電功率法、示功圖法、動(dòng)液面法等。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治雠c數(shù)據(jù)匹配，電功率法在處理地下復(fù)雜且多變的工作環(huán)境時(shí)，能更為精確地執(zhí)行自適應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)沖次的變化，其沖次變化調(diào)整方案流程如圖3所示。

動(dòng)液面的高度反映了供需關(guān)系的均衡狀態(tài)，如圖4所示。因此，通過調(diào)整抽油機(jī)的沖次，改變其單位時(shí)間的運(yùn)行速率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供需關(guān)系的微調(diào)，從而影響動(dòng)液面的高度，并最終達(dá)到優(yōu)化泵效率的目標(biāo)。采用機(jī)理公式作為氣井沖次優(yōu)化控制的研究對(duì)象，可根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)控制輸入，即歷史時(shí)刻動(dòng)液面高度和前一時(shí)刻抽油機(jī)沖次，得到當(dāng)前時(shí)刻動(dòng)液面高度值。

設(shè)在Δt時(shí)間間隔內(nèi)，因地層壓力從產(chǎn)層進(jìn)入井底的氣量Qin（m3/d）為：

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

在Δ t時(shí)間間隔內(nèi)抽油機(jī)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(shù)。

由物料守恒關(guān)系可知，在Δt的時(shí)間間隔內(nèi)，氣層供液量與抽油機(jī)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(dāng)Δt趨近于無限小時(shí)，式（7）可寫成：

兩邊取積分得：

式中：h0是t=0時(shí)刻的沉沒度值，m。

可根據(jù)泵深計(jì)算動(dòng)液面，由此確定動(dòng)液面模型。

2" " 實(shí)例分析及節(jié)能效果

在韓城采氣管理區(qū)，通過調(diào)整抽油機(jī)的抽取速率，將持續(xù)的煤層氣開采模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛缘拈_采模式，利用速度調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程次數(shù)來實(shí)現(xiàn)開采模式的轉(zhuǎn)變，并編制了軟件，如圖5所示。對(duì)于韓3-038井采用間抽技術(shù)方案，通過選取合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行抽采和改變抽采沖次，實(shí)現(xiàn)能量的有效利用。在不同沖次下實(shí)施間抽策略前后的結(jié)果見表1、表2。

對(duì)比表1、表2發(fā)現(xiàn)：在沖次和開井時(shí)長相同的情況下，實(shí)施間抽策略前沖次的改變對(duì)時(shí)產(chǎn)氣量影響很大，在1.6、2.6、3.6 次/min三種沖次條件下，時(shí)產(chǎn)氣量分別為16.14、15.24、0.14 m3/h，沖次為3.6 次/min的時(shí)產(chǎn)氣量較低；實(shí)施間抽策略后3種沖次下的平均時(shí)產(chǎn)氣量可提高至15.30 m3/h。實(shí)施間抽策略后，開井時(shí)耗電量分別降低50.82%、34.59%、50.00%，平均降幅為45.14%，產(chǎn)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(chǎn)氣量分別增加了0.44%、-5.15%。綜上，針對(duì)韓城采氣管理區(qū)的采氣現(xiàn)狀，從產(chǎn)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(shí)施智能間抽策略，即運(yùn)行30 min停30 min。

3" " 結(jié)論

基于韓城采氣管理區(qū)的采氣現(xiàn)狀，為改善產(chǎn)液量低、連續(xù)抽采過程泵效低，以及能耗較高的現(xiàn)狀，通過調(diào)整抽油機(jī)的采油速率，從持續(xù)的煤層氣開采模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛缘拈_采模式，編制了可控制軟件，并利用速度調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程次數(shù)來實(shí)現(xiàn)開采模式的轉(zhuǎn)變。解決了片區(qū)中淺層煤層氣開采中的高能耗問題，并達(dá)到了供采匹配的目的。研究結(jié)論如下：

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

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

3）針對(duì)韓城采氣管理區(qū)的采氣現(xiàn)狀，建議在沖次為2.6 次/min的條件下，實(shí)施智能間抽策略，運(yùn)行30 min停30 min。

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基金項(xiàng)目：中國石油煤層氣公司科技項(xiàng)目（2022-KJ-36）資助；四川省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于非線性動(dòng)力學(xué)的超深井全井鉆柱振動(dòng)機(jī)理與抑振研究”（2022NSFSC1143）資助；四川省南充市市校合作項(xiàng)目“耦合非線性萬米超深井全井簡鉆柱系統(tǒng)振動(dòng)引致失效機(jī)理及可控性研究”（23XNSYSX0040）資助；四川省南充市市校合作項(xiàng)目“斯特林制冷機(jī)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(yè)于西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)從事數(shù)字信息化相關(guān)領(lǐng)域工作。Email：wangbo_cbm@petrochina.com.cn

收稿日期：2024-08-18；修回日期：2024-10-22