煤层气排水开采工艺方法研究.doc

煤层气排水开采工艺方法研究 李晓东作者简介李晓东，男，1985年生，山东省乐陵人。油气井工程专业在读博士研究生。地址山东省东营市北二路271号中国石油大学（华东）石油工程学院；邮编257061；电话13475468550； Email lxd_1985_ 韩修廷1 李俊亮1 李娟1 徐金超1 （1. 中国石油大学石油工程学院，山东东营 257061 摘要我国煤炭资源十分丰富，但开采过程中易发生突水、瓦斯爆炸等事故，严重影响人民生命财产安全。合理开采煤层气对煤炭安全开采、优化我国能源结构具有重要意义。在我国，有杆泵在煤层气开采中尝试使用并取得初步效果，但在应用中存在着能耗大、投资高和操作不便利等问题。针对现有有杆泵抽油机存在的各种问题，研制了多功能柔性排采系统，该系统具有结构简单、体积小、能量传递环节少、多功能、投资少等特点。 关键词煤层气；排采设备；多功能；液压自封 Technology research of coalbed methane drainage mining LI Xiaodong1 HAN Xiuting1 LI Junliang1 LI Juan1 XU Jinchao1 （1. College of Petroleum Engineering in the University of Petroleum, Dongying 257061, China） Abstract China is rich in coal resources, but exploitation of the process prone to sudden water, gas explosion, seriously affecting peoples lives and property. Rational exploitation of coal bed methane is important in safe coal mining, optimizing the energy structure. In China, the rod pump used in CBM exploration and get initial results, however, of energy consumption, high investment and unconvenient operational exists in the application. For the existing problems of rod pump mining equipment, we developed a multifunction flexible hydraulic self-sealing production system, the system has simple structure, small size, low power transmission link, multi-functional, low investment and so on. Key words coal bed methane; mining equipment; multifunction; hydraulic self-sealing 我国煤炭资源丰富，根据第三次全国煤田预测资料，除台湾省外，我国垂深2000米以内的煤炭资源总量为55697.49亿吨，其中探明保有资源量10176.45亿吨，预测资源量45521.04亿吨。我国煤炭以地下开采为主[1]，然而煤炭地下开采的重要特征之一是在采掘矿产资源的同时引发一系列地质灾害，从而严重影响矿区生态环境以及人民生命和财产的安全，如矿井突水、瓦斯灾害等。 矿井突水具有来势凶猛、瞬时涌水量大、损失巨大的特点，已成为影响煤矿安全生产的重大关键问题之一。1950年以来我国煤矿曾发生数百次突水事故，其中开滦范各庄矿于1984年6月2日发生突水量为2053m3/min的特大突水淹井事故，造成经济损失5亿元以上[2]。 煤矿瓦斯（即煤层气）更是煤矿安全生产的重大隐患，我国每年因瓦斯爆炸死亡约2000人，2004年10月-2005年3月，四起特大瓦斯爆炸事故死亡矿工594人。近年来，煤矿瓦斯爆炸事故更是频频发生，给人民群众生命财产造成了重大损失。国务院办公厅关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见（国办发〔2006〕47号）中明确规定“煤层中吨煤瓦斯含量必须降低到规定标准以下，方可实施煤炭开采”。 对煤炭矿井进行排水采气是保障矿井安全生产的有效办法，而煤层气则是可以有效弥补我国天然气供需缺口的最现实的非常规天然气资源。我国煤层气资源十分丰富，与陆上常规天然气资源量相当（56万亿m3），埋深2000m以浅的煤层气资源量达36.81万亿m3，可采资源量约为10万亿m3，为规模开发提供了资源条件。若能很好的开发利用，将对我国今后的天然气工业有很大的帮助，合理开发煤层气资源，不仅保护生态环境、解决煤炭开采与重大工程建设的安全问题，而且能为国民经济的发展提供优质能源，具有十分重要的意义。 1 煤层气开发现状及存在的问题 煤层气排采概括来说就是使用油管抽水、利用套管产气，选择技术上可行、经济上合理的煤层气排采方式对有效开采煤层气具有重要意义，随着研究的不断深入，人们通过理论结合实际发明了当前煤层气开发的几种主要技术途径即地面垂直钻井开采、井下抽放煤层气、煤与瓦斯共采和废弃矿井开采等。 当今世界各国在煤层气开发领域，美国在开发规模、技术水平等各个方面一直处于领先地位[3-9]。美国煤层气生产达到商业规模，是有成熟独特的、区别于油气开采的理论和先进技术作保障。美国从上世纪80年代初开始投入4亿美元用于煤层气的基础研究，从建立“排水→降压→解析→扩散→渗流”理论开始实现突破，然后以圣胡安和黑勇士盆地勘探为试验和验证，形成了中阶煤煤层气成藏与开发的系统理论。同时以理论指导开采实践，促进技术的发展与进步，建立了以排水采气理论为核心的整套煤层气开采技术（见图1），例如欠平衡和多分支水平钻井技术，注气增产技术，潜油电泵和螺杆泵排采设备等煤层气开发新技术，并取得了巨大的经济效益，促进了美国的煤层气产业发展。 关于煤层气开采用的排采设备，美国在研究本国煤层地质特性的基础上，根据煤层气井的实际采用多种排采设备，不仅进行常规油气田常规开采工艺的移植与改进，而且，从20世纪80年代中期开始，陆续尝试采用各种排采设备来排水采气。到目前为止，已经形成部分煤层气专用开采设备及工艺技术。 我国有较丰富的煤层气资源且有其自身的特点[10]，在技术层 图1 煤层气排采示意图 面上不能简单照搬美国等国家的技术，尤其是排采设备，必须适应我国井深结构复杂、出水量不稳定、采出液固相含量高的开采实际，对排采设备进行系统而科学的选型，对提升煤层气的开采效益，解决煤层气开采中的关键技术问题，实现我国煤层气的商业化开采十分必要。 目前国内多采用地面垂直钻井开采的方式，该方式又多采用柱塞泵抽油机井系统来进行煤层气的开采。这种开采方式是通过抽排煤储层的承压水，降低煤储层压力，促使煤储层中吸附的甲烷解吸的全过程。对煤层抽水降压是煤层气生产的手段，也是人们目前唯一可以采用的方法，能否抽出地层中的承压水以降低煤层压力是煤层气生产的关键。 我国煤层埋藏一般较浅，深度一般都小于1000m，单井产水量从不到一方到几十方不等，井深低于500m的通常采用Ⅲ型抽油机，埋深超过500m的通常采用Ⅴ型抽油机。常规抽油机井系统一般存在如下问题 1．常规抽油机井系统传递环节较多，系统效率低，能耗大，设备利用率低，导致易出现“大马拉小车”的问题。 2．常规抽油机按照一定的机械规律完成工作循环，地面和井底设备难以达到合理的协调，机、杆、泵事故较多。对于含煤粉较多和气液比较大的煤层气来说，易出现卡泵等更多的问题。 3．煤层气在排采初期，由于压裂液未排完，水量很大，随着压裂液的排出，产水量下降，当液面降到解吸压力以下后，随着气体的产出，水相渗透率减少，产水量下降，泵的工作制度也需相应调整。由于煤层气与常规油气产出机理的不同，即煤层气的产出与煤层水的产出密切相关，因此，可以用调节煤层水的产出来控制煤层气的产出，使生产制度合理。即用泵挂深度、泵径、冲程、冲次以及抽汲时间、套管压力等，而常规抽油机参数（如冲程、冲次、平衡重等）不易调节，因而常使生产受到限制。 4．常规抽油机井系统的井口密封装置靠填料密封，存在易漏失、摩阻大等问题，生产过程中漏水漏气，影响环保；井下的抽油泵依靠加工精度和间隙密封，也存在漏失大、摩阻大等问题。 随着煤层气的进一步开发，以后会有大批定向井井组，因此如何解决排采的偏磨问题，增加泵效，降低成本，节约能耗是十分必要的。 2 多功能柔性排采系统的研究 2.1 系统基本思想 针对现有抽油机系统运动性能差，能量传递环节多，结构复杂，能耗高，功能单一的问题，以大幅度减少能量传递环节、降低杆柱自重负载为突破口，在创新思路、系统优化的基础上，实现采油地面设备的轻、小型化的同时，最大限度地降低系统能耗、增加功能、降低投资和总体费用，研制了适用于煤层气开采的多功能柔性排采系统。其总体思路如下 1简化能量传递环节； 2提高系统低效环节的效率； 3系统减载。 据此，多功能柔性排采系统动力传递采用柔性绳代替四连杆机构和抽油杆，减小了传递环节，降低了杆柱自重；井底采用弹性密封泵，减小泵径，提高了泵效，降低了液柱载荷和下行摩阻；井口采用液压弹性密封，有效缓解偏磨，提高系统低效环节的效率，整个系统取得了突破性进展。 2.2 系统构成及原理 多功能柔性排采系统主要由单曲柄倍程抽油机、动力传递系统、液压井口密封装置和液压柱塞泵构成。系统以单曲柄和轻型柔性绳为主线，代替原刚性能量传递结构，柔性传递从机器固定点绕过滑轮，穿过井口密封装置，直到动力传递终点井下抽油泵，使地面机器部分、中间光杆过渡部分、井下杆柱、抽油泵四部分动力传递为一体（见图2）。 2.2.1 单曲柄倍程抽油机 图2 多功能柔性排采系统原理图 单曲柄倍程抽油机主要由机架单元、曲柄主轴单元、滑轮组-柔性体传动单元、井口卸载支撑单元四个子单元构成（见图3、4）。电动机和减速器直连，曲柄与减速器输出轴相连，并以减速器输出轴为圆心在垂直面内做圆周运动，柔性钢丝绳贯穿整个动力传递系统，将曲柄的圆周运动转化为抽油杆和抽油泵的往复运动。 图3单曲柄倍程抽油机结构侧视图 图4单曲柄倍程抽油机现场应用实物图 单曲柄倍程抽油机具有以下优越性 1 简化了能量传递环节，由原能量传递环节（包括电机皮带轮、皮带、减速箱皮带轮、减速箱多级减速齿轮、曲柄、连杆、游梁、悬绳器、抽油杆）简化为现在的一绳到泵，大大提高了系统效率。 2 减小了抽油机的体积和重量，系统体积缩小至原体积的1/8以下，总机重量由原来的19.8吨减至3吨左右。 3 增加了利用自身动力起下柔性杆作业、测试等功能，大幅度降低维护工作量和费用。 4 系统结构紧凑，外形美观。 2.2.2 液压自封柱塞泵 液压反馈自封柱塞泵的结构主要由泵筒总成、柱塞总成、固定阀总成等构成，如图5所示[11]。新型泵的泵筒总成和固定阀总成与常规泵的结构大致相同，主要包括泵筒、泵筒接箍、加长短节、油管接箍。新型泵的柱塞总成的结构则与常规泵不同，它主要由柱塞芯、密封环、引导环、弹性伸缩套、出油阀、出油阀罩等组成。其结构不同之处在于 1 柱塞主体不是由整根金属管制成，柱塞上装有一个弹性伸缩套，套在中心筛管柱塞芯上，在弹性伸缩套外面则套有若干个耐磨的密封环。 2 柱塞芯由金属制成，中部开有若干个径向槽孔，可使柱塞内部的流体压力均匀作用到胶套内表面上。 3 为了解决偏磨问题，还在柱塞两端装有引导环、扶正机构等结构。 图5液压自封反馈柱塞泵结构图 图6液压自封反馈柱塞泵工作原理图 1-抽油杆；2-出油阀罩；3-弹性伸缩套； 4-密封环；5-柱塞；6-出油阀；7-泵筒； 8-固定阀总成 有杆抽油泵属于特殊形式的往复泵，动力从地面经抽油杆传递到井下，使抽油泵的柱塞做上下往复运动，将油井中的石油沿油管举升到地面上，完成人工举升采油。而这种新型液压反馈自封柱塞泵的工作原理与常规柱塞泵不同之处如图6所示。 液压自封柱塞泵通过增大泵间隙，柱塞表面非金属、耐磨、耐腐蚀材质的选取，有效的降低了恶劣工作环境的影响。合理的运用了柱塞上下的压差，实现了漏失量趋于零和低摩阻。弹性密封环可依据磨损程度进行径向补偿，保持有效的密封，而且偏磨小。 2.2.3 液压弹性井口密封装置 常规盘根盒大多数是采用软填料密封，通过旋转盘根盒压盖使盘根盒填料与光杆处于紧密压紧状态，其密封形式属于接触密封，一般来说，这种摩擦力随工作压力、压缩量以及接触面积等的增大而增大，随运动速度、温度等的提高而减小，另外还与密封材质和润滑状况有很大关系。这使得现有盘根盒主要存在易发生井口漏失，密封摩擦功率较大，维护频繁等问题。 液压弹性井口密封装置则采用液压反馈原理，利用井口内部压力，推动密封环与光杆紧密配合，将液压与机械密封有机结合，形成一个完整的密封小环境，从而达到密封目的。 液压弹性井口密封装置在正常生产运行过程中，不需要外加密封盘根，所以就节省了大量维护时间及费用。优质的材料，使使用寿命达到最大；精良的设计，保证了整套装置的平稳运行。其结构如图7所示，主要由压盖、调节器、外护套、传压胶套、密封环等构成。其内部采用“万向节”原理，可根据井口与光杆之间偏差自动调整至最佳角度，有效缓解偏磨，节能降耗，提高系统效率。基本不需要人工维护、不用人工加盘根。达到检泵周期后，只需要更换其中的密封芯子便可与新无异。 图7 液压井口密封装置结构图和实体图 3 多功能柔性排采系统的现场应用及特性分析 多功能柔性排采系统已在油田20余口油井进行了现场应用，并取得了良好的效果。 在6-452、2-0453两口抽油机井上进行了单曲柄倍程抽油机的现场试验。原机型均为CYJ10-3-53HB型，配用电机功率55KW，电流40-50A，整机重量19.8吨。单曲柄倍程抽油机替代原机型，配用电机功率5.5KW，下泵深度900m，投产后电流4-6A，动液面700m，产液量6t/d，系统效率由17提高到42.6，吨液耗电降低77，由2.6kwh降到0.6kwh，驴头负荷由4-5t降到1.2-1.3t。 在N3-5-236井进行了液压自封柱塞泵的现场试验，由Φ70mm液压自封柱塞泵替代原Φ70mm常规泵，抽油机机型CYJ10-4.2-53HB，抽油杆7/8″，在泵深等抽汲参数不变的情况下，平均泵效由28提高到65.9。 在8-22、8-322、7-227三口井进行了液压弹性井口密封的能耗测试，平均每口井前后对比消耗功率下降0.72kw，单井年节电6149kwh。依据测试结果分析计算，每年减少停机时间24小时以上，减少原油产量损失3吨以上，实现低能耗、长寿命、安全、低维修费用。 该柔性排采系统配套使用，可取得以下有益效果 （1）适应煤田富含的煤粉等固相颗粒，减少卡泵事故发生；井口装置不漏水漏气，解决环保问题。 （2）同等井况下，装机功率降为游梁式抽油机的1/4-1/6。 （3）系统效率可由原来的14提高到28以上。 （4）抽油机重量降为游梁式抽油机的1/4-1/6，节省了大量的钢材，减少了投资。 （5）基础轻便，打桩即可。 （6）实现了不用专职作业队和作业机，可靠自身动力起下泵作业，测试等。 4 结论 1、我国煤层气资源十分丰富，合理开发煤层气资源，不仅能为国民经济的发展提供优质能源，而且解决煤炭开采与重大工程建设的安全问题，具有十分重要的意义。 2、多功能柔性排采系统以柔性传递替代刚性传递，大幅度减少能量传递环节、降低杆柱自重负载、提高薄弱环节效率为突破口，实现采油地面设备的轻、小型化的同时，最大限度地降低系统能耗、增加功能、降低投资和总体费用。 3、液压自封柱塞泵合理的运用了柱塞上下的压差，实现了漏失量趋于零和低摩阻。液压弹性井口密封装置则采用液压反馈原理，正常生产运行过程中，不需要外加密封盘根，从而节省了大量维护时间及费用。 4、通过理论研究和实验证明，该系统原理可行，室内实验指标高，现场应用取得了理想效果。该系统于2008年获得俄罗斯授权专利，2009年获得美国授权专利，目前共获中、美、俄授权专利20余项。 参 考 文 献 [1] 刘梅，曾勇．煤炭地下开采引发的地质灾害及其防治措施[J].能源技术与管理，2005，（2）29-30 [2] 王连国 宋扬.矿井突水危险性评价模型[J].工程地质学报，2001，9（2）158-163 [3] 李旭．世界煤层气开发利用现状[M]．北京煤炭加工与综合利用，200642-45 [4] David A.Simpson,James F.Lea,J.C.Cox. 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