煤層氣田井口供電技術優化

陳仕林 熊德華 周 軍 牛立圓 宮 敬

(1. 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249；2. 中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011；3. 中國石油西氣東輸管道公司蘇北管理處，江蘇 揚州 225009)

煤層氣是一種非常規天然氣資源[1]。近年來，我國煤層氣開發取得了顯著成就，國內煤層氣產量也實現了快速增長，2013年我國煤層氣產量達138.13億m3，其中地面抽采29.26億m3，井下抽采108.87億m3[2]。煤層氣的開發既能提供清潔能源，彌補天然氣供需缺口，又能減少煤炭開采中甲烷排放造成的溫室效應和大氣污染，對建設和諧環境、實現綠色能源經濟具有重要作用。

煤層氣開發采用排水降壓工藝，井口排采設備的穩定性和可控性關系到后期的氣井生產能力，合適的排采方法和制度是煤層氣田開發技術的關鍵。如何針對煤層氣開發特點提高煤層氣排采工藝水平、降低建設投資和生產成本是煤層氣田高效開發必須解決的重要問題。

我國煤層氣田大多位于地形復雜的偏遠山區，其主要特點是氣井數量多、單井產氣量低、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。煤層氣單井排采設備的額定功率通常只有5.5～15.0kW，每平方千米排采設備的額定功率僅為60～160kW，因此煤層氣田井口排采動力系統是典型的低負荷、分散型動力系統。由于煤層水量有限，隨著排采時間的推移，井口產水量呈下降趨勢，排采設備動力負荷也隨之下降，當煤層水量干涸時停止連續排采，設備負荷趨于零。

國內煤層氣田井口供電技術主要有國家電網工業用電供電、井口燃氣發動機供電、大型燃氣發電機集中供電和小型燃氣發電機閥組發電供電4種模式。筆者優化了國內煤層氣田井口排采設備的供電技術，以降低單井排采能耗和排采費用，并大幅增加煤層氣井口供電距離。

1 國內煤層氣田井口供電技術分析①

中聯煤層氣有限責任公司2004年開始實施沁南煤層氣開發利用高技術產業化示范工程項目，共建設煤層氣井150口，并于2009年10月正式投產。該項目的成功實施促進了我國煤層氣產業的商業化開發進程。總結近年來我國煤層氣田井口排采動力系統的發展過程，其供電方式主要有國家電網工業供電、井口燃氣發動機供電、大型燃氣發電機集中供電和小型燃氣發電機閥組供電4種模式。

1.1 國家電網工業供電

井口抽油機采用電機驅動，從井口到閥組鋪設380V低壓電纜，閥組所轄井的電纜在閥組匯集，通過低壓配電柜對閥組所轄井進行統一計量控制，并將監測數據上傳。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高壓線路經集氣站高壓配電室與國家電網主干線路相連接。在國家電網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 國家電網供電模式示意圖

1.2 井口燃氣發動機供電

由于煤層氣田多處于山區，國家電網電力資源相對缺乏，在周圍沒有可用電力資源的條件下，需采用井口燃氣發動機供電模式。抽油機依靠燃氣發動機驅動，井場不需要電力資源，井口工藝和抽油機施工完成后即可投產。燃氣發動機為雙燃料發動機，氣井尚未產氣前以汽油為燃料，氣井產氣后燃料變為氣井自身產出的煤層氣。

1.3 大型燃氣發電機集中供電

在國家電網電力資源不足或不具備供電條件的地方，為實現穩定供電可在集氣站建設發電站，通過燃氣發電機為井口抽油機提供電力。該模式與采用國家電網供電模式僅在電力資源來源上有所不同，且需要生產單位對燃氣發電站進行日常維護和保養。

1.4 小型燃氣發電機閥組供電

沁水盆地南部柿莊南區塊地形條件復雜，而且林地覆蓋率高，導致高壓線路施工難度較大；同時，國家電網高壓線路總體容量較少，不能滿足煤層氣田大規模排采的需要。因此，該地區煤層氣開發采用閥組集中供電模式。井口抽油機采用電機驅動，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氣發電機，每個閥組由單獨的燃氣發電機供電，一個閥組就是一個相對獨立的電力系統，閥組建設完成后即可投產運行。該模式取消了10kV高壓線路的架設，其供電示意圖如圖2所示。

圖2 小型燃氣發電機閥組供電模式示意圖

2 井口供電技術優化

對比煤層氣田井口排采動力系統的各種供電模式發現，井口抽油機多采用電機驅動。電機類型分為普通電磁調速電機和變頻調速電機。在煤層氣田開發中，抽油機多選用五型抽油機，配套電機多為5.5kW電磁調速電機。近年來，隨著煤層氣井深度的增加，抽油機配套電機大多使用變頻調速電機。

根據電力系統設計規范的要求，在使用380V低壓電纜供電時，其長度一般不超過750m，最長不宜超過1km。煤層氣井一般呈300m×300m網格排列，考慮到地形等環境因素的影響，每個低壓配電柜管轄井數應較少。沁南煤層氣開發利用高技術產業化示范工程先導性示范項目設定每個低壓配電柜管轄10口煤層氣井。從集輸工藝方面考慮，每個閥組管轄井數一般為10～20口井。但為了方便統一管理，配電柜和閥組一般設置在同一井場，但也因此使閥組實際管轄井數減少，閥組數量增加。為增大低壓電纜的輸送長度，增加閥組管轄井的數量，中聯煤層氣有限責任公司先后進行了660V供電技術和380V抽油機智能調控技術的研究和試驗。

660V供電技術是在煤礦井下采煤供電技術的基礎上發展而來，該技術以小型燃氣發電機閥組供電模式為基礎，將發電機電壓等級提高到660V，井口和閥組發電機間采用660V電壓等級，抽油機電機采用660V電磁調速電機。根據交流輸配電理論，在電網負荷和導線截面積不變的前提下，同一導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的3倍；同理，在線路負荷和導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到采用380V電壓時的1.732倍。另外，供電半徑的延伸簡化了電網，使閥組發電機的數量大幅減少，排采動力系統的可靠性大幅提高。因此660V供電技術既降低了建設投資，又減少了后期的生產維護工作。

380V抽油機智能調控技術結合了伺服技術和變頻調速技術，利用可編程DSP芯片對抽油機進行實時跟蹤和控制以達到節能降耗的目的。該技術不需要改造游梁式抽油機的機械結構，采用功率為原裝機功率1/3～1/2的普通交流異步電動機就可以讓抽油機正常工作。利用專用的32位可編程DSP芯片核心組成伺服系統，使交流異步電動機工作時的電流、力矩、速度和位置處于閉環系統中。抽油機啟動時，伺服控制器用底層的軟件實現恒功低速高轉矩控制，使其達到啟動力矩的要求；抽油機啟動后，伺服控制器控制電動機的力矩，在達到給定的預置沖次時，通過DSP內的PI調節器穩定此工況。伺服控制器在運行過程中隨時監測電動機的扭矩，在其逐步減小即將為零時截止電動機的力矩電流輸出。電動機因在自由狀態而被抽油機拖著加速空轉，驢頭和抽油桿的大量勢能轉換成旋轉慣性動能。抽油機電機功率降低后，實際運行電流隨之顯著降低，加之系統采用變頻啟動方式，沒有啟動電流沖擊，低壓電纜的最大負荷顯著降低，由此可以較大程度地增大低壓電纜的輸送距離。經過現場試驗測試，采用380V電壓時，電纜長度超過2km時抽油機仍然可以正常運行。

3 現場試驗與應用

為驗證優化技術的可行性，中聯煤層氣有限責任公司在柿莊南區塊對380V抽油機智能調控技術進行了周詳的現場測試。測試方案采用50kW燃氣發電機供電，測試4口井在各種工況下的運行狀態參數。參與試驗的4口井均采用五型抽油機，具體試驗相關參數見表1。

表1 試驗方案的相關參數

試驗首先對發電機輸出端各相參數進行了測試，測試結果見表2、3。

表2 發電機端各相測試結果

表3 發電機端綜合平均值測試結果

試驗過程中針對A、B、C井電纜長度不同的情況，分別測試了B井在正常工況下的運行參數(表4)、A井在抽油機高負荷工況下的運行參數(表5)和C井在不同負荷工況下的運行參數(表6)。為方便與其他技術相比較，測試所得D井在正常工況下的運行參數見表7。

表4 B井在正常工況下的運行參數

表5 A井在抽油機高負荷工況下的運行參數

表6 C井在不同負荷工況下的運行參數

表7 D井電機在正常工況下的運行參數

為了測試智能調控技術抽油機啟動過程中的參數變化情況，試驗測試中同時利用兩臺測試儀器對C井啟動過程中電源端和電機端的參數進行監測。電源端電壓、電流和有功功率的變化情況如圖3所示，電機端電壓、電流和有功功率的變化情況如圖4所示。

由試驗測試數據可以看出，智能調控技術采用軟啟動方式，電流、電壓變化平穩，沒有啟動電流沖擊。抽油機運行過程中，伺服控制器實時控制電動機的力矩，由于抽油機在運行過程中電機扭矩呈周期性變化，因此電機電流和有功功率呈周期性變化，在抽油機扭矩為零時電機電流為零。C井電纜長度已達2km，但抽油機啟動和運行時的電壓仍然能夠達到規范要求。

a. 電壓

b. 電流

c. 有功功率

a. 電壓

b. 電流

c. 有功功率

4 技術發展探討

隨著數字變頻技術的不斷發展，相關產品價格大幅下降，變頻器在抽油機、電機調速控制方面的應用越來越普及。近年來，公共直流母線供電技術在帶有變頻器的電力系統中的應用越來越廣泛，將原來的AC-DC-AC模式改為DC-AC模式，具有減少電能變換環節、降低線路損耗及提高電能質量等優點[3]，目前已大量應用于軋鋼、紡織、造紙、船舶及油田采油等領域。

如在煤層氣田排采抽油機供電系統中應用公共直流母線技術，當抽油機在上沖程時可通過直流母線汲取驅動能量，而在下沖程時，可將電機產生的倒發電電流回饋到直流母線中，實現各抽油機之間的饋能循環互補共享，能夠極大地發揮抽油機的群體優勢。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，比交流架空線路節省投資。

首先，相同型號的電纜用于公共直流母線時，其允許工作電壓比交流電要高兩倍，所以在電壓相同時，直流電纜線路的造價低于交流電纜。其次，在公共直流母線系統中，不存在并網困難問題，系統中可以實現多點任意并網，便于采氣區電力負荷發生變化時，動態調整供電電源功率和位置。再次，公共直流母線中沒有感抗等不利因素存在，不存在電流的無功損耗和集膚效應損耗，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 結束語

煤層氣產業是一個社會效益巨大、經濟利潤空間有限的新興產業，采用新技術措施減少煤層氣開發過程投資、降低生產成本是煤層氣產業發展的基本策略。380V抽油機智能調控技術能夠很好地適應煤層氣開發特點，經現場初步推廣應用，具有良好的經濟效益，可以在煤層氣開發項目中進行大規模推廣應用。公共直流母線可以作為后期研究的重點方向，爭取盡早在煤層氣田開發中得以試驗應用。

[1] 周軍，李曉平，成夢婭，等.物質平衡法對沁水盆地煤層氣生產動態的預測[J].化工機械，2013，40(4)：420～424.

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

[3] 雍靜，徐欣，曾禮強，等. 低壓直流供電系統研究綜述[J]. 中國電機工程學報，2013，33(7)：42～52.