夏店區塊煤層氣井智能間抽技術研究及應用

竇 武 王冀川 李洪濤

(中國石油長治煤層氣勘探開發分公司,山西 046000)

夏店區塊煤層氣井智能間抽技術研究及應用

竇 武 王冀川 李洪濤

(中國石油長治煤層氣勘探開發分公司,山西 046000)

煤層氣井開發進入產氣階段后，大部分井日產水量逐漸減少，如果井筒內無液體，泵繼續工作會導致活塞在泵筒里干磨，容易損壞泵，同時檢泵周期縮短，增加作業費用；泵效降低，導致電能的浪費，增加煤層氣井排采費用。通過對煤層氣井排采技術的研究，發現只要保證井筒內液面在煤層以下，則不會影響煤層壓力，更不會影響煤層氣井穩定產量，還能加間抽模塊，通過上位機限定抽油機啟、停周期或壓力，從而實現煤層氣井智能間抽。應用表明，智能間抽技術實現了井底流壓不隨間抽發生變化，排采管控更精確，保證煤層氣井氣量平穩上升。

煤層氣井 智能 排采技術 間抽技術 PLC控制技術

夏店區塊位于沁水盆地中南部，北緯39度以北，隸屬山西省長治地區，包括長子、屯留、襄垣等縣市，該區塊主體為丘陵山地，溝谷發育，切割較深，地面海拔580～1300m，含有豐富的煤炭資源。該區塊屬于高階煤(貧瘦煤)開發區域，整體熱演化程度高，噸煤含氣量高，整體富集程度高，割理裂縫發育，煤體結構破碎，煤質較軟。煤層滲透率低應力敏感性較強，單井產水量差異性大、煤粉產出明顯，排采難度大。

煤層氣井開發進入產氣階段后，產水量逐漸減少，經過2年多排采，夏店區塊500口煤層氣井日產水不到0.3m3的就達到240口。最小參數生產，也不能滿足煤層氣井精確控制井底流壓要求，且泵效明顯下降，導致電能的浪費，增加了煤層氣井排采費用。針對以套壓控制井底流壓的低水量井，利用煤層井鉆井預留50m口袋，根據煤層以下液面高度自動啟停抽油機，實現了智能間抽，保持了井底流壓相對穩定。

1 煤層氣間抽原理

井底流壓即井底流動壓力，是煤層氣井生產時的井底壓力，它表示煤層氣從地層流到井底后的剩余壓力。在煤層氣生產過程中，井底流壓不僅制約著煤層氣井產氣量和產水量，而且對儲層滲透性儲層特性有一定影響，保證穩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程中留有的50 m口袋空間存儲效應，存儲煤層滲流至井筒內的水，通過啟停抽油機控制煤層下面液面高度，保證井筒內液面在煤層以下波動，不影響煤層的壓力，確保井底流壓相對穩定，從而達到既保證煤層氣井正常生產、不影響產量，又能減少抽油機運行時間的效果。

根據煤層氣井排采設備的不同，采用2種方法實現間抽：(1)人工確定間抽時間，通過上位機設定間抽周期自動實施，即“周期法”間抽；(2)通過采集下入井底的壓力計數值，上位機對壓力進行限定實現智能間抽，即“閥值法”間抽。

2 “周期法”間抽技術

2.1 “周期法”間抽原理

“周期法”智能間抽技術原理比較復雜，如圖1。其原理為利用煤層以下井筒存儲效應，存儲煤層滲流至井筒的水；根據單井產液能力，計算液面恢復至煤層底板處的時間，確定單井間抽停井時間，確保停井后液面始終保持在煤層底板以下，不會造成煤層壓力的回升；待液面回升到煤層底板附近時重新開井，采用相對較大的沖次，在較短的時間內將井筒內液體排出，根據泵效計算降液面降至泵吸入口所需時間，確定煤層氣井開井生產時間；待液面降至泵吸入口，然后再次停井，進入下一個間抽循環。計算周期后按周期循環即可。

圖1 “周期法”智能間抽工作原理

2.2 “周期法”間抽周期計算

液面恢復高度(H)：停井前井筒內液面與停井后某時刻井筒內液面高度之差。定義間抽井液面最大恢復高度為Hmax，其大小為煤層底板與泵吸入口的高度差，現場實際下泵數據計算其大小為10～20m。

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

(1)

式中，DT為生產套管內徑， 124.26mm；DY為油管內徑， 73mm。

由式(1)計算的油套環空可利用存儲空間V為0.08～0.12m3。

停井時間(tstop):抽油機停井時刻至下一次開井時刻的時間差，其大小由日供液能力和可利用存儲空間V決定，產液能力越小，間抽停井時間越長。

(2)

式中，Qy為單井每小時實際產液量，m3/h。

由式(2)可以計算不同停井時間所對應的產液能力。

泵效(η):目前日產液所占泵正常工作時理論排量的百分比，其大小為

(3)

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

開井生產時間(trun)：抽油機開井時刻至下一次停井時刻，其大小取決于單井供液能力、泵效和可利用存儲空間和沖次大小。

(4)

再次起抽是需要采用比全天運行較大的沖次，目的為了較短的時間排出井筒里的液體，但考慮到高沖次啟動，電機扭矩過大，不利于抽油井系統的穩定性，因此，起抽沖次選擇1～3次/min，單井選擇根據其泵效來選取合適的沖次，縮短開井運行的時間。通過以上參數建立間抽模型確定開井及停井周期，確定周期后執行循環控制。

2.3 “周期法”間抽控制模型

限定開停井周期，通過公式計算tstop、trun，在tstop周期內進行停井操作、在trun周期內進行啟井操作即可，保證井筒內液面在煤層以下，不影響煤層壓力。

3 “ 閥值法”間抽技術

3.1 “ 閥值法”間抽原理

“閥值法”間抽技術原理相對簡單，通過下入井底的井下壓力計實時監測井底流壓，應用公式計算煤層氣井生產時煤層底板處壓力及泵吸入口處的壓力，規定泵吸入口處的壓力為啟井壓力，煤層底板處壓力為關井壓力，通過抽油機的啟停操作保證煤層中壓力不發生變化。

3.2 “ 閥值法”間抽周期計算

停井壓力:煤層氣間抽井關停時刻的壓力pt，

pt=pb

啟井壓力：煤層氣間抽井啟動時刻壓力pq，

Pq=Pt+ P液

P液=ρgh

式中，pb——泵吸入口處壓力值、通過壓力計可讀取

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，現場實際下泵數據其大小為10～20m。

3.3 “ 閥值法”間抽控制模型

通過壓力計讀取泵吸入口的壓力作為停井壓力pt，公式計算得出啟井壓力，在上位機設定啟停井壓力，控制抽油機啟停，保證不影響煤層壓力。

4 智能間抽技術

根據“周期法”、“閥值法”理論模型，利用生產自動化系統平臺自動啟停抽油機，實現智能間抽。智能間抽技術核心為PLC控制技術，“周期法”間抽技術的實現主要應用了PLC控制技術，通過地質人員利用公式計算間開井開井、停井周期，上位機對時間進行限定，PLC通過采集抽油機運轉時間并與上位機限定時間對比，控制抽油機的自動啟停。“ 閥值法”間抽技術主要應用了PLC控制技術及智能排采技術，地質人員根據每口井的煤層位置及泵下入位置計算兩位置的壓力值，將計算出來的值作為啟井和停井的壓力，PLC通過采集井底壓力計回傳數值和閥值進行比對進行自動啟停，保持井底流壓相對穩定。

4.1 智能間抽程序原理

煤層氣井智能抽開是根據煤層氣井底流壓變化規律，以“周期法”和“閥值法”2種控制方法為基礎，通過地質人員計算抽油機啟停周期或抽油機啟停壓力，在上位機進行設定后，抽油機按照指定的程序自動啟停，無需人員操作，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

間抽控制技術核心為PLC控制技術，現階段PLC技術在工業生產自動控制領域得到了廣泛的應用，比較成熟，具有結構簡單、編程方便、性能優越靈活、使用方便、可靠性強、抗干擾性強的特點，煤層氣井智能間抽應用的PLC控制技術相對簡單，根據采集對象不同，考慮因素也有差異。

“周期法”間抽主要是利用PLC采集和對比、同步功能，PLC采集上位機限定的時間，同時上位機根據PLC回傳時間對比同步，將對比同步后的時間在返回PLC中，實現在限定周期內抽油機啟停，在PLC控制程序編制過程中最主要考慮的因素就是時間同步，如果時間不同步會造成數據的誤差，我們利用ABPLC廠家提供的SyncTAD軟件，實現了“周期法”間抽井時間的精確控制。

“閥值法”與“周期法”PLC控制有所不同，區別在與采集對象不一樣，“閥值法”是通過采集井底壓力值，與上位機設定閥值進行比較，實現抽油機的啟停，“閥值法”程序編制過程中要考慮兩方面因素，首先壓力計傳輸錯誤將如何解決，其次啟井后怎樣保證壓力平穩下降。

針對傳輸錯誤問題在PLC中對壓力進行了限制，當壓力計采集數值為O時并持續時間超過2小時及以上時，智能控制模式自動切換為“周期法”并提醒地質人員在上位機進行周期限定；當壓力計采集數字出現波動超出正常范圍時，暫時保持原抽油機狀態，并提醒地質人員對壓力計進行檢查，同時設置啟停周期；

針對啟井后怎樣保證壓力平穩下降，采用了智能排采控制技術，通過多回路的PID調節，根據該井不同的地質狀況，不斷調整不斷改變控制方案，保證了啟井后井底壓力平穩下降。

5 現場應用

5.1 現場實施

長治地區從2014年開始規模試驗，目前已經應用100多口井，井底流壓保持相對穩定，產氣量逐步上升，節能效果明顯。

智能間開技術的應用保證了煤層壓力的穩定，解決了排采方式以最小參數生產，也不能滿足煤層氣井精確控制井底流壓要求的問題，以X-1井為例，該井2012年12月投產，經過2年排采，產水量下降到0.3m3。2014年9月實施智能間抽，由于該井無井下壓力計，采用“周期法”間開控制技術，該井煤底深度為771.2m,泵吸入口高度為786.2m，恢復液面高度為15m，每小時產水量0.04m3，通過計算采用1d開井2 h間抽周期。間抽后氣量上升平穩，井底流壓平穩下降，該井現日產氣1270 m3，如圖3。

圖3 X-1井綜合曲線

X-2井2013年12月投產，經過1年的排采產水量下降到0.1m3，2014年12月實施智能間開，該井下入井底壓力計，用“閥值法”進行智能間開，該井煤底高度為611.2m,泵吸入口高度為622.2m，通過計算煤底位置壓力為0.42MPa、泵吸入口位置壓力為0.31MPa,把這兩個壓力做為啟停壓力，實現了智能間抽。間抽后氣量上升平穩，井底流壓平穩下降，該井現日產氣800m3，如圖4。

圖4 X-2井綜合曲線

5.2 現場應用效果分析

智能間抽技術實現了井底流壓不隨間抽發生變化，排采管控更精確，保證煤層氣井氣量平穩上升；應用智能間抽技術節能率85%，大大降低了排采成本；依托自動化管理平臺，應用智能間抽技術，管理簡單，控制精確。

6 結論

(1)以井底流壓為核心，利用“口袋效應”為基礎的智能間抽技術在長治地區煤層氣井應用，實現了井底流壓相對穩定，保證煤層氣井產氣量穩步上升。

(2)智能間抽技術的應用解決了煤層氣開發后期產水量小、泵效低的問題，通過減少排采時間，實現了降低能耗、提高效率、延長設備壽命目的。

(3)智能間抽技術的應用大大降低了人員勞動強度，不需要人員盯守，節約了時間，提高勞動效率。

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(責任編輯 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，高級工程師，現從事煤層開發工作。