阜新地區煤層氣井變頻技術應用

趙飛彪

(中石油長城鉆探工程有限公司煤層氣開發公司，遼寧 124010)

阜新地區煤層氣井變頻技術應用

趙飛彪

(中石油長城鉆探工程有限公司煤層氣開發公司，遼寧 124010)

阜新地區煤層氣井排采一般使用游梁抽油機，耗能嚴重，且由于電機沖次的限制，不能滿足低產液井排液要求，變頻器的應用很好的解決了這些問題。通過變頻器改變供電頻率可調節抽油機沖次，不僅可節電，減少煤層氣井修井次數，達到降低生產成本的目的，同時，通過變頻控制適當的排液速度，可使壓降漏斗在煤層中得到充分擴展，有效提高了煤層氣采出量。阜新地區變頻器的應用實踐為其它具備相似生產條件的煤層氣井能提供了參考。

阜新 煤層氣井 變頻器

1 項目概況

阜新煤層氣開發項目于2006年建產，該項目采用在未采區地面鉆井的方式開采煤層氣，先后共施工34口直井，最高日產氣達到6萬m3。近年，受煤礦地下礦面掘進的影響，部分井先后出現套管損壞等情況，目前共有20口純氣井在正常排采，日產氣約23000m3。

隨著整個煤層氣開發項目開發進入中后期，在整個項目經營成本中，生產井動力電費所占比例超過1/3，因此針對單井的節能工藝顯得尤為重要。阜新地區煤層氣井井深一般為1000m左右，排采基本使用φ62mm平式油管，抽油桿采用φ19mm+φ22mm和φ19mm兩種組合方式，根據各井產液量不同，分別使用泵徑φ38mm、φ44mm和φ57mm防砂抽油泵，地面排采設備為“六型”曲柄平衡游梁抽油機，配套使用22kW三相交流異步電機。由于游梁抽油機運行時上下沖程驢頭負載變化大，而且平衡率低使得無功損耗大，耗能嚴重，電機運行存在“大馬拉小車”的情況。而且煤層氣井在排采的不同階段對排液速度要求有所不同，現場通常采取更換電動機皮帶輪的方式達到改變排液量的目的。由于電機皮帶輪限制，目前最低沖次為4次，有時無法滿足低產液井的生產要求。

為滿足煤層氣井生產節能降耗和排液量要求，通過前期調研，阜新項目部在2012年共購置12臺變頻器用于單井生產，通過對這12口井2年時間的跟蹤記錄，變頻器在現場使用情況良好，達到了預期節能效果。

2 變頻技術原理

變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成，是靠內部絕緣柵雙極型晶體管的開斷來調整輸出電壓和頻率，可根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。

在游梁抽油機運行時，電機無功功率高，功率因數降低，一方面會增加線損和設備的發熱，另一方面會導致電網有功功率的降低，設備使用效率低，浪費嚴重。使用變頻器后，由于其內部濾波電容的作用，可有效減少無功損耗，達到補償節能的目的。

同時，抽油機使用普通配電箱在啟動時為硬啟動，電機硬啟動對電網會造成嚴重的沖擊，且對電網容量要求過高，影響設備的使用壽命。而變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，減輕對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長設備使用壽命。

3 現場應用情況

總結阜新煤層氣井變頻器近兩年時間的使用情況，變頻器適用于產液量較低(一般日產液量低于10m3)的煤層氣井，且對抽油機平衡率要求較高，一般要求在90%～110%。平衡率越好，沖次可降至越低，最低可降至原沖次的0.2倍，通過泵徑、沖程的不同組合，可滿足低產液井的排液要求。

3.1 對生產成本方面的影響

阜新煤層氣項目部購置的12臺變頻器在安裝調試完成后，于2012年10月份先后投入使用。跟蹤計算各生產井耗電情況。12口煤層氣井在變頻器使用前平均日耗電量約為115kWh，耗電量隨井深、管桿組合、排液量等參數不同而變化，使用變頻器后平均日耗電量77kWh，較之前平均日節約電量38kWh，節電率達到33%。單井每年可節約動力電費約8800元，直接降低了生產運行成本。

同時，對比使用變頻器煤層氣井的檢泵周期發現，在使用變頻器后，檢泵周期均有不同程度的延長，12口井檢泵周期平均延長46天，檢泵次數的減少也直接降低了煤層氣井生產成本。

L21井是12口使用變頻器生產井之一，該井人工井底1051m，射孔煤層為孫家灣、中間和太平煤層群，總厚度為85.7m/12層，煤層中夾有細砂層。在使用變頻器前平均日產水10m3，出砂較嚴重，平均檢泵周期為96天，修井時發現砂面增長速度較快。在應用變頻后，平均日產水控制在4m3左右，檢泵周期明顯延長至230天，通過計算出砂速度為(井筒內砂面高度-人工井底)/檢泵周期可看出，出砂速度減慢，見表1。

表1 L21井修井情況數據表

通過分析不難發現，煤層氣井應用變頻器可延長檢泵周期，一方面是因為降低抽油機沖次可減緩管桿磨損，減少因抽油桿斷脫、油管漏失等原因發生的修井作業，同時可減少因管桿磨損產生的金屬碎屑回落泵筒發生的卡泵情況。另一方面，在其它排采參數(泵徑、沖程、泵深等)不變的情況下，較低的沖次會降低排液量，使煤層割理及縫隙等滲流通道中煤層水流速減慢，減少對煤層擾動，從而進入井筒的砂和煤粉速度減慢，達到延長檢泵周期的目的。

3.2 對煤層氣產出方面的影響

對比分析使用變頻器前后煤層氣井產液和產氣情況發現，變頻器不僅達到了預期的節能效果，對單井煤層氣產出也有很大影響。

根據煤層氣排采理論分析，煤層氣井應用變頻器進行排采，一方面延長了檢泵周期，降低修井作業頻率，保證煤層氣井可連續排采，防止出現因排采中斷而出現煤粉在孔喉等位置堆積而堵塞滲流通道的情況，從而使煤層水可連續向井筒滲流，同時，修井次數的減少可減輕在作業過程中起下油管柱產生的激動壓力對煤層近井地帶滲透率的影響。另一方面，通過不斷調節沖次，探索各井合適的排液強度，可減少排液過程對煤層的擾動，減少煤粉的產生，最大限度的將煤層中的雜質排出，保持滲流通道暢通，使壓降漏斗在煤層中得到充分擴展。由于各井的地質條件不盡相同，合理排液強度的確定是一個不斷摸索對比的過程。

L21井于2007年投產，在2010年產氣量達到頂峰，最高日產氣量超過6000m3，在使用變頻器前，平均日產氣3500m3，日產水10m3左右，且產氣量波動較大。在使用變頻器后，目前日產氣穩定在4000m3左右，日產水4m3，產氣量較使用變頻器前明顯增加且波動幅度小，如圖1所示。

4 結論與認識

通過分析阜新地區煤層氣井變頻器的現場使用效果，可以得出以下結論。

圖1 L21井產量曲線圖

(1)變頻器適用于產液量較低的煤層氣井，對游梁抽油機平衡率要求高，最低可降至原沖次的0.2倍。

(2)使用變頻器可節約煤層氣井單井生產電量消耗，平均節電率達到33%。

(3)變頻器的使用可減緩管桿磨損，減少修井次數，既節約了生產成本，又保證了煤層氣井的連續生產，防止因煤層水中斷采出對煤層滲流通道產生不利影響。

(4)通過變頻器調節適當的抽油機沖次頻率，控制煤層氣井排液速度，可促進煤層中壓降漏斗的擴展，提高煤層氣產出量。

[1] 李鵬，牛東梅.抽油機變頻控制柜在采油管理的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2013，9：194.

[2] 陳兆山，路愛平.煤層氣小井網排采試驗中各參數間關系的研究[J].中國煤田地質，2003，15(2)：23-25.

[3] 姚錦，等.阜新地區煤層氣井作業分析[J].中國煤層氣，2010，7(2)：36-38.

(責任編輯 丁 聰)

Application of Variable-Frequency Technology on CBM Wells in Fuxin Area

ZHAO Feibiao

(GWDC Coalbed Methane Development Company, CNPC, Liaoning 124010)

Conventional beam pumping unit is generally used on CBM wells in Fuxin area, which consumes a lot of energy and cannot meet the discharge requirement of the low fluid-production well due to the stroke limit. The problems are well resolved by the application of the Variable-Frequency Drive(VFD). By changing the frequency of the electricity via the VFD, the stroke of the beam pumping will be changed. On the one hand, the powder consumption and the times of well workover will be reduced, so the production cost of CBM wells is decreased. On the other hand, the radius of the depressurization cone will be expanded sufficiently by controlling the appropriate fluid production rate, and the gas production will be increased. Some references can be offered for CBM wells with similar production conditions on the base of the VFD application in Fuxin area.

Fuxin; CBM well; Variable-frequency Drive (VFD)

趙飛彪，男，助理工程師，主要從事煤層氣開發現場管理工作。