（机械工程专业论文）煤层气开采用单螺杆泵的技术研究.pdf

t h et e c h n i c a lr e s e a r c ho f s i n g l ep r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p f o r e x t r a c t i n gc o a l b e dm e t h a n e at h e s i ss u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i us o n g s u p e r v i s o r ：p r o f x ux i n g p i n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 毫零巍暑影 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 皇：l 垫日期：沙f 年，月乡。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名：幺易1 亏 ， ) 日期：p1 1 年r 月声日 日期：芦。f 年厂月；6 e t 摘要 煤层气排采有很多工艺，其中单螺杆泵排水采气工艺有着一定优势，但在我国的开 采中也存在一定问题。本文就是通过分析煤层气开采中存在的问题，提出解决措施，并 对单螺杆泵结构进行改进，设计出了煤层气专用单螺杆泵。单螺杆泵在工作中经常出现 泄漏和磨损等现象，为了分析其运动方式、定子变形规律和接触磨损情况，所以对设计 的单螺杆进行运动特性和力学特性研究具有重要的意义。 煤层气井不同于油井，其煤浆中杂质较多，气液比高，并且前后期产水量变化大。 针对这些特点，本文提出了改进螺杆泵结构参数，设置气水分离器和变频调速器等措施 去应对，最终设计出了煤层气专用单螺杆泵。 单螺杆泵中转子的运动规律是复杂的，为了得到转子上各点的位移、速度、加速度 的变化规律，本文首先通过理论分析，得到了转子各点的运动方程；接着通过s o l i d w o r k s 软件建立了单螺杆泵的三维模型，并运用c o s m o s m o t i o n 的运动仿真功能实现了转子 的运动，并得出了转子运动时各点的位移、速度和加速度曲线。 为了分析单螺杆泵定子在各种内压下的变形情况，本文对均匀内压和非均匀内压下 的定子进行了有限元分析，并得到了不同情况下的位移变形、应力分布和剪应变分布云 图。本文还对接触情况下的单螺杆泵进行了有限元分析，得出了在不同位置时单螺杆泵 的位移变形、应力分布和剪应变分布云图。最后，本文借用a n s y s 的有限元分析，对 单螺杆泵的结构进行了优化设计选取。 关键词：煤层气，单螺杆泵，运动仿真，有限元分析 t h et e c h n i c a lr e s e a r c ho fs i n g l ep r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p f o re x t r a c t i n gc o a l b e dm e t h a n e l i us o n g ( m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ux i n g p i n g a b s t r a c t t h e r ea r em a n yl i f tm e t h o d si nc b me x t r a c t i o n , i n c l u d i n gt h es i n g l ep c pd e w a t e r i n g c b m t e c h n o l o g yt h a th a sa d v a n t a g e sa n da l s oh a sc e r t a i np r o b l e m si no u rc o u n t r y t h i sp a p e r b r i n g sf o r t hs o l u t i o n st oh a n d l et h o s ep r o b l e m sa n dd e s i g n ss p e c i a ls i n g l ep c p f o re x t r a c t i n g c b mb yi m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo fs i n g l ep c p i np r a c t i c e ，t h el e a k a g ea n da b r a s i o ni s s e r i o u s ，s ot h er e s e a r c ho fm o t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c i so fg r e a t s i g n i f i c a n c ei no r d e rt oa n a l y z et h em o d eo fm o t i o n ，d e f o r m a t i o no fi n n e rc o n t o u ra n d a b r a s i o no ft h es t a t o r c o m p a r e dw i t ho i lw e l l ，t h e r ea r em o r ei m p u r i t yo fc o a ls l u r r y , h i g h e rg a sl i q u i dr a t i o a n dm o r ev a r i a t i o no fw a t e rp r o d u c t i o ni i lc b mw e l l a c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c ，t h i s p a p e rp u t sf o r w a r dm e a s u r e sb yi m p r o v i n gt h ep a r a m e t e r so ft h es t r u c t u r eo fs i n g l ep c p a n d s e t t i n gg a sw a t e rs e p a r a t o ra n di n v e r t e r t h em o v e m e n tr u l eo ft h er o t o ri sc o m p l e x ，s ot h ep a p e ro b t a i n sm o t i o ne q u a t i o n sb y t h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ep a p e ra l s oc r e a t e st h em o d e lo ft h es i n g l ep c pb ys o f t w a r e s o l i d w o r k s ，a n dm a k e st h em o t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i sb yc o s m o s m o t i o ni no r d e rt og e t t h eg r a p h so fd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no ft h ep o i n t so nt h er o t o r i no r d e rt oa n a l y z et h ed e f o r m a t i o n so ft h es i n g l ep c ps t a t o ri nt h ev a r i o u sp r e s s u r e s ， t h i sp a p e rm a k e st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h es t a t o ru n d e rt h eu n i f o r mi n t e m a lp r e s s u r e a n dn o n u n i f o r mi n t e r n a lp r e s s u r e s ot h ep a p e ro b t a i n st h ed e f o r m a t i o no ft h e 螂l a c e m e m ， t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s sa n ds h e a rs t r a i nu n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h i sp a p e ra l s o g e t st h er e s u l t so f t h ed i f f e r e n tc o n t a c tp o s i t i o n sb yc o n t a c ta n a l y s i s a tl a s t ，t h es t r u c t u r eo f t h es i n g l ep c pi so p t i m i z e db yt h es o f t w a r ea n s y si nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：c b m ，s i n g l ep c p ，m o t i o ns i m u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究目的和意义1 1 2 国内外的发展与研究现状2 1 2 1 国外的发展与研究现状2 1 2 2 国内的发展与研究现状4 1 3 煤层气的简介及排采研究7 1 3 1 煤层气的特征及类型7 1 3 2 煤层气的开采机理8 1 3 3 煤层气的排采工艺1 0 1 4 本课题研究目标和主要内容1 2 1 4 1 课题的研究目标1 2 1 4 2 课题的研究内容1 2 第二章单螺杆泵的基本原理1 3 2 1 引言1 3 2 2 单螺杆泵的结构类型以及作用原理1 3 2 2 1 单螺杆泵的结构1 3 2 2 2 单螺杆泵的类型1 5 2 2 3 单螺杆泵的作用原理1 5 2 3 单螺杆泵的转子和定子的成型原理及型线方程式1 6 2 3 1 单螺杆泵的转子和定子截面的成型原理1 6 2 3 2 单螺杆泵转子的轴向型线方程1 7 2 。3 3 定子衬套的轴向型线方程1 9 2 4 定子转子副的密封线方程2 1 第三章煤层气专用单螺杆泵的研究2 4 3 1 煤层气井的特点2 4 3 2 单螺杆泵在煤层气开采中遇到的问题及对策2 5 3 2 1 单螺杆泵在煤层气开采中遇到的问题2 5 3 2 2 针对单螺杆泵存在的问题采取的措施2 7 3 3 煤层气专用单螺杆泵的特点2 8 3 4 煤层气单螺杆泵的结构设计2 9 3 4 1 单螺杆泵排量的计算公式2 9 3 4 2 单螺杆泵基本尺寸的确定一3 0 3 4 3 单螺杆泵的转子与定子的材料选取3 3 3 5 单螺杆泵三维模型的建立3 5 3 5 1 转子实体模型的建立3 5 3 5 2 定子实体模型的建立3 7 3 5 3 单螺杆的装配模型4 0 第四章单螺杆泵的运动特性分析4 2 4 1 单螺杆泵转子在定子衬套中的运动特点4 2 4 2 转子上点的运动学分析“ 4 2 1 转子截面中心点的运动学分析“ 4 2 2 转子外表面上点的运动学分析一4 5 4 2 3 定子与转子啮合点的运动分析4 7 4 3 利用c o s m o s m o t i o n 实现单螺杆泵的运动学仿真4 8 4 4 运动仿真结果及分析5 1 4 4 1 单螺杆泵转子上点的轨迹分析5 2 4 4 2 单螺杆泵转子上点的位移分析5 2 4 4 3 转子上各点的速度分析5 6 4 4 4 转子各点的加速度分析5 9 第五章单螺杆泵的有限元分析及优化设计6 1 5 1 引言6 1 5 2 单螺杆泵定子的结构静力分析6 l 5 2 1 均匀内压下定子衬套的变形分析6 1 5 2 - 2 非均匀内压下的定子衬套的变形分析6 6 5 3 单螺杆泵定子和转子的接触分析7 0 5 3 1 转子位于定子圆弧顶7 0 5 3 2 转子位于定子中心处7 3 5 4 单螺杆泵结构的优化设计7 6 参考文献8 5 致j 射9 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的研究目的和意义 第一章绪论 煤层气，也称煤层瓦斯，是产生储藏在煤层中的一种非常规的天然气，以吸附和游 离状态储存于煤层当中。煤层气是一种新型洁净能源，且价格较为适中，但同时也是威 胁煤矿安全的有害气体，以至于有人谈“瓦 色变。由于世界能源局势的持续紧张，人 们逐步认识到煤层气可作为一种经济、清洁的能源缓解世界能源供需矛盾n 1 。因此煤层 气的勘探开发引起了世界各国的关注。 研究表明，煤层裂缝中的游离气不足总量的1 0 ，煤层气主要吸附于煤层微孔隙的 内表面。因此，要开采煤层气就必须使其从煤层中解吸出来。一般情况下煤层和含煤地 层中含有地下水，因此可采用“排水降压”的方法诱导煤层气从煤层中解吸出来。煤层 气排采设备可分为有杆设备和无杆设备两类口1 。前者又可分为旋转运动类( 如电动潜油 螺杆泵) 和抽油杆往复运动类( 如游梁式和无游梁式) ，后者无杆设备主要为电动潜油 离心泵。目前，排采煤层气大多采用有杆类设备，其排水采气的工作原理与抽油相同， 但它是从油管排水，油套环空采气。 在煤层气开采初期，一般是使用游梁式抽油机通过排水采气的方法来开采，此方法 对于煤层较浅、产水量较低、杂质含量较少的煤层气井比较合适，是目前国内常用的排 水采气工艺。但是，使用游梁式抽油机进行排水采气有不少缺点，由于气井产出来的水 是腐蚀性盐水，会导致比较大的漏失量，降低排水效果；井下的零部件以及抽油杆容易 被h 2 s 和c 0 2 腐蚀；驴头的悬点载荷由于较高的水矿化度而增大；有很高的气液比，导 致泵的充满系数低，容易造成气锁3 。美国是率先将螺杆泵用于排水采气上来的国家， 螺杆泵的成本比一般的有杆泵低( 能达到一般有杆泵的7 0 ) ，防气、防砂能力强，耐 磨；当举升参数相同时，螺杆泵的效率能达到普通有杆泵的1 7 倍。因此，鉴于螺杆泵 对细煤粉及气液混合体比较好的适应能力，它现在是煤层气排水采气的首选设备。本课 题的主要目的就是通过对煤层气开采过程的分析而设计出煤层气专用单螺杆泵。 在煤层气的排采方面，虽然螺杆泵优势明显，但是，通过研究国外的螺杆泵现场应 用效果可以看到，单螺杆泵也存在不少问题。其中，在修井事故中，泵磨损过早是一个 主要原因，是需要重点关注的泵抽问题。在大多数煤层气井排出的水中经常含煤粉，经 过压裂处理的煤层气井含有压裂砂，在多分支水平井的排液之初，会有大量的泥浆排出。 于泵内，其数量还会不断增 泵或堵塞，甚至会出现油管 断裂。而且，当气液比很高的时侯，气体的润滑作用很差，因此当经过泵腔的井液是气 液混合物时，转子旋转时的润滑作用减小很多，摩擦产生的热量较大，使橡胶变软，最 终结果便是螺杆泵过早的磨损h 1 。螺杆泵出现抽空现象时也会降低泵效，造成螺杆泵的 磨损，经济效益大大降低。因此，如何提高单螺杆泵在煤层气开采的采收率及延长单螺 杆泵的使用寿命具有重要的研究意义，也是我国迫在眉睫的一重大课题。 1 2 国内外的发展与研究现状 1 2 1 国外的发展与研究现状 煤层气理论是德国学者于二十世纪四十年代提出的，用于对天然气勘探、评价的理 论指导，随后在中亚、西欧、西伯利亚盆地的天然气勘探中进行应用，取得了明显效果。 这也促成了天然气理论从一元成气论n - 元成气论的发展，即从最初的认为只能是含油 气盆地里的腐泥型的有机质形成天然气，发展同时认为含煤盆地中腐植型的有机质也也 能够产生天然气璐1 。一般认为煤层气有早期的生物气、中期的热裂解气、晚期的次生生 物气三种形成原因；在同一个含油气盆地或者含煤盆地的不同部位，其形成原因可能是 一种原因为主，或者两、三种原因的混合共存。 目前，世界上探明的煤层气储量是2 5 6 3 万亿立方米，前苏联、北美和中国约占常 规煤层气总储量的一半，中国、美国、加拿大、俄罗斯、澳大利亚共占煤层气资源总量 的9 0 。美、澳、加三个国家已实现规模化生产，2 0 0 6 年的煤层气产量分别为5 4 0 亿、 1 8 亿和6 0 亿立方米。煤层气是美国天然气产业的重要成员，二十世纪九十年代，美国 的煤层气产量的增长量占到其天然气总产量增长量的一半以上；到2 0 0 7 年，美国天然 气总产量的7 5 来自煤层气生产。加拿大的阿尔伯塔盆地煤层气资源丰富，是加拿大煤 层气的主要分布地，现在，阿尔伯塔盆地的中部和东南部、哥伦比亚东南部和东北部， 还有温哥华岛都在进行煤层气的勘探和开发。澳大利亚东部的四个硬煤盆地是主要的煤 层气资源分布区：博恩盆地、库泊盆地、悉尼一冈尼达盆地、加利利盆地。主要的煤层 气商业开发区在新南威尔士和昆士兰嘲。 国外一直把煤层气作为非常重要的能源来看待，煤层气早已经是新的能源目标。美 国是当今世界上煤层气开发领域技术最先进的国家，其开发规模和技术水平等都处于国 际领先地位。第一口煤层气井是a 1 c o e 公司于1 9 7 7 年2 月在圣胡安盆地的c e d a rh i l l 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 地区成功钻成的。1 9 8 1 年以来，美国借鉴石油开采作业的钻井技术，在煤层气钻井方面 获得了很多突破，其煤层气钻井技术日益成熟，煤层气也达到商业化的规模。其煤层气 生产从9 0 年代开始就已经作为一门新兴的能源工业存在。 美国在煤层气生产方面投入了很多，形成了一些成熟的、有别于天然气生产的先进 理论和技术，这些都是美国煤层气开采能够达到商业规模的保障。二十世纪八十年代初 期，美国投入了巨资来对煤层气做一些基础研究，建立了“排水一降压一解析一扩散一 渗流 煤层气开发理论，并且在黑勇士和圣胡安盆地做了很多工作对这一理论进行了 试验和验证，最终形成了中阶煤煤层气开发与成藏这一套很系统的理论叩3 。同时在理论 和开采的结合中，促进了煤层气开采技术的发展，建立一整套的煤层气开发体系，其中 排水采气理论是这一体系的核心，包括：钻井技术多分支水平井、欠平衡钻井等； 完井技术套管完井、裸眼完井等；增产技术注气增产、水力压裂等；排采设备 螺杆泵、潜油电泵等。这些技术极大的促进了美国煤层气产业的发展，经济效益非 常可观。美国的煤层气开发技术从1 9 8 6 年以来发展十分迅速。1 9 8 3 年，美国的煤层气 井只有十几口，年产气量约1 7 亿立方米，而到了1 9 9 5 年，美国的煤层气井达到7 0 0 0 口，年产量2 5 0 亿立方米，2 0 0 4 年，年产量已经超过5 0 0 亿立方米。 不同地区有不同的地质特性，美国根据其煤层气产区地质特性的实际情况研究了很 多煤层气的排采设备，不仅仅是移植改进常规油田气田的开采方法，而且还从8 0 年代 中期就开始研制各种专门面向煤层气田的排采设备来开采煤层气；另外，美国还非常注 重使用排采生产理论来指导选择煤层气的排采设备，其排采设备的选型方法逐渐建立和 完善，排采设备具有很好的的适应性和经济性，对煤层气井的连续稳定排采起了很大的 保障作用，最大限度的发挥了煤层气开采的经济效益。煤层气的开发有着很多不同于天 然气的地方，煤层气在开采的初始阶段有很大的排水量，后期产水量降低，抽出的水中 含有煤粉、悬浮砂粒和其它固体颗粒，而且煤层气的开采要求投资成本和运行费用都很 低。根据煤层气开采的这些特点，1 9 8 6 年美国选择用螺杆泵来进行排水采气，并不断的 对螺杆泵系统进行改进，使其能够适合煤层气排采所需要的扬程和排量，还使螺杆泵能 够很好的适应煤层气井中含细煤粉的井液以及气液混合体，经改进后的螺杆泵已经是各 国煤层气排采设备中的第一选择。国外当时有大约1 5 0 0 台螺杆泵被用在煤层气排水开 采上。 由于很多煤层气井的排水量比较大、排量变化的范围也比较大，而且有杆排采设备 并不适用于斜井和水平井，因此，上世纪八十年代后期以来在煤层气排采工艺上，潜油 第一章绪论 电泵得到了广泛的使用。较高的扬程和较大的排量是电潜泵的突出特点。煤层气开采使 用的潜油电泵一般排量都很小，进行煤层气开采时要求泵对游离气有很高的适应性，所 以为了提高潜油电泵的适应性、可靠性和经济性，需要不断地对潜油电泵进行改进。近 年来，高效多级电潜泵、大功率电机等新设备新工具的成功研制和电缆、电压保护装置 方面的进展，使电潜泵可以在气液比高的煤层气井实现排水采气，并且提高了泵的寿命 和效率。 随着美国在煤层气的勘探开发上取得成功，世界各国都越来越重视煤层气的开发和 使用。加拿大9 0 年代就开始作为能源资源来研究和评价煤层气。1 9 9 1 年英国开始进行 煤层气的勘探和开发工作，所使用的技术来自美国。前苏联等国也把煤层气资源当做第 二动力资源看待。在螺杆泵使用上，近十年来，国际上有关的制造厂商，根据油气田开 采工艺的具体需求，研发出一系列井下单螺杆抽油泵产品，一般都是地面驱动、抽油杆 传动，也有一些无杆螺杆泵，还有螺杆泵的相关元件和配套设备口1 。 1 2 2 国内的发展与研究现状 我们国家有丰富的煤层气资源，储量居世界前列，仅次于俄罗斯和加拿大，而且煤 层气资源的总量占到世界上前1 2 位国家的煤层气资源总和的1 3 。我国煤层气资源的 勘探和开发虽然起步很晚，但发展速度很快，煤层气是我们国家重点鼓励发展的产业之 一，中联煤层气有限责任公司是国家组建的专门负责管理全国煤层气行业的单位，足见 我们对煤层气勘探和开发的重视程度。据有关部门统计，我国为进行煤层气的勘探和开 发投入了二十多亿元人民币，我国的煤层气探明储量为1 0 2 3 亿立方米，其中探明的可 供地面开采的储量约有7 5 4 亿立方米阻1 ，所以大力发展煤层气产业很有必要。 我国的煤层气勘探开发事业在这2 0 余年的积极探索中积累了许多宝贵经验，煤层 气排采技术体系已经形成。国家鼓励全面开发利用高煤层气矿井，而且因为煤层气丰富 的探明储量和比较成熟的勘探开发技术和理论，煤层气的勘探开发和使用在“十一五 和“十二五 规划中占有一席之地。我国的煤层气开发已经开始呈现跳跃式的发展。在 2 0 0 5 年，煤层气井的钻井总数比以往的钻井数总和还多。总长1 3 9 0k m 的九条煤层气输 气管道也正在建设之中。这些都表示我国将大力发展煤层气产业。在大井网煤层气勘探 开发试验方面有了突破性进展，水平羽状井、欠平衡钻井、丛式井等技术逐渐应用到了 煤层气的开发中：煤层气排采工艺的成套技术已经初步掌握；氮气、二氧化碳注入叫等 增产技术的试验与应用，都是我国煤层气勘探开发技术达到新阶段的标志。我国的煤层 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 气商业化首先在晋城地区实行的，这标志着中国煤层气产业进入了商业化生产阶段n 町。 但不容忽视的是，当前我国煤层气的开发利用水平距世界领先水平还有不少差距， 与美国、加拿大这些已成功实行煤层气产业商业化运作的国家相比，开发程度上也有很 大距离。我国的煤层气资源有不同于别国的特点，褐煤和低级烟煤的储量低于5 0 ，高 级烟煤储量大于3 0 ，其中低级烟煤和褐煤不利于形成煤层气，而高级烟煤有利于煤层 气的勘探和开发n 。我国大部分煤田地质条件非常复杂，而且在美国已经成熟的中阶煤 煤层气开发理论在我国并不完全合适，所以，我国的煤层气勘探开发难度很大。对我们 国家煤层气勘探开发的历史进行总结，需要认识到我国煤层气行业存在的诸多困难n 羽。 ( 1 ) 较大的煤层气开采难度。我国煤田中虽然煤层气和瓦斯含量丰富，但是煤层 硬度较低、压力大、透气性不高，导致开采难度很大。目前，重点煤层气井的平均井深 大约是4 2 0 米，而井深在1 0 0 0 以上的共有1 0 余处，而且井深越大，瓦斯压力就越大， 开采难度也越大。 ( 2 ) 复杂的地质构造。我国的煤田有很多种地质构造形态，在大中型的煤田盆地 中，煤层气赋存条件比较简单，主要是我国中小盆地较多，所以会比较复杂。 ( 3 ) 电网和管线的建设滞后。电力行业有着很强的市场垄断，利用煤层气发出来 的电力很难上网，即便入网，价格也很低，这阻碍了煤层气的进一步开发利用。而且， 在煤层气资源丰富的区域，缺乏配套的长距离输气管线，使煤层气的开发远离市场，有 时甚至出现“点天灯的现象。 ( 4 ) 科研工作不够，没有足够的基础理论支持和技术支持。目前，国内煤层气行 业的科研力量很薄弱，再加上我国的煤层气事业起步比较晚，基础理论和技术都比天然 气的开采差很多。 ( 5 ) 政策扶持力度不够。煤层气开发和利用的相关政策法规类似于天然气行业的 法律法规，没有与煤层气产业起步阶段想适应的足够的激励政策。2 0 0 1 年1 月1 日起， 对利用煤矸石、风力等生产的电力，财政部减半征收增值税。但是，利用煤层气发电和 生产的产品，却未能享受到此优惠政策，限制了煤层气的使用n 羽。 ( 6 ) 资金投入不够。煤层气发电项目的建设初期需要很高的投入和运营成本，而 煤矿效益一直不好，长期依靠亏损补贴，自身的资金积累很少，所以，单独依靠煤矿单 位进行煤层气的开发和利用，这严重限制了煤层气的大规模开发利用。 ( 7 ) 不合理的管理体制。在我国的煤层气开发中存在着严重的区块分割，协调程 度很低。煤层气开发中的矿权存在重叠，相关企业与地方和相关部门分歧很多，产业发 第一章绪论 展的阻力很大。并且，在煤层气开发中相关的规范、法规、行业标准的不完善阻碍了煤 层气产业的发展。 游梁式抽油机是我国现有的主要的煤层气排采设备，这些设备主要是从油田借鉴过 来的，由于抽油机最初是为开采石油制造的，其标准化、系列化程度都非常高，但是， 由于游梁式抽油机用于煤层气开采还是刚刚开始，设计经验欠缺，对采油方面实践经验 的依赖程度很高，所以煤层气开采用的抽油机体系还没有形成n 副。而选择煤层气排采设 备的时候一般都是根据煤田具体情况确定排采设备的型号，没有符合煤层气开采的专门 的选型理论作指导，没有科学的系统的依据，这导致了煤层气排采设备对煤田的适应性 很低，同时也很难保证足够的寿命和效率，最终将影响煤层气排采的采收率、连续性、 稳定性、经济效益。目前，国内煤层气井的平均产气量约是2 0 0 0m 3 d ，但是，在美国的 平均产气量大约是2 0 0 0 0m ，这就是主要受排采设备的影响，制约了煤层气的商业化。 特别是在一些特殊气井中：含细悬浮砂粒、煤粉等固体颗粒有较多的井液的气井中；气 液比较高的气井中；排水量变化较大的气井；斜井或者水平井的排采等都要求根据具体 情况选择不同型号的排采设备，以满足生产需要，低成本，提高效益。诸多相关研究表 明，螺杆泵排采技术能较好的解决这些问题。其中，使用单螺杆泵进行排水采气是一种 很好的选择。 鉴于我国目前的煤层气排采实践，国内正在努力研究单螺杆泵排采工艺，由于理论 和技术缺乏，在研究和实践过程中遇到不少问题，例如：扬程、排量、定子弹性体的选 择不合适导致在高气液比和含砂粒、煤粉较高的气井中供液能力低于泵的排量，以致抽 空现象经常出现，定子弹性体严重磨损，油管断裂，修井次数过多，影响了煤层气井的 效益。所以，现在国内很多学者正在研究螺杆泵排采工艺，力争攻克难关，为我国煤层 气事业的发展做出贡献。黎彬n 功等人根据川渝地区某气田的螺杆泵排采技术的应用实践 经验做了研究，由于该气田已经进入了开发的晚期，大部分气井都处在排水采气的阶段， 为确保产量的稳定和增长，开展了螺杆泵排采工艺技术攻关工作，选用了两口试验井， 对螺杆泵不断进行改进和完善，检泵周期4 个月，两倍于气田游梁式抽油机排水采气平 均检泵周期。试验结果说明，改进后螺杆泵确实有更好的应用效果。冯小红n 叼等人研究 了螺杆泵排采的必要性，他们首先分析了螺杆泵生产工艺原理，改进了螺杆泵系统，以 适应于有水煤层气气井，由于杆管摩擦力矩对螺杆泵系统杆柱强度影响很大，他们重新 推导了杆管摩擦力矩，对杆柱强度校核方法做了修正；在分析w 7 、t 2 5 井的基础上， 探索了螺杆泵在含水气井上的适应性。史永庆h 1 等人通过翻译国外相关的资料，了解了 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 美国o a kg r o v e 煤田t e a m 工程的生产情况，对煤层气的脱水和增产技术做了介绍，指 出泵腔内过高的气液比是泵早期磨损的主原因。 1 3 煤层气的简介及排采研究 1 3 1 煤层气的特征及类型 广义上来说，煤层及煤层周围的岩层中贮存于的天然气都称作煤层气，是一种气体 元素与气体化合物混合而成的气体。一般有三种来源：( 1 ) 在煤化过程中成煤有机质生 成的；( 2 ) 火成岩的侵入或者碳酸盐受热后分解生成的二氧化碳由断层侵入含煤地层中 形成的；( 3 ) 放射性物质在衰变过程中放出的惰性气体氡和氦。第一种来源是煤层气的 有机成因，第二、三种来源是煤层气的无机成因。煤层气中甲烷( 包括少量重烃) 是最 主要的成分，二氧化碳为主的煤层很少；氦、氡等惰性气体的含量及其微少。 从狭义上来说，煤层气属于一种非常规的天然气，储存在煤层和附近岩层里面，主 要是自生自储式的。常规储气层内的天然气( 气顶气、气藏气、溶解气等) 以外的天然 气，称为非常规天然气，例如：煤层气、水溶气、砂岩气、页岩气等。甲烷是煤层气的 主要成分，另外还包括氮气和二氧化碳等气体。平时所说的煤层气都是指狭义上的煤层 气，提到的煤层气含量和煤层气资源量都是指甲烷等烃类的量n 。 煤层气按照不同的分类原则，可以分为很多类型。常用的分类原则包括物质来源、 赋存状态、化学组分、演化阶段等乜1 。赋存状态是煤层气类型的主要划分原则，分析如 下。 根据目前的理论，普遍认为煤储层中的煤层气一般以三种状态存在：游离态、吸附 态、水溶态，按照这三种赋存状态将煤层气相应地可以分为游离气、吸附气、水溶气。 一般地层条件下，吸附态是煤层气的主要赋存状态。压力、温度、水介质条件一定时下， 煤层气处于游离、吸附、水溶三种状态动态的平衡之中。 一般的气体状态方程适用于在煤储层中自由运移的游离气。煤层中游离气的含量， 与煤储层埋藏深度、储气空间、气体压缩系数、温度等因素密切相关，处于动态平衡中。 在煤层气开采中经常会用到“排水采气 、“排水降压 ，实际上，排水的目的是在气井 井孔附近形成一个压力差，使得临近地产的煤层气产生定向解吸和运移。 煤是一种多孔介质，具有很高的内比表面积，对气体的吸附能力很强。煤层气中以 吸附状态存在的部分主要以物理吸附的方式存在于煤储层中，多被吸附在煤层中煤介质 的微孔表面。煤的吸附力能不尽相同，其吸附性能与被吸附气体的化学成分、煤孔结构、 7 第一章绪论 煤级等因素关系密切。一般情况下，随着煤级的升高，煤的内比表面积也随之增大，煤 的吸附能力就会越强。吸附与解吸是可逆的。解吸时，附着在微孔上的煤层气分子吸收 能量以克服吸附作用后变成游离状态，这是一种吸热反应，可以通过等温吸附线来表示。 利用这种吸附和解吸的原理，可以给相应煤层补充能量来增加煤层气的产气量，可以采 用的能量补充措施包括热采、声波振荡等。另外，二氧化碳增产方法的原理是利用注入 二氧化碳驱替甲烷，因为二氧化碳有强过甲烷的极性，被煤基质吸附的优先级高，从而 达到将甲烷置换的目的来实现对甲烷的解吸。 二十世纪六十年代，前苏联学者通过分析研究提出了煤层甲烷可以以“固溶态形 式存在，他们指出甲烷可以以固溶体形式存在，分布于煤层的孔隙甚至是分子之间。由 于甲烷可以以游离态、吸附态、固溶态三种形式共同存在，导致煤煤层气具有多级解析 动力学特征，也很难用现有理论和技术方法来准确测定煤层中的甲烷含量。 1 3 2 煤层气的开采机理 1 ) 煤层气的流动机理 一般情况下，存在于煤层和含煤地层中的地下水，是煤层气产出的初始动力。所以， “脱水 处理在煤层气开采的初期一般都是需要的，就是平时说的“排水降压 过程， 通过“排水降压 诱导煤层气解吸、扩散、运移、渗流，。使煤层气从高能势方向连续的 流向低能势方向。 正常情况下，可以用朗缪尔原理描述解吸作用，用费克原理描述扩散作用，用达西 原理描述渗流作用。开采煤层气时煤层中发生的是一个物理过程，煤层气的产出可以根 据这个过程分成三个阶段口1 ： ( 1 ) 单相流阶段：井筒附近压力降低，有水产出，煤层气尚未解吸，井筒附近只 有地下水这一相流动； ( 2 ) 非饱和单相流阶段：井筒压力下降到一定程度，煤基质微孔隙表面上附着的 煤层气部分解吸，由于煤层中存在浓度差，所以解吸下来的煤层气向煤中裂隙扩散，并 形成气泡，导致水的相对渗透率下降，使其流动受到阻碍。但是煤层气的流动不连续， 所以煤层中气泡是孤立的。所以，煤层中虽然含有气、水两相，但是可以流动的只有水 相，故称此阶段为非饱和单相流阶段； ( 3 ) 气一水两相流。经过以上两个阶段之后，井筒附近煤层的压力会进一步地降 低，这时，会有更多的气体解吸，并且扩散到裂隙系统之中，与地下水混合形成两相流， 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 通过裂隙流入井筒。这时候，地下水中的气体达到饱和，气水两相的混合物里面气相的 相对渗透率是正值。随着地下水的不断排出，煤层气储层的压力逐渐下降，同时水的饱 和度也渐渐降低，气体的相对渗透率升高而水的却不断下降，煤层裂隙中就会出现气一 水两相达西流，从而达到了使煤层气连续产出的目的。 无论在时间上还是在空间上，前面三个阶段都是连续的。随着排水采气的进行，气 一水两相流阶段从井筒沿径向向周围煤层扩大，逐渐形成一个降压漏斗，从而实现煤层 气的连续产出。 2 ) 煤层气的开采过程 在未经开采时，煤层及其周围的岩层中都含有较多地下水，在原始的地层条件下， 煤层气储层的压力约等于地下水的压力，在这个压力的作用下煤层气吸附在煤层中。通 过排水使储气煤层的压力下降直至达到其临界解吸压力，解吸过程开始，分离出来的煤 层气扩散进煤层的裂隙系统。从这个时候开始，气井的煤层气产量逐步上升，3 5 年内 达到最高产气量，产量稳定一段时间后逐渐下降。煤层气井的寿命一般是1 5 2 0 年，储 量大，状况好的气井能够达到3 0 年。但是，与常规天然气气井相比，煤层气井的生产 时间和产气量都不高。 煤层气井的生产过程可以分成三个阶段n 踟： 排水降压阶段：可以视为出气前的准备阶段，主要是排出地下水，伴随少量的游 离气和溶解气。排水过程使井筒附近底层压力下降，压力低于煤层气的临界解吸压力之 后，解吸过程开始，井筒中的产气量增加，排水量慢慢减少。排水阶段的长短取决于临 解比和煤层的渗透率。临解比较大时，需要的排水量就大，排水阶段的时间也会延长； 煤层渗透率较大时，排水的速度快，排水阶段的时间就会相对缩短。 稳定产气阶段：随着排水的继续进行，煤层气的解吸状态最为理想，煤层气的产 量比较稳定，气井产水量逐渐下降，产气高峰期出现在这个阶段。稳定产气阶段的长短 由煤层气含量决定。 产气量下降阶段：稳定产气阶段的末期，煤层的气体吸附量越来越少，产气和排 水量都在下降，最后只有少量的气和水产出。在煤层气的生产中，此阶段所占的时间最 长。 排水作业贯穿在煤层气生产的整个过程中，气井中的产水量由小至大，到达顶峰 之后再逐渐减小，这是最不同于天然气开采的地方。 9 第一章绪论 1 3 3 煤层气的排采工艺 排水采气是水驱气田生产中常见的采气工艺。煤层气排采主要是通过抽排煤层及其 围岩中的地下水来降低煤储层的压力，以便促使甲烷从煤层中解吸出来。排采的周期很 长，可能要排采数年至数十年，排采在煤层气开发中起着重要作用，其排采工作的好坏， 直接影响气井的产量。 不同完井方式、地质条件的煤层气井排采工艺是不同的。煤层气排采常用的工艺主 要有游梁式抽油机排采、潜油电泵排采、气举排采和螺杆泵排采工艺。 ( 1 ) 游梁式抽油机排水采气d 1 游梁式抽油机抽油应用非常广泛，其排水采气的工作原理与抽油是相同的，但它排 水采气的方式是油管排水，油套环空采气。 游梁式抽油机排水采气与抽油的过程还是一定区别的，主要原因在于，气井产出腐 蚀性流体，增大了漏失量，影响了泵效；水的矿化度较高，使得驴头的负荷增加；气井 中含有h 。s 、c o 。等易腐蚀的气体；气液比比油井要高，降低了泵效，并且容易造成气 锁。 游梁式抽油机排水采气具有以下优点： 经济成本较低，其安装和操作比较方便； 生产连续并且稳定，排量范围较好； 可以用煤层气作燃料： 适用于低压产水气井、水淹井复产及间喷井排水。 游梁式抽油机排水采气具有以下缺点： 下泵深度和油管尺寸限制了排量的大小； 对出砂、气液比高、高含硫或结垢严重的气井不适用； 抽油机和抽油杆柱负荷增大，要采用油管锚，易摩擦损坏油管，维修费用增加。 ( 2 ) 潜油电泵排水采气 潜油电泵是电动潜油离心泵的简称。煤层气井电泵排采过程是在变频器的控制下， 井下电动机带动离心泵高速旋转，使得井中流体通过多级旋转式气体分离器、多级离心 泵、油管等被排采出地面。随着流体的不断采出，煤层的压力平稳下降，吸附在煤层里 的煤层气被解吸出来，大量的煤层气是通过油套环空从套管阀门产出的n 们，而部分煤层 气是油管排出的气液混合物经过地面分离设备产生的。 电泵排水采气与电泵采油相比，具有很大不同。电泵排水采气时要求电泵可以随时 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 调整泵的排量，其控制要精确可靠；另外，排水采气时的排采液是气水两相混合物，通 过油管排水，套管采气；并且排采液中含有煤粉、泥浆、砂等杂质颗粒。这些不同点使 得在使用电泵排采时，必须采取一定措施，如引入变频调速系统、防止煤粉等杂质堵塞、 改进气水分离等，保证电泵排采的正常进行。 综合起来，潜油电泵排水采气具有以下优点口1 ： 其操作与管理简单方便； 可用于水平井和斜井； 结蜡和腐蚀的问题容易处理； 转速易于调节，并且排量大，适应性强。 潜油电泵排水采气具有以下缺点： 下泵深度受限，且不适应高温深井，； 维修费用和初期投资较高： 电潜泵对出砂井的适应性较差； 应用于高气液比井时，会产生气锁，降低其举升效率