（石油与天然气工程专业论文）煤层气井电潜泵排采技术研究与应用.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fe l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m pl i f t i n g f o rc o a l b e dm e t h a n ew e l l s at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：l if a n g s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nd e c h u n f i e l di n s t r u c t o r ：s e n i o re n g i n e e r c u ij i n b a n g c o l l e g eo fp e t r o l e u me 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 t c h i n a ) f 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做出了明确的说明。 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：蕉荔日期：2 。，年歹月7 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、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。 学位论文作者签名：煮垄 指导教师签名： 日期：如年月7 日 日期：弘，年多月7 日 摘要 樊庄区块位于沁水煤层气田的南部，目前主要使用的抽油机井排采系统存在着无法 平稳控制井下压力、煤粉卡泵、斜井偏磨及参数录取不及时等问题。为了解决这些问题， 论文分析了煤层气井专用电潜泵排采系统的设计方法，通过电潜泵在煤层气井排采的适 应性分析和电泵的理论研究，进行了电潜离心泵的工艺改进和管柱的优化设计；采用“控 制井底流压下降速率”法，进行了煤层气井电潜泵排采系统智能控制的研究；在此基础 上进行了电潜离心泵室内实验研究，并在7 口井上做了电潜泵排采系统的现场试验研究。 通过研究发现：用变频器控制该离心泵，在机理上能满足低沉没度、小排量下的稳定运 行；依据煤层气特点，采用变频技术，能够实现1 5 0 m 3 大范围的排量自由调节，满足 气井长期连续工作的要求智能闭环控制系统的应用；实现了煤层气井排采规律实时需 求，远程调控，减少了反应时间和管理投入。通过应用煤层气井智能控制技术，提高了 电潜泵排采系统运行的平稳性，实现了煤层气井排采过程的自动控制。目前该电潜泵排 采系统适合于中量煤粉产出、供液能力小的煤层气井，随着控制排采技术的不断改进完 善，在煤层气井排采上有着广阔的应用前景。 关键词：煤层气，电潜泵，排水采气，智能控制，现场应用 y p r e s s u r es m o o t h l y ，s t u c kp u m pc a u s e db yc o a ld u s t ，e c c e n t r i cw e a ro fi n c l i n e dw e l l s ，p o o r c o n t r o l l a b i l i t vo ff a c i l i t i e s ，a n dp a r a m e t e r sa l en o tr e c o r d e dt i m e l y ，e t c a i m i n ga ts o l v e t h e s e p r o b l e m s ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ed e s i g nm e t h o do fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m ps y s t e m w h i c h a r es p e c i a l i z e db yc b mw e l l st h r o u g ha d a p t a b i l i t ya n a l y s i so fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p d u r i n gp r o d u c t i o na n di t st h e o r yr e s e a r c h ，a n dc o n d u c t e dp r o c e s si m p r o v e m e n to fe l e c t r i c s u b m e r s i b l ec e n t r i f u g a lp u m pa n do p t i m u md e s i g no fc o l u m n ；am e t h o dc a l l e d c o n t r o l d e c r e a s er a t eo ff l o wp r e s s u r eh a sb e e na d o p t e dt oc o n d u c ti n t e l l i g e n tc o n t r o lr e s e a r c ho f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m ps y s t e mo fc b mw e l l s ；a n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t so f e l e c t r i c s u b m e r s i b l ec e n t r i f u g a lp u m ph a v e b e e nc a r r i e do n ，a n df i e l dt r i a l sw e r ea p p l i e do n7 w e l l s0 1 1 t h ea b o v eb a s i s h er e s e a r c hf i n d st h a tt h i sc e n t r i f u g a lp u m p c o n t r o l l e db yi n v e r t e rm e e t st h e s e r e q u i r e m e n t so fl o ws u b m e r g e n c ed e p t ha n d s m a l ld e l i v e r yc a p a c i t y ；f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n g c b nf e a t u r e s ，u s i n gc o n v e r t e rt e c h n i q u e se n a b l ef r e cc o n t r o li nt h ed e l i v e r yc a p a c i t yr a n g e o f l 一5 0 m 3 ，s a t i s f y i n gc o n t i n u o u sw o r ko fg a sw e l l sa n da p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n td o s e dl o o p c o n t r o ls y s t e m ；a n df u l f i l lt h er e a l t i m er e q u i r e m e n t so fc b m w e l l sp r o d u c t i o nl a wa n d r e m o t ec o n t r o l ，r e d u c i n gt h er e a c t i o nt i m ea n dm a n a g e m e n t i n v e s t m e n t t h i se l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m ps y s t e mi sf i tf o rc b m w e l l sw i t hm e d i u mp r o d u c t i o no fc o a ld u s ta n d s m a l ll i q u i dc a p a c i t y ，f u r t h e r m o r e ，i tw i l lh a v eab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t sw i t hc o n s t a n t l y i m p r o v e m e n ta n dp e r f e c t i o no f c o n t r o lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：c o a lb e dm e t h a n e ，e l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m p ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，f i e l d a p p l i c a t i o n 目录 第一章前言1 1 1 研究的目的和意义。1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 电潜泵国内外发展现状。1 1 2 2 电潜泵在天然气井排采国内外研究现状。2 1 2 3 国内外煤层气井排采技术现状。3 1 3 研究内容。4 1 4 技术路线。5 第二章煤层气井电潜泵排采适应性分析6 2 1 樊庄区块的地质特征。6 2 1 1 地质构造特征6 2 1 2 煤层发育分布特征。6 2 2 煤层气井开采的特殊性分析7 2 3 电潜泵排采的适应性8 2 4 ，j 、结1 0 第三章煤层气井电潜泵排采系统设计。1 1 3 1 电潜离心泵理论研究1 1 3 1 1 叶轮理论压头1 1 3 1 2 泵内损失及总泵效1 4 3 1 3 潜油电泵的工作特性曲线及其影响因素1 6 3 2 电潜离心泵系统设计1 9 3 2 1 潜油电泵井的系统设计因素1 9 3 2 2 系统选泵设计程序2 2 3 2 3 下泵深度的确定2 2 3 2 4 泵排出口压力的确定2 3 3 2 5 泵吸入口压力的确定2 3 3 2 6 总扬程的确定2 3 3 2 7 多级离心泵的选择2 4 3 2 8 潜油电机的选择2 5 3 2 9 潜油电缆的选择2 5 3 3 电潜泵工艺改进及管住结构2 6 3 3 1 离心泵结构2 6 3 3 2 潜水电机优选2 6 3 3 3 动力电缆：2 6 3 3 4 机组连接2 6 3 3 5 井下流压测试2 7 3 3 6 配套结构2 7 3 3 7 管柱结构设计2 7 3 4 煤层气井智能排采控制方案研究2 8 3 4 1 煤层气井排采关键因素分析2 8 3 4 2 智能控制原理3 0 3 4 3 系统组成和结构3 1 3 4 4 智能排采系统功能及技术参数3 2 3 5 小结3 3 第四章煤层气井电潜泵排采系统室内实验研究3 4 4 1 实验目的3 4 4 2 系统组成及设备装置3 4 4 2 1 系统组成3 4 4 2 2 设备装置3 5 4 3 离心泵技术参数3 7 4 4 试验管柱3 7 4 5 试验结果3 8 4 6 变频器实验结果4 0 4 6 1ll k w 变频试验情况4 0 4 6 22 2 k w 变频试验情况4 1 4 7 室内实验结论4 2 第五章煤层气井电潜泵排采系统现场应用4 3 5 1 试验目的4 3 5 2 技术指标4 3 5 3 选井原则4 3 5 4 现场试验情况4 3 5 4 1 第一阶段试验4 4 5 4 2 第二阶段试验4 6 5 4 3 第三阶段试验5 0 5 5 小结5 2 结论5 3 参考文献5 4 攻读硕士学位期间取得的学术成果5 7 j 2 炙谢：；8 v 文 发的浅煤层气地质资源储量为 能源安全，实现我国资源与环 境的可持续发展具有重要的意义【2 1 。2 0 0 6 年中石油华北油田承担的沁水盆地樊庄区块煤 层气开发项目正式启动，拉开了我国规模开发煤层气的序幕；2 0 0 9 年1 1 月1 6 日，山西 沁水盆地煤层气田作为我国第一个数字化煤层气田正式竣工投产；2 0 1 0 年华北油田有煤 层气井直井4 9 2 口、水平井4 5e l ，外输煤层气4 3 6 1 0 8 立方米，取得了良好的效果【3 】o 沁水地区现有1 1 0 口井采用抽油机井排水采气系统，经过一年多的开发实践，管式 泵排采工艺基本能够满足沁水地区的需要。但同时也暴露出不能平稳控制井下压力、煤 粉卡泵、斜井偏磨及参数录取不及时等问题。为了解决这些问题，有必要进行煤层气井 电潜泵排采技术的研究，通过理论研究和实验室实验对电潜控制排采系统进行了设计， 并在7 口井上进行试验，期望实现电潜泵在低沉没度、小排量下的稳定运行，使排采要 求得到了实时、精确的反应，满足煤层气排采规律的要求，为煤层气井的大规模生产提 供实用的技术。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电潜泵国内外发展现状 电潜泵是将电动机和多级离心泵一起下入油井液面以下进行抽油的举升设备。具体 工作原理为：地面电源发出的电能通过变压器、控制屏沿着井下电缆输送给电机，多级 离心泵的叶轮在电机的带动下快速旋转，将电能转换为叶轮的机械能并把井液举升到地 面【4 1 。与其他排采工艺技术相比，电潜泵排采工艺具有设备结构简单，效率高，产量大， 好控制等优点。在非自喷高产井、高含水井和海上油田应用广泛，是油、气藏开采中后 期强采的主要手段之一，能有效实现油、气田的稳定生产，达到更高经济效益【5 1 。 电潜泵在前苏联的石油产业中发挥了巨大的作用，其5 6 的石油产量是由电潜泵生 产的，是世界上使用电潜泵产量最大的国家。美国一直致力于电潜泵生产技术的研究， 使其达到了大排量、大功率、高可靠性、耐高温、耐高压等目的，随着计算机技术的发 1 第一章前言 展电潜泵采油工艺技术逐渐向自动化、智能化和遥控监测方向发展，极大的提高了电潜 泵的适用范围和使用寿命，并显著降低了工业成本。是目前电潜泵生产技术水平最高的 国家1 6 j 。 1 9 8 1 年，我国的各个油田开始使用从美国引进的电潜泵，其中整机1 0 0 0 余套，散 件8 0 0 余套。大庆油田率先使用，当时其电潜泵采油井占其机械采油井总数的1 0 左右， 而其产液量达到了总产液量的3 0 多。如此好的使用效果使电潜泵在各大油田广泛使 用，成为油井中后期强采的主要采油设备。对油田高产、稳产起了极其重要的作用【7 l 。 1 2 2 电潜泵在天然气井排采国内外研究现状 电潜泵作为一种经济而有效的人工举升方法，已在产水油气田获得广泛的应用。国 外1 9 8 0 年初，国内1 9 9 0 年以来，相继将电潜泵用于气藏的强排水，并取得了一些成功 的经验，为煤层气电潜泵排采提供了理论依据和技术支持。 1 9 8 4 年美国研制的变速电潜泵机组首次被我过引入并被到四川石油管理局采用，先 后在1 9 口处于开采中后期的剩余储量多的水淹气井进行应用，很好的解决了气井地层 压力低、产水量大的问题。到1 9 9 8 年底成功的使其中的大部分气井重新恢复生产。达 到了累计排水1 3 x 1 0 6 m 3 ，累计增产天然气3 3 x 1 0 1 0 m 3 的目标。四川气田的科研人员 和矿区工作人员经过1 4 年的努力，在电潜泵排采工艺技术上取得了巨大的成功并积累 了丰富的经验，为电潜泵排采工艺的改进和推广做出了巨大的贡献【8 】。 四川气田的桐7 井自1 9 9 7 年6 月1 日开始实施电潜泵排采工艺以来经历了产纯气， 气、水自喷同产，气举排采，机抽排采，电潜泵排采5 个生产阶段。作为“有水气藏提 高采收率新技术科技工程的试验井，引进了美国雷达电潜泵公司的专利产品a g h 气 体处理器，利用其扬程高、排量大的特点，有效解决了天然气对泵的干扰等问题。在此 基础上做到精心选并，精心设计，精心施工，精心管理等工作，最终证明了对于此类气、 水井，电潜泵排采工艺是最好的技术。使电潜泵排采工艺成为又一项排采后续工艺【刨。 中原油田的2 - 3 2 9 井和2 - 3 0 5 井均为水淹停产井，为此2 0 0 1 年8 月中原油田从国外 引入了变速电潜泵机组应用于这两口井进行排采试验。使用变速电潜泵排采工艺初期， 两井同产气1 8 5 9 2 m 3 ，日产地层水1 5 7 m 3 。在此期间工作人员对电潜泵的工作情况进行 数据分析和工况诊断，完善了其配套工艺技术。截止到2 0 0 2 年1 1 月，电潜泵排采已累 2 中国石油人学( 华东) 工程硕1 = 学位论文 计增产天然气6 9 2 4 6 x 1 0 4 m 3 ，排地层水量5 4 9 x 1 0 4 m 3 。两口井均恢复了正常生产，取 得了很好的效果【1 叭。 美国贝克休斯公司开发出的一种新的井下排水法。该技术的特点是当气井中存在一 个排水层位于产气层下方时将电潜泵倒置安装，使它能向下泵送水并将水输入下面的排 水层。这种排液方法大大的缩短了泵的排液路程，降低了泵所需的功率，前提是注入排 水层的压力要小于液柱压力，否则会出现回流现象。该技术的优点是可减少水处理的费 用、可监测井下压力和提高气产量m i 。 众所周知当气井出水后，由于井筒内流体密度的增大，导致气井生产压差变小，井 筒内的积液增多，产气量急剧减少，甚至停产。而较小的完井套管直径及生产过程中的 套管缩经导致了如下问题的产生： ( 1 ) f l j - ：井筒中存在积水，常规的电潜泵不能下入到井筒中的较深的地方，导致生产 压差达不到正常生产的需要，甚至会导致井筒积水把井压死； ( 2 ) 在下泵作业过程中由于泵经较大容易破坏到电机和电缆，使之在未开机前已经不 能正常工作； ( 3 ) 电潜泵中分离器气、水分离效果差，产生气锁； ( 4 ) 泵下入井底后，由于气体的干扰及液体的腐蚀等因素，使电机的寿命变短。 针对上述问题，温庆志、曲占庆1 2 1 进行- f 4 , 直径电潜泵排水采气参数优化设计及 配套工艺技术研究，较好的达到了使小直径套管完井的水淹井恢复生产的目的，对提高 气藏采收率有重要的意义。 1 2 3 国内外煤层气井排采技术现状 1 9 8 0 年以来美国根据其煤层气地质特性，结合先进的油气田开采工艺技术，研制出 了各种煤层气井排采设备。在反复的现场实验中形成了一套专用的煤层气排采设备及工 艺技术，并取得了良好的效果。 有杆泵是美国油气田常用的排采设备，其具有较好的适应性，易操作，性能优良。 圣胡安和黑勇士盆地煤田的科研人员对其进行了整机改造和设备的优选，使其的下泵深 度和排量较好的满足煤层气井生产的要求，收到了良好的经济效益f 1 3 l 。 在煤层气井排采过程中会产生的大量的细煤粉及气液混合体，导致有杆泵卡泵、磨 损严重，投资成本和工程运行费用较高：美国于1 9 8 6 年针对有杆泵排采产生的问题并 3 第一章前苦 结合本国煤层气井地质特征，进行螺杆泵排水采气实验研究。经过不断的改进，螺杆泵 排水采气工艺更加适合煤层气井排水所需的扬程和排量。到现在为止，美国至少有1 5 0 0 台螺杆泵在特殊开采要求的煤层气井中广泛使用f 1 4 1 。 对于一些排水量大、排量变化范围大以及斜井和水平井上，有杆泵、螺杆泵的排采 设备都会受到限制。1 9 8 0 年后期，美国开始使用电潜泵排水采气。由于油气田开采所使 用的都是排量较小的电潜离心泵，而煤层气井中的游离气体较多，经过长期的改进，明 显提供了电潜泵排采设备在煤层气井工作的适应性、经济性、可靠性【1 5 l 。 我国煤层气资源丰富，其中可产生煤层气的烟煤储量在5 0 以上，中高级烟煤储量 大于3 0 【1 8 】。由于我国煤气储层的地质特征复杂，开采难度大。目前我国煤层气开发存 在的主要问题有：没有较规范的资源估算方法，资源勘探和探明程度很低；煤层气 选区评价理论不完善；煤层气开采的影响因素尚未的到深入研究；钻井、完井技术 的管理经验较低；没有专门的排采生产理论和相关的技术设备来满足我国特殊的煤层 气地质条件；大量影响产气量和采收率的因素还在借鉴国外的经验；国外的煤层气 开发技术在国内应用效果很不理想【1 6 l 。 目前我国的煤层气开采才刚刚开始，为了满足煤层气生产的需求，应尽快进行研究， 建立起适合我国的煤层气开发理论；研制出适合我国地质条件的煤层气开发的成套设 备。 1 3 研究内容 ( 1 ) 基于煤层气井特殊排采规律的要求，并结合樊庄区块的地质特点，进行了煤层气 井用电潜泵排采系统的可行性分析。 ( 2 ) 在电潜离心泵理论研究的基础上，进行电潜泵排采系统工艺改进和理论设计，并 通过离心泵变频系统试验研究。 ( 3 ) 根据井底流压变化情况，按要求控制变频器改变电机转速来调整排液量，实现液 面以设定速度下降，达到煤层气井的排采规律要求。 ( 4 ) 煤层气井电潜泵控制排采系统现场应用，保证排采过程中控制系统功能完备，相 关保护装置基本齐全，满足煤层气大范围内排量平稳调整的需求。 4 中国石油大学( 华东) t 程硕 ：学位论文 1 4 技术路线 技术路线如图1 - 1 所示。 图1 - 1 技术路线图 f i g l - 1t e c h n o l o g yr o a d m a p 5 第一二章煤层气，l ：电潜采排采适应性分析 第二章煤层气井电潜泵排采适应性分析 2 1 樊庄区块的地质特征 2 1 1 地质构造特征 沁水盆地为复式向斜构造，坐落于山西省东南部，东西起于太行山隆起和吕梁隆起， 南北临近中条山隆起和五台山隆起，沁水盆地的东南部为复向斜的翘起端，本论文研究 区樊庄区块就位于此处，盆地东南部有大范围断层，与周边隆起切割开，沁水盆地构造 简单，主要为平行排列的次一级背斜、向斜，断裂构造相对较少，从地质资料和地震资 料看出，此地断层多为正断层和少量的同向隐伏断层，主要为北东和北东走向，并且倾 角均大于6 0 。 樊庄区块地层发育齐全，以心结晶变质岩作为盆地的基低，蓟县系串岭沟组沉积 主要以碎屑岩，碳酸盐岩、基性火山岩为主，厚度大约3 0 0 m ，上覆平行不整合沉积为 碳酸盐岩、碎屑岩；加里东时期，由于华北板块的抬升造成了晚奥陶世到早石炭纪的缺 失；晚古生代时期华北板块开始下降，华北板块接受了近千米的碳酸盐岩、沼泽含煤碎 屑岩沉积，成为主要的成煤则1 刀。 2 1 2 煤层发育分布特征 沁水盆地主要勘探目的煤层有两个：鲥煤层、1 5 # 煤层，这两套煤层厚度最大，分 布最稳定，为研究区最主要可采煤层；3 煤层横向分布稳定、连续，没有明显分叉现 象，煤层结构较稳定，少部分因冲刷变薄，煤层厚度大部分地区都在5 5 m 以上，而厚 度大于6 0 m 的厚煤区主要集中在开采区中部，其中晋试1 一晋试4 井区附近煤层厚度最 大，达到了6 0 7 1 m ：1 5 # 煤层横向连续性好，但结构较为复杂，有明显分叉现象， 稳定性略差，煤层厚度一般在2 0 - - 6 0m 之间，东部的樊庄区一般厚2 - - 4 m ，局部存在 大于4 m 的厚煤带和小于2 m 的薄煤带，西部郑庄区厚4 - - 5 m ，总体为西厚东薄的形态 1 1 8 1 。 6 中国石油人学( 华东) 1 - 程硕i j 学位论文 2 2 煤层气井开采的特殊性分析 我国煤层气藏的地质状况不同于国外，有着自身的地质特点，很多有效的开采经验 对我国的地址条件并不适用，我国很多常见的油气田开采技术和经验也不适用于煤层气 这种特殊的资源。其特殊性主要体现在以下几个方面【1 9 】： ( 1 ) j ：l j t 质特征及演化程度差异 我国大量的高煤阶煤层气田与国外低煤阶煤田的勘探情况不同，以目前正在大规模 开发的沁水盆地为例，我国的煤田具有演化程度高、割理发育不全、渗透率非常低的特 点。其地质条件和盆地的构造活动比国外或国内的油气田复杂得多，大部分煤层在沉积 后还受到了多个期次、多个方向的应力场改造，并且多数中、高阶变质煤藏的形成都与 岩浆热变质作用有着紧密的联系。这些因素导致中、高煤阶煤层的气体成因、物性特征、 水文地质条件、含气性和成藏过程等都与低煤阶与国外高煤阶煤藏有着显著的区别。 ( 2 ) 与常规油气藏的差异 煤储层割理、显微裂隙、孔隙三部分，应力分布在构造运动的影响下有很大的区 别，使得煤储层的非均质性比常规油气藏要大的多，而渗透率却比常规的低渗透油气藏 要低。 。 煤储层里固、液、气三相物质同时存在，开采过程中会存在单相流、非饱和流、 两相流三种流态，比常规油气藏复杂。 煤储层内压力较低，开采时主要依靠的是排水降压理论。 煤层气井采气前，地下水系统处于基本平衡状态，属于稳定流态，煤层气都吸附于 煤层的内表面上；当煤层气井开始排采后，井筒中液面下降，井筒与煤储层之间形成压 力差，地下水源源不断地流向井筒，使得煤储层压力不断下降，并逐渐向远方扩展，最 终在以井筒为中心的煤储层中形成压降漏斗，煤层气解吸游离于煤层的基岩和微空隙 中：该压降漏斗不断扩大和加深，直至煤储层出水量和煤层气井井口产水量相对平衡时， 形成稳定的压降漏斗，游离的煤层气在自然裂缝网络中流入井筒。可以看出，煤层气井 采气可分为压降漏斗形成、压降漏斗不断扩展、压降漏斗先扩展后稳定三种情况。根据 所形成的降落漏斗体积，结合朗格缪尔方程，即可求出该井产出的甲烷气量【2 0 1 ，如图 2 1 所示。 7 第二章煤层气片电潜泉排采适应性分析 图2 - 1 煤层气产出机理 n 9 2 - 1 m e c h a n i s mo fc b mp r o d u c t i o n 因此，煤层气的开发要经历一个长期的排水过程，这导致其生产曲线不同于常规的 油气藏，如图2 2 所示。 产 气 麓 8 o 置 蔷 时间( 年) 图2 - 2 煤层气井和天然气井产量比较 f i 9 2 2 p r o d u c t i o nc o m p a r i s o no fc b mw e l l sa n dn a t u r a lg a sw e l l s 以上特征决定了煤层气的开采不能直接适用国外煤层气田或油气田的现有设备与 开采方法，目前我国煤层气的开发实践表明，排采技术的进步对煤层气的开发有着非常 重要的作用，一套适合煤层气井生产的技术和方法的产生，煤层气有效开发起了决定性 的作用。 2 3 电潜泵排采的适应性 从现场应用情况看，煤层气井排采环境对电潜工艺的影响主要集中在以下几个方面 8 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文 ( 1 ) 气体的影响 当煤层气井底压力达到解吸压力后，大量游离气体混杂在产出液当中，对离心泵的 工作性能造成很大的影响。研究资料表明：当气液比大于1 0 的流体进入离心泵就会降 低离心泵的扬程；气液比继续增大后，离心泵的压头开始不稳定；当气液比达到一定的 高度，泵出现气锁，泵口只有少量的液体流出。大部分的煤层气都呈游离状态存在于流 体中，只有少部分能溶解与水中，所以气体对电潜泵工作的影响不能小视。 ( 2 ) 固体物质的影响 大多数煤层气经的排除液中都含有大量的煤粉、压裂砂，部分多分支水平井刚开始 排采时还有泥浆排除。少量的固体物质对电潜泵的影响不大，但随着排采工作的进行， 还是会有大量的煤粉、石英砂、泥浆等杂质附着于泵里的叶片上，这样排出液的流出通 道面积减少，导致摩擦阻力增大，耗电量增大，井的产液量降低，严重时直接造成卡泵 的严重后果。 ( 3 ) 润滑性的影响 油气田常用的电潜泵是在油介质中工作，有较好的润滑性，但煤层气井排采系统是 在润滑性较差的水中进行的，导致系统配件的磨损、破坏，严重影响泵的工作效率，减 少泵的工作寿命。所以要对煤层气井用电潜泵进行认真的选材。 ( 4 ) 监测要求的影响 煤层气井排采的关键因素就是井底压力的合理控制，对井底流压的实时监控决定了 其必须采用精度高( 0 1 o 2 ) 、抗干扰能力强、性能可靠( 年稳定性优于0 3 ) 的井下 监测设备；同时，解决动力电缆与信号电缆的选型及小油套环形空间双线缆下井工艺问 题，保障井下举升设备与监测设备的安全可靠运行。 ( 5 ) 控制要求的影响 煤层气储层均位于山区，由于其需要工作人员对系统进行精确的控制，为了减少人 员的工作量及系统运行数据的准确性，必须具备一套完整的智能传输和控制设备，并具 有防雷电功能。以上工作要根据实际情况进行合理的调整。 ( 6 ) 电网环境的影响 9 第二章煤层气f 电潜泵排采适应性分析 煤层气井用电潜离心泵对电网的供电质量要求较高，一般的自发电设备存在地面电 压不稳、三相不平衡( 一般要求电压变化小于5 ) 的问题，会导致井底电机过热烧毁， 所以，必须要加入升压设备以及较好的控制系统对系统进行保护。 ( 7 ) 排采特征的影响【2 2 】 油气田常用的电潜泵机组适合工作在n t n ( 5 0 - 5 0 0 m 3 d ) 、高沉没度( 3 0 0 m 以上) 条件下工作。而煤层气在排采初期排量较大( 2 0 5 0 m - d ) 、沉没度较高( 3 0 0 - - - 6 0 0 m ) ，但 到了中后期，主要以小排量( 0 2 5 m 3 d ) 、小沉没度( 5 1 5 m ) 为主。这就要求煤层气电潜 离心泵机组必须适应大排量范围调整的要求；小排量、小沉没度条件下能安全可靠的运 行。 2 4 小结 基于上述分析，必须对油气田用电潜离心泵系统进行原理和结构的改进。并确定了 以实时监测为基础，以智能闭环控制为核心的控制系统，满足煤层气大范围内排量平稳 调整的需求。 1 0 中国石油大学( 华东) 工程顾f ：学位论文 第三章煤层气井电潜泵排采系统设计 3 1 电潜离心泵理论研究 3 1 1 叶轮理论压头 在叶轮压头的计算中存在着三个假设的条件【2 3 l ： ( 1 ) 流体在流经出口时的方向与叶片中的流道表面成切线方向，即其方向完全由叶 片控制，其前提条件是泵中有无限多个叶片时才能成立； ( 2 ) 叶轮流道中是充满着液体的，没有细微空间的存在； ( 3 ) 位于流线相似位置的流体其流动速度相同。由这些条件计算出来的压头称为理 论压头。 计算压力分布的方法是：叶轮以角速度为旋转，在任意一个尺处取微元厚度d r 其 宽度为b ，圆心角d 驴，如图3 - 1 所示。 图3 1充满液体的旋转容器 f i 9 3 - 1r o t a t i n gc o n t a i n e rf i l l e dw i t hl i q u i d 第三章煤层气井电潜采排采系统设计 这段流体的基本质量为： 。d ，竹；b r d d r g ( 3 1 ) 式中，m 为每秒内流过叶轮的流体质量，m j s ；r 为叶轮旋转半径，m m ；d 妒为圆 心角，r a d ；d r 为任意r 处的微元厚度，m m ；b 为微元的厚度，m m 。 作用在这个基本质量上的离心力将为： d f = d m r t 0 2 = b r 2 缈2 d 妒d g g ( 3 2 ) 式中，为叶轮旋转的角速度，r a d s ；d f 为作用在微元上的离心力，n 。 由离心力作用引起的压力增加量可由下式表示： d p ；d f ；y b r ：6 0 2 d q 6 d r 。y - r 2 d r ( 3 3 ) l d a g b r d g 式中，y 为水的重度，n m 3 ；竺为压力增加量，p a 。 d a 把上式从r 到r 进行积分，令r t o = u ，可得流体从墨到r 2 的静压变化： 五母纠华) - i r t v ；- v ? 4 ， 或 即且= 警 5 ， 式中，墨为叶轮进口出的半径，m m ；r 2 为叶轮出口处的半径，m m ；为r 处的 线速度，m s ；u 2 为r 2 处线速度，m s 。 如果不考虑叶轮流道的沿程阻力损失，叶轮所做的功将等于叶轮上、下两端的总能 量差，即出口端的总能量减去吸入口端的总能量。 由于流体的压头、势头和速度头构成流体的总水头，根据能量守恒原理可得： 玩；h p o t + v 2 2 - - 1 1 1 2 ( 3 6 ) 2 9 1 2 中国石油大学( 华东) t 程硕l 二学位论文 式中，以为理论压头，m ；h 刖为理论势头，m ；k 为流体流经r 处的速度，m 3 s ； 为流体流经恐处的速度，m 3 s 。 由于离心力的作用和流体相对速度的变化产生的速度头构成叶轮上、下两端势头的 增量，则 = 警+ 警 7 ， 式中，睚为流体流经置处的相对速度，m 3 s ；w e 为流体流经恐处的相对速度，m 3 s 。 因此： ；堕望l 氅半生业， ( 3 - 8 ) z g 经整理得： 2 - u ? + k 2 彬1 v 1 c o sl 孵= u ；+ 曙一2 u 2 1 2 c o s a 2 巩一詈( 【，彤c o s 口：一u k c o s a l ) ( 3 - 9 ) 或： 巩一詈( u z v 0 1 - u 1 - ) ( 3 - 1 0 ) 公式( 3 - 1 0 ) 为理论压头的计算公式，由于压头可以用液柱的高度来表示，而且叶轮 以相同速度转动时产生的压头是不变的，这与重度无关。 因为理论压头是在无摩擦或无阻力损失的理想条件下得出的，因此泵的实际工作压 头一般都低于理论压头。由于实际情况与理想条件之间存在着各种差异，使得实际压头 与理论压头的差值不能精确计算出来。因此，在实际设计过程中，采用了各种综合校正 系数反映这些差值。这些校正系数都是利用以前生产的类似泵型的试验结果确定出来 的。 流体的相对循环流量与叶轮流道的形状有着紧密的联系。叶片数量多的叶轮其流道 较狭窄，有助于引导流体的流动，导致其相对循环流量偏小。即流道窄的叶轮的相对循 1 3 第三章煤层气井电潜泉排采系统设计 环流量要小于宽流道叶轮循环流量。目前的煤层气井开采状况只对5 5 0 m 与8 0 0 m 两个 井深级别进行了优化计算。 3 1 2 泵内损失及总泵效 ( 1 ) 水力损失【2 4 1 由于流体在叶轮间流动时会产生各种损失，所以叶轮获得的实际压头比传递给流体 的压头要低。这些损失包括流体在流道部分的沿程阻力损失、吸入口流体的冲击损失、 排出v i 流体的损失和由涡流引起的能量损失、由绝对速度矢量改向引起的速度改向损失 以及各种分离损失。 h ，一a q 2 ( 3 1 1 ) 式中，h ，为流体的摩阻损失，m ；a 为比例系数，d m 3 ；q 为流体的流量，m 3 d 。 叶轮获得的实际压头与传递给流体的压头之比称作叶轮的水力效率。流体流过导 轮，由动能转变成势能的过程中，会产生各种类型的损失，因此，泵的总压头要比叶轮 的总压头要低。泵的总压头与其传递给叶轮中流体的总压头之比称作泵的水力效率。 ( 2 ) 漏失损失 漏失损失主要是液体通过叶轮与导轮之间的转动间隙而产生的容积损失。一个泵可 能在几处产生漏失，即叶轮流道出v i 处导轮与叶轮之间的间隙；多级离心泵相邻两级导 轮之间的间隙；流体在通过轴向上承受的推力达到绝对的平衡时产生漏失。漏失量的大 小受漏失间隙两端间的压差、漏失间隙的大小及密封条件的影响，另外叶轮与导轮的间 隙距离以及间隙内的压力分布都对其有影响。 i i l l a ( q q ) 2 ( 3 1 2 ) 式中，啊为冲击损失，m ；q 为泵的额定排量m 3 d 。 所以离心泵的水力效率为： 驴盎枷 式中，仇为离心泵的水力损失，；h 为离心泵的有效压头，m ；h 。为离一i i , 泵的 水力损失压头，m 。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕仁学位论文 日。；i l ，+ 岛 ( 3 1 4 ) ( 3 ) 体积损失 在任何特定的流动状态下，容积损失都会降低泵的压头。这是因为流体通过叶轮的 实际流量较泵的实际排量要大。把泵的实际排量与叶轮的实际流量之比称作泵的体积效 率。泵的体积效率体现了泵漏失的大小。 仉；旦q + a q x l 0 0 ( 3 1 5 ) 式中，仇为离心泵的体积损失，；q 为离心泵的理论排量，m 3 d ；a q 为漏失量， m 3 d 。 ( 4 ) 机械损失 所有叶轮以外产生的机械损失指的是叶轮表面与液体之间以及轴承之间的摩擦损 失。最主要的机械损失是指推力轴承( 专门承受轴向力的专用轴承) 的摩擦损失。 当闭式叶轮在流体中转动时，它消耗的能量为其叶轮表面与流体之间的摩擦损失。 叶轮表面与流体之间的摩擦损失是两个同时发生的过程，一是流体经过叶轮表面上时产 生的摩擦损失和叶轮本身甩油过程中产生的摩擦损失。部分流体被旋转叶轮的表面和固 定导轮壁束缚住，在离心力的作用下由叶轮的中心甩向四周，这部分被甩出的液体加之 沿导轮壁进行向心流动的液体一起，共同在旋转叶轮的上、下两个壁面形成环流。由叶 轮表面的摩擦损失引起的能量损失为： = k n 3 d 3 y ( 3 - 1 6 ) 式中，n 为转数；d 为叶轮外径，c m ；y 为流体重度，n m 3 ；k 为比例常数。 k 值的大小与旋转叶轮