（机械工程专业论文）煤层气开采用电潜泵系统的优化设计及软件开发.pdf

摘要 我国煤层气资源丰富，与常规天然气资源相差不大，总储藏量居世界第三位。煤层 气资源的有效开发及利用，不仅可以缓解我国能源紧缺的局面，而且还可以获得巨大的 社会效益。 现阶段，在煤层气井排水采气方面，国内还没有形成排采设备的专业化及系列化。 目前所使用的排采技术和设备大多移植于油井，排采设备的系统效率普遍较低，应用效 果不是很理想。煤层气井电潜泵排采设备具有排量大、可控性强、扬程高的优点，能够 较好的适应于各种煤层气井的排采。因此，电潜泵排采设备被越来越多的应用到煤层气 井的排采中。 本文在对煤层气井流体流入动态、电潜泵井井筒压力分布及温度分布状况进行分析 的基础上，建立了煤层气井电潜泵排采系统的优化设计数学模型。根据建立的数学模型 及电潜泵各排采设备组件的优化选型原则，得到了在电潜泵排采系统效率达到最高条件 下的最佳设备组合，提高了电潜泵排采系统的适应性及可靠性。 对于一口特定的煤层气井而言，对其进行电潜泵排采设备的优化选型往往需要大量 的数学运算，浪费了大量的人力物力。因此，我们利用v b 汇编语言编写了煤层气井电 潜泵排采系统优化选型软件，并依据该软件，对2 个煤层气井实例进行了优化选型，得 到了比较理想的选型结果，方便了现场操作人员的使用。 关键词：煤层气，电潜泵，优化设计，系统效率，软件开发 o p t i m i z a t i o nd e s i g na n d s o f t w a r ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p p r o d u c t i o ns y s t e mi nc b mw e l l s g u oq i n g z h a o ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l o uh u ia n dp r o f w a n gh a n x i a n g a b s t r a c t c h i n aa r er i c hi nc o a l b e dm e t h a n e ，i t sq u a n t i t yi st h es a m ea sn a t u r a lg a s ，a n dr a n k st h e t h i r di nt h ew o r l d i ft h ee o a l b e dm e t h a n ei se f f e c t i v e l yd e v e l o p e da n du t i l i z e d ，i tw i l ln o to n l y e a s et h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r y se n e r g ys h o r t a g e ，b u ta l s oc o u l dg e ta g r e a ts o c i a lb e n e f i t s a tp r e s e n t ，w eh a v en o tf o r m e dt h es p e c i a l i z e da n ds e r i e se q u i p m e n ta tc o a l b e dm e t h a n e w e l l si no u rc o u n t r y t h et e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ti nt h ec o a l b e dm e t h a n ew e l l sa r em o s t l y c o m ef r o mo i lw e l l s ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e mi sn o tg e n e r a l l yh i g h b u tt h ee l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m pe q u i p m e n th a st h ea d v a n t a g e si nl a r g eo u t p u tv o l u m ea n dh i g h - l i f t ，i tc o u l d b ea d a p tt oc o a l b e dm e t h a n ew e l l s t h e r e f o r e ，e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pe q u i p m e n ta r em o r e a n dm o r ea p p l i e dt ot h ec o a l b e dm e t h a n ew e l l s 1 nt h i sp a p e r ，w ea n a l y s i s e dt h ed y n a m i cc u r v eo ft h ec o a l b e dm e t h a n ew e l l si n s i n g l e - p h a s ef l o w s t a g ea n dt h eg a s l i q u i df l o ws t a g e a l s o ，w ea n a l y s i s e dt h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o ns t a t u sa n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ns t a t u si nt h ec o a l b e dm e t h a n ew e l l b o r e ， e s t a b l i s h e dt h e o p t i m i z a t i o n d e s i g n m o d e lo fc o a l b e dm e t h a n ew e l l s t h r o u g ht h e o p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e lo fc o a l b e dm e t h a n ew e l l sa n dt h ep r i n c i p l eo fo p t i m u ms e l e c t i o n e q u i p m e n t s ，w eg e tt h eb e s te q u i p m e n tc o m b i n a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eh i g h e s t e f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ，a n dm a k et h ec o a l b e dm e t h a n es y s t e mb e c o m em o r ea n dm o r e r e l i a b l e f o rap a r t i c u l a rc o a l b e dm e t h a n ew e l l ，w en e e dal a r g en u m b e ro fm a t h e m a t i c a l o p e r a t i o n si no r d e rt or e a l i z et h eo p t i m a ls e l e c t i o no fe q u i p m e n t i fw ep r o c e e dt h eo p e r a t i o n ， w ew i l lw a s t eal o to fm a n p o w e r a c c o r d i n gt ot h i sc o n d i t i o n ，w ew r i t et h eo p t i m i z a t i o n s e l e c t i o ns o f t w a r eo 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 mu t i l i z i n gt h ev ba s s e m b l yl a n g u a g e ， a n dw ea c h i e v e dt w oc o a l b e dm e t h a n ew e l l s o p t i m i z e ds e l e c t i o nu s i n g t h es o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fo p t i m u mc h o i c er e s u l t ，w ef o u n dt h a tt h i ss o f t w a r ec a ne n h a n c e t h ee f f i c i e n c yo ft h ee 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 k e y w o r d s ：c o a l b e dm e t h a n e ，e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，s y s t e m e f f i c i e n c y , s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 中因杠油人学( f 仁东) 硕i ：学位论文 1 1 课题研究的目的及意义 第一章绪论弟一早 三百t 匕 煤层气是一种宝贵的不可再生的资源，有效开发利用煤层气能够降低我国能源供需 矛盾、提高能源利用率、缓解能源供需紧张的作用。目前我国正处在社会主义建设阶段， 需要足够的能源来支撑。煤层气主要化学成分为甲烷，其可以产生很强的温室效应，对 煤层气的合理抽采，可以尽量降低煤矿生产过程中瓦斯的排放量，从而对改善环境起到 巨大的作用1 1 1 。 在我国油气阳开发过程中，对排采设备进行优化选型已经成功应用并趋于成熟，但 是在煤层气井排采设备的优化选型上还主要按照油气田丌发方面的经验，未形成自己的 优化体系。同时，由于煤层的地质条件等很多方面与油储藏有区别，煤层气的产出过程 也与油气层产气的机理不同，使得我国从常规油气井上所移植的排采技术在现场应用中 具有投资较大、排采参数不符合实际的问题，这些问题的存在严重制约了煤层气的j 下常 开发。因此，有必要对煤层气的整个排采过程进行理论性研究，确定出煤层气井排采设 备的优化选型理论。国外一些煤层气排采技术比较先进的国家已经掌握部分煤层气井排 采工艺技术和与之相关的优化选型理论，但我国还没有掌握国外排采方面上的核心技 术，并且由于我国特殊的煤层地质条件和煤储藏状况，在排采方面不能照搬在国外能够 成功应用的技术。因此，我们要加大研究力度，在结合国外成功丌发的基础上，研究出 适合于我国煤层气开发的一系列技术，对煤层气特定的排采设备进行优化选型，开发出 适合于煤层气井排采的设备，为实现我国煤层气的规模化排采奠定理论基础【2 】。 电潜泵是目前较为有效的煤层气井排采设备，可以良好的符合不同井况排采的特殊 需求。对于在某一排采阶段需要大量排采的煤层气井，可以用电潜泵排采设备对其进行 快速排采，尽量降低排水时间，使井筒液面快速下降，以尽快得到较高的煤层气产量。 变频调速控制技术的应用使电潜泵排采设备更加适合煤层气井的需要，其具有的较大的 速度调整范围，使煤层气井排采量可以在较大范围内进行调整，最终达到井底压力的平 稳下降。利用电潜泵排采设备对煤层气井进行排采，对单独一口井排采来说，电潜泵是 一种初期投资成本较高的排采方式，但如果实现规模化开采，就可以尽量降低排采成本， 实现经济化排采的目的1 3 】。 目前电潜泵配套设备的选择还未形成规范化和系列化，并且由于每一口煤层气井完 第一章绪论 井后的基础数据不同，在根据现有方法确定合适的电潜泵排采设备时，需要重新进行各 电潜泵排采组件的匹配计算，利用目前人工计算的方法将带来大量重复的劳动，浪费大 量的时间，并且运算结果不能够确保精确。本课题的研究便是基于此问题，建立电潜泵 排采系统优化设计模型，实现利用编程软件对电潜泵排采设备进行优化选型。此关键问 题的解决可以实现电潜泵排采的优化，可以大量节省时间，计算精确度高，使煤层气井 供排能力更加协调。因此，将煤层气井电潜泵排采设备的优化选型更好地应用于排采现 场，并使之尽快的在我国其它煤层气井上推广应用具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 我国属于煤层气资源较为丰富的国家，与国内常规天然气资源储藏量相接近，排在 俄罗斯、加拿大之后。我国在7 0 年代初就曾经对地面煤层气的排采技术丌展过初步的 研究工作，开采并利用过一部分煤层气。在经历了三十年的发展后，在煤层气勘察技术 研究、排采技术等方面获得了重大进展【4 】，煤炭、石油等能源行业也都纷纷加入到煤层 气的研究中。经过理论研究发现，我国煤层储藏具有良好的储气能力，利于形成煤层气 的煤地质储量不多于3 0 。截止到目前为止，我国在煤层气基础理论上取得的主要研究 成果是分析得出了我国煤层气井排采的主要操作方法和符合排采的条件，得出了各种排 采设备的排采技术参数：形成了一定的煤层气排采工艺技术，在煤层气井排采工作制度 的建立及排采强度的控制上取得了一定的研究成果；对限制煤层气井排采的主要因素进 行了分析，指出了非连续性排采与排采强度对产出煤层气的重大作用；对煤层气开发中 的完井及增产技术进行了研究，形成了复合完井增产技术和定向羽状水平井增产技术。 目前国内已经初步建立了适合于我国煤层储藏条件的排采理论，形成了比较规范的 排采技术，同时我国也对煤层气井排采设备进行了一定的学术研究，但实际应用中还不 能完全满足煤层气开发的需要。目前有杆泵排采设备是煤层气排采的主要设备，但是， 由于各地区煤层地质状况的差异，煤层气井对排采强度、排采时问上的要求也会有显著 的差异。因此，每一口煤层气井都需要特定的排采设备或不同的设备组合来对其进行有 效排采。很显然，单独使用有杆泵排采设备对煤层气井进行排采不能满足实际要求，有 可能影响到煤层气井排采的连续性和稳定性，最终影响到煤层气井的产量。根据目前我 国煤层气井的排采状况及条件，在最近几年的排水采气中，国内逐渐尝试并开发出了适 合于我国煤层气井排采的其它排采设备，包括气举泵及电潜泵等，并进行了初步的现场 2 中固石油人学( # 东) 硕i ：学位论文 应用。因此，依据不同的煤层气储藏条件和设定的煤层气井排采强度的要求来选择相对 应的排采设备，是确保煤层气井能够科学、安全、稳定生产的重要前提【5 1 。 在煤层气井电潜泵排采设备的应用方面，我国很早就将电潜泵用在产水量较高的煤 层气井的排采上，但由于排采工艺不够合理，应用效果很不理想。最近，由于我国逐渐 将发展重点转移到了煤层气的开发上，一些高产水量的井被列入了排采计划。但是，目 前所使用的有杆泵及气举泵等排采设备不能很好的适合特殊井况的需要，而电潜泵排采 设备具有的特殊优点，使电潜泵的应用变得越来越普遍。在用电潜泵排采设备进行煤层 气井的实际排采过程中，由于不同煤层地质条件具有差异性，煤层气井对电潜泵排采设 备也具有独特的要求。我国研究人员根据煤层地质条件的特殊性，对用电潜泵排采煤层 气的排采设备进行了相应的改进，并对煤层气井电潜泵排采工艺进行了相应的研究，得 出了运用电潜泵排采设备进行煤层气开发的关键技术，主要包括离心式气体分离技术和 变频调速控制技术【6 1 。对影响电潜泵排采的主要参数进行了分析，并形成了相对应的解 决方法。通过实验研究，得出了一整套电潜泵排采的先进技术，并在一些大排量井上取 得了良好的实际应用。 1 2 2 国外研究现状 在煤层气开发上，国外很早就开始对其进行了探索研究。很多国家都将煤层气作为 了一种新的发展能源。早在9 0 年代初期，美国就将煤层气形成了单独的- f - 新兴能源 行业，并在经过一段时间的发展后将煤层气进行了成功的商业化开发。随后，加拿大也 将煤层气作为其9 0 年代的开发能源，迅速的丌展排采技术和理论的研究。英国也在1 9 9 1 年从美国引进勘探和排采技术并进行了煤层气的开发。前苏联等国家也将其列为了重要 的开发资源。总体上来说，在当今世界各国的煤层气开发上，从开发规模和技术水平等 方面来看，美国始终处在领先地位1 7 j 。 由于煤层气的开发具有投资相对较小、埋藏深度较浅的特点，从7 0 年代开始，煤 层气的勘探开发便受到越来越多国家的重视，并相继的开始了勘探开发和工业性排采活 动。在美国开发煤层气的进程中，可以从技术发展方面将美国煤层气发展划分为4 个阶 段。第一个阶段为按照研究所得的理论结果指导煤层气实验开发的阶段。在该阶段，美 国通过对其煤储层的研究和分析，提出了适合于本土开发的理论观点，并在技术上有了 新的突破，初步建立了“排水一降压一采气”的排采理论，并将该理论运用到实验井的 开采中，取得了良好的效果：第二个阶段为大力推动实现煤层气商业化开发的阶段。在 3 第一币绪论 该阶段，美国对其本土的煤层气储藏特征有了较为深刻的了解，并在主要开发技术上有 了重大的进展，煤层气产量也逐渐增加，形成了开采煤层气所需要的一系列勘探、排采、 运输等理论方法，并在19 8 0 年初步实现了煤层气开发的商业化运行。该阶段可以晚是 美国煤层气发展的最重要的一个时期；第三个阶段为成熟理论技术的实际应用阶段。在 该阶段的发展过程中，形成了一系列成熟的并符合实际的排采理论，对美国不同地区的 煤层气井进行了理论上的指导，使美国煤层气产量不断增加；第四个阶段为煤层气开发 的平稳发展阶段。在该阶段的发展中，美国进一步完善其开采理论，并形成了成套的勘 探开发装备，煤层气产量保持了相对稳定的发展【8 删。 澳大利亚非常重视煤层气的开发，在煤层气的勘探开发领域发展迅速。澳大利亚的 煤层气开发开始于1 9 7 6 年，澳大利亚根据其对本土煤层气储藏条件的研究，结合本土 煤层气的储藏及运移特点，成功开发出了一系列适合于本土的勘探及排采技术，并形成 了系列化的排采设备，使其在煤层气开发利用上得到了迅速的发展【m 】。目前澳大利亚 的煤层气排采行业已经进入了商业化丌发阶段，并取得了一定的经济效益。 在煤层气丌发利用的排采设备发展方面上，美国在结合煤层气储藏地质条件的基础 上，根据不同煤层气井实际状况的不同而采用了不同的排采设备，不仅将已经在常规油 气井上成功应用的排采设备进行了引进，而且还针对煤层气井排采的特殊状况设计了相 对应的排采设备。截止到目前，美国已经形成了一整套的煤层气井专用排采设备，并形 成了系列化。美国自8 0 年代后期就依据一些煤层气井的产水量大、排量变化范围大的 特征与煤层气井有杆排采设备不适合应用在斜井、水平井上的现状，逐渐引进电潜泵排 采设备，在以后的发展过程中，对用电潜泵排采煤层气井的相关排采技术进行了优化改 进，提高了煤层气井电潜泵应用的适应性与经济性，使得电潜泵在煤层气井上的应用越 来越广泛【l2 1 。到目前为止，电潜泵排采设备已经在美国煤层气井排采中发挥了重要的作 用，并形成了排采设备的成熟化、系列化。 1 3 电潜泵排采煤层气的工作原理及关键技术 1 3 1 电潜泵排采煤层气的工作原理 煤层气井电潜泵排采系统是将电潜泵、气液分离器、潜油电机、潜油电缆、保护器 等装置连油管一同下入煤层气井内，地面上的电网电压经过变压器变压后输送给变频控 制柜，变频后的电能又经过潜油电缆输送到地面下的潜油电机，使潜油电机获得电能运 转起来，从而带动电潜泵将地层水排采出来。电潜泵本质上就是离心泵，它是由多级叶 4 中困“油人学( o # 东) 硕i ：学位论义 轮、导轮组装起来的，一个导轮和叶轮连接起来形成电潜泵的一级。电潜泵在潜油电机 的带动下高速旋转，从电潜泵吸入口处流进的液体经过电潜泵叶轮时被带动而旋转起 来，从而得到一定的压能和动能。这些流体随同叶轮旋转的同时沿着叶轮流道被甩到与 叶轮连接的导轮处，导轮进一步将流体的动能转化为压能，使流体压能进一步提高，当 流体经过多级叶轮和导轮时，流体便会具有足够的压能克服管路阻力损失而从井口排 出，排出来的液体经过地面管线被传输至地面处理装置【m 14 1 。 在用电潜泵排采系统进行排采之前，地下的整个流体系统是处于一个相对稳定状态 的，井筒中的流体处在一个相对稳定的液面高度处。当用电潜泵进行排采时，井筒中的 液面丌始下降，井筒与地下水之间形成压差，煤层水在压差的作用下不断流入井筒而引 起井筒附近的地层压力降低，地层处丌始沿着井筒周围形成压降漏斗，当地层水被进一 步排采而使地层压力达到煤层气临界解析压力时，吸附在煤层中的煤层气就会沿着裂缝 解析出来，当煤层气井排出液量与煤层产水量相等时，形成稳定的压降漏斗。从煤层缝 隙解析出来的煤层气进入油套环空被排到地面，排到地面的煤层气计量后进入输气管线 进行输送【1 5 16 1 。 利用电潜泵排采系统进行排采煤层水，其工作实质就是一个能量不断转化的过程。 从地面输入的电能通过潜油电缆而使潜油电机不断的旋转，潜油电机带动电潜泵高速旋 转将电能转化为流体的压能和动能。在能量转化过程中，会有一部分能量没有用于增加 流体的动能和压能而作了无用功。在这个转化过程中，煤层水最终得到的能量j j 是电潜 泵排采系统所需要的有效能量。有效能量与地面输入能量之比即为整个电潜泵排采系统 的有效功率【1 7 】。 综上所述，电潜泵排采系统排采煤层气的过程就是电能经过能量转化装置转化为液 体能量，从而使地层水不断排出地面，地层压力不断降低，煤层气不断解析不断排出的 过程。 1 3 2 煤层气井电潜泵排采的工作特性 电潜泵的工作特性是煤层气井用电潜泵排采系统优化选型的重要依据，它是在工作 介质为纯水，温度为2 0 的条件下得到的。电潜泵的特性曲线主要反映在标准状况下通 过实验得到的效率一流量特性、扬程一流量特性及泵轴功率一流量特性。在电潜泵特性 曲线上存在一个最高效率点，该点所对应的排量即为理论上的最佳排量。电潜泵在设计 时是按照电潜泵叶轮处于最小磨损的原则而建立的，当电潜泵在最高效率点工作时，叶 5 第一章绪论 轮所受液体作用力最小，当设计排量大于目前排量的条件时，会出现叶轮的下挚片受磨 损的情况，而当设计排量小于目前排量的条件时，叶轮的上挚片就会磨损相对比较严重。 因此，我们根据叶轮所受磨损轻重情况的不同，一般规定当电潜泵工作在其最高效率点 所对应排量的7 5 至1 2 5 的区间范围内称为电潜泵的高效工作区间，如果电潜泵在该 范围内工作，我们就认为电潜泵的工作是高效合理的【1 8 19 1 。 在进行煤层气电潜泵井生产系统优化选型工作中的电潜泵型号选择操作时，需要从 电潜泵的特性曲线上查找得出电潜泵的单级扬程、最高泵效所对应的额定排量等数据。 但是，电潜泵的这种特性曲线不方便在计算机上进行编程运算。鉴于此原因，我们采用 线性回归方法将电潜泵的三条特性曲线表达为： h 8 = 口o + 口1 q 名+ 口2 q 名2 + 口。q 0 ” ( 1 - 1 ) r b = b o + 6 1 绋+ 6 2 q 厅2 + 6 。绋” ( 1 - 2 ) n 口= c o + c l q 占+ c 2 q 丹2 + c 。( b ” ( 1 3 ) 式中，h 口、j 7 v 占、绋分别为电潜泵的扬程、效率、泵轴功率和排量，式中的 系数d o 、口1 、口2 、口。，b o 、b l 、b 2 、吨，、c l 、c 2 、c n 称为回归系数【2 0 】。 典型电潜泵特性曲线如下图所示： 扬 稗 m 一一一厂一t 一t 0 - 三垡整罔： j _ o j _ _ _ _ _ _ - _ 。_ _ 。- _ _ - 。- _ - 【_ _ _ _ 1 - _ 一 一一 i o o 2 0 03 0 04 5 0 0 排量而阳 图1 - i 电潜泵特性曲线 f i g l - 1 t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fe s p 6 泵 效 中国石油人学( 华东) 硕i j 学位论义 在用煤层气井电潜泵排采系统进行实际排采过程中，电潜泵所抽汲的物质是气、水 及少量煤粉的混合物，该混合物的物理特性会与纯水有所不同，其中主要包括粘度特性、 密度特性等。因此，在进行电潜泵选型设计时，需要根据实验所得结果来对电潜泵的工 作特性进行粘度上的校f 。当电潜泵吸入口压力低于气体饱和压力时，煤层水中便会存 在游离状态的气体，在实际工作中就会有一部分气体被吸入到电潜泵中，这些气体的存 在会严重影响电潜泵的诈常工作状况，造成电潜泵的工作特性变坏。为防止电潜泵实际 工作特性的失效，需要在电潜泵吸入口之前安装气液分离器，以使电潜泵尽量在良好的 状态下工作。煤层气井中存在着大量的煤粉，煤粉在煤层水的流动带动下很容易堆积在 电潜泵吸入口处和进入电潜泵中，从而造成堵泵和卡泵问题，并影响到泵的工作特性。 因此，在进行电潜泵选型设计操作过程中要充分考虑煤粉对电潜泵工作特性的影响。 1 3 3 应用电潜泵系统排采煤层气的关键技术 当电潜泵排采系统排采煤层水一定时间后，随着煤层气井井底压力的进一步降低， 煤层气随之解析渗出。在利用电潜泵对煤层水进行抽吸的过程中，一部分游离气体会进 入电潜泵中，从而影响电潜泵的正常工作【2 m 2 1 。因此，我们需要解决煤层气进泵所导致 的泵效降低的问题。在使用煤层气井电潜泵排采系统进行排采的过程中，煤层气井前期 主要排采压裂液，因此排水量往往很大，而处在正常工作状态下时排水量会比较小，这 导致煤层气井f ； 后阶段排水量变化很大，一般的电潜泵不能满足整个排采过程的需要。 因此，为使电潜泵能够始终适用于煤层气井的排采作业，我们引入了变频调速控制装置。 根据上述分析，煤层气电潜泵排采系统高效工作所需要解决的关键技术是离心式气体分 离技术和变频调速控制技术。 ( 1 ) 离心式气体分离技术 在用煤层气井电潜泵排采系统进行煤层水的排采作业时，由于地层水压力不断降 低，解析出来的煤层气便会越来越多，随着电潜泵对煤层水的进一步抽吸，一部分游离 和溶解的煤层气会随着煤层水的排采而被吸入到电潜泵中。这些气体的存在严重影响了 电潜泵的工作效率。一般情况下，为解决气体的影响而在泵的吸入口处放置离心式气液 分离器，该类型的分离器可以满足煤层气井气液分离的基本需要。根据室内和现场试验 所得到的数据表明，一般当泵的转速在4 0 0 r m i n 的时候，离心式气液分离器能够达到最 高的气液分离效率，并且能够满足煤层气井气体分离的需要。目前一般电潜泵用离心式 气体分离器主要由轴、导向叶轮、上下接头、交叉导轮、低压吸入叶轮、螺旋举升器、 7 第一章绪论 分离器转子、导轮、壳体等部件组成。它的基本工作原理为：煤层水随着泵的抽吸而进 入离心式气体分离器的吸入口处，螺旋举升器将煤层水送入低压吸入叶轮和导轮进行增 压后，流体再进入导向叶轮，流体经过导向叶轮的作用而从螺旋运动状态突然变成直线 运动状态并进入分离腔进行扩容，分离腔内的分离器转子带动流体进行高速旋转而将质 量比较大的流体甩到分离腔内壁，这些流体会进入分流壳流道而被泵吸入。同时，质量 比较小的气体则聚集在气体分离器的中间部位，沿着轴流到分离壳，最后从排气口进入 油套坏空，最终将煤层水中的气体分离出来1 2 3 】。 ( 2 ) 变频调速控制技术【2 4 】 在用电潜泵进行煤层气井排采时，需要实时的监测液面高度，并控制液面平稳下降。 为了保证动液面能够实现平稳降低直至稳定，所抽吸的煤层水量需要在大范围内不断变 化。变频调速装置能够使电潜泵排采实现这一要求。目前，在电潜泵上普遍使用的变频 装置能够满足变频工况的要求，在变频工况的条件下，可以通过变频器方便的调整电流 频率，从而调整潜油电机的转速，使其能够满足在排采过程中对液面平稳下降的需要。 另外，变频器一般还具有过温、短路、过压、过载、欠载、欠压、缺相以及失速保护的 功能，能够实时的将井下电源的电流、电压和频率记录下来。在煤层气井电潜泵排采系 统使用变频器后，与以前排采效果作对比研究发现，其具有以下优点：一是通过变频器 的变频作用后，潜油电机转速发生变化，从而引起排液量发生改变。因此，我们可准确 的通过调整变频器来控制煤层水动液面的变化。二是通过利用变频器，可以使得电潜泵 排采系统在较低频率下平稳启动，改善了以前由于启动而造成的电力系统和电潜泵系统 的高电流冲击。三是由于使用了变频器，可以使得电潜泵在高频率下也能够进行j 下常工 作，同时也可满足电潜泵在短时间内进行大强度排采的需要，适应煤层气井初期对排采 的要求，提高电潜泵的适用范围，提高整体的经济效益。四是在变频器的变频作用下， 调节了潜油电机的转速，这时的潜油电机工作力矩是不变的，电潜泵的扬程也就不会发 生变化，从而使得电潜泵系统的效率提高。五是整个排采系统耗电量的减少，尤其减少 了潜油电机启动时对电源容量的要求。 1 4 研究内容 本文在对煤层气电潜泵井流体流入动态、电潜泵井筒压力分布规律及温度分布规律 进行分析的基础上，以煤层气电潜泵井系统效率最高为优化目标，建立了电潜泵排采设 备优化选型的数学模型。根据建立的数学模型及设备组件的选型原则，得出在整个煤层 8 中困油人学( 华东) 颂l j 学位论文 气电潜泵井排采系统达到最高效率点下的下泵深度、电潜泵型号、分离器型号、保护器 型号、电缆规格等优选参数。利用v b 编程软件编写煤层气电潜泵井排采设备优化选型 软件，并运用该软件进行实例计算。本文具体研究内容分如下三部分： ( 1 ) 煤层气电潜泵井排采设备优化设计方法的研究 建立煤层气电潜泵井流体流入动态分析模型； 研究得出煤层气电潜泵井井筒压力分布规律； 建立煤层气电潜泵井井筒温度分布计算模型； 建立煤层气井电潜泵排采系统优化设计模型。 ( 2 ) 煤层气电潜泵排采设备型号的选择方法研究 依据煤层气井的产液量及电潜泵沉没度确定下泵深度； 选择电潜泵的泵径、级数和转速，确定电机型号； 依据电潜泵井有效总扬程及泵的单级扬程来确定电潜泵级数； 根据计算电潜泵吸入口处气液比大小的方法来选择气液分离器型号。 ( 3 ) 煤层气电潜泵井排采设备优化选型软件的编写研究 根据建立的优化选型数学模型和各排采设备组件的选型方法，利用v b 编程软件实 现煤层气井电潜泵排采系统的优化选型，方便现场操作人员的使用。 9 第- 二章煤层气j i ：流入动态分析 第二章煤层气井流入动态分析 2 1 影响煤层气井流入动态的因素及井底流体的渗流规律 2 1 1 煤层气井流入动态的研究现状 煤层气井的流入动态是指煤层气井的井底流动压力同产液量之间的关系。根据分析 煤层气井各排采阶段时的井底流动压力和相应的产液量，可以建立起煤层气井的流入动 态关系曲线，以便合理的确定煤层气井排采制度及合理的选择排采工艺。目前在油气f f l 开发方面，国内外研究人员对油井流入动态关系进行了一系列研究，取得了一定的研究 成果，主要内容在以下2 个方面：国外的m b s t a n d i n g 等研究人员按照估算油井井底 附近受损产层表皮系数，结合现场试验结果，建立了计算煤层气井流入动态关系的数学 模型，此方法需要能够获得精确的油藏基础数据，在实际应用中这些数据的获得都比较 困难，因此导致该方法难以实现；国内的程林松等研究人员根据得到的溶解气驱油藏的 排采基础数据与模拟结果，分析得出了油井流入动态关系，对油井流入动态进行了粗略 的计算。但是，由于一般煤层气井排采初期产水量比较大，而到正常排采期问，由于要 始终保持井筒中液面的稳定，所以其产水量一般比较小，这样导致煤层气井排水量的变 化本质上不是由于地层井底流压而改变排水量，而是人为实现排采流量变化的，这样油 井方面所建立起来的油井流入动态关系曲线不再适用于煤层气排采井。因此，在研究煤 层气井井底流入动态关系时，我们根据煤层气井在整个排采过程中所经历的煤层气渗流 状态的改变，将煤层气井排采时的流体流动状态初步分为3 个阶段，依次为单相煤层水 流动阶段、气液两相混合物流动阶段和单相煤层气流动阶段，通过每一个阶段流动过程 中所得到的具体的产水量、动液面深度变化、产气量、套管及油管压力等生产数据，分 析得到煤层气井排采过程中的流入动态1 2 5 2 7 1 。 2 1 2 影响煤层气井流入动态的因素 煤层气主要以吸附在煤层中的状态存在着，它的产出过程是一个不断解析、扩散和 渗流的复杂过程，并伴随着多种影响因素的改变。在煤层气解析、扩散和渗流的过程中， 煤层气井井底流压也不断的发生变化。目前国内外研究结果一致认为，主要影响煤层气 井流入动态的因素为：裂缝渗透率及孔隙度、煤储层面积及有效厚度、解析时间、 l a n g m u i r 体积、l a n g m u i r 压力等【2 8 - 3 0 1 。 目前得到的研究结果表明：原始煤层裂缝渗透率越大，煤层气井井底压降漏斗扩散 1 0 中国石油人学( 华东) 颂i j 学位论义 越快，煤层气越容易解析，产气时间相对变短，短时l 日j 内产气量增大，煤层气井的i p r 曲线越往右移。当煤层裂缝孔隙度增大时，由于煤层气井初期主要排采压裂液，因而导 致初期产气量减少。含气煤层厚度越大，其含煤层气的量也随之增大，解析所需要的时 间就越长，煤层气就越难以从煤层中解析出来，扩散速度也就相对变慢，最终导致煤层 气井初期产气量的下降。l a n g m u i r 体积越大，煤层丌始阶段含气量越多，在丌始阶段煤 层气井的产气量就会增大。l a n g m u i r 压力和煤储层面积对i p r 曲线具有较小的影响。 2 1 3 煤层气井井底流体的渗流规律 煤层本身所具有的裂缝一般分布比较杂乱，没有规律可言，煤层水就存在于这些裂 隙中。当距离井筒较远处的煤层水流向井简时，我们认为该煤层水在流向井筒的过程中 是沿直线运动的；当距离井筒较近处的煤层水流向井简时，我们认为流体流动状态变为 平面径向流动。当流体流向井筒周围的速度较低时，流体所受的黏滞阻力比其所具有的 惯性力大得多，渗流速度与压力梯度成线性关系，此时的流体流动符合达西定律。当煤 层水含量很高时，煤层水所受的惯性阻力比所受黏滞阻力大很多，此时流体流动不符合 达西渗流定律。研究结果表明，通过根据临界雷诺数的变化可以将煤层水流动规律划分 出来。当临界雷诺数r e 、 0 3 时，煤层流体的渗流状态为非线性的，煤层水流动不 符合达西定制3 。因此，在计算煤层气井流入动态时，需根据流体流动状念的变化而使 用不同的计算准则。 2 2 单相水流动阶段煤层气井流入动态分析 2 2 1 单相水流动阶段的典型煤层气井动态曲线 在对煤层气井进行排采时，排采的初期阶段主要进行大排量强排水，该过程为煤层 气井的单相水流动过程。在该过程进行的时候，其又可以被精确的分为2 个阶段。第一 个阶段为单相流阶段，此时由于井底压力还未达到煤层气的临界解析压力，因此，此时 的井底流体流动只有单相水流动。第二个阶段为非饱和单相流阶段，随着煤层水的排采， 井底压力逐渐降低，当煤层压力降低到煤层气临界解析压力时，煤层气就会从煤层中解 析出来，但此时的煤层气由于刚刚开始解析，煤储层存在的裂隙和孔隙中的气泡都是孤 立存在的。因此，此时的煤层气是不可以流动的，我们把这一阶段的流动过程划分为单 相水流动的第二个阶段。 第一二章煤层气j l ：流入动态分析 在煤层气井排采的单相水流动过程中，煤层水在井底通过煤层裂缝渗流到井筒周围 而被排采设备抽汲，此时的流体中只有水没有游离状态的煤层气。因此，此时所建立起 来的煤层气井流入动态关系曲线就是煤层气井井底流压同产水量之i 日j 的关系。以标准状 态下的产水量为所要建立的曲线的横坐标，井底流压值为纵坐标作曲线，即得到煤层气 井的i p r 曲线。典型的煤层气井流体流入动态曲线如下图所示。 y p im p n q | ，7 稿d 1 q a o f 图2 - 1 典型的煤层气井动态曲线 f i 9 2 - 1 t h ed y n a m i cc u r v eo ft h et y p i c a lc b mw e l l s 2 2 2 单相水流动阶段的产水量计算 ( 1 ) 煤层水流出状态符合达西渗流时的产水量【3 2 3 4 】 在煤层水流向井筒的过程中，当其流速比较低时，其主要受黏滞阻力的影响，渗流 速度与煤层水的压力梯度成线性关系。当在平面坐标系中时，平面上任一处的流体流速 和流压都是坐标位置的函数，可得到如下关系式： k 劫 1 ，j2 。出 ko p 一2 。0 1 yw ( 2 1 ) 令煤层流体流过厚度为咖的圆柱面，并将其化为极坐标系下的函数表达式为： 鱼：丝v d rk ( 2 2 ) 式中，以为煤层水的粘度，p a s ；后为煤层渗透率，m 2 ：孕为流体所产生的压 口r 力梯度；，为距离油管中心的径向距离，m ；v 为煤层水渗流速度，r n s 。 中固石油人学( o 扛东) 硕i ：学位论文 上式中的煤层水渗流速度即为距离油管中心为，处的煤层水流速，计算式如下： v ：盟 2 n r h ( 2 3 ) 式中，q ，为每秒排到地面的煤层水量，m 3 i s ；厅为煤储层有效厚度，m ；玩为煤层 水的储水系数，无量纲。将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) 整理得： 苈2 了吼 q 。4 在流体稳定渗流的情况下，g 的值是不变的，将上式两边在井筒边缘到半径，范围 内进行积分计算，得到： 等d 阳p 。字2b ，l = 口，l 一 ( 5 ) 雌ww 昂* j 。1 。kr 式中，p ，为距离井筒中心为r 处的煤层压力；p 为井筒附近煤层井底流压，p a ；名 为煤层水的泄流半径，m ；r 为井眼半径，m 。 根据上式，可以得到在单相水流动阶段地面所得到的标准水流量，其计算公式为： ：2疵h(p,-p,q)q(26)l 2 瓦丽i 习石 他击 在现场煤层气井作业中，想要得到p ，值很难，一般用平均压力值来取代。可认为p ， 为平均压力值。由c r a f t 的研究结果可得，煤层的平均压力是指在煤层水处在相对稳定 的流动状态下，所测得的煤层水泄流半径的6 1 处的井底压力。在试井的过程中，我们 能够得到煤层的平均压力数据。因此，煤层气井地面标准水流量计算公式为： g ，：三塑! ! ：二型：三攀竖二型， ( 2 - 7 )口， = 二一：= f 二_ 1 l2 一7 ) “7 。b 。l n ( o 6 1 )。b 。l l n ( 名) 一o 5 j 当煤层状态为封闭时，煤层平均压力约为煤层泄流半径处的一半，为方便计算，取 r = 0 4 7 2 r 。，此时煤层水产量可表示为： g ，：型竺：二型：攀! 呈：二型， ( 2 - 8 ) 口，= j - 一= f = _ 1 【2 - g ) “ ，b 。l n ( o 4 7 2 r 。r d纵b 。【l n ( 名o ) 一o 7 5 j 由于在煤层气井井筒周围区域容易发生煤层水污染王贝象，这很容易引起井眼渗透状 1 3 第二章煤层气j i ：流入动态分析 ， 态的改变，为修正上述计算公式，引进了表皮系数s 与有效井眼半径的概念，并认 为0 = e s ；影响表皮系数的因素一般有煤层气井筒污染程度、煤层气井的完井方式 和煤层气井增产措施等。因此，可以得到在引入表皮系数后的煤层气井产量计算公式： q l ：学堕生 ( 2 - 9 ) 2 f 。1 【2 。9 ) u w b 。ii n ( 5 r ) 一0 5 + si 因此，在封闭煤层中的煤层气井产水量为： ”塑喾止1 ( 2 - 1 0 )g 2 t 二1 t w b 。ll n ( r ) 一o 7 5 + si 上式中的玩表示为煤层储水系数，常取1 ；煤储层平均压力p ，h q 静液面高度数值 估算得到。将上式计算公式按照标准单位g ( m 3 d ) ，k ( a n 2 ) ，p ( m p a ) ，( m p a s ) 代入得： 旷 型蜂塑l 协 g l2 _ t 了二1 【2 。1 1 ) u 。li n ( 5 r ) 一0 5 + si 铲t 型警吐( 2 - 1 2 ) g l2 f 了二。1 心ll n ( r 。r ) 一o 7 5 + sl 其中，占为标准换算量，无因次。 当煤层水稳定流动时，煤层气井产水指数是一个稳定的数值，煤层气井产液量与其 井底流压成f 比，因此，式( 2 1 1 ) 及( 2 1 2 ) 可统一表示为： q = j l ( p ，一p 盯) ( 2 - 1 3 ) 式中，以为煤层气井的产水指数，m 3 ( d m p a ) ，其计算表达式为： 小习硐2 s n k h虬2习画2z而khin(5-0 5 司 。b 。l ) + s i，b 。il n ( 名o ) 一o 7 5 + si 根据煤层气井产水指数及所计算的在某一井底流压下的产液量可知，在该阶段的煤 层气井井底流动动态曲线为直线，产水指数为该曲线的负倒数，煤层平均储藏压力即为 1 4 中困t i 油人学( 华东) 顾l ：学位论义 y 辟 p 。f m p a o 一卜 t ) | 7 x 图2 - 2 煤层气井单相水流动阶段的流入动态曲线 f i 9 2 2 t h ed y n a m i cc u r v eo ft h ec b mw e l l si ns i n g l e - - p h a s ew a t e rf l o ws t a g e ( 2 ) 煤层水流出状态符合非达西渗流时的产水量 当煤层气井流体流入井筒流量非常大时，此时的流动过程不符合达西渗流，流体运