張芬娜　趙海暉　綦耀光　余焱群　杜宏偉

摘 要 應(yīng)非常規(guī)油氣排采技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，針對學(xué)生難以理解和區(qū)分煤層氣排采與常規(guī)油氣排采設(shè)備與工藝的差異性問題，研制了煤層氣井排水采氣實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。采用該平臺進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利于學(xué)生掌握抽水機(jī)與排采泵的工作原理和結(jié)構(gòu)組成、排采沖次的調(diào)節(jié)方法和實(shí)現(xiàn)方式、固-液-氣多相流對排采效能的影響，進(jìn)而強(qiáng)化對煤層氣井桿管環(huán)空排水-管套環(huán)空出氣的工作原理和生產(chǎn)工藝的認(rèn)知，從系統(tǒng)的角度加深對非常規(guī)油氣排采設(shè)備的理解，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞 排水采氣實(shí)驗(yàn)平臺 非常規(guī)油氣 煤層氣排采 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 工程應(yīng)用能力

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.10.051

Study about Experimental Teaching Platform for CBM Drainage

Equipment and Technology

ZHANG Fenna[1]， ZHAO Haihui[1]， QI Yaoguang[1]， YU Yanqun[1]， DU Hongwei[2]

（[1]College of Mechanical and Electronic Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580；

[2] Mechanical and Electronic Engineering College， Qingdao Agricultural University， Qingdao， Shandong 266109）

Abstract Motivated by the experimental teaching of unconventional oil and gas drainage system， a set of CBM wells drainage experiment teaching platform has been developed， aiming at the problem that students usually felt puzzled to understand and distinguish the difference between CBM drainage and conventional oil and gas drainage. Adopting the platform in the comprehensive experimental teaching， it can benefit the students mastering the working principle and structure of pumping unit and rod pump， adjustment and implementation method of back and forth frequency， solid - liquid - gas multiphase flow's influence on drainage system. And then， it could strengthen the comprehension of the working principle and technique about the water draining through rod- pipe hohlraum and gas exhausting through pipe-drive pipe hohlraum， strengthening the systemically comprehension to the unconventional drainage equipment and improving the teaching efficiency and students engineering application ability.

Keywords experimental platform of drainage system； Unconventional oil and gas； coalbed methane（CBM） drainage； experimental teaching； engineering application ability

0 引言

非常規(guī)油氣排采設(shè)備與工藝，是面向煤層氣等非常規(guī)油氣的裝備研發(fā)及工藝設(shè)計(jì)而開設(shè)的課程，包含理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。對于前期理論基礎(chǔ)較為薄弱的非常規(guī)油氣開采而言，試驗(yàn)的作用尤為重要。本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)可用于原理模擬、裝備調(diào)試以及技術(shù)革新，在當(dāng)前國家大力發(fā)展非常規(guī)油氣政策的支持下，[1-5]具有重要的理論及實(shí)踐意義。

但是，目前多數(shù)學(xué)生對煤層氣排采系統(tǒng)[6-7]的認(rèn)識較淺顯，難以區(qū)分和理解其與常規(guī)油氣排采的不同，亦缺乏實(shí)際動手操作訓(xùn)練。[8-11]因此，有必要研發(fā)一套煤層氣井排水采氣實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，使學(xué)生掌握排水采氣系統(tǒng)的具體構(gòu)成、工作方式以及調(diào)節(jié)方法，深刻理解煤粉和氣體對煤層氣排采的影響，為國家專業(yè)人才的培養(yǎng)提供研究和學(xué)習(xí)的條件。

1 煤層氣排采教學(xué)平臺研制要求與工作原理

基于類比實(shí)驗(yàn)研究方法，等比例縮小800m深煤層氣井，研制用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的煤層氣井排采系統(tǒng)模擬樣機(jī)。樣機(jī)由地面驅(qū)動系統(tǒng)、井口裝置、貯水系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、桿柱系統(tǒng)和排采泵等組成，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)基本要求：（1）桿柱和管柱的高度為30m；（2）保證在較大傳動比范圍內(nèi)抽水機(jī)沖次從1.3～7min-1連續(xù)可調(diào)。

樣機(jī)工作原理：（1）無線動態(tài)應(yīng)力檢測儀、拉壓力傳感器、壓力變送器、激光測距儀、數(shù)據(jù)采集器、液位變送器、電磁流量計(jì)等檢測裝置用以數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、分析與計(jì)算；（2）排采桿柱、管柱和套管柱自里而外逐次排列，經(jīng)桿管環(huán)空排水，由管套環(huán)空產(chǎn)氣；（3）抽水機(jī)驅(qū)動井液由桿管環(huán)空輸送至井口，然后經(jīng)由出水管輸送至貯水罐中貯存，以備隨時(shí)補(bǔ)充井液；（4）補(bǔ)液時(shí)液體經(jīng)由進(jìn)水管輸送至井口，再進(jìn)入管套環(huán)空，最后經(jīng)由尾管與泵柱塞進(jìn)入桿管環(huán)空，由此實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)中井下動液面的相對穩(wěn)定及井液的循環(huán)利用。endprint

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺研制

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺分為地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)，其中地面系統(tǒng)包含抽水機(jī)、井口裝置及貯水裝置，井下系統(tǒng)由抽油桿、油管、套管及排采泵組成。

2.1 教學(xué)平臺地面系統(tǒng)

（1）抽水機(jī) 抽水機(jī)采用復(fù)合平衡方式，以保持較好的平衡狀態(tài)。減速機(jī)將電機(jī)、調(diào)速器和減速器集成，輸出力矩可滿足中小型抽水機(jī)的要求，無級變速傳動并結(jié)合以調(diào)節(jié)調(diào)速器可以以實(shí)現(xiàn)較大傳動比范圍內(nèi)的沖次連續(xù)調(diào)整。

（2）井口裝置 自上而下布置有密封盒、三通、排采管頭、四通、套管頭和井口支撐。三通端口連接出水管，四通分別連接進(jìn)水管及進(jìn)（出）氣管（附壓力計(jì)用以井口壓力測量）；密封盒實(shí)現(xiàn)井口與光桿的密封。

（3）貯水裝置 用以貯存井液并實(shí)時(shí)向井內(nèi)補(bǔ)充井液，由貯水罐、進(jìn)水管、出水管、水閥及底座構(gòu)成。其中，出水管一端與貯水罐連接，另一端與井口三通連接，而進(jìn)水管則是連接貯水罐與井口四通。出水管和進(jìn)水管上水閥用于控制液體流速從而模擬井內(nèi)排液量變化，改變進(jìn)水管和出水管中井液流速可調(diào)整管套環(huán)空內(nèi)動液面高度。

2.2 教學(xué)平臺井下系統(tǒng)

排采桿柱與排采管柱構(gòu)成桿管環(huán)空，作為液體輸送通道，管壁分布有不同直徑的篩孔作為不同大小固體顆粒的通道。套管柱與排采管柱構(gòu)成管套環(huán)形空間，套管采用透明PVC材質(zhì)以便于觀察，底部與進(jìn)氣管連接。當(dāng)煤粉或煤矸石等造成井底堵塞時(shí)，可經(jīng)由井底三通端口清理淤積的固體顆粒。正常狀態(tài)下，管套環(huán)形空間的物性分布自上而下依次為氣柱段、氣水兩相液柱段及水柱段，桿管環(huán)形空間產(chǎn)出水，而管套環(huán)形空間產(chǎn)出煤層氣。

排采泵包括泵筒總成、柱塞總成及固定閥總成。柱塞總成由柱塞與游動閥總成構(gòu)成，正常狀態(tài)下，游動閥向上單向打開，柱塞下的井液排入桿管環(huán)空。固定閥總成位于泵筒下端，正常工作狀態(tài)下，該固定閥亦向上單向打開，以實(shí)現(xiàn)液體由管套環(huán)空流經(jīng)尾管進(jìn)入泵筒。

2.3 教學(xué)平臺采集處理系統(tǒng)

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示，用以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析與處理。將無線動態(tài)應(yīng)力儀的應(yīng)變片貼于抽水機(jī)主要受力桿件及排采桿柱上端以測試桿件受力；采用無線動態(tài)應(yīng)力與加速度測試儀測量抽水機(jī)負(fù)荷與位移、桿件應(yīng)力與應(yīng)變及曲柄軸扭矩等進(jìn)行有桿泵設(shè)備的設(shè)計(jì)與計(jì)算；采用激光測距儀和轉(zhuǎn)速表測量懸點(diǎn)與柱塞的位移和速度，結(jié)合動力學(xué)分析檢驗(yàn)其動力學(xué)性能；在井口四通端口和井底三通端口處配置壓力變送器以測試井口及井底壓力，分析壓力與產(chǎn)能的動態(tài)關(guān)系；在貯水裝置的進(jìn)水管和出水管配置電磁流量計(jì)以測取管中液體流速和排液量；在管套環(huán)空中動液面以下的井底處配置液位變送器以測量液位并監(jiān)控動液面及沉沒度；數(shù)據(jù)采集器和單輸入通道儀表通過串口與檢測設(shè)備及計(jì)算機(jī)相連，檢測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器和單輸入通道儀表輸入計(jì)算機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、反饋及處理。

3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)效果分析

3.1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于本教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺研制目標(biāo)與設(shè)計(jì)功能，可為如下實(shí)驗(yàn)提供模擬實(shí)驗(yàn)條件。

（1）實(shí)現(xiàn)管套環(huán)空從上至下的氣柱、氣水兩相液柱及水柱的物性分布模擬，進(jìn)行不同的壓力、氣液比及排液速度下兩相流對排采泵充滿度影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究；

（2）裝置中的排采桿柱、排采管柱和套管柱形成兩環(huán)形空間，可進(jìn)行桿管環(huán)空排水及管套環(huán)空出氣模擬；

（3）利用液位變送器實(shí)時(shí)測量管套環(huán)空內(nèi)動液面，可實(shí)現(xiàn)沉沒度在0～20.0m范圍內(nèi)任意調(diào)整的現(xiàn)場模擬，進(jìn)行低沉沒度下泵閥開啟條件的實(shí)驗(yàn)研究；

（4）結(jié)合電磁流量計(jì)，減速機(jī)無級變速傳動系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大傳動比和沖次連續(xù)可調(diào)，可在沖次1.3～7min-1區(qū)間實(shí)時(shí)測量排液量，進(jìn)行砂、煤粉及煤焦的運(yùn)動規(guī)律與排出條件的實(shí)驗(yàn)分析；

（5）利用激光測距儀及無線動態(tài)應(yīng)力測試儀實(shí)時(shí)測量并分析懸點(diǎn)載荷及桿件應(yīng)力、應(yīng)變隨位移變化規(guī)律；

（6）利用壓力變送器實(shí)時(shí)測量井口壓力和井底壓力，進(jìn)行產(chǎn)能隨井底流壓變化的氣井動態(tài)研究。

3.2 教學(xué)效果分析

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺于2015年10月投入使用，截至目前，共進(jìn)行非常規(guī)油氣排采技術(shù)教學(xué)試驗(yàn)115次，進(jìn)行攜沙教學(xué)實(shí)驗(yàn)70次。實(shí)驗(yàn)測試和實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明：可模擬非常規(guī)油氣排采多種實(shí)驗(yàn)，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，可完成石油開采相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。

（1）實(shí)驗(yàn)裝置的啟用有效地縮短了教學(xué)課時(shí)，節(jié)約了教學(xué)投入費(fèi)用。以上述教學(xué)實(shí)驗(yàn)（1）～ （4）為例，與未采用本實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)時(shí)相比，平均減少教學(xué)學(xué)時(shí)17%，與現(xiàn)場教學(xué)實(shí)習(xí)相比平均節(jié)約試驗(yàn)投入51%，在降低教學(xué)成本的情況下使學(xué)生能夠更深入地理解和掌握排采工藝及開發(fā)技術(shù)。

（2）基于數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的人機(jī)交互機(jī)理，學(xué)生可自行在合理范圍內(nèi)改變?nèi)樵O(shè)備的參數(shù)控制實(shí)驗(yàn)臺三抽設(shè)備的運(yùn)行情況，從而真實(shí)的體驗(yàn)現(xiàn)場調(diào)參對排采設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的影響機(jī)理及效果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將不同工況下采集的數(shù)據(jù)用于生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。砂、煤粉及煤焦的運(yùn)動規(guī)律與排出條件的實(shí)驗(yàn)既能如圖3直觀顯示，又可以通過數(shù)據(jù)顯示（如圖4）和圖形顯示（如圖5）。

工況1； 工況2； 工況3； 工況4

圖3 砂煤粉運(yùn)移規(guī)律直觀顯示

圖4 砂煤粉運(yùn)移規(guī)律數(shù)據(jù)顯示

圖5 砂煤粉運(yùn)移規(guī)律圖形顯示

（3）數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)采用迭代逼近算法，賦予該教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺以較強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析效能，強(qiáng)化了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系的理解。在此，以典型試驗(yàn)（4）為例，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生的主體作用與實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)性的關(guān)系加以描述：

學(xué)生自主設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件，如：沖次3.5 min-1，沉沒20m，由此分析砂、煤粉及煤焦在兩相流下運(yùn)移規(guī)律。學(xué)生自行分析實(shí)驗(yàn)條件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足誤差低于5%要求后，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并就參數(shù)設(shè)置對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度進(jìn)行評估，由此激發(fā)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰肮こ虒?shí)踐能力。endprint

4 結(jié)束語

（1）煤層氣井排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)面向非常規(guī)油氣開采實(shí)驗(yàn)，對于常規(guī)油氣開發(fā)模擬具有通用性，可完成目前已有生產(chǎn)現(xiàn)場開發(fā)條件的模擬。實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)了排采過程的可視化且采用實(shí)時(shí)交互的實(shí)驗(yàn)操作方式，在本學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面具有創(chuàng)新性。

（2）可為桿管環(huán)空排水-管套環(huán)空出氣的設(shè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)提供具有設(shè)定取值范圍的沉沒度和排液量且實(shí)時(shí)調(diào)整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)排液量、動液面、井壓、井液成份和桿件受力實(shí)時(shí)監(jiān)測以及沖次在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的實(shí)驗(yàn)要求，進(jìn)而完成井筒中煤粉顆粒沉降規(guī)律、排采泵的泵閥開啟條件和桿管環(huán)空顆粒排出條件等實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)裝置可用于石油高校機(jī)械工程和石油工程學(xué)科及現(xiàn)場技術(shù)人員培訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握非常規(guī)油氣排采裝置工作原理和結(jié)構(gòu)組成、排采沖次的調(diào)節(jié)方法和實(shí)現(xiàn)方式以及固-液-氣多相流對排采的影響，掌握煤層氣桿管環(huán)空排水-管套環(huán)空出氣的工作原理和生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，對培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)起到了積極的作用。

*通訊作者：張芬娜

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（16CX02004A）；國家油氣重大科技專項(xiàng)資助（2016ZX05066004-002）

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