惠南南（浙江油田分公司質(zhì)量安全環(huán)保部）

煤層氣的生產(chǎn)機(jī)理是通過抽排煤儲(chǔ)層中的承壓水，使得煤層壓力降至煤的解吸壓力以下，吸附態(tài)的甲烷解吸為大量游離態(tài)甲烷，并通過擴(kuò)散和流動(dòng)兩種不同的機(jī)制運(yùn)移到井筒并采出[1]。其特點(diǎn)是油管出水，套管采氣，而在煤層氣排采方式中，有桿泵排采方式由于其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，技術(shù)相對成熟的特點(diǎn)被廣為使用。作為主要耗能設(shè)備，對排采井抽水機(jī)進(jìn)行節(jié)能監(jiān)測以用來了解排采井抽水機(jī)對于能源的利用的狀況是有必要的。

1 油田抽油機(jī)與排采井抽水機(jī)區(qū)別

目前，雖然排采井抽水機(jī)和油田抽油機(jī)結(jié)構(gòu)原理相似，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)仍有許多不同之處，在測試過程中發(fā)現(xiàn)，部分煤層氣排采井抽水機(jī)與油田抽油機(jī)有以下區(qū)別。

1.1 沖速

油田抽油機(jī)井沖速一般較快，平均為5 min-1左右；煤層氣排采井抽水機(jī)的沖速一般較慢，平均為0.6 min-1左右。這是由于煤層氣井排采要堅(jiān)持緩慢降壓、連續(xù)抽排、平穩(wěn)調(diào)峰的原則，防止引起煤層激動(dòng)，使煤粉堵塞煤層割理，降低滲透率，影響煤層氣開采效果[2]。

1.2 產(chǎn)液量

油田抽油機(jī)井產(chǎn)液量較高，但是煤層氣排采井抽水機(jī)產(chǎn)液量極低，這是由于在生產(chǎn)后期，煤層內(nèi)的游離水基本已經(jīng)被大量地排出，使煤巖中的氣相滲透率提高，水相滲透率急劇下降[3]，現(xiàn)場生產(chǎn)表現(xiàn)為煤層氣井的產(chǎn)氣量快速上升、迅速達(dá)到一個(gè)產(chǎn)氣峰值，而產(chǎn)水量快速下降，煤層氣排采井產(chǎn)水曲線見圖1。如圖1 所示，在生產(chǎn)后期，大部分的排采井產(chǎn)水量極少，甚至個(gè)別井井口長時(shí)間無液體流出，處于“干抽”狀態(tài)。

1.3 油管充滿度

油田抽油機(jī)井只要有產(chǎn)液量，其油管就處于充滿狀態(tài)。部分煤層氣排采井抽水機(jī)油管經(jīng)常處于未充滿的“干抽”狀態(tài)，井口無液體流出。這是由于在生產(chǎn)后期，井底流壓已經(jīng)降到煤層臨界解吸壓力以下，大量煤層氣從煤層中解吸出來[4]，水的滲透率急劇下降，這時(shí)即使抽出少量的水也可以使壓力下降較大。

1.4 配用變頻器輸出頻率

受到低沖速影響，其配用的變頻器輸出頻率值也較低，平均為2 Hz左右。而油田抽油機(jī)井配用變頻器一般為30～60 Hz。頻率過低會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生諧波電流增大，加大電網(wǎng)的損耗，并有損壞其他設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)[5]。

1.5 電動(dòng)機(jī)負(fù)載率

經(jīng)過某油田煤層氣排采井大規(guī)模的測試計(jì)算，該油田煤層氣排采井抽水機(jī)平均輸入功率為1.36 kW，而其配用電動(dòng)機(jī)額定功率為5.5 kW。平均功率利用率為24.7%，其值較低。功率利用率低會(huì)讓電動(dòng)機(jī)無法在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間工作，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率低，造成電能的浪費(fèi)。

圖1 煤層氣排采井產(chǎn)水曲線

2 影響煤層氣排采井抽水機(jī)系統(tǒng)效率因素分析

煤層氣排采井抽水機(jī)系統(tǒng)效率主要由變頻器運(yùn)行效率（安裝變頻器的設(shè)備）、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率、減速箱效率、四連桿機(jī)構(gòu)效率、抽油桿柱效率、抽油泵效率幾部分構(gòu)成。下面對以上影響排采井抽水機(jī)系統(tǒng)效率各個(gè)因素進(jìn)行分析[6]。

2.1 變頻器效率

由于在排采后期階段，產(chǎn)水量出現(xiàn)大幅下降趨勢，沖速也需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，所以排采設(shè)備中大部分使用了變頻設(shè)備，由于變頻器的輸入端是整流電路，而整流電路是最典型的諧波源。所以變頻器會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流，總諧波電流畸變率THID 與變頻器的品牌、變頻器的功率、電網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗、變頻器的負(fù)載等因素有關(guān)。通過測試，得出在不同功率的變頻器的諧波電流發(fā)射情況，見表1。

表1 不同功率的變頻器的諧波電流發(fā)射情況

表1是不同功率的變頻器產(chǎn)生的總諧波電流畸變率THID。大量的小功率變頻器同時(shí)工作時(shí)，他們產(chǎn)生的諧波電流要比同樣功率的一臺大功率變頻器產(chǎn)生的諧波更嚴(yán)重。所以可以采用大功率變頻器“一拖多”的方式來減少諧波電流對電網(wǎng)的影響。

其次，變頻器的諧波電流發(fā)射還與變頻器的負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越輕，THID 越大。所以負(fù)載率較低也是導(dǎo)致諧波電流畸變率過高的原因。

另外，同一臺變頻器所產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射與電網(wǎng)的阻抗有關(guān)，電網(wǎng)的阻抗越低（電源越強(qiáng)，或者電源的短路電流越大），諧波電流畸變率THID越大，通過測試，得出變頻器在不同電網(wǎng)阻抗條件下的諧波電流發(fā)射情況見表2。

表2 變頻器在不同電網(wǎng)阻抗條件下的諧波電流發(fā)射情況

由表2可以看出，電網(wǎng)的阻抗用額定電流時(shí)的電壓降來表示，1%表示在額定電流下，電網(wǎng)上的電壓降為額定電壓的1%。當(dāng)電網(wǎng)的阻抗較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致更大的諧波電壓。而諧波電壓是導(dǎo)致其他設(shè)備工作異常的主要原因。

為了減少諧波的影響，可以在變頻器的電源輸入端和輸出端安裝電抗器來增大阻抗。輸入電抗器的電感量也用電抗率表示，1%表示電抗器上的電壓降為額定電壓的1%。電抗率越大，電抗器減小諧波電流的效果越明顯。通常，電抗率不能大于5%，否則會(huì)影響變頻器的正常工作。

2.2 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率

煤層氣排采井抽水機(jī)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的主要影響因素為電動(dòng)機(jī)型號和電動(dòng)機(jī)負(fù)載率。其中，不同的電動(dòng)機(jī)型號空載損失不同，可以根據(jù)工信部的《高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄》，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，有計(jì)劃、分批次對其所列電動(dòng)機(jī)進(jìn)行淘汰、更新。而電動(dòng)機(jī)負(fù)載率是由生產(chǎn)負(fù)荷決定的，需要根據(jù)負(fù)荷選用額定容量合適的電動(dòng)機(jī)，并盡量選用專用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率主要由電動(dòng)機(jī)皮帶松緊度決定，可以定期調(diào)整皮帶松緊度以保持皮帶松緊度適中，以此消除不利于排采井抽水機(jī)正常運(yùn)行的現(xiàn)象。

2.4 減速箱效率、四連桿機(jī)構(gòu)效率

提升減速箱效率可以通過及時(shí)對減速箱進(jìn)行潤滑來實(shí)現(xiàn)，以此降低排采井抽水機(jī)的機(jī)械損失與傳動(dòng)損失。四連桿機(jī)構(gòu)效率主要由排采井抽水機(jī)的型號決定的，從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，抽油機(jī)機(jī)型不宜發(fā)生改變。

2.5 抽油桿柱效率

及時(shí)調(diào)整排采井抽水機(jī)驢頭、懸繩器、盤根盒中心的三點(diǎn)一線對中率及盤根松緊度。盤根盒密封過緊及偏磨都會(huì)增加排采井抽水機(jī)的懸點(diǎn)載荷，管桿偏磨會(huì)造成抽油桿運(yùn)行阻力增加，從而造成耗電量增加。另外過度偏磨還會(huì)使抽油桿斷脫概率增加；其次，偏磨還會(huì)造成抽油桿下行滯后，桿柱彈性伸縮增加。實(shí)驗(yàn)表明，桿管偏磨會(huì)使功率損失增加4%～10%，使電動(dòng)機(jī)功率增加3%～5%。

2.6 抽油泵效率

抽油泵是一種井下裝置，主要由工作筒、固定閥、活塞、游動(dòng)閥等組成，是把井內(nèi)液體抽汲到地面的主要裝置，其工作效率與生產(chǎn)工況的匹配度直接決定了其充滿系數(shù)與泵效。在煤層氣開采后期，產(chǎn)水量迅速下降，會(huì)導(dǎo)致抽油泵效率的下降，從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。在測試的200口排采井抽水機(jī)中，平均抽油泵泵效為32.78%。因此，優(yōu)化抽油泵設(shè)計(jì)參數(shù)與方案、優(yōu)化沉沒度等是提高抽油泵效率的關(guān)鍵手段之一。

3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及效益

1）以“長沖程、小泵徑、低沖速”為原則，保持原來產(chǎn)量及井底流壓不變，對抽汲參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在沖程已達(dá)最大的情況下，根據(jù)排采井的生產(chǎn)階段，合理配置泵深、泵徑、沖速配套優(yōu)化。根據(jù)以上分析結(jié)果進(jìn)行30 口井的系統(tǒng)效率優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)采取變動(dòng)單一參量，其余參數(shù)不變的的原則進(jìn)行。其中：更換小泵泵徑19口井，在沖速提升0.25次/min、泵掛加深34.5 m 的情況下，抽油泵效率提高4.63%；可見該方法對抽油泵效率有一定程度提高；更換小功率電動(dòng)機(jī)15 臺，經(jīng)測試電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率提升5.23%，系統(tǒng)效率平均提升0.46%；調(diào)整井口對中情況18 臺，經(jīng)測試系統(tǒng)效率平均提升0.21%；對減速箱進(jìn)行潤滑10臺，經(jīng)測試系統(tǒng)效率平均提升0.12%；調(diào)整皮帶松緊度12臺，經(jīng)測試系統(tǒng)效率平均提升0.14%；同時(shí)進(jìn)行上述優(yōu)化5 臺，經(jīng)測試系統(tǒng)效率平均提2.78%。

依據(jù)上述研究成果，單獨(dú)改變其中一項(xiàng)參數(shù)，并不能使系統(tǒng)效率得到較大提高，只有所有參數(shù)同時(shí)優(yōu)化，才能大幅度提高系統(tǒng)效率。

2）通過對某煤層氣田的200口排采井抽水機(jī)進(jìn)行測試得出，平均系統(tǒng)效率為7.4%，平均輸入功率為0.462 kW。通過優(yōu)化，系統(tǒng)效率最優(yōu)可提高到10.2%，但綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)情況，系統(tǒng)效率按照8.5%計(jì)算，則單井年可節(jié)電643 kWh。通過本項(xiàng)目研究，形成了提高煤層氣排采井抽水機(jī)系統(tǒng)效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠指導(dǎo)排采井抽汲參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)新投井高效低耗舉升，在源頭上節(jié)能降耗；為提升煤層氣排采井系統(tǒng)效率，降低能耗，提供參考方向[7]。

4 結(jié)論

1）針對煤層氣排采井抽水機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，通過分析得出，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率、變頻器負(fù)載率、抽油桿偏磨程度和抽油泵充滿度是影響其系統(tǒng)效率的主要因素，其中電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的影響程度最為明顯。

2）根據(jù)理論分析情況，進(jìn)行大量的試驗(yàn)表明，單獨(dú)改變其中一項(xiàng)參數(shù)，并不能使系統(tǒng)效率得到較大提高，只有所有參數(shù)同時(shí)優(yōu)化，才能大幅度提高系統(tǒng)效率。由于煤層氣的排采需要遵循緩慢降壓、連續(xù)抽排、平穩(wěn)調(diào)峰的原則。所以沖速與產(chǎn)水量并不能有較大變化，故主要從、提升變頻器負(fù)載率、改善抽油桿偏磨、提升泵效方面來提升系統(tǒng)效率。