王業(yè)開（中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評(píng)價(jià)中心）

1 概述

煤層氣排采井的開采目的和油田抽油機(jī)開采目的有著明顯的不同，煤層氣井排采可以大致劃分為3個(gè)時(shí)期，分別是排采初期、穩(wěn)定產(chǎn)氣期和產(chǎn)量衰減期。由于排采的主要任務(wù)是通過合理的排采在煤儲(chǔ)層內(nèi)形成大面積降壓，連通與井筒的滲流通道，形成高效的導(dǎo)流能力和盡可能遠(yuǎn)的泄壓半徑，以提高煤層氣井產(chǎn)氣量，為實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)產(chǎn)創(chuàng)造條件，因此控制適宜的排采強(qiáng)度是煤層氣開采的關(guān)鍵[1]。而油田抽油機(jī)運(yùn)行過程在保持合理油井沉沒度的同時(shí)，盡可能多的保持較高的油井產(chǎn)液量是抽油機(jī)井運(yùn)行的關(guān)鍵。GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》評(píng)價(jià)抽油機(jī)井的主要技術(shù)參數(shù)包括抽油機(jī)井系統(tǒng)效率、電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)、抽油機(jī)運(yùn)行平衡度。對(duì)于排采井來說，從節(jié)能角度出發(fā)，主要技術(shù)指標(biāo)也應(yīng)包括系統(tǒng)效率、電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)、抽油機(jī)平衡度。但對(duì)于煤層氣排采井節(jié)能監(jiān)測指標(biāo)的評(píng)價(jià)不能完全按照GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定去判定和評(píng)價(jià)，只能做為參考。排采井節(jié)能電動(dòng)機(jī)、變頻電動(dòng)機(jī)等相關(guān)節(jié)能設(shè)備及節(jié)能技術(shù)應(yīng)用較多，功率因數(shù)指標(biāo)相對(duì)較高，對(duì)排采井評(píng)價(jià)指標(biāo)需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整完善。

2 排采井節(jié)能監(jiān)測

為充分掌握排采井能耗情況，為下一步降低排采井綜合能耗，提升系統(tǒng)效率，對(duì)某煤層氣公司434臺(tái)排采井進(jìn)行了系統(tǒng)效率進(jìn)行測試。主要技術(shù)指標(biāo)：排采井平均系統(tǒng)效率為21.01%；排采井電動(dòng)機(jī)平均功率因數(shù)為0.78；排采井百米噸液平均單耗為1.30 kWh/100 m·t；排采井產(chǎn)氣單耗0.035 0 kWh/m3，各單位排采井節(jié)能監(jiān)測評(píng)價(jià)結(jié)果及主要技術(shù)指標(biāo)情況見表1。

表1 某煤層氣公司排采井運(yùn)行主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The key technical indexes of CBM drainage well operation

3 排采井監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)效率方向?qū)ο嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行分析。

1）電動(dòng)機(jī)負(fù)載率分析。排采井生產(chǎn)屬于變動(dòng)負(fù)載，由于受啟動(dòng)力矩的影響，電動(dòng)機(jī)功率配置較大，很容易出現(xiàn)載荷過低的現(xiàn)象，當(dāng)設(shè)備長期處于低效區(qū)運(yùn)行，影響整體運(yùn)行效率[2]。電動(dòng)機(jī)功率利用率與系統(tǒng)效率關(guān)紗統(tǒng)計(jì)見表2。

根據(jù)SY/T 6374—2016《機(jī)械采油系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)范》中5.2.1中的要求，排采井電動(dòng)機(jī)功率利用率大于或等于20%。由表2可知，隨著功率利用率的提高，地面效率呈現(xiàn)增高趨勢。由此可見，煤層氣公司排采井電動(dòng)機(jī)存在嚴(yán)重的載荷過低現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)功率利用率低直接導(dǎo)致地面效率降低。

表2 電動(dòng)機(jī)功率利用率與系統(tǒng)效率關(guān)系統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics on motor power utilization rate and system efficiency

電動(dòng)機(jī)效率與電動(dòng)機(jī)的功率利用率大小有著直接關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率利用率為20%時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率與滿載時(shí)相比下降14個(gè)百分點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率利用率為10%時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率為55%，當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率利用率為6%時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率為30.15%。因此，排采井平均系統(tǒng)效率偏低地面的最大因素是電動(dòng)機(jī)功率利用率偏低造成的。如圖1所示，隨著功率利用率的增加，排采井系統(tǒng)效率及地面效率呈上升趨勢。

圖1 排采井電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與地面效率和系統(tǒng)效率關(guān)系Fig.1 Relationship between the motor load rate of drainage well and surface efficiency and system efficiency

2）深井泵效率分析。泵效是指泵的實(shí)際產(chǎn)液量與抽油泵的理論排量之比。泵效主要與地層氣液流量（地層供液能力充足，泵效高）、井下含氣情況（含氣量大，泵效會(huì)降低）、沉沒度、抽汲參數(shù)有關(guān)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以10%為區(qū)間，對(duì)泵效與系統(tǒng)效率關(guān)系進(jìn)行分析。

表3 泵效與系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics on pump efficiency and system efficiency

如圖2所示，排采井井下效率、系統(tǒng)效率隨泵效的增大呈增加趨勢，所以排采井可以通過提升抽汲能力，提高泵效，以此提升排采井的井下效率，進(jìn)而提高排采井的系統(tǒng)效率，如沉沒度小的排采井可以通過間抽來提高抽汲能力，使泵效處于高效區(qū)，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率[3]。深井泵效率的高低與泵筒水的充滿度、泵筒是否漏失又有直接的關(guān)系。由于排采工藝的特點(diǎn)，氣井的產(chǎn)水量變化比較大，早期會(huì)產(chǎn)出大量的水，往后產(chǎn)水量相對(duì)減少，甚至很小，因此要針對(duì)排采井的不同生產(chǎn)階段，做好排采系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件及產(chǎn)水量，優(yōu)化選擇深井泵泵徑，調(diào)整合理的抽汲參數(shù)（主要是排采井的沖次）及工作時(shí)間，使泵效在盡量高的范圍內(nèi)運(yùn)行[4]。

圖2 排采井泵效與井下效率、系統(tǒng)效率關(guān)系圖Fig.2 Relation schema on pumping station and downhole efficiency and system efficiency

3）地面效率、井下效率分析。通過收集匯總排采井功圖等參數(shù)，對(duì)排采井地面效率和井下效率進(jìn)行測算分析，煤層氣公司排采井地面效率平均為46.39%，井下效率平均為46.19%。排采井生產(chǎn)過程就是一個(gè)能量不斷傳遞和轉(zhuǎn)化的過程，能量的每一次傳遞和轉(zhuǎn)化都會(huì)有一定的損失，根據(jù)排采井的組成，可把系統(tǒng)的能量損失分為八部分，其能量損失見圖3。

圖3 排采井系統(tǒng)能量傳遞與損失流程Fig.3 Energy transfer and loss process in drainage well system

表4為理想狀態(tài)下排采井生產(chǎn)過程中各部分效率及能量損失情況，結(jié)合煤層氣公司排采井各部分能量實(shí)際損失情況（30 kW電動(dòng)機(jī)）對(duì)排采井地面效率和井下效率進(jìn)行分析。

表4 理想狀況下排采井系統(tǒng)的能量損失和傳動(dòng)效率統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics on energy loss and transmission efficiency of drainage well system under ideal conditions

1）地面效率。影響排采井地面效率的主要因素有電動(dòng)機(jī)、變頻器、傳動(dòng)系統(tǒng)、四連桿等設(shè)備的效率及其他輔助生產(chǎn)設(shè)備，正常生產(chǎn)工況下，皮帶、減速箱及四連桿等部分效率都維持在較高水平且變化較小，因此，影響地面系統(tǒng)效率最大的因素是電動(dòng)機(jī)的效率，各部分效率見表5。電動(dòng)機(jī)損失是地面能量損失的最主要組成部分，占地面各項(xiàng)能量損失的82.29%。

表5 煤層氣公司排采井地面效率分析Tab.5 Surface efficiency analysis of CBM drainage well

電動(dòng)機(jī)損耗主要由固定損耗和負(fù)載損耗構(gòu)成，固定損耗是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的固有損耗，與電動(dòng)機(jī)材料、工藝、結(jié)構(gòu)等有關(guān)，負(fù)載損耗取決于電動(dòng)機(jī)負(fù)載大小，因此，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率高低決定電動(dòng)機(jī)效率，進(jìn)而影響地面效率及系統(tǒng)效率。因此需要根據(jù)排采井工作狀況，對(duì)負(fù)載率低的排采井采取更換小功率電動(dòng)機(jī)或安裝適應(yīng)排采井工作狀態(tài)，在低負(fù)荷情況下還具有較高效率的節(jié)能電動(dòng)機(jī)，提升電動(dòng)機(jī)效率；同時(shí)要合理匹配井用變壓器，排采井、電動(dòng)機(jī)、變壓器盡量合理匹配，避免載荷過低的現(xiàn)象發(fā)生，造成不必要的能源浪費(fèi)[5]。

排采井傳動(dòng)部分損失主要有兩類，一類是與載荷無關(guān)的損失，主要是繞皮帶輪的彎曲損失，進(jìn)入與退出輪槽的摩擦及風(fēng)阻損失，多條皮帶傳動(dòng)時(shí)，由于皮帶長度誤差及輪槽誤差造成的功率損失。另一類是與載荷有關(guān)的損失，包括彈性滑動(dòng)損失，打滑損失，皮帶與輪槽間徑向滑動(dòng)摩擦損失等。工程常用的皮帶傳動(dòng)效率都比較高，最高可達(dá)98%，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，傳動(dòng)部分效率的調(diào)高潛力很小。對(duì)排采井來說，需要做好的是皮帶的管理工作，研究合理的皮帶量化測試方法，確定符合生產(chǎn)工況的皮帶松緊度，對(duì)磨損的皮帶做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)更換。

表6為標(biāo)準(zhǔn)井固定工況下皮帶松緊度對(duì)排采井系統(tǒng)效率影響。

表6 排采井皮帶松緊度對(duì)排采井系統(tǒng)效率影響Tab.6 The influence of belt tigntness on system efficiency

減速箱的損失主要是軸承損失和齒輪損失，一般傳動(dòng)效率為95%以上。從工程角度上看，這基本是目前減速箱傳動(dòng)效率的最高值。因此，各分公司只需按照要求及時(shí)更換潤滑油，做好減速箱的管理和維護(hù)工作。

2）井下效率。影響井下效率高低主要有泵效、摩擦力、油桿彈性、地層滲透率等因素。由表7可知各部分能量損失占比情況，抽油泵損失是井下能量損失的最主要組成部分，占各項(xiàng)能量損失的77.01%，煤層氣公司排采井井下效率分析見表7。

表7 煤層氣公司排采井井下效率分析Tab.7 Downhole efficiency analysis of CBM drainage well

抽油桿該部分損失占井下各項(xiàng)能量損失的10.62%，主要是排采井在上下沖程工作過程中與油管和井液間的摩擦損耗，抽油桿與液柱間的摩擦損耗與下泵深度；與油管間的摩擦跟井筒斜度和彎曲程度有關(guān)，井筒的斜度或彎曲程度越大，摩擦耗功越大。該部分能效在日常工作中提高的潛力不大，可操作性較低。

排采井深井泵的功率損失包括機(jī)械功率損失、容積功率損失和水力功率損失。機(jī)械功率損失是柱塞與泵筒（襯套）之間的機(jī)械摩擦損失，一般情況下較小；容積功率損失是柱塞與泵筒（襯套）之間漏失及泵閥關(guān)閉不嚴(yán)造成的漏失產(chǎn)生的功率損失；水力功率損失是水流經(jīng)泵閥時(shí)由于水力阻力引起的功率損失[6]。深井泵損失的主要形式是容積損失和水力損失，其次是抽油桿彈性伸縮引起的沖程損失。

通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析不同泵效區(qū)間與相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系，由表8可知，監(jiān)測排采井深井泵效率小于10%占監(jiān)測總量的31.36%；有59.93%的排采井泵效小于30%，其平均產(chǎn)液量為0.94 m3/d，遠(yuǎn)低于4.49 m3/d的公司平均產(chǎn)液量，沉沒度遠(yuǎn)低于泵效超過30%的排采井。

表8 煤層氣公司泵效及相關(guān)指標(biāo)分布Tab.8 Pump efficiency and related index distribution of CBM

監(jiān)測的排采井沖程利用率為81.67%；排采井中泵效小于50%的井平均產(chǎn)液量為1.55 m3/d，平均沖次為2.25次/min，泵效高于50%井的平均產(chǎn)液量為11.99 m3/d，平均沖次為2.74次/min，二者沖次相差0.51次/min。由此可知，在沖程沖次調(diào)整方面空間不大，可結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)該部分井抽水泵進(jìn)行更換。

在日常工作中，減小抽水泵損失需要做好以下工作：經(jīng)常關(guān)注排采井地下參數(shù)的變化情況，對(duì)出現(xiàn)泵漏失等情況要及時(shí)進(jìn)行解決，做好檢泵工作[7]；對(duì)供液量不足的排采井要及時(shí)進(jìn)行調(diào)參，調(diào)節(jié)沖程沖次，或者考慮進(jìn)行間抽，合理調(diào)節(jié)沉沒度，提高泵效；但同時(shí)需注意泵效并不是越高，排采井系統(tǒng)效率也越高，一般情況下泵效低于40%的排采井采取措施后，系統(tǒng)效率提升較明顯[8]。

由表9可知，泵效小于40%排采井的產(chǎn)液量遠(yuǎn)低于泵效高于40%的排采井，但運(yùn)行頻率、沖次卻高于泵效高排采井或相當(dāng)，因此，需要對(duì)該部分井沖次及頻率進(jìn)行調(diào)整，提高泵效。

表9 煤層氣公司泵效及沖次、運(yùn)行頻率分布Tab.9 Pump efficiency，flushing times and operating frequency of CBM

降低排采井的沖程損失也是提高泵效的重要方面，沖程損失與泵活塞及油管截面積、抽油桿長度及截面積、動(dòng)液面深度、液體密度等有關(guān)，這需要對(duì)抽油桿及抽油泵等的選用進(jìn)行優(yōu)化組合。抽油管柱損失。主要包括容積損失和水力損失。管柱水力損失與管柱內(nèi)表面的粗糙度及井液向上流動(dòng)速度的平方成正比。因此對(duì)于井液腐蝕性較強(qiáng)或者易結(jié)垢的油井需對(duì)油管采取防腐或防結(jié)垢措施；選擇抽汲參數(shù)時(shí)盡量長沖程、低沖次，降低液體上升速度，減少水力損失，提高泵效；減少容積損失主要是在油管螺紋處加裝密封件，做好油管密封。

4 排采井節(jié)能監(jiān)測建議及措施

排采井是煤層氣公司主要的耗能設(shè)備，能耗節(jié)點(diǎn)較多，而系統(tǒng)效率是反映其運(yùn)行情況的主要指標(biāo)，為了提高運(yùn)行效率可以從以下幾個(gè)方面入手：

1）加強(qiáng)排采井的運(yùn)行管理。提高排采井驢頭、懸繩器、盤根盒中心的三點(diǎn)一線對(duì)中率[9]；提高排采井運(yùn)轉(zhuǎn)平衡率；提高排采井傳動(dòng)部位潤滑率；定期檢查排采井各運(yùn)行部件是否正常工作；保持皮帶松緊度適中（15～20 N），盤根盒力矩（40～80 N·m）處于正常范圍內(nèi)；保證減速箱潤滑油液位處于正常水平；加強(qiáng)平衡度的日常管理。由于排采井受產(chǎn)液量的影響，平衡度波動(dòng)較大，導(dǎo)致部分排采井長期處于不平衡狀態(tài)下運(yùn)行，不僅增加了地面系統(tǒng)的能量損失，也降低了整體系統(tǒng)效率，并加速了設(shè)備的老化。

2）加強(qiáng)設(shè)備管理。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，有計(jì)劃、分批次采用節(jié)能型電動(dòng)機(jī)；據(jù)排采井的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷，合理匹配排采井的電動(dòng)機(jī)容量，降低電動(dòng)機(jī)的自身損耗，提高電動(dòng)機(jī)負(fù)載率；對(duì)無功補(bǔ)償裝置損壞的應(yīng)及時(shí)維修或更換；對(duì)裝有變頻設(shè)備的排采井，由于變頻器損壞或使用工頻運(yùn)行的，應(yīng)對(duì)變頻器進(jìn)行維修或結(jié)合實(shí)際投入變頻運(yùn)行；節(jié)能控制柜未在節(jié)能狀態(tài)運(yùn)行的，查明原因，排除故障，使節(jié)能設(shè)施正常投入使用。

3）優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)。產(chǎn)液量較低的排采井，加強(qiáng)排采井監(jiān)管力度，可以降低排采井沖次，進(jìn)而提高泵效及系統(tǒng)效率[10]；優(yōu)化排采井抽汲參數(shù)。一方面優(yōu)化舉升方式，對(duì)于供液不足井，可考慮智能間抽等方式。根據(jù)井況的變化，及時(shí)優(yōu)選和調(diào)整抽汲參數(shù)，使其系統(tǒng)在最優(yōu)參數(shù)下運(yùn)行。

4）結(jié)合排采井監(jiān)測數(shù)據(jù)及生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)排采井存在的問題從淘汰設(shè)備更新改造、排采井間抽應(yīng)用、參數(shù)優(yōu)化及平衡調(diào)節(jié)等等方面入手，提出節(jié)能改造建議，為降低生產(chǎn)能耗提供參考方向。對(duì)27臺(tái)高耗能排采井電動(dòng)機(jī)進(jìn)行更新替換，按節(jié)電率10%計(jì)算，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量2.78×104kWh；對(duì)236臺(tái)產(chǎn)液量小于0.3 m3/h的供液不足及空抽排采井進(jìn)行間抽改造，按節(jié)電率45%計(jì)算，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量85.97×104kWh；對(duì)系統(tǒng)效率小于10%的151臺(tái)排采井沖程、沖次、泵徑等進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，按節(jié)電率15%計(jì)算，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量24.75×104kWh；排采井調(diào)平衡，對(duì)106臺(tái)平衡度不合格排采井進(jìn)行調(diào)平衡，按節(jié)電率6%計(jì)算，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量12.27×104kWh。以上措施可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電125.77×104kWh，折標(biāo)煤154.58 tce，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排1 112.22 t。

5 結(jié)論

1）可通過調(diào)整盤根松緊及光桿對(duì)中、調(diào)整皮帶松緊度、及時(shí)對(duì)減速箱潤滑、降低排采井機(jī)械及傳動(dòng)損失、及時(shí)調(diào)平衡等措施提高排采井地面系統(tǒng)效率。

2）通過優(yōu)化抽汲參數(shù)提升泵效，提升井下效率：在保證產(chǎn)氣量的前提下，應(yīng)盡可能選擇泵徑小的抽水泵；對(duì)于供液嚴(yán)重不足的井，應(yīng)通過調(diào)小生產(chǎn)參數(shù)（沖速、沖程、泵徑）提高泵效；對(duì)于非正常漏失嚴(yán)重的井，需要及時(shí)檢泵提高泵效。

3）對(duì)排采井采取優(yōu)化調(diào)整措施后，可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電125.77×104kWh，折標(biāo)煤154.58 tce，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排1 112.22 t；同時(shí)，結(jié)合監(jiān)測工作實(shí)際，功率因數(shù)指標(biāo)不適用于排采井監(jiān)測評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)將深井泵效率納入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，同時(shí)制定相應(yīng)的排采井節(jié)能監(jiān)測規(guī)范。