“煤层气井排采装备与工艺”实验教学平台研究_品牌_

...教材化学工程与工艺专业实验

张芬娜　赵海晖　綦耀光　余焱群　杜宏伟

摘要应非常规油气排采技术实验教学的需要，针对学生难以理解和区分煤层气排采与常规油气排采设备与工艺的差异性问题，研制了煤层气井排水采气实验教学平台。采用该平台进行综合实验教学，利于学生掌握抽水机与排采泵的工作原理和结构组成、排采冲次的调节方法和实现方式、固-液-气多相流对排采效能的影响，进而强化对煤层气井杆管环空排水-管套环空出气的工作原理和生产工艺的认知，从系统的角度加深对非常规油气排采设备的理解，提高了实验教学效果和学生的工程应用能力。

关键词排水采气实验平台非常规油气煤层气排采实验教学工程应用能力

中图分类号：G424 文献标识码：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

非常规油气排采设备与工艺，是面向煤层气等非常规油气的装备研发及工艺设计而开设的课程，包含理论教学与实验教学两部分。对于前期理论基础较为薄弱的非常规油气开采而言，试验的作用尤为重要。本课程实验教学可用于原理模拟、装备调试以及技术革新，在当前国家大力发展非常规油气政策的支持下，[1-5]具有重要的理论及实践意义。

但是，目前多数学生对煤层气排采系统[6-7]的认识较浅显，难以区分和理解其与常规油气排采的不同，亦缺乏实际动手操作训练。[8-11]因此，有必要研发一套煤層气井排水采气实验教学平台，使学生掌握排水采气系统的具体构成、工作方式以及调节方法，深刻理解煤粉和气体对煤层气排采的影响，为国家专业人才的培养提供研究和学习的条件。

1 煤层气排采教学平台研制要求与工作原理

基于类比实验研究方法，等比例缩小800m深煤层气井，研制用于实验教学的煤层气井排采系统模拟样机。样机由地面驱动系统、井口装置、贮水系统、检测系统、杆柱系统和排采泵等组成，如图1所示。

实验基本要求：（1）杆柱和管柱的高度为30m；（2）保证在较大传动比范围内抽水机冲次从1.3～7min-1连续可调。

样机工作原理：（1）无线动态应力检测仪、拉压力传感器、压力变送器、激光测距仪、数据采集器、液位变送器、电磁流量计等检测装置用以数据实时采集、分析与计算；（2）排采杆柱、管柱和套管柱自里而外逐次排列，经杆管环空排水，由管套环空产气；（3）抽水机驱动井液由杆管环空输送至井口，然后经由出水管输送至贮水罐中贮存，以备随时补充井液；（4）补液时液体经由进水管输送至井口，再进入管套环空，最后经由尾管与泵柱塞进入杆管环空，由此实现模拟实验中井下动液面的相对稳定及井液的循环利用。endprint

2 实验教学平台研制

实验教学平台分为地面系统和井下系统，其中地面系统包含抽水机、井口装置及贮水装置，井下系统由抽油杆、油管、套管及排采泵组成。

2.1 教学平台地面系统

（1）抽水机抽水机采用复合平衡方式，以保持较好的平衡状态。减速机将电机、调速器和减速器集成，输出力矩可满足中小型抽水机的要求，无级变速传动并结合以调节调速器可以以实现较大传动比范围内的冲次连续调整。

（2）井口装置自上而下布置有密封盒、三通、排采管头、四通、套管头和井口支撑。三通端口连接出水管，四通分别连接进水管及进（出）气管（附压力计用以井口压力测量）；密封盒实现井口与光杆的密封。

（3）贮水装置用以贮存井液并实时向井内补充井液，由贮水罐、进水管、出水管、水阀及底座构成。其中，出水管一端与贮水罐连接，另一端与井口三通连接，而进水管则是连接贮水罐与井口四通。出水管和进水管上水阀用于控制液体流速从而模拟井内排液量变化，改变进水管和出水管中井液流速可调整管套环空内动液面高度。

2.2 教学平台井下系统

排采杆柱与排采管柱构成杆管环空，作为液体输送通道，管壁分布有不同直径的筛孔作为不同大小固体颗粒的通道。套管柱与排采管柱构成管套环形空间，套管采用透明PVC材质以便于观察，底部与进气管连接。当煤粉或煤矸石等造成井底堵塞时，可经由井底三通端口清理淤积的固体颗粒。正常状态下，管套环形空间的物性分布自上而下依次为气柱段、气水两相液柱段及水柱段，杆管环形空间产出水，而管套环形空间产出煤层气。

排采泵包括泵筒总成、柱塞总成及固定阀总成。柱塞总成由柱塞与游动阀总成构成，正常状态下，游动阀向上单向打开，柱塞下的井液排入杆管环空。固定阀总成位于泵筒下端，正常工作状态下，该固定阀亦向上单向打开，以实现液体由管套环空流经尾管进入泵筒。

2.3 教学平台采集处理系统

图2 模拟实验装置的数据采集系统

数据采集系统如图2所示，用以实现实验数据的实时采集、分析与处理。将无线动态应力仪的应变片贴于抽水机主要受力杆件及排采杆柱上端以测试杆件受力；采用无线动态应力与加速度测试仪测量抽水机负荷与位移、杆件应力与应变及曲柄轴扭矩等进行有杆泵设备的设计与计算；采用激光测距仪和转速表测量悬点与柱塞的位移和速度，结合动力学分析检验其动力学性能；在井口四通端口和井底三通端口处配置压力变送器以测试井口及井底压力，分析压力与产能的动态关系；在贮水装置的进水管和出水管配置电磁流量计以测取管中液体流速和排液量；在管套环空中动液面以下的井底处配置液位变送器以测量液位并监控动液面及沉没度；数据采集器和单输入通道仪表通过串口与检测设备及计算机相连，检测数据由数据采集器和单输入通道仪表输入计算机，对数据进行分析、反馈及处理。

3 教学实验与教学效果分析

3.1 教学实验设计

基于本教学实验平台研制目标与设计功能，可为如下实验提供模拟实验条件。

（1）实现管套环空从上至下的气柱、气水两相液柱及水柱的物性分布模拟，进行不同的压力、气液比及排液速度下两相流对排采泵充满度影响规律实验研究；

（2）装置中的排采杆柱、排采管柱和套管柱形成两环形空间，可进行杆管环空排水及管套环空出气模拟；

（3）利用液位变送器实时测量管套环空内动液面，可实现沉没度在0～20.0m范围内任意调整的现场模拟，进行低沉没度下泵阀开启条件的实验研究；

（4）结合电磁流量计，减速机无级变速传动系统可实现较大传动比和冲次连续可调，可在冲次1.3～7min-1区间实时测量排液量，进行砂、煤粉及煤焦的运动规律与排出条件的实验分析；

（5）利用激光测距仪及无线动态应力测试仪实时测量并分析悬点载荷及杆件应力、应变随位移变化规律；

（6）利用压力变送器实时测量井口压力和井底压力，进行产能随井底流压变化的气井动态研究。

3.2 教学效果分析

实验教学平台于2015年10月投入使用，截至目前，共进行非常规油气排采技术教学试验115次，进行携沙教学实验70次。实验测试和实验教学表明：可模拟非常规油气排采多种实验，满足实验教学的要求，可完成石油开采相关专业的实验教学任务。

（1）实验装置的启用有效地缩短了教学课时，节约了教学投入费用。以上述教学实验（1）～（4）为例，与未采用本实验教学系统时相比，平均减少教学学时17%，与现场教学实习相比平均节约试验投入51%，在降低教学成本的情况下使学生能够更深入地理解和掌握排采工艺及开发技术。

（2）基于数据采集及处理系统的人机交互机理，学生可自行在合理范围内改变三抽设备的参数控制实验台三抽设备的运行情况，从而真实的体验现场调参对排采设备的运行状态的影响机理及效果。在实验教学中，将不同工况下采集的数据用于生成实验报告。砂、煤粉及煤焦的运动规律与排出条件的实验既能如图3直观显示，又可以通过数据显示（如图4）和图形显示（如图5）。

工况1；工况2；工况3；工况4

图3 砂煤粉运移规律直观显示

图4 砂煤粉运移规律数据显示

图5 砂煤粉运移规律图形显示

（3）数据采集及处理系统采用迭代逼近算法，赋予该教学实验平台以较强大的数据分析效能，强化了学生对实验条件与结果的对应关系的理解。在此，以典型试验（4）为例，对实验教学中学生的主体作用与实验精准性的关系加以描述：

学生自主设定实验条件，如：冲次3.5 min-1，沉没20m，由此分析砂、煤粉及煤焦在两相流下运移规律。学生自行分析实验条件对实验结果的影響，当实验结果满足误差低于5%要求后，完成实验报告并就参数设置对实验结果的影响程度进行评估，由此激发学生自主设计实验能力及工程实践能力。endprint

4 结束语

（1）煤层气井排水采气模拟实验装置设计目标面向非常规油气开采实验，对于常规油气开发模拟具有通用性，可完成目前已有生产现场开发条件的模拟。实验平台实现了排采过程的可视化且采用实时交互的实验操作方式，在本学科实验教学方面具有创新性。

（2）可为杆管环空排水-管套环空出气的设定实验目标提供具有设定取值范围的沉没度和排液量且实时调整的实验系统，可实现排液量、动液面、井压、井液成份和杆件受力实时监测以及冲次在较大范围内连续可调的实验要求，进而完成井筒中煤粉颗粒沉降规律、排采泵的泵阀开启条件和杆管环空颗粒排出条件等实验。

（3）實验装置可用于石油高校机械工程和石油工程学科及现场技术人员培训的实验教学，使学生掌握非常规油气排采装置工作原理和结构组成、排采冲次的调节方法和实现方式以及固-液-气多相流对排采的影响，掌握煤层气杆管环空排水-管套环空出气的工作原理和生产工艺，实现了实验教学与工程应用的有机结合，对培养学生综合素质起到了积极的作用。

*通讯作者：张芬娜

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（16CX02004A）；国家油气重大科技专项资助（2016ZX05066004-002）

参考文献

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