２０１０年第２４期 内蒙古石油化工 ４７ 煤层气有杆泵排采设备的一种选型方法 卞和满 ，綦耀光。，林庆合 ，周逢春 ，晏海武 ，刘新福。，周峻峰。 （１．河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘０６２５５２； ２．中国石油大学（华东），山东东营２５７０６２；３．中石油煤层气有限责任公司，北京１０００９８） 摘 要：目前，煤层气井的生产系统排采设备的选型和参数配套尚缺乏系统的研究和规范算法，存 在选型不合理，经济效益低等问题。本文根据我国煤层气井的实际情况，建立了煤层气排采三抽设备选 型的基本算法，提出了一种适合煤层气开采机杆泵选型的图表，用该图表，可方便地指导煤层气有杆排 采设备的选型。经山西晋城等煤层气公司选型试验，该方法是一种科学、简便的选型方法。 关键词：煤层气开采；有杆泵设备；型号选择；图表 中图分类号：ＴＥ３７５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－－７９８１（２Ｏ１Ｏ）２４一ｏｏ４７一Ｏ３ 煤层气作为一种清洁能源，其开采在我国近几 Ｌｒ。 ＝——＝：：：：：＝＝＝：：：：＝＝ Ｌ＿：：：：＝：：：：：一（１） 年得到快速发展，中石油已成立专业公司从事其开 发。目前采用的开采方法，主要以三抽有杆泵排采为 √ｏＩ５ ．［ｑ ｎ—Ａ）ｐｗｇ－ｑｔ，ｇ＋ ｎ２Ｓ］ 主。但在设备选型的过程中，由于开采特点和规律不 泵每天的排液量为： 同于石油开采，致使设备类型和具体型号的选择方 Ｑ一２４×６０×ＡＨＳｙ＇ｑ×ｎ一１４４０ｎＡＨＳｙ＇ｑ （２） 面，尚处于摸索阶段，存在设备投资大、不配套、参数 柱塞的有效冲程长度为： 选用不合理等诸多问题，使得开采效益和设备的适 ｓｖ＝ｓ一 ［去＋ １］Ｌ。＋ 应性、可靠性下降。因此开展煤层气有杆泵排采设备 ｎ２（ＣＫ＋Ｋ＋Ｉ）ｐｎ２ＳＬ （３） 选型的基础研究，研究适合我国煤层气自身开采实 ３６００Ｅ 、 际的三抽有杆泵排采设备选型方法，对提升煤层气 式中：Ｌｍａｘ一最大下泵深度，ｍ 的开采效益，指导煤层气排采设备进行科学选型，保 Ｑ一泵每天的排液量，ｍ。； 障煤层气井连续稳定经济排采，提升煤层气的开发 Ｓ一理论冲程长度，ｍ； 效益，实现我国煤层气的商业化开采十分必要。 ＳＹ一柱塞的有效冲程长度，ＩＴＩ １排采设备型号选择的理论依据 ［ａ］一杆柱许用应力，ＭＰａ； １．１ 有杆泵排采设备选择的理论依据 Ａ一杆柱截面积，ｒｎ。； 有杆泵设备主要包括确定抽水机、抽油杆、泵。 ＡＢ一油管管壁的横截面积，ｍ。； 而标志有杆泵排采设备使用范围的两个主要参数是 ＡＨ一柱塞的截面积，ｒｎ。； 下泵深度和泵排量。 ． ｐＷ一油管中流体密度，ｋｇ／ｍ。 由于煤层气排采过程中，其排水量一般较小，煤 ｐ一井液密度，ｋｇ／ｍ。； 层较浅，因此，泵径和沉没度较小，分析可知，其最大 ｑＺ一杆柱在液体中的重量，Ｎ／ｍ 下泵深度只受悬点最大允许载荷的限制，而不必考 一泵效，； 虑曲柄轴最大允许扭矩和杆柱最上端许用应力的限 ｎ一冲程次数，ｒａｉｎ～； 制，此时最大下泵深度的计算公式为： Ｅ一柱塞的弹性模量，Ｎ／ｍ。； 收稿日期：２Ｏ１Ｏ一０９—１８ 。 基金项目：国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发项目（２ＯＯ９ＺＸ０５０３８－－００４煤层气井排采工艺、设备优化及修井 技术）和山东省科技发展计划项目（２００９ＧＧ１０００７００８煤层气开采专用有杆排采设备的研究）联合资助。 作者简介：卞和满（１９７２一），工程师，２００１年毕业于河北理工大学，现从事采油机械设计工作。 ４８ 内蒙古石油化工 Ｃ一液柱惯性力对杆柱惯性力的比值； Ｋ一悬点实际最大加速度对理想最大加 速度的比值； ２０１０年第２４期 由此，建立抽水机和有杆泵的型号选择的图表， 它是依据各型号有杆泵排采设备的临界特征图，综 合选用设备和参数组合而形成的。图１～图３所示为 ｇ一重力加速度，ｍ／ｓ。 我国煤层气井用机、泵排采设备的选择图解。 １．２抽油杆选择的理论依据 １．２．１单级抽油杆柱设计 杆柱计算依据疲劳强度理论，即： —、 Ｉ 、、～＠ 口 ＠ ＾、／ 。 ． — 一一Ｌ～ ——～ ｊ 囹 口 ，、一［ ］＿Ｊ （４ ） ＠ 口 Ｉ ～———一 式中：ＰＭ 一杆柱承受最大载荷，Ｎ； ＠ Ｐ 一杆柱承受最小载荷，Ｎ。 回 一蔓 一 ～ 将杆柱所承受的不对称循环应力转化为实际计 ～～ Ｅ三 ：嘘 ：— 算中的对称循环应力后，进行杆柱设计，确定所需的 ０ ２５０ ５００ ７５０ ｌ０００ Ｉ２５０ ｌ ５００ 杆柱直径。 下泵深度上／Ｉ１ １１．２．２多级组合抽油杆柱设计 图１有杆泵排采设备（短冲程）机型和泵型的选择图表 由于我国煤层气井较浅，通常小于１５００ ｒｎ，为 此多级杆柱通常不超过两级。 Ｉ 庠号 雷形 有杆泵律鬻设餐机型 ａＦｔ・ｏｍｘ１＝ｄＦ２・ｄ ｚ ７５ ＼ ｏｌ 口 ｃＹｎｎ６０￥ 依据等强度原则，确定各级杆柱长度，进行杆柱 钐 １ 镄 一 ｍ 囫 ｅ Ｄ．１ Ｓ ５ ｌ ＠ ＠ ０６ 口 Ｃ删．２ ５．１３ 设计。 竖 ｌｏ 圜 ＣＹ 一２ ５－ｌ８ ＿ ＿ —— ∞ ２用图表法进行有杆泵排采设备选择 ＜ ＠ ｌ２ 口 Ｃ¨ ．２ ５ ０ 衄 ｝一 —— — — ｌ４ （Ｙ耍． ５．２６ ２．１建立图表法选择设备的前提条件为 鬯 ｌｌ『／／ ／， ７／／ ，／／一 国 、≮ 激 ①所抽取井液的密度为１０００ ｋｇ／ｍ。； 踌 Ｚ ＿丑 、 ２５ ／／ ／ ②对于煤层气井泵效采用修理期间的平均泵 ／『／ ／， ｒ～ 曼 效，＇１－－－７０ ； ＿三王 乏一 ③假设沉没度为零； ＠ ０ ２５０ ５００ ７５０ ｌ０００ ｌ２５０ １ ５ｏ０ ④井口套压和动液面处压力为零； 下泵深度Ｌ，ｌｕ ⑤计算中，悬点选用最大冲程和最大冲次。 图２有杆泵排采设备（中冲程）机型和泵型的选择图表 ２．２建立图表进行机泵设备选择 满足前提假设的情况下，最大下泵深度与泵排 量的关系： 序号ｌ固形 有秆泵肄采设名机型 ａＱ・Ｌｚ眦 ＋（ｂＱ。＋ｅＱ＋ｃ）・Ｌ 一ｄ一０ （５） Ｏ１｛Ｉ＇－ ｃＹｎ 也８ 。 ｌｃＹ ｌ・１３ ａ＝丽 ［１＋会］． （６） ｛口 ¨０Ｄ・１８ ＩＩ；圆 ｃＹ ０Ｄｔ６ ｂ —３—— ——７——８—１——８— —Ｘ —尝・—１——０ ●●—・ Ｉ—— ——：一（●７，）● １２｝ｒ－ ＣＹＭ・２ －１６ ． 。 Ａ矗１ Ｓ ｌ ｃＹ｝苷３ｎ・剪 ｃ一１．Ｏ１５（ＡＨ—Ａ）ｐ ｇ （８） ｄ一［Ｐ ］一Ｐ （９） ｅ一 （Ｋ ＋１ ） ＩｎＫ １一（Ｋ 一） ・Ａ Ｈ Ｔ） ㈣ 泵每天的排液量的表达式为： ４４ ¨ ＡＨＰｗｇ ｒ １．４＿ １ ｔｒ。＋ Ｌ２］ （１１） 式中：Ｋ 一油管内径与抽油杆直径的比值 图３有杆泵排采设备（长冲程）机型和泵型的选择图表 ２０１０年第２４期 卞和满等煤层气有杆泵排采设备的一种选型方法 表２有杆泵排采设备所用抽油杆柱和油管规格选择表（中冲程） Ｃ ＹＪ Ｊ ｌ ３ ＣＹＩ ５ ２：ｉ ３ ＣＹＪ ＣＹＪ － ＣⅥ ５ ２ ５ｌ８ ６ ２ ５ ２６ ８－２ ５：６ ４９ 通过机泵型号选择图表，可得以下结论： ①满足我国煤层气井排液量通常低于５０ ｍ。／ ｄ，井深通常小于１０００ １Ｔｌ的实际需要。 ②我国煤层气排采设备的机型以２．－￣５型为主， ２型机和４型机是一个新的发展方向。 ｌ２＿ｏＥ ３ ５ ｉ２８ ＃ ｊ 油管ｌ ＾ ６ １＾ × ｂ ｘ ｘ％ ０ｊ ２ ｘ ｏ，０”．∞ ，・ｘ 一 ，川 ＾ ３２ 。 油管。Ｊｌ＾ 杆柱 ３８ １ ：‰ ２ ２ ＾ｘ ２ ｘ’ ２ ４ｘ ２ ｘ ＾ ③我国煤层气井排采设备所用抽油泵的泵型 以３２ ｍｍ、３８ ｍｍ、４４ ｍｍ、５１ ｍｌＴｌ和５７ ｍｍ为主。并 ｛蜡 杆拄 油管 ２ ％ ２ ；２ ｛： ２１／１ ＾ ３４ｘ ｊ ＾ ２ ＾ ｘ ２ ＾ｘ ＾ ２ ’＾ｘ ＾ ２ 如 ＾ ＾ 且随冲程长度的增加，同一下泵深度和排液量所用 ２ ｛２ ＾： ２ 如 扦柱 ｂ： Ｓｉ４ｘ￣４ 的泵径减小。 ④有杆泵排采设备最大冲程的选择区域常为 １．２－－＋３．０ ｒｌｌ，并以３ ｍ为上限。保证排量时，排采设 备应尽可能选择最大冲程运行。 ⑤冲次选择区域为２～１０ ｍｉｎ＿。，系统需实现 大的传动比，冲次能在较大范围连续可调。 ２．３根据机泵选择图表建立配套杆、管选择表 在满足上述前提条件的情况下，单级杆柱可采 用下式进行计算： Ｊ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＇＿＿。●●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿●＿●●。＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿一 ／Ｐ （Ｐ 一ＰＩＩＩｉ ） ＾一，＼／ ２Ｅ．Ｙ 忽略振动载荷和摩擦载荷的影响，多级杆柱的 计算进行简化： （ａ１一ａ２）Ｌ｝＋（６１＋ｂ２＋ｂ３＋ｂ４）Ｌ１Ｌ＋（ｃ１一ｃ２ｅ３）Ｌ ＝０ ●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－＿●＿－●＿＿＿＿＿＿＿＿＿－＿＿＿＿＿＿●＿＿●＿－＿＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿’＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。＿－●。＿’＿＿＿＿＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿●＿＿—— ￣／（ｂｌ－Ｆｂ２＋ｂａ－Ｆｂ４）２－４（ａｘ－ａＩ—．∞，．．２）（ｃｌ－ｃ２ｃａ）－（ｂｌ＂ｔ－ｂｚｑ－ｂａ＇Ｆｂ４）Ｔ ——一 ｎ 一 ２（ａ．一ａ２） 在充分考虑杆柱与抽油泵泵径、泵径和油管管 径的匹配情况后，得标准系列有杆泵排采设备所用 的杆管选择表。 表１有杆泵排采设备所用抽油杆柱和油管规格选择表（短冲程） 泵径 汗营 有杆襄捧采设备札型ｃＧ Ｂ１ｌ ９一言９） ｍ ｍ ｌ ＣＹＪ２ ０ ６－２ ８１ ＣＹＪ３ １ ２ ６ ５ ＣＹＪ４－１ ５・９。ＣＹＪ５一Ｉ ８・１３１ ＣＷ６ ２ ５—２６ ＣＹＪ８ｔ２１・８ 扦柱 Ｉ ＾ ｘ ｘ 自 ＾ｘ 【 拈 ０ｊ 哺，】 ０拂 ０ ？ Ｏ＇５” 油管 ｌ １ ｂ ２ ２ ２ 杆柱 。 ｘ ３ｈｘ ’ｌ￣ｘ－＇４ ３ ｍ ， 油管 ｌ ： Ｉ ２ ］ ２ ； ２ 扦柱 ‰ ｘ ｘ％ ３／＋ｘ％ Ｊ ｘ 弛 搪 ２ ２ ２Ｖ２ ２ ２ｘ／２ ｌ ？ ＾ 扦拄 ＾ｘ ｘ ，ｔ×３『‘ ｘ ∞４７４ｓ０￣６）－ 油管 ２ ２ Ｉ ２ ６ Ｉ ２’＾ ２ ＾ ２ 杆柱 ＾ ’１４ ｘ ｈ× ｘ ＾ ５】 油管 ｊｌ ２１／２ ２ｌ＾ ２ ＾ ２ ２１６ 仟柱 ’＾ 坷 ｘ ＾ Ｉ ’＾ｘ ‘ ５７ 【油管 ２ ］ 如 ２ ｘ６ ２ ２ ２ ＾ 抨拄 ’ｂ ’｝ ！‘ １｛ ６］ ！堡 Ｌ＿＿． ！ 塑一 油管 ２ ２ ＾ ２ ２ ２ ２ ＾ 扦枉 ‘ ＾ ＾ ７０ 管 ３ Ｊ ３ ３ ３ ｛ ３ ３ 扦柱 一 ； ； ｌ ’ ； ”ｒ糖｝一 ３ ＾ ３ ＾ ３ ６ ３ｔｈ ３ ＾ 嚣 ３ｈ占Ｉ ３’ Ｉ＾ ３Ｖ： ３ ３Ｓ ｝４ ５ｌ ， ３６０ｘ０ ６４０）∞３ ６４［’ 噌ｊ ２ ２ ２ ２１／， ］ ５７ 扦柱 ｝ ＾ 。 ０ 】ｘ ＾ ） ３｜日ｘｑ 啪 油管 ２ ＾ ２ ＾】２ ２ ２１６ ２１６ ２１６ ３ 杆 ＾ｉ ＾ ！ ｘ ＾ ｘ ＂ ｌｉｏｎ４１删 』 油管：２ ｌ２ ＾ ｌ２１６ ２ ＾ ２ ＾｝ ２Ｖ： ’ ２ ＾ ７Ｄ 扦柱 ｂ ｉ，＾ ｍ●’ ｘ０Ⅵ １） ’』ｊ ＾－ｊ ５） ●∞∞Ｈｌ＾ｘ ＾ ｌ ；油管 ３ ： ３ 【 ３ ３ ３ ３ ３ ８３ 】油管 一 ３ 【３ ＾ ３ ＾ ３ ３ ３１４ ９５ 扦柱 一 ’ ＾ ｊ． ＾ ／８ １ 油管 一 ， ３ ｛ ３ ’ ３ － ３ ＾ ３ ｂ ３ ＾ 表３ 杆管规格选择表（长冲程） 。【 柱！ ： 。 。祜管｝ １ １１／１； ２ ２ ；２ ２ ， Ｉ油管 兰Ｌ １ ｂ ｔｌｌ ／】／２ … ｉ ￣／ｓｘ２ —Ｌｈ ２ ｛ ２ ２ ，。 ｊ｛主ｉ ｌ！ ： ： ：：： ： ：皂 ｊ ： － ： ｛油管 ２ ２ １ ２１／ １ ２ｌ／１ Ｉ２ 如 ；： ： 。 ： ｛油管 ２ ２ 【２ ｉ２ｔ／】 １ ２１６ ． ｛竺Ｌ 一 油管ｊ ２ １２ …｛Ｊ 羔 一２１／２ ；ｉ ２１６ ｌＩ 鎏 盆 ２１／ａ ２ 窭｝ｌ油管Ｉ ２ “ ｝ ２１６ Ｉ Ｉ２ ，］ Ｉ２ 如 【 。 ２１ｈ ２ ＾ ，ｆ 柱ｆ 。 ． Ｉ治 誉｝ ２ ｝ＩＩ／２ ：２’ ｌ２ ＾ １ ２ ＾ １ ２ ＾ 。 ｝Ｉ ｔ ｊ ， ｌ ｌ： ， ｌ ： ： ｌ油管ｊ ３ ３ ｆ３ ｌ３ ｌ ３ ３ Ｒ ～ｊｆ量壁ｌ油管｝ 一 —— ３１１２ …； ；３ ｊ ｌ３’ ＾ ｌ｛ ３’ ＾ ｝。 ３ ＾ Ｉ扦柱ｉ ！ ｌ ｛ ７／８ ｌ ｊ ｌ ’ ｌ油管ｌ 一一 Ｉ３１６ ｛３ ＾ １ ３，＾ Ｉ ３ ＾ ： ３ ＾ 通过杆管选择图表可得到以下结论 ①多级杆柱的选择不超过两级，可满足我国煤 层气井现状。 ②杆柱直径的选择较之油田用抽油杆普遍小 一规格尺寸，以５／８ ｉｎ和３／４ ｉｎ为主；多级杆柱中第 一级杆柱所占比例也普遍比油田小。 ⑧我国煤层气井有杆泵排采设备所用油管为 小油管，其规格尺寸以２ ｉｎ和２１／。ｉｎ为主； ④我国煤层气井一般为轻中负荷缓蚀，井杆柱 钢材牌号通常选择ｃ级即可。 ３结论 （１）根据我国煤层气开采的实际特点，对三抽有 杆泵设备优化选型和参数配套进行了研究；并建立 了适合我国煤层气开采设备优化选型的图表。 （２）该图表的建立，综合考虑了（下转第８２页） ８２ ２“四查一对比”方法的验证 内蒙古石油４Ｌ．ｖ－－－ ２０１０年第２４期 来推算生产至２００９年６月底时的地层压力，推算结 下面应用“四查一对比”的方法来验证这两种模 型下的解释结果，以选取一种最能反映地层真实状 况的结果。 ２．１表皮系数的验证 果为８．６６ＭＰａ，相比两种模型下解释出来的地层压 力，认为５．６６ＭＰａ这个值更为可取。 ２．４边界反映的验证 用模型１进行解释时，从构造上我们了解到，该 表皮系数是井筒完善性的最简单描述，表皮系 井钻遇断层，导数曲线后期也有上翘反映，表明遇到 边界，把外边界定为一条断层时，导数曲线的尾段怎 么也拟合不上，总有个小分叉，后来尝试把外边界定 数大于零，表明井筒周围受到污染，小于零则得到改 善。从表１中可以看出，两种模型下解释出的表皮系 数都大于０，表明井周存在污染，查阅井史资料发现， 该井９５年压裂改造以来没上过任何增产措施，２００１ 年由于油管腐蚀检管，查生产压差呈逐年增大趋势， 由９５年压裂后的２．３８ＭＰａ增大到目前的３．３９ＭＰａ， 综合这些资料来看，求取的表皮系数还是能够反映 地层实际的，但是两种模型解释出的表皮大小不一 为交叉断层，结果【往ｊ线拟合的非常好，所以，从试井 的角度来看，认为这条断层在文２３井附近是拐弯 的，也就是有夹角的，不是构造图中画的那样是直 的。 ２．５裂缝长度的验证 若用模型２解释，裂缝长度为．３１４ｍ，９５年压裂 样，反映井周污染程度不同，究竟哪个更符合地层实 际呢，查阅了往年的试井资料，发现２００３年文２３井 压力恢复试井求取的表皮系数为２．０６４，在生产压差 逐渐增大的情况下，它的表皮也应该逐渐增大，所 后该井没有进行裂缝监测，查阅往年的试井资料，也 没有见到有关裂缝长度的资料，所以这一结果无法 验证。 从以上的验证过程综合来看，认为模型１的结 以，最终认为２．６５这个表皮更能反映地层实际。 ２．２渗透率的验证 果更符合地层的实际情况，所以，选用模型１的结 果。以文２３井为例，在对别的试井资料进行解释时， 也都举一反三地应用了“四查一对比”的方法进行参 数识别，这使得试井解释结果的准确性更上了一个 台阶。 有效渗透率反映了地层条件下，储层允许流体 通过的能力。模型１和模型２求出的渗透率相差一个 数量级，究竟哪个更能反映地层实际呢，据经验可 知，渗透率在０．１ Ｘ １０ ｕｍ。以下时，不压裂便不能 投产，该井在表皮为２．６５的情况下，还能有６万方／ ３结论及认识 应用“四查一对比”的方法来解决计算机试井分 析多解性的问题，可以去伪存真，使解释出的结果更 日的产能，说明地层的渗透性较好，所以认为１．９１ ×１０ｑｕｍ。这个结果更为可取。 ２．３地层压力的验证 符合地层的真实状况，大大提高了解释结果的准确 性，在计算机试井解释分析的过程中值得推广应用。 ［参考文献］ Ｅ１］ 试井手册．石油工业出版社．１９９１年第一版． 地层压力是反映地层能量的重要指标，对于一 个特定的油气藏，在弹性开采阶段，地层压力与剩余 储量成正相关关系，也直接影响着油气井的产能。从 表１中可以看出，两种模型下求出的地层压力值不 同，根据该井历年来的弹性产率１２６１×ｌＯ ｍ。／ＭＰａ Ｅ２］ 刘能强．实用现代试井解释方法．石油工业出 版社，２００３年第四版． （上接第４９页） 惯性载荷、振动载荷和摩擦载荷 ＥＭ－］．北京：石油工业出版社，１９９４． 的影响；对我国煤层气开采设备优化选型具有较好 ［２］ 万邦列．采油机械的设计计算［Ｍ］．北京：石 油工业出版社，１９９４． 的指导作用。 （３）图表中选择的设备，全部采用国家标准规定 Ｅ３］ 陈军，綦耀光，刘新福等．基于弹性体振动理论 的常用规格型号。 （４）此方法，已在山西等地区煤层气实际生产中 应用，得到较好的效果，是一种简便易行的方法，具 有较高的实用价值。 ［参考文献］ 的抽油杆柱三维振动分析ＥＪ］．石油矿场机械． ２００９，３８（２）：１５～１９． ｔ４］ 刘新福，綦耀光，刘春花．煤层气井有杆泵排采 设备悬点静载荷计算方法ＬＪ］．煤田地质－９勘 探．２００９，３３（５）：２４￣２７． ［１］ 崔振华，余国安，安锦高等．有杆抽油系统