0 引 言
彬长矿区处于黄陇侏罗纪煤田中部，位于彬县、长武县境内，规划面积790 km2，现已探明煤炭地质储量67.29×108 t，瓦斯资源储量约300×108 m3，是国家“十二五”规划建设的大型、特大型现代化矿井群的重点矿区，但是彬长矿区是高瓦斯矿区，近年来随着矿区各矿井的陆续投产和煤炭开采，瓦斯超限时有发生，严重制约煤炭的正常、安全生产，瓦斯治理形式比较严峻，对地面煤层气抽采工艺及关键技术的研究及优化，将推动彬长矿区地面与井下瓦斯的综合抽采及利用，降低井下瓦斯治理难度，提高煤炭生产效率，同时应对当前国家对非常规能源开发的需求，具有重大意义，而排采是地面煤层气开发的重要阶段，煤层气井的生产实际是排水降压采气的过程，排采设备是影响采气效果的关键环节，设备的合理选型是保障煤层气井连续稳定排采的重要因素，我国煤田地质条件的复杂性、地域性，对排采设备的技术条件和适应性提出了更高的要求，煤层气现场选用的排采设备普遍存在投资大、设备选用不配套现象，引起杆柱断裂、卡泵、埋泵、检泵周期缩短等问题[1-3]，严重影响煤层气的正常开采，成为煤层气规模化、商业化开发的瓶颈。目前国内外最常见的煤层气排水采气技术有：有杆泵、螺杆泵、电潜泵、射流泵、气举工艺、泡排工艺等[4-6]。不同方法适用性不同，结合彬长矿区的储层特征和生产数据，探索构建适合彬长矿区的煤层气排采设备优选模型，优化煤层气排采设备，指导煤层气排采设备进行系统而科学的选型，对保障矿区煤层气井连续稳定经济排采，提升煤层气勘探开发效率具有重要意义。
1 排采设备适应性分析
不同的排采设备具有其针对性[5,7-10]，所适应的生产参数、地层参数、开采条件、地面环境、井下状况、维修管理，以及其他条件的对比分析结果见表1。
表1 5种主要煤层气排采方式的适应性
Table 1 Adaptability of five main coalbed methane drainage methods
项目条件参数有杆泵螺杆泵电潜泵气举水射流泵生产参数最大排量/(m3·d-1)6003006407901 000最小排量/(m3·d-1)1～202.4～15<60<30<16最大井深/m<2 700<1 500<2 950<3 200<2 800地层参数温度限制/℃<120≤90<149<180≤120地层压力/MPa不限<10不限>10<10最小流压/MPa<1.0<0.11.4<1.0<1.0开采条件含砂、煤粉含量/%<0.1<10<0.02<0.1<3气水体积比/(m3·m-3)<0.5<5<0.05不限不限地面条件地面环境装置较大装置小适宜装置小高压源适宜适宜动力源宜远离井口井下状况小井眼磨损严重适宜不适宜适宜适宜分层措施适宜不适宜不适宜适宜适宜井斜限制<5°<2.5°<60°限制少<24°/30 m维修管理检泵较困难较困难困难容易容易平均免修期/a2 11.53 0.5 生产管理较方便方便方便方便方便其他条件投资成本管理费低;越深基建费越大费用较低功率大时费用高;管理费高压缩机、燃料费高动力费高,维护费低投资有效性有效有效一般有效有效适用范围适用范围广适用范围广地层压力低,产液量大气液比、产量变化大;出砂、高腐蚀气藏强排水
2 矿区排采设备优选
2.1 参数量化综合评价法
对于一口给定的煤层气井，究竟选用何种排采设备，需要进行不同排采设备技术经济指标论证。排采设备对煤层气井的开采条件有一定要求，不仅要考虑煤层气井动态参数的影响，同时，要考虑煤层气地质、地面环境、井下状况、开采条件、维修管理等因素[11-15]。此外，还需要考虑排采设备可靠性、维护难度等。进行最佳排采设备选择的关键，是综合对比分析最终的经济投入[16-20]。因此，依据彬长矿区煤层气开发的实际情况，以下采用参数量化综合评价法进行排采设备优选研究。
2.1.1 参数量化综合评价法理论[20]
作为排采设备的优选方法，参数量化综合评价法，其实质是用参数化、量化方法来综合评价各种排采设备的主要指标，在考虑地质、环境、煤层气井动态、技术、经济等诸多因素的基础上，优选出适合给定煤层气井的排采设备。煤层气排采设备的参数可分为3组：
1)第1组用来评价某种排采设备的使用条件是否满足煤层气井动态参数，用x表示。采用两级评价系数，即x=1表示为满足，x=0表示为不满足。评价某种排采设备使用条件的综合参数为
(1)
式中：xi为局部参数的评估值；n为局部参数x的总数，根据煤田的具体情况确定。
2)第2组用来评价某种排采设备适应于该煤层气井的程度，用y表示。采用五级评价系数，即y=4为很适宜，y=3为适宜，y=2为较好，y=1为一般，y=0为不适宜。其计算公式为
(2)
式中：Y为评价某种排采设备适应程度的局部综合参数值；yi为局部参数的评估值；n为自然数。
3)第3组用来评价某种排采设备的难易程度、经济性等因素，用z表示。采用三级评价系数，即z=3为较好，z=2为一般，z=1为较差。其计算式为
(3)
式中：Z为评价某种排采设备有效性的局部综合参数值；zi为局部参数的评估值。
4)终评。评价某种排采设备的适应性需综合各局部综合参数值，其计算式为
(4)
式中，V为评价某种排采设备适应性的综合参数值。
2.1.2 参数综合评价法具体用法
1)按给定煤田的具体情况选定各个局部参数项，表2所列举的局部参数项并不全面，可根据具体情况增减。
2)依据煤层气井排采工艺和技术水平，来综合评价排采设备的主要技术经济指标。
3)对煤层气排采设备的主要技术经济指标量化，给出各局部参数的评估值。
4)依据式(1)—式(3)计算出各排采设备的使用条件、适应程度和可行性的局部综合参数值，然后代入式(4)计算出各排采设备适应性的综合参数值。
5)完成最佳排采设备的优选：选出综合参数值最高的排采设备，即首选的煤层气排采设备。
2.2 矿区煤层气排采现状
根据彬长矿区大佛寺井田地质资料，dfs-c01、dfs-c02、dfs-c03、dfs-c04、dfs-05和dfs-06煤层气井最大排水量qL，max=300 m3/d，最小排水量qL，min=1 m3/d，平均储层压力为3.5 MPa，储层温度23.8 ℃，煤层埋深H=400～630 m，含砂、煤粉0.02%；气水比 0.2；井倾斜角度<2.5°。
2.3 矿区最佳排采设备优选
现依据该煤层气井的开采实际情况，选择最佳排采设备具体步骤如下：
1)依据彬长矿区大佛寺井田的具体情况，选定表2所示的各局部参数项。
2)综合评价煤层气排采设备的主要技术经济指标见表2。
表2 彬长矿区煤层气排采方式主要技术经济指标综合评价
Table 2 Comprehensive evaluation of main technical and economic indicators of coalbed methane drainage mode in Binchang Mining Area
项目条件参数气举有杆泵电潜泵射流泵螺杆泵生产参数最大排量/(m3·d-1)7906006401 000300最小排量/(m3·d-1)<301～20<60<162.4～15最大井深/m<3 200<2 700<2 950<2 800<1 500地层参数温度限制/℃<180<120<149≤120≤90地层压力/MPa>10不限不限<10<10最小流压/MPa<1.0<1.01.4<1.0<0.1开采条件含砂、煤粉含量/%<0.1<0.1<0.02<3<10气水体积比/(m3·m-3)不限<0.5<0.05不限<5地面环境地面环境适宜适宜较好适宜适宜井下状况小井眼适宜较好不适宜适宜适宜分层措施一般一般不适宜一般不适宜井斜限制很适宜一般适宜较好一般维修管理检泵适宜较好一般适宜较好免修期很适宜适宜较好一般较好生产管理适宜较好适宜适宜适宜其他条件投资成本较高较低较高一般较低投资有效性有效有效一般有效有效适用范围一般较广较窄较窄较广
3)对排采设备的主要指标进行量化，给出评估值，具体见表3。
4)依据式(1)—式(3)，计算各局部综合参数值，然后代入式(4)计算得出各排采设备适应性的综合参数值(表4)。由表4可知，有杆泵的综合参数值最高。因此，依据彬长矿区实际情况，应首选有杆泵排采设备来开采煤层气。
表3 排采设备量化指标
Table 3 Quantitative index of drainage and mining equipment
评估值项目条件气举有杆泵电潜泵射流泵螺杆泵局部参数x的评估值生产参数地层参数开采条件最大排量11110最小排量11011最大井深11111温度限制11111地层压力01111最小流压11011含砂、煤粉比11111气水比11011局部参数y的评估值地面环境井下状况维修管理地面环境33233小井眼32033分层措施11010井斜限制41321检泵32132免修期43212生产管理32333局部参数z的评估值其他条件投资成本13123投资有效性33233适用范围23113
表4 各排采设备适应性的综合参数
Table 4 Comprehensive parameters for adaptability of each drainage and mining equipment
参数评估值气举有杆泵电潜泵射流泵螺杆泵综合参数X评估值01.00001.0000综合参数Y评估值2.6721.84202.0680综合参数Z评估值1.8173.0001.2591.8173综合参数V评估值02.35101.9380
彬长矿区排采设备的优选结果为有杆泵，有杆泵的基本组成是抽油机、抽油杆、油管、抽油泵。按照抽油泵在油管上的固定方式可分为管式泵和杆式泵(表5)，根据二者的特点，结合彬长矿区地面煤层气井的井深、产量特点，抽油泵选择管式泵。
抽油机的选型：采用彬长矿区排采数据，设定冲程为2.1 m、冲次为7次/min时，采用D级19 mm抽油杆，根据悬点载荷计算公式计算，得到埋深在500～1 000 m的悬点最大载荷为18.63～37.26 kN，最大转矩为4.96～9.92 kN·m，考虑载荷利用率60%～80%的情况下，建议当煤层埋深400～600 m时，可考虑CYJ4-1.5-9型抽油机；600～1 000 m时，可考虑CYJ5-2.1-13型抽油机。
表5 有杆泵特征
Table 5 Characteristic of rod pump
有杆泵类型优点缺点适应条件管式泵构简单、成本低,排量大检泵时必须起出油管,修井工作量大适用于下泵深度不很大,产量较高的气井杆式泵修井工作量小结构复杂,制造成本高,排量小适用于下泵深度大、产量较小的气井
抽油杆的选型：考虑到煤层埋深为400～800 m，即使设定下泵深度为1 000 m，冲程为2.1 m、冲次为7次/min时，如果采用D级19 mm抽油杆，根据悬点载荷公式和折算应力计算公式计算得到，其悬点最大载荷为37.26 N，悬点最小载荷为18.37 N，折算应力66.19 N/mm2。抽油杆折算应力66.19 N/mm2
对于抽油泵的选择要尽量满足排液时最大产液量的要求，泵径不能选择过大，越大则悬点载荷越大，对抽油杆及整个排采系统要求更高。根据排采系统能力选取原则，即排采系统理论排液能力为理论产水量的2倍左右。当ø38 mm泵、2.1 m冲程、7次/min冲次时,理论排量为24 m3/d，当泵校为50%时，排量为12 m3/d，可以较好地满足排量一般小于10 m3/d 施工的要求。
综上所述，对于采用管式泵的有杆泵排采方式，抽油机的选择应根据煤层埋深来确定，当煤层埋深400～600 m时，可考虑CYJ4-1.5-9型抽油机；600～1 000 m时，可考虑CYJ5-2.1-13型抽油机；管式泵可以考虑采用ø38 mm管式泵；抽油杆选择D级ø19 mm抽油杆。
2.4 排采效果
图1 Dfs-c01井生产曲线
Fig.1 Production curves of well Dfs-c01
Dfs-c01井生产曲线如图1所示。Dfs-c01井根据参数量化综合评价法进行设备选型，选用CYJ5-2.1-13型抽油机，管式泵采用ø38 mm管式泵，D级ø19 mm抽油杆，稳产阶段日产水量3～5 m3/d，日产气量达1 500～2 000 m3/d，排采效果较好。
3 结 论
1)在考虑彬长矿区地质、环境、煤层气井动态、技术、经济等诸多因素的基础上，结合彬长矿区的排采经验，利用参数量化综合评价法进行排采设备选型，当井深≤600 m 时，选择CYJ4型，可选择CYJ4-1.5-9型抽油机，当井深在600～1 000 m时，选择CYJ5型，可选择CYJ5-2.1-13型抽油机。
2)在满足产液量的条件下，尽量选择小泵径进行生产，既满足排采需求，又节约成本，结合彬长矿区实际产水量，选择ø38 mm管式泵和D级ø19 mm抽油杆进行排采。
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