煤层气井智能排采方法及煤层气井潜液泵智能排采设备

摘要

本发明公开了一种煤层气井智能排采方法及煤层气井潜液泵智能排采设备，排采方法是在抽吸过程中，当达到补液条件时向井下液体中以设定流量供给水质符合要求的液体，使井下液面高度、井下液面下降速度、井下液体粘度、井下液体的排出量符合正常排采的要求；排采设备包括排水装置、补水装置，补水装置包括由所述控制柜控制供水流量的供水装置和连接在供水装置出水口的补水管，补水管的出口设于井下潜液泵附近。本发明的智能排采方法和设备可根据井况不断进行液体的补充稀释和排出，解决煤层气井储层供液量降低、液体的煤灰含量增加、排水量较低的情况下，潜液电机散热条件恶化易烧坏、液体粘稠易卡泵烧泵的问题，同时，延长捞沙和检泵的周期。

说明书

技术领域

本发明涉及用于煤层气井的排水采气技术领域。

背景技术

煤层气的开发可以弥补我国洁净能源的严重不足、改善能源结构，遏制煤矿瓦斯灾害，减少采煤过程中的甲烷的直接排放，改善大气环境质量。现有技术中存在通过水泵对煤层气井的排水降压来实现煤层中的气体排出的排水采气方法和设备，现有煤层气排采中使用的水泵有抽油机式活塞泵和潜液离心泵，但离心泵相比抽油机式活塞泵具有对井筒竖直度要求低、易维护、能耗小、抽水连续的优点，如中国专利公开号为CN 101446281A的所公开的一种煤层气井电潜离心泵排采装置，主要由控制器、油管、电缆、电潜离心泵、气液分离器、井口流量调节器、井口压力传感器、井下液位计、排采泵电机组成，该排采装置的控制器可根据井口压力传感器、井下液位计采集的数值，控制排采泵电机和井口流量调节器，达到控制井下液体采出量的目的。

现有的使用了变频器和潜液电泵的煤层气排水采气技术仅能对液体采出量控制，在实际应用中主要存在以下问题：(1)由于在采气时需要不断的从井下向外抽水，随着排水量的增加，井下的压力也会随之下降，排水速度过快将导致地层压力下降过快，而应力敏感性强的储层将极易发生速敏而使煤层气井筒附近煤储层在短时间内受到较为严重的伤害，导致煤层气渗透率急剧降低，阻碍煤储层降压漏斗的扩展，煤层气无法大规模解吸，无法形成长期稳定的单井规格产量，而现有技术中的变频器是通过变频改变转速和排量，是梯形控制，液面下降速度不能适应下降过程中地层应力敏感性变化，加上我国煤层存在着应力敏感性强、渗透偏低的特点，采用现有煤层气排采设备极易使储层受损；(2)当排采时间较长时，由于储层供液量降低，井下液体的排量随之降低，当排量较小时，变频技术对电机的调速能力有限，即使将潜液电机的转速降至最低也无法满足生产所需的最低排量要求，而且作为潜液电机换热介质的排出液体的换热效率也相应降低，这会导致潜液电机的散热条件变差而容易烧损，(3)随着排水量时间的增长，储层供水量逐渐降低，井下液体中的煤灰比重越来越大，井下液体粘度也会增大，不利于向外排水并对水泵运行的畅通造成影响甚至卡泵损坏，水泵损坏又需检泵捞沙而增加成本，且频繁的修井易造成储层伤害进一步影响生产。

另外，现有排采设备的设于井下的井下传感器与控制柜之间通过吊挂的专用的信号传输线缆连接，信号传输线缆较长，经常与井壁或其它设备摩擦，信号传输线缆容易损坏，造成传感器信号无法正常传输，影响生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能控制井下液面下降速度、井下液面高度、在井下液体粘稠时对井下液体稀释的煤层气井智能排采方法，同时提供使用该方法的煤层气井潜液泵智能排采设备。

本发明的煤层气井智能排采方法的技术方案是：一种煤层气井智能排采方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将泵置于煤层气井中的井下液体液面以下的设定深度，泵以设定的液面

下降速度抽吸井下液体，使井下液面高度达到预定值；

(2)在抽吸过程中，当达到补液条件时向井下液体中以设定流量供给水质符合要求的液体，使井下液面高度、井下液面下降速度、井下液体粘度、井下液体的排出量符合正常排采的要求，所述的补液条件应符合以下几种情况中的至少一个，情况一：井下液面高度低于设定高度，情况二：井下液面下降速度高于设定速度，情况三：井下液体粘度高于泵正常使用时的液体粘度值，情况四：泵体的温度高于泵正常使用时的温度值。

所述的供给煤层气井中的液体是从由泵抽出的井下液体经水质改良处理获得。

所述的情况一是指排采日久，储层供液量减少而导致的液面低于正常排采要求的情况；所述情况二是指排采日久，储层供液量减少而导致的液面下降速度高于正常排采要求的情况；所述的情况三是指排采日久，井下液体煤灰含量增加而导致液体粘稠影响泵的抽吸通畅的情况；所述泵为具有潜液电机的潜液泵，所述情况四是指排采日久，储层供液量减少导致液体排出量减小、液面降低影响泵及其电机正常散热的情况。

本发明的煤层气井潜液泵智能排采设备的技术方案是：一种煤层气井潜液泵智能排采设备，包括排水装置，排水装置包括潜液泵、排水管、连接在排水管出水端的排水电动阀、潜液电机、传感器、根据传感器信号控制潜液电机转速及排水电动阀开度的控制柜，还包括补水装置，补水装置包括由所述控制柜控制供水流量的供水装置和连接在供水装置出水口的补水管，补水管的出口设于井下潜液泵附近。

所述供水装置包括带有净水装置的蓄水罐，蓄水罐的出水口上设有由控制柜控制开度的补水电动阀。

所述蓄水罐的进水口与排水管的出水口通过管路连通，蓄水罐的进水口上设有由控制柜控制开闭的蓄水电磁阀，所述净水装置设置于蓄水罐内和/或蓄水罐外的排水管与蓄水罐之间的连接管路上。

所述净水装置包括连接于排水管出水口与蓄水罐进水口之间悬浊液分离装置，所述悬浊液分离装置包括中空的液体容器，该液体容器的空腔下部设有凝聚沉淀分离腔，所述液体容器的空腔内除去凝聚沉淀分离腔的空间为滤液腔，所述凝聚沉淀分离腔的上部设有过滤层，所述液体容器的底部设有与凝聚沉淀分离腔相连通的排污口，所述液体容器上还具有靠上的出液口和靠下的进液口，所述出液口与滤液腔连通，所述进液口与凝聚沉淀分离腔连通；所述凝聚沉淀分离腔内转动装配有螺旋分离轴，该螺旋分离轴沿竖直方向设置；所述排污口上设有由控制柜控制开闭的排污电磁阀。

还包括用于装配在煤层气井井口的井口装置，所述井口装置包括用于与井口密封配合的井口装置主体，该井口装置主体内设置有轴线与该井口装置主体的轴线平行的排水管通孔、补水管通孔、电缆通槽分别供对应的排水管、补水管、电源电缆穿装。

所述控制柜内安装有变频控制器、煤层气井测温测压仪表、采样和控制处理器，变频控制器的变频输出通过三相正弦滤波器接入控制柜电源输出端子，在三相正弦滤波器与电源输出端子之间的三相导线上连接有一Y型连接的三相电抗器，该三相电抗器的中性点通过一滤波电路连入煤层气井测温测压仪表的信号输入端，所述控制柜电源输出端子与潜液电机的电源输入端之间通过电源电缆连接，所述传感器包括与潜液电机固定在一起的井下传感器，所述井下传感器的一个信号输出端接地，井下传感器的另一个信号输出端与潜液电机定子线圈的中性点连接。

所述补水管上设有用于对潜液电机冷却的支管，支管的出水口设置于潜液电机机壳上或者设置于贴近潜液电机机壳的位置。

本发明的智能排采方法根据煤层气井生产的特点和现有排采方法仅能单向抽吸井下液体的不足，根据井下传感器反馈的井下液体的情况，在井下液体不能满足正常排采生产的需要时，在排采过程的同时向井下液体中补充经过净化的液体，对井下液体进行平衡和稀释，使井下液体的液面高度、液面下降速度、井下液体粘度、井下液体排量符合排采生产的要求。与现有技术相比，可解决煤层气井排采生产中后期储层供液量降低、液体的煤灰含量增加、排水量较低的情况下，潜液电机散热条件恶化易烧坏、液体粘稠易卡泵烧泵的问题，同时可根据井况不断进行液体的补充稀释和排出，延长捞沙和检泵的周期。

进一步的，本发明的排采方法可利用排出的井下液体进行净水处理并储存后回补，一方面节约用水适合于野外施工的条件，另一方面用矿井本身的液体回补，液体的理化指标与井下液体相同，不易因酸碱度差异而影响储层的渗透度。

本发明的智能排采设备在不同工作阶段分别有如下优点，1、在井下液面下降时，通过变频器调频与排水电动阀开启度线性控制液面下降速度，避免储层的应力敏感和速敏，造成储层的伤害，本发明根据个井生产需要，智能控制井下液面，最大限度的控制液面下降速度以适应地层应力敏感性的特点，保持生产液面稳定，控制系统可储存井下液面数据，并通过计算机接口采集查询。2、煤层气井稳产阶段，通过变频器和排水电动阀开启度，稳定液面，控制精度达千分之五。3、随着排采时间增长，储层供液量的降低，液体的煤灰含量增加，在这时通过稀释和平衡管柱，利用储水罐的电动阀的开启度，对井下液体进行稀释和平衡，井下液体保持稳产液面，克服了因液体浓度过高卡泵现象，避免了由于液体排量减少，使电机散热条件恶化，烧坏电机。4、根据井况变化不断进行液体的稀释补充和排除，延长了捞沙和检泵周期。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的控制柜的电气原理图；

图3是本发明的悬浊液分离装置的结构示意图；

图4是本发明的井口装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的煤层气井智能排采方法，包括以下步骤：

(1)将泵置于煤层气井中的井下液体液面以下的设定深度，抽吸井下液体，并通过变频器调频与排水电动阀开度线性控制液面下降速度，避免储层应力敏感和速敏造成储层的伤害，使井下液面高度达到预定值；煤层气井进入稳产阶段，控制电机频率和排水电动阀开度，稳定液面。

(2)由泵抽出的井下液体经水质改良处理获得可回补给煤层气井中的液体，并储存在蓄水罐中备用。

(3)在抽吸过程中，随着排采日渐长，储层的供液量的降低，液体的煤灰含量增加，在这时将蓄水罐中的水向井下液体中以设定流量供给，对井下液体进行稀释和液面平衡，使井下液面高度、井下液面下降速度、井下液体粘度、井下液体的排出量符合正常排采的要求，蓄水罐的补液条件应符合以下几种情况中的一种或几种，情况一：井下液面高度低于设定高度，情况二：井下液面下降速度高于设定速度，情况三：井下液体粘度高于泵正常使用时的液体粘度值，情况四：泵体的温度高于泵正常使用时的温度值。所述的情况一是指排采日久，储层供液量减少而导致的液面低于正常排采要求的情况；所述情况二是指排采日久，储层供液量减少而导致的液面下降速度高于正常排采要求的情况；所述的情况三是指排采日久，井下液体煤灰含量增加而导致液体粘稠影响泵的抽吸通畅的情况；所述泵为具有潜液电机的潜液泵，所述情况四是指排采日久，储层供液量减少导致液体排出量减小、液面降低影响泵及其电机正常散热的情况。

上述方法中，如果情况允许，当然也可以采用独立的水源而不使用经过处理的井下排出液体，当然在野外没有其他水源的煤层气井地点，使用排出液净化后储存已备回补是最可行的方案。

如图1～图4所示，本发明的煤层气井潜液泵智能排采设备，包括排水装置、补水装置、井口装置43和控制柜35，排水装置包括潜液泵30、液气分离器29、潜液电机31、井下传感器32、井上传感器、排水管34，排水管34的出水端设有排水电动阀44。控制柜35根据传感器信号对潜液电机31变频控制，并对排水电动阀44的开度进行控制。所述井下传感器32固定于潜液电机31底部，控制柜35的电源输出端子上引出电源电缆47与潜液电机31的机组引线45连接，机组引线45被电缆护罩46保护。控制柜35内安装有变频控制器、煤层气井测温测压仪表、采样和控制处理器，变频控制器的变频输出通过三相正弦滤波器接入控制柜电源输出端子，在三相正弦滤波器与电源输出端子之间的三相导线上连接有一Y型连接的三相电抗器，该三相电抗器的中性点通过一滤波电路连入煤层气井测温测压仪表的信号输入端，所述控制柜电源输出端子与潜液电机的电源输入端之间通过电源电缆47连接，所述井下传感器32的一个信号输出端接地，井下传感器的另一个信号输出端与潜液电机定子线圈的中性点连接，井下传感器32的信号可通过电源电缆的三相导线的中性线、三相电抗器、滤波电路传输至电控柜的测温测压仪表的信号输入端，而不用单独设置专用的信号传输线，解决了单独的信号传输线缆容易损坏的问题。

所述井口装置43包括用于与井口密封配合的井口装置主体，该井口装置主体内设置有轴线与该井口装置主体的轴线平行的排水管通孔43-1、补水管通孔43-2、电缆通槽43-3分别供对应的排水管34、补水管33、电源电缆47穿装。

补水装置包括通入井下的补水管33和通过管道连接于补水管33和排水管34之间的带有净水装置的蓄水罐，排水管34连接在潜液泵30的出水端，所述的带有净水装置的蓄水罐为通过管道串接在排水管34和补水管33之间的悬浊液分离装置36和水质改良装置37。补水管33的出水口设于井下液面以下，补水管33上还设有支路33-1通入潜液电机31的机壳上，补水管33在向井下液体补水的同时支路33-1可用于对潜液电机冷却。

所述悬浊液分离装置36包括中空的液体容器36-1，该液体容器的空腔内设有底部为封闭锥筒36-10的过滤层36-2，封闭锥筒36-10的过滤层36-2将液体容器内的空腔分为靠上部的滤液腔36-3和靠下部的凝聚沉淀分离腔36-4，所述液体容器的底部设有与凝聚沉淀分离腔36-4相连通的排污口36-5，所述液体容器上具有的出液口36-6和进液口36-7，所述出液口36-6与滤液腔36-3连通，所述进液口36-7与凝聚沉淀分离腔36-4连通，液体容器36-1的顶部安装有一个安全阀36-8，该安全阀36-8与液体容器36-1内的空腔相连通。凝聚沉淀分离腔36-4内转动装配有一个沿竖直方向设置的螺旋分离轴36-9。

所述水质改良装置37包括罐体37-1，罐体下部连通有进水管37-2，进水管上装有蓄水电磁阀39，进水管37-2上方的罐体上连通有出水管37-3，出水管37-3上装有补水电动阀38与补水管33连通，罐体37-1内的下部设有连通进水管的反冲洗管架37-4，反冲洗管架37-4包括在罐体截面上分布的分支管路及连接于分支管路末端的多个喷口朝上的反冲洗喷头37-5，反冲洗喷头37-5上方、出水管37-3下方的罐体37-1内设有用于过滤水的过滤层37-6，所述罐体37-1底部连通有排污管37-7，罐体37-1还设有监控储水量的液位传感器37-8。液位传感器37-8信号输出端与控制柜的对应控制电路中的继电器连接，实现对蓄水电磁阀39、排污电磁阀40的通断控制。

悬浊液分离装置36的进液口与排水管34连通，悬浊液分离装置36的出液口与水质改良装置37的进水管之间的连通的管道上设有蓄水电磁阀39，水质改良装置37的出水管上设有补水电动阀38与补水管33连通。悬浊液分离装置36的排污口上连有排污电磁阀40。补水电动阀38、蓄水电磁阀39、排污电磁阀40各自所在的管道上还并联有与各电控阀对应的用于手动控制的手动阀。控制柜35、悬浊液分离装置36、补水电动阀38、蓄水电磁阀39、排污电磁阀40均设置于智能控制室41中。

如图2所示，本发明的控制柜，主控回路开关QF1接在三相电路中，为潜入式电泵控制柜的电源总开关，引出三相电路中的两根导线通过开关QF2连接控制电源变压器T1，实现380V电压到220V电压的变换，为控制部分供电。

在QF1和QF2之间的三相电路连接变频控制器A1的电源输入端，A1的变频输出经过正弦波滤波器A2进行整形滤波，再通过接线端子XT2连接至外接电泵M1，传感器M2与外接电泵固定在一起，传感器M2的信号输出端一端接地，信号输出线的另一端与外接电泵的电机定子线圈的中性点连接。其中的变频控制器引脚VC1和GND连接采样和控制处理器的变频控制器控制信号接口中的引脚A01和GND，变频控制器引脚+485和-485连接至外接信号端子XT1中A+和B-的上排端子，变频控制器的启动开关SB和ST分别连接引脚FWD和X1。

煤层气井测温测压仪表通过开关QF4接入控制部分供电线路，该电路的信号输入端Y0通过电容C1与信号输入端Y1连接后，依次串联电感器L2、高压保险FU1、电感器L3，并与正旋滤波器A2和接线端子XT2之间三相电缆上连接的Y型电抗器L1的中性点连接，电感器L3连接电抗器L1的一端连接滤波电路B5的Y2端口，电感器L3的另一端连接滤波电路B5的Y3端口。煤层气井测温测压仪表中的RS485接口连接至XT1中A+和B-的上排端子。传感器M2的测量信号经外接电泵的电机定子线圈的中性点接入该电泵的三相电源电路中进行测量信号传输，并由正旋滤波器A2和接线端子XT2之间三相电缆上连接的Y型电抗器L1的中性点输出传感器M2的测量信号，经滤波后引入煤层气井测温测压仪表。

采样和控制处理器和监控触摸屏通过开关QF3接入控制部分供电线路，分别通过两个开关电源P1和P2实现直流工作电压的输出，P1为采样和控制处理器提供工作电压，P2为触摸显示屏提供工作电压，采样和控制处理器检测信号接口中的A+和B-连接XT1中A+和B-的下排端子读取变频控制器A1和煤层气井测温测压仪表的信号后，分别连接至触摸显示屏B2的引脚A1(4)和B1(7)，并且该接口的地线与B2对应接口的地线相连；引脚A13及其地线通过XT1连接井口温度变送器，引脚A14及其地线通过XT1连接气体流量变送器，引脚A15通过XT1连接液体流量变送器；补水电动阀控制输出端口的引脚A02和排水电动阀控制输出端口A03分别连接直流电压变送器B3和B4，B3和B4的输出端分别连接XT1端子的补水电动阀信号线lv1+、lv1-和排水电动阀的信号线lv2+、lv2-。

冷却风扇和照明电路通过开关QF5接入控制部分供电线路，冷却风扇M3、M4及照明灯LD1、LD2并联连接，并单独设有通断控制开关。

电磁阀开关电路通过开关QF6接入控制部分供电线路，通过蓄水罐中的液位传感器控制中间继电器J1和J2，从而实现对蓄水电磁阀开关和排污电磁阀开关进行控制。

为了方便使用和集中监控，本实施例中可以设置无线通信电路，实现监控中心的远程监控。

本发明的智能排采设备在工作时，控制柜根据井上、井下传感器的压力数值变化，控制变频电机在给定的范围内自动变频以及排水电动阀44的开度；开始排出的污水经过悬浊砂液分离装置36处理后，进入多功能水质改良装置第二次水质处理。当压力达到所需数值时，保持与所处地层对应的生产液面、稳产液面、高产液面，此时电机频率一定，流量一定，井下液面缓慢、均匀下降。根据井下液体液面下降速度和高度以及温度的变化，可打开补水电动阀38，进行压力平衡和水质改良(冲砂、冲灰)，补水电动阀38的开度由控制柜35控制。

在排水的同时，多功能水质改良装置37开始蓄水，蓄水电磁阀39打开，液位传感器工作，蓄水量达到上限位时，蓄水电磁阀39关闭。悬浊砂液分离装置36上的排污电磁阀40打开，污水排入水池42，当多功能水质改良装置37的蓄水量到下限时，蓄水电磁阀39打开蓄水，排污电磁阀40关闭。