CN107067867A - 一种煤层气排采职业考核模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气排采职业考核模拟系统，包括模拟煤层气井及其排采控制系统，包括水循环子系统、气循环子系统、智能控制子系统和排采设备子系统；水循环子系统由抽油泵、油管、油管三通、排水管、储水罐、水阀、回水管组成；气循环系统由油套环空、套管四通、单流阀、气体增压泵、回气管组成；智能控制子系统由电磁调速电机、负荷传感器、气体流量计、套压传感器、智能井下压力计和智能控制箱组成；排采设备子系统采用游梁式抽油机，由底座、支架、刹车装置、减速器、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头、悬绳器、光杆、抽油杆组成。本发明模拟系统与煤层气开发井的排采设备、管道、测试仪表安装一致，使受训者得到职业岗位操作技能实景训练。

Description

一种煤层气排采职业考核模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及一种煤层气排采职业考核模拟系统及方法，属于煤层气排采技术领域。

背景技术

在现代职业教育和企业员工上岗位操作技能培训中，常采用一些模拟实训系统进行操作技能训练和考核，受训者在接近生产现场环境的实景训练中，掌握职业岗位所需的操作技能，为企业培养生产中急需的高技能人才。目前，现有排水采气模拟实训装置虽然从结构上与气井生产基本一致，能够进行气井生产设备的基本操作训练。但是，这些模拟气井中均无生产气体的流动，无法采集气体流量、套压的生产数据；同时，由于模拟井深只有30m左右，采用井口液面仪很难准确测到动液面的变化，对井底流压也无法准确判断。

发明内容

本发明旨在提供一种煤层气排采职业考核模拟系统及方法。该系统能够实现油管排水、油套环空采气，通过智能控制系统实时监测抽油机工作状况、产气量、套压、井底流压，并将数据无线上传，可远程和现场进行参数设置，通过变频控制模块自动控制排水降压速度，执行煤层气井排采所要求的“连续、缓慢、稳定”六字排采方针。

本发明提供了一种煤层气排采职业考核模拟系统，模拟煤层气井及其排采控制系统，包括水循环子系统、气循环子系统、智能控制子系统和排采设备子系统；

水循环子系统由抽油泵、油管、油管三通、排水管、储水罐、水阀、回水管组成；气循环系统由油套环空、套管四通、单流阀、气体增压泵、回气管组成；智能控制子系统由电磁调速电机、负荷传感器、气体流量计、套压传感器、智能井下压力计和智能控制箱组成；排采设备子系统采用游梁式抽油机，由底座、支架、刹车装置、减速箱、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头、悬绳器、光杆、抽油杆组成。

游梁式抽油机安装在井口旁，其底座固定在水泥基础上，驴头、悬绳器正对井口；抽油机支架、减速器、电磁调速电机均固定在底座上；驴头通过悬绳器连接光杆，光杆向下依次连接抽油杆、抽油泵柱塞；油管三通向下依次连接油管、抽油泵，抽油泵下挂智能井下压力计，油管三通水平一端连接排水管；储水罐底依次连接水阀、回水管和套管；套管四通向下接套管，水平一端依次连接套压传感器、单流阀、气体增压泵、气体流量计、回气管和套管；

智能控制箱与电磁调速电机、气体流量计、套压传感器、智能井下压力计通过电缆连接传输信号，与负荷传感器、移动终端和服务器通过无线数据通信模块传输信号。

抽油泵采用Ф32 mm*4.5 m管式泵，泵筒下挂智能井下压力计，上接Ф73 mm油管，柱塞上接Ф22 mm抽油杆，抽油杆上接Ф28.6 mm光杆，光杆通过悬绳器与驴头上的钢丝绳连接；抽油机工作时，电磁调速电机，通过皮带带动抽油机减速箱皮带轮转动，经减速箱三轴两级减速后，由曲柄、连杆、横梁和游梁将旋转运动变为驴头、悬绳器、光杆和抽油杆的上下往复运动。抽油杆带动抽油泵柱塞把井筒中的水经抽油泵、油管、油管三通、排水管抽排到地面储水罐中，储水罐中的水再经罐体底部的回水管流入井筒中，形成水循环系统；抽油泵下挂的智能井下压力计可计量井底流压，进而可测算出动液面和泵的沉没度；安装在悬绳器的上负荷传感器在可监测抽油机工况。

井口套管四通、阀门、套压传感器、单流阀、气体增压泵、采气管、气体流量计、回气管依次连接，回气管埋入地下，水平段距地面0.2 m，与套管上侧开孔焊接。气体增压泵工作时，采气管中的空气在压差作用下，依次经过采气管、地下回气管、油套环空、井口套管四通、单流阀流动，形成气体循环系统。安装在采气管线上的气体流量计和套压传感器分别计量气体流量和井口套压。

上述模拟系统中，所述的智能控制箱包括数据采输和变频控制模块，通过所连接的各类传感器采集数据，并由无线数据远传通信模块上传数据到移动终端和服务器；通过电磁调速电机对抽油机进行远程或现场启、停和调速操作，实现排采自动监测和控制。

上述模拟系统中，模拟煤层气井的深度为25 ~30 m，采用外径Φ139.7 mm钢级N80的套管和水泥固井，套管底部加装特制N80钢级套管帽，做到1 MPa压力下不漏水；套管距地面下0.2 m和0.4 m处侧开孔，分别与回气管和回水管焊接；套管高出地面0.28 m接煤层气井口，包括套管四通和油管三通。

上述模拟系统中，储水罐模拟煤层气井排采水处理池，由钢板焊接而成，容积为0.8~1 m³，上方加可活动盖板，底座距地面高0.2 m，储水罐加上底座高不超过1.2 m，以方便进行产水量测试；回水管从储水罐底部接入，管口距罐内底面0.1 m，加滤网防异物进入，回水管在储水管底部与地面间安装水阀，用于控制回水流速，回水管其余部分埋入地下，水平段距地0.4 m，与套管下侧开孔焊接。

上述模拟系统中，所述的气体增压泵为电磁驱动柱塞加压方式工作，安装在采气管线上，由控制信号电缆与智能控制箱连接。

上述模拟系统中，所述的气体流量计为旋进漩涡流量计，由信号电缆与智能控制箱连接。

上述模拟系统中，所述的套压传感器为数字压力变送器，由信号电缆与智能控制箱连接。

上述模拟系统中，所述的智能井下压力计安装在抽油泵底部，测试井底压力和温度，压力精度为1 kPa，能够满足对液面变化的判断，由信号电缆与智能控制箱连接。

本发明提供了一种煤层气排采职业考核模拟方法，其操作方法为：

步骤1：根据实训教学要求，确定训练或考核项目；

步骤2：对煤层气模拟实训系统各设备进行完好性检查；

步骤3：接通智能控制箱电源，通过井下压力信息判断液面情况，确保抽油泵的沉没度不低于5 m，如液面达不到要求，则要求在储水罐中进行补水，通过储水箱下部的水阀控制油套环空液面。

步骤4：启动抽油机，根据训练或考核内容，再进行下一步操作。

本发明的有益效果：

从地面看，与煤层气开发井的排采设备、管道、测试仪表安装一致，使受训者得到职业岗位操作技能要求的实景训练。特别是通过气体增压泵实现了采气管线中空气的流动，在确保安全的前提下模拟了煤层气井的动态产气情况，将回气管道埋入地下与套管连接形成气体循环，从地面可以看作是采气管道埋入地下，通过地下集气管网将单井产气输送到集气站。回水管埋入地下与套管连接形成水循环，解决了产出水的问题，从地面可以看作是产出水经地下管道流入下一级水处理单元。

附图说明

图1为本发明的煤层气排采职业考核模拟系统结构示意图。

图中：1-智能井下压力计，2-抽油泵，3-套管，4-油管，5-抽油杆，6-水阀，7-回水管，8-回气管，9-储水罐，10-排水管，11-气体流量计，12-采气管，13-气体增压泵，14-单流阀，15-套压传感器，16-套管四通，17-油管三通，18-盘根盒，19-光杆，20-悬绳器，21-负荷传感器，22-钢丝绳，23-驴头，24-游梁，25-支架轴，26-横梁，27-横梁轴，28-游梁平衡块，29-支架，30-连杆，31-曲柄平衡块，32-曲柄销，33-曲柄，34-输出轴，35-减速箱，36-减速箱皮带轮，37-电磁调速电机，38-刹车装置，39-智能控制箱，40-底座。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1所示，一种煤层气排采职业考核模拟系统，模拟煤层气井及其排采控制系统，包括水循环子系统、气循环子系统、智能控制子系统和排采设备子系统；

水循环子系统由抽油泵2、油管4、油管三通17、排水管10、储水罐9、水阀6、回水管7组成；油管三通17位于盘根盒18下方，油管三通17向下依次连接油管4、抽油泵2，抽油泵2下挂智能井下压力计1，油管三通17水平一端连接排水管10；储水罐9底依次连接水阀6、回水管7和套管3；

气循环系统包括油套环空、套管四通、采气管、回气管；套管四通向下接套管，水平一端连接单流阀、气体增压泵、采气管、回气管和套管；

智能控制子系统由电磁调速电机、负荷传感器、气体流量计、套压传感器、智能井下压力计和智能控制箱组成；

气循环系统包括油套环空、套管四通16、单流阀14、气体增压泵13、采气管12、回气管8；套管四通16向下接套管3，水平一端连接单流阀14、气体增压泵13、采气管12、回气管8和套管3；

智能控制子系统由电磁调速电机37、负荷传感器21、气体流量计11、套压传感器15、智能井下压力计1和智能控制箱39组成；

采气管12上依次设有套压传感器15、单流阀14、气体增压泵13、气体流量计11；

排采设备子系统采用游梁式抽油机，游梁式抽油机包括底座40、支架29、刹车装置38、减速箱35、减速箱皮带轮36、曲柄33、连杆30、横梁26、游梁24、驴头23、悬绳器20、光杆19、抽油杆5；游梁式抽油机安装在井口旁，其底座40固定在水平面上，驴头23、悬绳器20正对井口；抽油机支架29、减速箱35、电磁调速电机37均固定在底座40上；驴头23通过悬绳器20连接光杆19，光杆19向下依次连接抽油杆5、抽油泵柱塞；

智能控制箱39与电磁调速电机37、气体流量计11、套压传感器15、智能井下压力计1通过电缆传输信号，与负荷传感器21、移动终端和服务器通过无线数据通信模块传输信号。

抽油泵2采用Ф32 mm*4.5 m管式泵，泵筒下挂智能井下压力计，上接Ф73 mm油管4，柱塞上接Ф22 mm抽油杆5，抽油杆5上接Ф28.6光杆19，光杆通过悬绳器20与驴头23上的钢丝绳22连接；抽油机工作时，电磁调速电机37通过皮带带动抽油机减速箱皮带轮36转动，经减速箱35三轴两级减速后，由曲柄33、连杆30、横梁26和游梁24将旋转运动变为驴头23、悬绳器20、光杆19和抽油杆5的上下往复运动。抽油杆5带动抽油泵柱塞把井筒中的水经抽油泵2、油管4、油管三通17、排水管10抽排到地面储水罐9中，储水罐9中的水再经罐体底部的回水管7流入井筒中，形成水循环系；抽油泵2下挂的智能井下压力计1可计量井底流压，进而可测算出动液面和泵的沉没度；安装在悬绳器的上负荷传感器在可监测抽油机工况。

井口套管四通16、阀门、套压传感器15、单流阀14、气体增压泵13、采气管12、气体流量计11、回气管8依次连接，回气管8埋入地下，水平段距地面0.2 m，与套管3上侧开孔焊接。气体增压泵13工作时，采气管中的空气在压差作用下，依次经过采气管、地下回气管、油套环空、井口套管四通、单流阀流动，形成气体循环系统。安装在采气管线上的气体流量计和套压传感器分别计量气体流量和井口套压。

上述模拟系统中，所述的智能控制箱39包括数据采输和变频控制模块，通过所连接的各类传感器采集数据，并由无线数据远传通信模块上传数据到移动终端和服务器；通过电磁调速电机对抽油机进行远程或现场启、停和调速操作，实现排采自动监测和控制。

上述模拟系统中，模拟煤层气井的深度为25 ~30 m，采用外径Φ139.7 mm钢级N80的套管和水泥固井，套管底部加装特制N80钢级套管帽，做到1 MPa压力下不漏水；套管距地面下0.2 m和0.4 m处侧开孔，分别与回气管和回水管焊接；套管高出地面0.28 m接煤层气井口，包括套管四通和油管三通。

上述模拟系统中，储水罐模拟煤层气井排采水处理池，由钢板焊接而成，容积为0.8~1 m³，上方加可活动盖板，底座距地面高0.2 m，储水罐加上底座高不超过1.2 m，以方便进行产水量测试；回水管从储水罐底部接入，管口距罐内底面0.1 m，加滤网防异物进入，回水管在储水管底部与地面间安装水阀，用于控制回水流速，回水管其余部分埋入地下，水平段距地0.4 m，与套管下侧开孔焊接。

上述模拟系统中，所述的气体增压泵为电磁驱动柱塞加压方式工作，安装在采气管线上，由控制信号电缆与智能控制箱连接。

上述模拟系统中，所述的气体流量计为旋进漩涡流量计，由信号电缆与智能控制箱连接。

上述模拟系统中，所述的套压传感器为数字压力变送器，由信号电缆与智能控制箱连接。

上述模拟系统中，所述的智能井下压力计安装在抽油泵底部，测试井底压力和温度，压力精度为1 kPa，能够满足对液面变化的判断，由信号电缆与智能控制箱连接。

本发明提供的模拟系统，其工作原理如下：

参照图1，通过智能控制箱39启动电磁调速电机37，电机通过皮带带动减速箱皮带轮36转动， 减速箱35通过输出轴34带动曲柄33、连杆30、横梁26、游梁24上下往复运动，游梁通过驴头23、钢丝绳22、悬绳器20、光杆19、抽油杆5带动抽油泵22柱塞做上、下冲程。上冲程时，水由柱塞上部经油管4、油管三通17、排水管10排出到储水罐9中，水经储水罐底部的回水管7回流到井中，形成水循环。实训中，可以通水阀6控制回流水的速度进而控制动液面，但要保证泵的沉没度不小于5 m，严禁液面低于泵体后开机运行。

通过智能控制箱启动气体增压泵13，采气管12中压力升高，形成压力差，管道中的空气在压力差的驱动下沿采气管12、回气管8、油套环空、套管四通16、单流阀14形成气体循环。安装在采气管线上套压传感器15和气体流量计11分别模拟计量井口套压和产气量，并将数据通过信号电缆传至智能控制箱，智能控制箱再通过无线数据远传通信模块上传至移动终端和服务器。

智能井下压力计1安装在抽油泵2下方，模拟计量井底流压和井下温度，通过井底流压可判断动液面和泵的沉没度。信号通过电缆传到智能控制箱。

负荷传感器21固定在悬绳器20上。测试功图时，将传感器电源打开，拉出位移线挂在盘根盒上，可测试冲程、冲次、最大/最小载荷、位移、电流参数，通过发射无线信号到智能控制箱。

本发明提供了一种煤层气排采职业考核模拟方法，其操作方法为：

步骤1：根据实训教学要求，确定训练或考核项目；

步骤2：对煤层气模拟实训系统各设备进行完好性检查；

步骤3：接通智能控制箱电源，通过井下压力信息判断液面情况，确保抽油泵的沉没度不低于5 m，如液面达不到要求，则要求在储水罐中进行补水，通过储水箱下部的水阀控制油套环空液面。

步骤4：启动抽油机，根据训练或考核内容，再进行下一步操作。

下面通过相应的操作实例来进一步说明本发明的模拟方法。

实施例一、抽油机防冲距调整操作

步骤1：确定训练或考核项目为抽油机防冲距调整操作；

步骤2：检查煤层气模拟实训系统各设备的完好性；

步骤3：接通智能控制箱39电源，通过井下压力信息判断液面及抽油泵2的沉没度是否达到开机要求，如不达要求则在储水罐9中进行补水使其达标。

步骤4：启动抽油机，根据实际情况确定调大或调小防冲距，将驴头23停在接近下死点的合适位置，停止抽油机，断开空气开关，拉紧刹车装置38，打好死刹。在盘根盒18上方卡好方卡子，松刹车使方卡子上平面缓慢上升到标记位置，装好方卡子，启动抽油机使驴头23卸掉负荷。

当需调小防冲距时，以悬绳器20上的方卡子上平面为基准向上量出应调整的尺寸，做好标记，将悬绳器20上的方卡子卸掉；当需调大防冲距时，以悬绳器20上的方卡子下平面为基准向下量出应调整的尺寸，做好标记，盘车或松刹车装置38使悬绳器20上平面到标记位置，卸下方卡子，将其重新装在悬绳器20上方。松刹车装置38使驴头23吃上负荷，卸掉井口方卡子，锉净光杆19毛刺，送电开机检查调整效果。

实施例二、抽油机井口更换盘根操作

步骤1：确定训练或考核项目为抽油机井口更换盘根操作；

步骤2：检查煤层气模拟实训系统各设备的完好性；

步骤3：接通智能控制箱39电源，通过井下压力信息判断液面及抽油泵2的沉没度是否达到开机要求，如不达要求则在储水罐9中进行补水使其达标。

步骤4：启动抽油机，将抽油机驴头23停在接近下死点位置，停止抽油机，断开空气开关，拉紧刹车装置38，打好死刹，记录停抽时间。

卸掉盘根压帽，取出盘根压盖，用细绳牢固地系于悬绳器20上。用螺丝刀迅速取出旧盘根，将涂有少量润滑脂的新盘根加入盘根盒18内，新盘根开口必须上下相邻错开120º~180º。将盘根压盖放入盘根盒18内并上好盘根压帽，松紧合适。打开死刹，松刹车装置38，送电开抽。检查盘根是否漏水，检查光杆19是否发热。记录启抽时间。

实施例三、抽油机更换负荷传感器操作

步骤1：确定训练或考核项目为抽油机更换负荷传感器操作；

步骤2：检查煤层气模拟实训系统各设备的完好性；

步骤3：接通智能控制箱39电源，通过井下压力信息判断液面及抽油泵2的沉没度是否达到开机要求，如不达要求则在储水罐9中进行补水使其达标。

步骤4：启动抽油机，将抽油机驴头23停在接近下死点位置，停止抽油机，断开空气开关，拉紧刹车装置38，打好死刹，记录停抽时间。

在盘根盒18上安装两个方卡子，用方卡子卡住光杆19，松刹车装置38，启动抽油机使驴头23卸载，拉紧刹车装置38，打好死刹。卸掉悬绳器20上的方卡子，将操作平台摆放在井口正前方，站在操作平台上更换负荷传感器21，重新上紧悬绳器20上的方卡子。打开死刹，慢松刹车挂上负荷。卸掉盘根盒18上的方卡子，锉净光杆19毛刺，送电开抽。检查更换效果，记录启抽时间。

Claims (9)

1.一种煤层气排采职业考核模拟系统，其特征在于：包括模拟煤层气井及其排采控制系统，包括水循环子系统、气循环子系统、智能控制子系统和排采设备子系统；

水循环子系统由抽油泵、油管、油管三通、排水管、储水罐、水阀、回水管组成；油管三通位于盘根盒下方，油管三通向下依次连接油管、抽油泵，抽油泵下挂智能井下压力计，油管三通水平一端连接排水管；储水罐底依次连接水阀、回水管和套管；

气循环系统包括油套环空、套管四通、单流阀、气体增压泵、采气管、回气管；套管四通向下接套管，水平一端连接单流阀、气体增压泵、采气管、回气管和套管；

智能控制子系统由电磁调速电机、负荷传感器、气体流量计、套压传感器、智能井下压力计和智能控制箱组成；

采气管上依次设有套压传感器、单流阀、气体增压泵、气体流量计；

排采设备子系统采用游梁式抽油机，游梁式抽油机包括底座、支架、刹车装置、减速器、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头、悬绳器、光杆、抽油杆；游梁式抽油机安装在井口旁，其底座固定在水泥基础上，驴头、悬绳器正对井口；抽油机支架、减速器、电磁调速电机均固定在底座上；驴头通过悬绳器连接光杆，光杆向下依次连接抽油杆、抽油泵柱塞；

智能控制箱与电磁调速电机、气体流量计、套压传感器、智能井下压力计通过电缆传输信号，与负荷传感器、移动终端和服务器通过无线数据通信模块传输信号。

2.根据权利要求1所述的煤层气排采职业考核模拟系统，其特征在于：所述的智能控制箱包括数据采输和变频控制模块，通过所连接的各类传感器采集数据，并由无线数据远传通信模块上传数据到移动终端和服务器；通过电磁调速电机对抽油机进行远程或现场启、停和调速操作，实现排采自动监测和控制。

3.根据权利要求1所述的煤层气排采职业考核模拟系统，其特征在于：模拟煤层气井的深度为25 ~30 m，采用Φ139.7 mm钢级N80套管和水泥固井，套管底部加装特制N80钢级套管帽，做到1 MPa压力下不漏水；套管距地面下0.2 m和0.4 m处侧开孔，分别与回气管和回水管焊接；套管高出地面0.28 m接煤层气井口，包括套管四通和油管三通。

4.根据权利要求1所述的煤层气排采职业考核模拟系统，其特征在于：储水罐模拟煤层气井排采水处理池，由钢板焊接而成，容积为0.8~1 m³，上方加可活动盖板，底座距地面高0.2 m，储水罐加上底座高不超过1.2 m，以方便进行产水量测试；回水管从储水罐底部接入，管口距罐内底面0.1 m，加滤网防异物进入，回水管在储水管底部与地面间安装水阀，用于控制回水流速，回水管其余部分埋入地下，水平段距地0.4 m，与套管下侧开孔焊接。

5.根据权利要求1所述的煤层气排采职业考核模拟系统，其特征在于：所述的气体增压泵为电磁驱动柱塞加压方式工作，安装在采气管线上，由控制信号电缆与智能控制箱连接。

6.根据权利要求1所述的煤层气排采职业考核模拟系统，其特征在于：所述的气体流量计为旋进漩涡流量计，由信号电缆与智能控制箱连接。

7.根据权利要求1所述的煤层气排采职业考核模拟系统，其特征在于：所述的套压传感器为数字压力变送器，由信号电缆与智能控制箱连接。

8.根据权利要求1所述的煤层气排采职业考核模拟系统，其特征在于：所述的智能井下压力计安装在抽油泵底部，测试井底压力和温度，压力精度为1 kPa，能够满足对液面变化的判断，由信号电缆与智能控制箱连接。

9.一种煤层气排采职业考核模拟方法，采用权利要求1~8任一项所述的煤层气排采职业考核模拟系统，其特征在于：操作方法为：

步骤1：根据实训教学要求，确定训练或考核项目；

步骤2：对煤层气模拟实训系统各设备进行完好性检查；

步骤3： 接通智能控制箱电源，通过井下压力信息判断液面情况，确保抽油泵的沉没度不低于5 m，如液面达不到要求，则要求在储水罐中进行补水，通过储水箱下部的水阀控制油套环空液面；

步骤4：启动抽油机，根据训练或考核内容，再进行下一步操作。