本發(fā)明涉及一種煤層氣排采職業(yè)考核模擬系統(tǒng)及方法，屬于煤層氣排采技術領域。
背景技術：
在現(xiàn)代職業(yè)教育和企業(yè)員工上崗位操作技能培訓中，常采用一些模擬實訓系統(tǒng)進行操作技能訓練和考核，受訓者在接近生產現(xiàn)場環(huán)境的實景訓練中，掌握職業(yè)崗位所需的操作技能，為企業(yè)培養(yǎng)生產中急需的高技能人才。目前，現(xiàn)有排水采氣模擬實訓裝置雖然從結構上與氣井生產基本一致，能夠進行氣井生產設備的基本操作訓練。但是，這些模擬氣井中均無生產氣體的流動，無法采集氣體流量、套壓的生產數據；同時，由于模擬井深只有30m左右，采用井口液面儀很難準確測到動液面的變化，對井底流壓也無法準確判斷。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種煤層氣排采職業(yè)考核模擬系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)油管排水、油套環(huán)空采氣，通過智能控制系統(tǒng)實時監(jiān)測抽油機工作狀況、產氣量、套壓、井底流壓，并將數據無線上傳，可遠程和現(xiàn)場進行參數設置，通過變頻控制模塊自動控制排水降壓速度，執(zhí)行煤層氣井排采所要求的“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定”六字排采方針。
本發(fā)明提供了一種煤層氣排采職業(yè)考核模擬系統(tǒng)，模擬煤層氣井及其排采控制系統(tǒng)，包括水循環(huán)子系統(tǒng)、氣循環(huán)子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)和排采設備子系統(tǒng)；
水循環(huán)子系統(tǒng)由抽油泵、油管、油管三通、排水管、儲水罐、水閥、回水管組成；氣循環(huán)系統(tǒng)由油套環(huán)空、套管四通、單流閥、氣體增壓泵、回氣管組成；智能控制子系統(tǒng)由電磁調速電機、負荷傳感器、氣體流量計、套壓傳感器、智能井下壓力計和智能控制箱組成；排采設備子系統(tǒng)采用游梁式抽油機，由底座、支架、剎車裝置、減速箱、曲柄、連桿、橫梁、游梁、驢頭、懸繩器、光桿、抽油桿組成。
游梁式抽油機安裝在井口旁，其底座固定在水泥基礎上，驢頭、懸繩器正對井口；抽油機支架、減速器、電磁調速電機均固定在底座上；驢頭通過懸繩器連接光桿，光桿向下依次連接抽油桿、抽油泵柱塞；油管三通向下依次連接油管、抽油泵，抽油泵下掛智能井下壓力計，油管三通水平一端連接排水管；儲水罐底依次連接水閥、回水管和套管；套管四通向下接套管，水平一端依次連接套壓傳感器、單流閥、氣體增壓泵、氣體流量計、回氣管和套管；
智能控制箱與電磁調速電機、氣體流量計、套壓傳感器、智能井下壓力計通過電纜連接傳輸信號，與負荷傳感器、移動終端和服務器通過無線數據通信模塊傳輸信號。
抽油泵采用ф32mm*4.5m管式泵，泵筒下掛智能井下壓力計，上接ф73mm油管，柱塞上接ф22mm抽油桿，抽油桿上接ф28.6mm光桿，光桿通過懸繩器與驢頭上的鋼絲繩連接；抽油機工作時，電磁調速電機，通過皮帶帶動抽油機減速箱皮帶輪轉動，經減速箱三軸兩級減速后，由曲柄、連桿、橫梁和游梁將旋轉運動變?yōu)轶H頭、懸繩器、光桿和抽油桿的上下往復運動。抽油桿帶動抽油泵柱塞把井筒中的水經抽油泵、油管、油管三通、排水管抽排到地面儲水罐中，儲水罐中的水再經罐體底部的回水管流入井筒中，形成水循環(huán)系統(tǒng)；抽油泵下掛的智能井下壓力計可計量井底流壓，進而可測算出動液面和泵的沉沒度；安裝在懸繩器的上負荷傳感器在可監(jiān)測抽油機工況。
井口套管四通、閥門、套壓傳感器、單流閥、氣體增壓泵、采氣管、氣體流量計、回氣管依次連接，回氣管埋入地下，水平段距地面0.2m，與套管上側開孔焊接。氣體增壓泵工作時，采氣管中的空氣在壓差作用下，依次經過采氣管、地下回氣管、油套環(huán)空、井口套管四通、單流閥流動，形成氣體循環(huán)系統(tǒng)。安裝在采氣管線上的氣體流量計和套壓傳感器分別計量氣體流量和井口套壓。
上述模擬系統(tǒng)中，所述的智能控制箱包括數據采輸和變頻控制模塊，通過所連接的各類傳感器采集數據，并由無線數據遠傳通信模塊上傳數據到移動終端和服務器；通過電磁調速電機對抽油機進行遠程或現(xiàn)場啟、停和調速操作，實現(xiàn)排采自動監(jiān)測和控制。
上述模擬系統(tǒng)中，模擬煤層氣井的深度為25~30m，采用外徑φ139.7mm鋼級n80的套管和水泥固井，套管底部加裝特制n80鋼級套管帽，做到1mpa壓力下不漏水；套管距地面下0.2m和0.4m處側開孔，分別與回氣管和回水管焊接；套管高出地面0.28m接煤層氣井口，包括套管四通和油管三通。
上述模擬系統(tǒng)中，儲水罐模擬煤層氣井排采水處理池，由鋼板焊接而成，容積為0.8~1m3，上方加可活動蓋板，底座距地面高0.2m，儲水罐加上底座高不超過1.2m，以方便進行產水量測試；回水管從儲水罐底部接入，管口距罐內底面0.1m，加濾網防異物進入，回水管在儲水管底部與地面間安裝水閥，用于控制回水流速，回水管其余部分埋入地下，水平段距地0.4m，與套管下側開孔焊接。
上述模擬系統(tǒng)中，所述的氣體增壓泵為電磁驅動柱塞加壓方式工作，安裝在采氣管線上，由控制信號電纜與智能控制箱連接。
上述模擬系統(tǒng)中，所述的氣體流量計為旋進漩渦流量計，由信號電纜與智能控制箱連接。
上述模擬系統(tǒng)中，所述的套壓傳感器為數字壓力變送器，由信號電纜與智能控制箱連接。
上述模擬系統(tǒng)中，所述的智能井下壓力計安裝在抽油泵底部，測試井底壓力和溫度，壓力精度為1kpa，能夠滿足對液面變化的判斷，由信號電纜與智能控制箱連接。
本發(fā)明提供了一種煤層氣排采職業(yè)考核模擬方法，其操作方法為：
步驟1：根據實訓教學要求，確定訓練或考核項目；
步驟2：對煤層氣模擬實訓系統(tǒng)各設備進行完好性檢查；
步驟3：接通智能控制箱電源，通過井下壓力信息判斷液面情況，確保抽油泵的沉沒度不低于5m，如液面達不到要求，則要求在儲水罐中進行補水，通過儲水箱下部的水閥控制油套環(huán)空液面。
步驟4：啟動抽油機，根據訓練或考核內容，再進行下一步操作。
本發(fā)明的有益效果：
從地面看，與煤層氣開發(fā)井的排采設備、管道、測試儀表安裝一致，使受訓者得到職業(yè)崗位操作技能要求的實景訓練。特別是通過氣體增壓泵實現(xiàn)了采氣管線中空氣的流動，在確保安全的前提下模擬了煤層氣井的動態(tài)產氣情況，將回氣管道埋入地下與套管連接形成氣體循環(huán)，從地面可以看作是采氣管道埋入地下，通過地下集氣管網將單井產氣輸送到集氣站?；厮苈袢氲叵屡c套管連接形成水循環(huán)，解決了產出水的問題，從地面可以看作是產出水經地下管道流入下一級水處理單元。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的煤層氣排采職業(yè)考核模擬系統(tǒng)結構示意圖。
圖中：1-智能井下壓力計，2-抽油泵，3-套管，4-油管，5-抽油桿，6-水閥，7-回水管，8-回氣管，9-儲水罐，10-排水管，11-氣體流量計，12-采氣管，13-氣體增壓泵，14-單流閥，15-套壓傳感器，16-套管四通，17-油管三通，18-盤根盒，19-光桿，20-懸繩器，21-負荷傳感器，22-鋼絲繩，23-驢頭，24-游梁，25-支架軸，26-橫梁，27-橫梁軸，28-游梁平衡塊，29-支架，30-連桿，31-曲柄平衡塊，32-曲柄銷，33-曲柄，34-輸出軸，35-減速箱，36-減速箱皮帶輪，37-電磁調速電機，38-剎車裝置，39-智能控制箱，40-底座。
具體實施方式
下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。
實施例1：
如圖1所示，一種煤層氣排采職業(yè)考核模擬系統(tǒng)，模擬煤層氣井及其排采控制系統(tǒng)，包括水循環(huán)子系統(tǒng)、氣循環(huán)子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)和排采設備子系統(tǒng)；
水循環(huán)子系統(tǒng)由抽油泵2、油管4、油管三通17、排水管10、儲水罐9、水閥6、回水管7組成；油管三通17位于盤根盒18下方，油管三通17向下依次連接油管4、抽油泵2，抽油泵2下掛智能井下壓力計1，油管三通17水平一端連接排水管10；儲水罐9底依次連接水閥6、回水管7和套管3；
氣循環(huán)系統(tǒng)包括油套環(huán)空、套管四通、采氣管、回氣管；套管四通向下接套管，水平一端連接單流閥、氣體增壓泵、采氣管、回氣管和套管；
智能控制子系統(tǒng)由電磁調速電機、負荷傳感器、氣體流量計、套壓傳感器、智能井下壓力計和智能控制箱組成；
氣循環(huán)系統(tǒng)包括油套環(huán)空、套管四通16、單流閥14、氣體增壓泵13、采氣管12、回氣管8；套管四通16向下接套管3，水平一端連接單流閥14、氣體增壓泵13、采氣管12、回氣管8和套管3；
智能控制子系統(tǒng)由電磁調速電機37、負荷傳感器21、氣體流量計11、套壓傳感器15、智能井下壓力計1和智能控制箱39組成；
采氣管12上依次設有套壓傳感器15、單流閥14、氣體增壓泵13、氣體流量計11；
排采設備子系統(tǒng)采用游梁式抽油機，游梁式抽油機包括底座40、支架29、剎車裝置38、減速箱35、減速箱皮帶輪36、曲柄33、連桿30、橫梁26、游梁24、驢頭23、懸繩器20、光桿19、抽油桿5；游梁式抽油機安裝在井口旁，其底座40固定在水平面上，驢頭23、懸繩器20正對井口；抽油機支架29、減速箱35、電磁調速電機37均固定在底座40上；驢頭23通過懸繩器20連接光桿19，光桿19向下依次連接抽油桿5、抽油泵柱塞；
智能控制箱39與電磁調速電機37、氣體流量計11、套壓傳感器15、智能井下壓力計1通過電纜傳輸信號，與負荷傳感器21、移動終端和服務器通過無線數據通信模塊傳輸信號。
抽油泵2采用ф32mm*4.5m管式泵，泵筒下掛智能井下壓力計，上接ф73mm油管4，柱塞上接ф22mm抽油桿5，抽油桿5上接ф28.6光桿19，光桿通過懸繩器20與驢頭23上的鋼絲繩22連接；抽油機工作時，電磁調速電機37通過皮帶帶動抽油機減速箱皮帶輪36轉動，經減速箱35三軸兩級減速后，由曲柄33、連桿30、橫梁26和游梁24將旋轉運動變?yōu)轶H頭23、懸繩器20、光桿19和抽油桿5的上下往復運動。抽油桿5帶動抽油泵柱塞把井筒中的水經抽油泵2、油管4、油管三通17、排水管10抽排到地面儲水罐9中，儲水罐9中的水再經罐體底部的回水管7流入井筒中，形成水循環(huán)系；抽油泵2下掛的智能井下壓力計1可計量井底流壓，進而可測算出動液面和泵的沉沒度；安裝在懸繩器的上負荷傳感器在可監(jiān)測抽油機工況。
井口套管四通16、閥門、套壓傳感器15、單流閥14、氣體增壓泵13、采氣管12、氣體流量計11、回氣管8依次連接，回氣管8埋入地下，水平段距地面0.2m，與套管3上側開孔焊接。氣體增壓泵13工作時，采氣管中的空氣在壓差作用下，依次經過采氣管、地下回氣管、油套環(huán)空、井口套管四通、單流閥流動，形成氣體循環(huán)系統(tǒng)。安裝在采氣管線上的氣體流量計和套壓傳感器分別計量氣體流量和井口套壓。
上述模擬系統(tǒng)中，所述的智能控制箱39包括數據采輸和變頻控制模塊，通過所連接的各類傳感器采集數據，并由無線數據遠傳通信模塊上傳數據到移動終端和服務器；通過電磁調速電機對抽油機進行遠程或現(xiàn)場啟、停和調速操作，實現(xiàn)排采自動監(jiān)測和控制。
上述模擬系統(tǒng)中，模擬煤層氣井的深度為25~30m，采用外徑φ139.7mm鋼級n80的套管和水泥固井，套管底部加裝特制n80鋼級套管帽，做到1mpa壓力下不漏水；套管距地面下0.2m和0.4m處側開孔，分別與回氣管和回水管焊接；套管高出地面0.28m接煤層氣井口，包括套管四通和油管三通。
上述模擬系統(tǒng)中，儲水罐模擬煤層氣井排采水處理池，由鋼板焊接而成，容積為0.8~1m3，上方加可活動蓋板，底座距地面高0.2m，儲水罐加上底座高不超過1.2m，以方便進行產水量測試；回水管從儲水罐底部接入，管口距罐內底面0.1m，加濾網防異物進入，回水管在儲水管底部與地面間安裝水閥，用于控制回水流速，回水管其余部分埋入地下，水平段距地0.4m，與套管下側開孔焊接。
上述模擬系統(tǒng)中，所述的氣體增壓泵為電磁驅動柱塞加壓方式工作，安裝在采氣管線上，由控制信號電纜與智能控制箱連接。
上述模擬系統(tǒng)中，所述的氣體流量計為旋進漩渦流量計，由信號電纜與智能控制箱連接。
上述模擬系統(tǒng)中，所述的套壓傳感器為數字壓力變送器，由信號電纜與智能控制箱連接。
上述模擬系統(tǒng)中，所述的智能井下壓力計安裝在抽油泵底部，測試井底壓力和溫度，壓力精度為1kpa，能夠滿足對液面變化的判斷，由信號電纜與智能控制箱連接。
本發(fā)明提供的模擬系統(tǒng)，其工作原理如下：
參照圖1，通過智能控制箱39啟動電磁調速電機37，電機通過皮帶帶動減速箱皮帶輪36轉動，減速箱35通過輸出軸34帶動曲柄33、連桿30、橫梁26、游梁24上下往復運動，游梁通過驢頭23、鋼絲繩22、懸繩器20、光桿19、抽油桿5帶動抽油泵22柱塞做上、下沖程。上沖程時，水由柱塞上部經油管4、油管三通17、排水管10排出到儲水罐9中，水經儲水罐底部的回水管7回流到井中，形成水循環(huán)。實訓中，可以通水閥6控制回流水的速度進而控制動液面，但要保證泵的沉沒度不小于5m，嚴禁液面低于泵體后開機運行。
通過智能控制箱啟動氣體增壓泵13，采氣管12中壓力升高，形成壓力差，管道中的空氣在壓力差的驅動下沿采氣管12、回氣管8、油套環(huán)空、套管四通16、單流閥14形成氣體循環(huán)。安裝在采氣管線上套壓傳感器15和氣體流量計11分別模擬計量井口套壓和產氣量，并將數據通過信號電纜傳至智能控制箱，智能控制箱再通過無線數據遠傳通信模塊上傳至移動終端和服務器。
智能井下壓力計1安裝在抽油泵2下方，模擬計量井底流壓和井下溫度，通過井底流壓可判斷動液面和泵的沉沒度。信號通過電纜傳到智能控制箱。
負荷傳感器21固定在懸繩器20上。測試功圖時，將傳感器電源打開，拉出位移線掛在盤根盒上，可測試沖程、沖次、最大/最小載荷、位移、電流參數，通過發(fā)射無線信號到智能控制箱。
本發(fā)明提供了一種煤層氣排采職業(yè)考核模擬方法，其操作方法為：
步驟1：根據實訓教學要求，確定訓練或考核項目；
步驟2：對煤層氣模擬實訓系統(tǒng)各設備進行完好性檢查；
步驟3：接通智能控制箱電源，通過井下壓力信息判斷液面情況，確保抽油泵的沉沒度不低于5m，如液面達不到要求，則要求在儲水罐中進行補水，通過儲水箱下部的水閥控制油套環(huán)空液面。
步驟4：啟動抽油機，根據訓練或考核內容，再進行下一步操作。
下面通過相應的操作實例來進一步說明本發(fā)明的模擬方法。
實施例一、抽油機防沖距調整操作
步驟1：確定訓練或考核項目為抽油機防沖距調整操作；
步驟2：檢查煤層氣模擬實訓系統(tǒng)各設備的完好性；
步驟3：接通智能控制箱39電源，通過井下壓力信息判斷液面及抽油泵2的沉沒度是否達到開機要求，如不達要求則在儲水罐9中進行補水使其達標。
步驟4：啟動抽油機，根據實際情況確定調大或調小防沖距，將驢頭23停在接近下死點的合適位置，停止抽油機，斷開空氣開關，拉緊剎車裝置38，打好死剎。在盤根盒18上方卡好方卡子，松剎車使方卡子上平面緩慢上升到標記位置，裝好方卡子，啟動抽油機使驢頭23卸掉負荷。
當需調小防沖距時，以懸繩器20上的方卡子上平面為基準向上量出應調整的尺寸，做好標記，將懸繩器20上的方卡子卸掉；當需調大防沖距時，以懸繩器20上的方卡子下平面為基準向下量出應調整的尺寸，做好標記，盤車或松剎車裝置38使懸繩器20上平面到標記位置，卸下方卡子，將其重新裝在懸繩器20上方。松剎車裝置38使驢頭23吃上負荷，卸掉井口方卡子，銼凈光桿19毛刺，送電開機檢查調整效果。
實施例二、抽油機井口更換盤根操作
步驟1：確定訓練或考核項目為抽油機井口更換盤根操作；
步驟2：檢查煤層氣模擬實訓系統(tǒng)各設備的完好性；
步驟3：接通智能控制箱39電源，通過井下壓力信息判斷液面及抽油泵2的沉沒度是否達到開機要求，如不達要求則在儲水罐9中進行補水使其達標。
步驟4：啟動抽油機，將抽油機驢頭23停在接近下死點位置，停止抽油機，斷開空氣開關，拉緊剎車裝置38，打好死剎，記錄停抽時間。
卸掉盤根壓帽，取出盤根壓蓋，用細繩牢固地系于懸繩器20上。用螺絲刀迅速取出舊盤根，將涂有少量潤滑脂的新盤根加入盤根盒18內，新盤根開口必須上下相鄰錯開120o~180o。將盤根壓蓋放入盤根盒18內并上好盤根壓帽，松緊合適。打開死剎，松剎車裝置38，送電開抽。檢查盤根是否漏水，檢查光桿19是否發(fā)熱。記錄啟抽時間。
實施例三、抽油機更換負荷傳感器操作
步驟1：確定訓練或考核項目為抽油機更換負荷傳感器操作；
步驟2：檢查煤層氣模擬實訓系統(tǒng)各設備的完好性；
步驟3：接通智能控制箱39電源，通過井下壓力信息判斷液面及抽油泵2的沉沒度是否達到開機要求，如不達要求則在儲水罐9中進行補水使其達標。
步驟4：啟動抽油機，將抽油機驢頭23停在接近下死點位置，停止抽油機，斷開空氣開關，拉緊剎車裝置38，打好死剎，記錄停抽時間。
在盤根盒18上安裝兩個方卡子，用方卡子卡住光桿19，松剎車裝置38，啟動抽油機使驢頭23卸載，拉緊剎車裝置38，打好死剎。卸掉懸繩器20上的方卡子，將操作平臺擺放在井口正前方，站在操作平臺上更換負荷傳感器21，重新上緊懸繩器20上的方卡子。打開死剎，慢松剎車掛上負荷。卸掉盤根盒18上的方卡子，銼凈光桿19毛刺，送電開抽。檢查更換效果，記錄啟抽時間。