一種遠(yuǎn)程自動(dòng)投放球形泡排藥劑裝置的研制及應(yīng)用

宋漢華宋 劼劉丹丹茹志娟韓 勇魏 瑋

（1.長(zhǎng)慶油田公司蘇里格氣田研究中心，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；3.長(zhǎng)慶油田公司超低滲透油藏第四項(xiàng)目部，甘肅西峰 745000；4.長(zhǎng)慶油田公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500；5.西安交通大學(xué)，陜西西安 710049）

一種遠(yuǎn)程自動(dòng)投放球形泡排藥劑裝置的研制及應(yīng)用

宋漢華1，2宋 劼3劉丹丹4茹志娟1，2韓 勇1，2魏 瑋5

（1.長(zhǎng)慶油田公司蘇里格氣田研究中心，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；3.長(zhǎng)慶油田公司超低滲透油藏第四項(xiàng)目部，甘肅西峰 745000；4.長(zhǎng)慶油田公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500；5.西安交通大學(xué)，陜西西安 710049）

針對(duì)氣井產(chǎn)水積液?jiǎn)栴}，蘇里格氣田主要采用泡沫排水采氣工藝。傳統(tǒng)的泡沫排水采氣工藝通過(guò)車(chē)載人工加注的方式進(jìn)行，工作量大，施工成本高，氣井不易管理。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求和井口工況，研發(fā)了一種可以遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)投放固體球形泡排藥劑的裝置，增加了藥劑發(fā)泡時(shí)間，提高了藥劑使用效率，同時(shí)有效降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和人工成本。該裝置能耗較低，通過(guò)太陽(yáng)能電池板供電，可以滿足定時(shí)間、定數(shù)量、定次數(shù)排水采氣加藥需求；儲(chǔ)球筒設(shè)計(jì)為常壓狀態(tài)，工人添加泡排球方便靈活。該項(xiàng)技術(shù)的成功試驗(yàn)，為蘇里格氣田數(shù)字化排水采氣提供了一種新思路，應(yīng)用前景廣闊，建議進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

排水采氣； 泡沫排水；遠(yuǎn)程控制； 自動(dòng)投球；蘇里格氣田

隨著蘇里格氣田開(kāi)發(fā)的不斷深入，氣井壓力下降和產(chǎn)水量逐年增加，導(dǎo)致氣井嚴(yán)重積液甚至停產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蘇里格氣田產(chǎn)水積液氣井已經(jīng)占20%以上（目前蘇里格氣田已經(jīng)投產(chǎn)幾千口井）。因此，排水采氣工作的緊迫性日益突出。蘇里格氣田主要采用泡沫排水采氣工藝［1-2］。常規(guī)泡沫排水采氣工藝是通過(guò)車(chē)載加注或人工投棒加注泡排藥劑，工作效率低，如遇雨雪天氣，對(duì)路況差和偏遠(yuǎn)井加藥得不到保證，無(wú)法滿足氣田排水采氣要求。因此，在蘇里格氣田已經(jīng)建成數(shù)字化氣田的大背景下［3-4］，泡排加注工藝也必然沿著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展［5］。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)泡排藥劑加注工作量大的問(wèn)題，為減少氣田泡排工作量，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高排水采氣效率，近年來(lái)蘇里格氣田積極開(kāi)展遠(yuǎn)程自動(dòng)加注裝置試驗(yàn)。從2010年開(kāi)始，分別開(kāi)展了太陽(yáng)能智能泵加藥試驗(yàn)、平衡罐自動(dòng)加注泡排球自動(dòng)加注、泡排棒自動(dòng)加注新方法試驗(yàn)等，均實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制自動(dòng)加注泡排劑的功能。但也暴露了一定的不足：平衡罐設(shè)備體積較大、笨重，太陽(yáng)能智能泵設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，且兩者注入的均是液體藥劑，發(fā)泡時(shí)間較短，或藥劑掛壁嚴(yán)重，不能全部到達(dá)井底，影響藥劑使用效率；泡排棒自動(dòng)加注裝置實(shí)現(xiàn)了固體藥劑加注，但由于棒體太長(zhǎng)，遇水發(fā)黏后易堵塞通道，且由于裝置承受高壓，加藥過(guò)程必須放壓并拆卸儲(chǔ)藥筒上封蓋，添加藥劑不方便，增加了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，需要研發(fā)體積輕巧、易于安裝和管理的遠(yuǎn)程控制排水采氣裝置，通過(guò)投放固體藥劑控制藥劑發(fā)泡時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化排水采氣工藝。

1 自動(dòng)加注泡排球裝置

設(shè)備由裝置部分和控制器部分組成［6-8］，直接安裝到采氣井口上。裝置部分（圖1）主要由驅(qū)動(dòng)部件、撥輪、投球活塞、球閥、密封端蓋、下閥體、主閥體、承壓儲(chǔ)球筒等組成，負(fù)責(zé)完成入井藥劑的加裝及投放；控制器部分主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作。利用井口太陽(yáng)能供電系統(tǒng)提供弱電控制，即可實(shí)現(xiàn)投球加藥作業(yè)。

圖1 自動(dòng)加注泡排球裝置

1.1 藥劑

為了更有利于控制藥劑發(fā)泡時(shí)間和發(fā)泡效果，選擇固體泡排藥劑。考慮到棒形藥劑太長(zhǎng)，遇水膨脹變黏后易卡死在通道，本次設(shè)計(jì)將棒形藥劑縮短為球形。

目前蘇里格氣田氣井采氣樹(shù)基本上都是采氣KQ65/70型，采氣樹(shù)通徑為65 mm，為有利于泡排球順利通過(guò)，將泡排球的直徑定為40 mm。

1.2 主控閥

主控閥（圖2）在設(shè)計(jì)時(shí)參照低轉(zhuǎn)矩球閥的結(jié)構(gòu)原理，結(jié)合進(jìn)口及出口單向雙密封設(shè)計(jì)保證主閥的氣密性及工作壽命，單向雙密封的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)由下向上的截止密封，但上部活塞壓縮生成的壓力可以由上向下導(dǎo)通不密封，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的不放空設(shè)計(jì)。進(jìn)而避免了常規(guī)氣井井口作業(yè)過(guò)程中放空帶來(lái)的污染問(wèn)題。

圖2 主控閥

1.3 儲(chǔ)球筒

儲(chǔ)球筒放置在裝置側(cè)面，在中間通道內(nèi)增加密封活塞，給泡排球下行提供推力，當(dāng)活塞停到下位時(shí)，在密封活塞的作用下，使儲(chǔ)球筒與主控閥的高壓部分隔離開(kāi)來(lái)，儲(chǔ)球筒處于常壓狀態(tài)，方便添加泡排球。

儲(chǔ)球筒設(shè)計(jì)成圓柱形儲(chǔ)球筒，一方面靠重力自由下落，另一方面依靠電機(jī)帶動(dòng)投球撥輪強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)泡排球，確保個(gè)別不太規(guī)則的泡排球能順利下落。同時(shí)儲(chǔ)球筒圓柱旋轉(zhuǎn)獨(dú)特設(shè)計(jì)，更有利于儲(chǔ)存更多泡排球，減少人工井口補(bǔ)藥周期。

1.4 投球撥輪

在儲(chǔ)球筒與中間通道之間設(shè)計(jì)投球撥輪，使泡排球強(qiáng)制送入中間通道，這種結(jié)構(gòu)能防止泡排球在通道內(nèi)堵塞，投球動(dòng)作準(zhǔn)確。

投球撥輪設(shè)計(jì)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)，與投球活塞同步運(yùn)行。投球撥輪上留有月牙形缺口，用于傳送泡排球。投球撥輪上挖3個(gè)直徑38 mm孔，以減輕零件質(zhì)量（見(jiàn)圖3）。

圖3 投球撥輪

2 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由控制器及通訊系統(tǒng)組成。自動(dòng)投球裝置上的控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它下掛有液晶顯示屏、控制鍵盤(pán)、遙控控制接口和RS-485接口。同時(shí)，它有5組位置傳感器接口和3組電機(jī)控制接口。通過(guò)人機(jī)接口來(lái)設(shè)定運(yùn)行參數(shù)和顯示工作狀態(tài)，通過(guò)位置傳感器來(lái)確定當(dāng)前整個(gè)裝置的工作情況，通過(guò)電機(jī)控制接口控制裝置執(zhí)行預(yù)定動(dòng)作。

通訊系統(tǒng)采用井口無(wú)線電臺(tái)遠(yuǎn)程傳輸。井口無(wú)線電臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)電纜與自動(dòng)投球裝置控制器上RS-485接口相連。投球指令通過(guò)控制器RS-485接口傳輸給控制器。指令經(jīng)控制器處理后，把執(zhí)行指令信號(hào)發(fā)給自動(dòng)投球裝置上的3個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)投球動(dòng)作。

2.2 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)校核

由于蘇里格氣田井口沒(méi)有有線電源，井口設(shè)備用電只能通過(guò)太陽(yáng)能系統(tǒng)供電，因此，要保證遠(yuǎn)程自動(dòng)投球裝置能正常運(yùn)行，必須確保裝置能實(shí)現(xiàn)小功率、大扭矩的功能。

根據(jù)設(shè)計(jì)，該遠(yuǎn)程自動(dòng)加注泡排球裝置的基本技術(shù)參數(shù)為：公稱(chēng)壓力25 MPa；工作電壓DC24V；供電方式： 太陽(yáng)能電池板+蓄電池供電（太陽(yáng)能板100 W，蓄電池100 A·h）；額定功率150 W（活塞電機(jī)100 W，儲(chǔ)球桶電機(jī)10 W，主閥體電機(jī)40 W）；最大裝藥數(shù)量150，可滿足10~25天的加藥要求；每次投球個(gè)數(shù)1~2個(gè)；總高度1.2 m。

按照每天投球10~20次，取最高20次計(jì)算，每次投球工作時(shí)間約3 min，工作電流6.25 A，因此設(shè)備每天工作消耗電池容量為6.25 A·h。設(shè)備每天待機(jī)功率為0.5 W，待機(jī)時(shí)間為23 h，則設(shè)備每天待機(jī)消耗電池容量0.45 A·h。在陰雨天太陽(yáng)能板蓄電池能持續(xù)工作時(shí)間為14.9 d。

根據(jù)烏審旗全年天氣情況，太陽(yáng)能板蓄電池可滿足較長(zhǎng)時(shí)間陰雨天對(duì)設(shè)備的供電需求。

3 工作原理

3.1 自動(dòng)投球原理

（1）在原始工作狀態(tài)下，主連軸球芯球口向下，投球活塞端面貼向連軸球芯球面，投球控制撥輪口對(duì)準(zhǔn)泡排球等待區(qū)（笫1次只投下1個(gè)泡排球，另一個(gè)泡排球在等待區(qū)停留）。

（2）工作時(shí)，主連軸球芯球口向下，投球活塞向上運(yùn)動(dòng)，投球控制撥輪同步正轉(zhuǎn)—周，撥輪月牙形缺口對(duì)準(zhǔn)泡排球等待區(qū)，此時(shí)泡排球落入缸體。

（3）投球活塞向下運(yùn)動(dòng)，活塞進(jìn)入缸體密封暫停，投球控制撥輪同步反轉(zhuǎn)。

（4）主連軸球芯球口向上，兩個(gè)泡排球掉入球芯。

（5）投球活塞向下運(yùn)動(dòng)，活塞端面貼向連軸球芯球面，投球控制撥輪同步反轉(zhuǎn)，撥輪月牙形缺口對(duì)準(zhǔn)泡排球等待區(qū)。

（6）主連軸球芯球口向下，泡排球掉入氣井，完成—次投球過(guò)程。

3.2 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制原理

遠(yuǎn)程客戶(hù)端發(fā)出投放泡排球指令，指令通過(guò)光纜傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，再經(jīng)光纜把指令傳輸?shù)郊瘹庹菊究叵到y(tǒng)，站控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳輸，把指令傳輸給井口無(wú)線電臺(tái)，通過(guò)自動(dòng)投球裝置上的控制器執(zhí)行投球動(dòng)作（見(jiàn)圖4）。

圖4 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制投球系統(tǒng)示意圖

4 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)開(kāi)展了密封性試壓、強(qiáng)度試壓、電路性能試驗(yàn)、老化試驗(yàn)、模擬投球試驗(yàn)等試驗(yàn)：開(kāi)展了10次0.6 MPa低壓（氣體介質(zhì)）、氣液27.5 MPa（液體介質(zhì)）條件下氣液密封性試驗(yàn)，每次保壓15 min無(wú)壓降無(wú)泄漏；進(jìn)行了6次37.5 MPa（液體介質(zhì)）高強(qiáng)度試壓試驗(yàn)，每次保壓15 min無(wú)壓降無(wú)泄漏；在零下45℃及高溫80 ℃運(yùn)行電路性能試驗(yàn)10次，約2.5 h電路可正常運(yùn)行；通過(guò)14 天 4 000次連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)，每小時(shí)完成投球動(dòng)作12次，無(wú)老化損壞；在室內(nèi)開(kāi)展8 MPa帶壓投球試驗(yàn)，10小時(shí)投泡排球60個(gè)，投球順利、準(zhǔn)確。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及改進(jìn)

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)備運(yùn)行半個(gè)月，共出現(xiàn)兩次卡球問(wèn)題。經(jīng)技術(shù)人員分析認(rèn)為出現(xiàn)卡球的主要原因：泡排球在球芯的凹坑內(nèi)，當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中與含水天然氣接觸，泡排球會(huì)因潮濕變黏，黏在球芯凹坑內(nèi)，當(dāng)兩個(gè)以上的泡排球堆積在球芯凹坑內(nèi)，就會(huì)出現(xiàn)卡球問(wèn)題。

因此，對(duì)閥芯做出改進(jìn)，將原來(lái)球芯的凹坑改為直通孔，讓泡排球直接通過(guò)，不在球芯內(nèi)停留。見(jiàn)圖5。

圖5 改進(jìn)前后閥芯設(shè)計(jì)平面示意圖

改進(jìn)后，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2口井，每天投球20次，每次投放2個(gè)泡排球，運(yùn)行250余天，完成投球動(dòng)作5 000余次，投球動(dòng)作準(zhǔn)確，運(yùn)行正常。因此，蘇里格氣田繼續(xù)推廣應(yīng)用50余口井，效果較好。最早開(kāi)展試驗(yàn)S6-x-y井，從2012年7月下旬開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)行正常。該井遠(yuǎn)程投球試驗(yàn)前平均套壓9.15 MPa，平均產(chǎn)氣量0.49×104m3/d；投泡排球后平均套壓5.69 MPa，平均產(chǎn)氣量0.81×104m3/d；排水和增產(chǎn)效果均比較明顯。

6 結(jié)論

氣井遠(yuǎn)程自動(dòng)投放固體泡排球藥劑裝置可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)間、定數(shù)量、定次數(shù)排水采氣加藥需求，減少了人工上井加注泡排劑的工作強(qiáng)度，大幅度降低人工加藥成本；該裝置充分考慮了氣井高壓的安全問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)人工常壓狀態(tài)添加泡排球；使用該裝置不需要進(jìn)行放空作業(yè)，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，且能耗較低，僅依靠井口太陽(yáng)能板供電系統(tǒng)即可完成作業(yè)。該裝置實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化排水采氣，是排水采氣的發(fā)展方向，因此，建議在蘇里格氣田加大該設(shè)備的推廣應(yīng)用。

［1］馬國(guó)華，劉三軍，王升.低產(chǎn)氣井泡沫排水采氣技術(shù)應(yīng)用分析［J］.石油化工應(yīng)用，2009，28（2）：52-55.

［2］張書(shū)平，白曉弘，樊蓮蓮，等.低壓低產(chǎn)氣井排水采氣工藝技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2005，25 （4）：106.

［3］吳革生，王效明，宋漢華，等.氣井井口智能生產(chǎn)控制系統(tǒng)［J］.新疆石油天然氣，2008，4（S0）：126-132，136.

［4］宋漢華，朱迅，馬兵，等.McWiLL寬帶無(wú)線技術(shù)在蘇里格氣田單井無(wú)線監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2010，32（5）：116-118.

［5］黃艷，佘朝毅，鐘曉瑜，等.國(guó)外排水采氣工藝技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.鉆采工藝，2005，28（4）：57-59.

［6］王曉榮，郭自新，徐文龍，等.一種氣井遠(yuǎn)程控制自動(dòng)加藥裝置：中國(guó)，200920246234.9 ［P］.2010-06-30.

［7］韓興剛，馮鵬鑫，谷成義，等.活塞式氣井自動(dòng)投放泡排球裝置：中國(guó)，201220605744.2 ［P］.2013-05-29.

［8］田偉，賈友亮，陳德見(jiàn)，等.氣井泡排棒自動(dòng)投放裝置研制及應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械， 2012，41（3）：69-70.

Development and application of a remote controlled auto released bubble displacing chemical device

SONG Hanhua1,2,SONG Jie3,LIU Dandan4,RU Zhijuan1,2,HAN Yong1,2,WEI Wei5
（1.Research Center of Sulige Gas Field,Changqing Oilfield Company,Xi’an710018,China;2.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil &Gas Field Xi’an710018,China;3.The Fourth Project Department,Ultra-low Permeability Reservoir Research Center of Changqing Oilfield Company,Xifeng745000,China;4.No.1Gas Production Plant of Changqing Oilfield Company,Jingbian718500,China; 5.Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,China）

In line with the problems of water production and liquid accumulation in gas wells,the technology for foam drainage gas recovery is mainly used in Sulige Gas Field.The traditional technology for foam drainage gas recovery is manually injected from trucks,which has a lot of work and costs much,and gas wells are hard to control.For this reason,and in combination with field demand and wellhead conditions,a device has been developed which can remote control and automatically drop solid ball-like displacing agent,which increases the foaming time of the agent,improves the agent efficiency and also effectively reduces the labor intensity and labor cost.This device is powered by solar panels,so it has a low energy consumption and can satisfy the demand for chemical addition according to fixed time interval,fixed amount and fixed frequency.The ball storage barrel is designed to be at atmospheric pressure and easy to add bubbles to displace balls manually.The success test of this technique provides a new concept for digitized drainage gas recovery for Sulige Gas Field and has a broad application prospect.It is suggested to further promote the use this technique.

drainage gas recovery;foam drainage;remote control;auto releasing;Sulige Gas Field

宋漢華，宋劼，劉丹丹，等.一種遠(yuǎn)程自動(dòng)投放球形泡排藥劑裝置的研制及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：124-127.

TE37

：B

1000–7393（2014） 05–0124–04

10.13639/j.odpt.2014.05.031

2014-03-14）

〔編輯 景 暖〕

中國(guó)石油股份有限公司科技專(zhuān)項(xiàng)“致密氣藏開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究”（編號(hào)：2010E-23）。

宋漢華，1979年生。2005年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)油氣田開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位?，F(xiàn)主要從事采氣工藝研究工作。電話：029-86978173。E-mail：shh_cq@petrochina.com.cn。