遠(yuǎn)程控制自動投棒系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

王小東段寶玉吳郁雷銳平馬紀(jì)翔熊巍周賢

1.中國石油華北油田公司采油工程研究院；2.陜西天成石油科技技術(shù)有限責(zé)任公司

遠(yuǎn)程控制自動投棒系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

王小東1段寶玉1吳郁1雷銳平2馬紀(jì)翔1熊巍1周賢1

1.中國石油華北油田公司采油工程研究院；2.陜西天成石油科技技術(shù)有限責(zé)任公司

天然氣開采過程中常會出現(xiàn)井筒積液現(xiàn)象，排水采氣作業(yè)貫穿整個采氣過程，導(dǎo)致日常維護(hù)管理工作繁重。針對目前自動投棒裝置內(nèi)部帶壓、操作存在安全隱患等問題，設(shè)計了一套遠(yuǎn)程控制泡排棒自動投放系統(tǒng)，主要包括井口投棒裝置、本地控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的井口投棒裝置上設(shè)計有壓力平衡裝置和投棒監(jiān)測裝置，從而實現(xiàn)了投棒腔體與井口壓力的平衡問題，防止泡排棒在投棒裝置內(nèi)受到井口氣流劇烈的沖擊而損壞，還實現(xiàn)了投棒監(jiān)測和記錄功能。開發(fā)的遠(yuǎn)程控制上位機(jī)系統(tǒng)在現(xiàn)場進(jìn)行試驗，實現(xiàn)了定時定量自動投棒，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)的成功研制大大降低了工人勞動強(qiáng)度，提高了泡排效率，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

泡排棒；平衡閥；紅外傳感器；自動投棒；遠(yuǎn)程控制；上位機(jī)

在天然氣井開采的中后期，氣井壓力逐漸下降、產(chǎn)水量逐年增加，導(dǎo)致氣井嚴(yán)重積液甚至停產(chǎn)。為了排除井內(nèi)積液，現(xiàn)場工程技術(shù)人員和專業(yè)科研人員研究出了多種排水采氣工藝方法。經(jīng)過大量的現(xiàn)場試驗應(yīng)用，目前現(xiàn)場常用的主要有氣舉法、柱塞法、泡排法［1-2］。上述3種排水采氣工藝中，泡沫排水采氣工藝應(yīng)用最為廣泛。

泡沫法排采工藝技術(shù)主要有投棒法和泵注法，將固體泡排棒或者液體發(fā)泡劑加入到井內(nèi)。固體泡排棒主要用于排出油管內(nèi)的積液，而液體發(fā)泡劑主要用于排出環(huán)空內(nèi)的積液。在投棒法中，目前現(xiàn)場采用的主要做法是在井口防噴管內(nèi)一次放入2～3根泡排棒，然后打開采氣樹上的清蠟閥門將泡排棒投入到井筒內(nèi)。這種做法雖然能夠達(dá)到投棒目的，但存在較多弊?。翰僮鞴と藙趧訌?qiáng)度大，在投棒過程中需要不斷的開啟和關(guān)閉井口采氣樹上的清蠟閥門；工作效率低，完成一次投棒需要約需要40 min的時間；安全隱患大，操作人員需要在約3 m高的井口上進(jìn)行操作；井口設(shè)備損壞嚴(yán)重，由于頻繁投棒，導(dǎo)致氣井井口的閘閥損壞，多數(shù)井口的閘閥存在漏氣的問題，對環(huán)境造成污染。

隨著泡排工藝方法的不斷完善，出現(xiàn)了各種新的自動投放裝置。通過大量調(diào)研，目前自動泡排法現(xiàn)場應(yīng)用極其少見，分析其主要原因在于自動泡排裝置內(nèi)部帶壓、操作過程存在安全隱患等問題［3-8］。為了解決上述問題，改進(jìn)完善了現(xiàn)有自動投棒裝置，研制了遠(yuǎn)程控制自動投棒系統(tǒng)。

1 自動投棒系統(tǒng)研制

Development of automatic bar dropper system

遠(yuǎn)程控制自動投棒系統(tǒng)主要由3部分組成：井口投棒裝置、本地控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

1.1 井口投棒裝置

Wellhead bar dropper

井口投棒裝置部分是整個系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要由料筒、步進(jìn)電機(jī)、紅外傳感器、上投棒閥、下投棒閥、平衡閥、泄壓閥和井口連接法蘭等零部件組成，四個電動球閥都具有防爆功能，如圖1所示。

料筒主要作用是儲放泡排棒；步進(jìn)電機(jī)主要作用是帶動料筒旋轉(zhuǎn)；紅外傳感器主要作用是對泡排棒在投放過程進(jìn)行實時監(jiān)測；上投棒閥和下投棒閥主要是控制泡排棒的投放；平衡閥主要作用是平衡投棒腔體（上投棒閥和下投棒閥之間的腔體）與井口的壓力；泄壓閥主要作用是排放投棒腔體內(nèi)的氣體，進(jìn)行泄壓；井口連接法蘭主要是與井口采氣樹相連接的法蘭接口。

1.2 本地控制系統(tǒng)

Local control system

本地控制系統(tǒng)安裝在井場控制柜，其主要由電動球閥控制模塊、料筒旋轉(zhuǎn)控制模塊、泡排棒監(jiān)測模塊、壓力監(jiān)測模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊、供電模塊等組成，所有模塊安裝在防爆控制柜內(nèi)［9-10］。

圖1 井口裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of wellhead device

電動球閥控制模塊主要是4個球閥（上投棒閥、下投棒閥、平衡閥和泄壓閥）控制命令的輸入，經(jīng)過PLC邏輯處理輸出，執(zhí)行4個球閥的開啟和關(guān)閉；料筒旋轉(zhuǎn)控制模塊主要是步進(jìn)電機(jī)控制命令的輸入，經(jīng)過PLC邏輯處理并輸出指令控制步進(jìn)電機(jī)工作；泡排棒投放監(jiān)測模塊主要是利用紅外傳感器把監(jiān)測到的信息進(jìn)行處理并輸出顯示；壓力監(jiān)測模塊主要是采集井口油壓和投棒腔體內(nèi)壓力信息，并輸出顯示；人機(jī)交互控制模塊主要是本地控制投棒時的命令輸入和監(jiān)測信息顯示；遠(yuǎn)程通訊模塊主要是通過Modbus傳輸協(xié)議實現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行信息傳輸；供電模塊主要是通過太陽能為蓄電池充電，為整個控制系統(tǒng)供電。

1.3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

Remote controlling system

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要是獨立開發(fā)的遠(yuǎn)程控制自動投棒上位機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示［11］。該系統(tǒng)安裝在中控室終端設(shè)備上，投棒時，在投棒監(jiān)控控制界面上直接發(fā)送投棒命令，通過MicWill無線通訊傳輸，命令被井場的RTU模塊接收并進(jìn)行處理輸出，執(zhí)行投棒命令。

1.4 工作原理

Working principles

將井口投棒裝置安裝于采氣樹上，平衡閥與油管三通接頭處用一根高壓軟管相連接。上投棒閥、下投棒閥、平衡閥以及泄壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)，并打開采氣樹清蠟閥門。裝泡排棒過程中，所設(shè)計的料筒不承壓，直接打開料筒的料筒帽，一次將多根泡排棒裝入料筒內(nèi)的料棒筒中并蓋好料筒帽。

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of remote controling system

泡排棒的投放既可以在本地控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面上實現(xiàn)，也可以在中控室的上位機(jī)控制系統(tǒng)上實現(xiàn)。在本地控制系統(tǒng)投棒時，將人機(jī)交互界面上的控制按鈕切換到本地狀態(tài)，再進(jìn)行投棒。在遠(yuǎn)程控制投棒時需要切換到遠(yuǎn)程狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制投棒有自動和手動兩種方式，自動方式投棒為一鍵式操作，投棒過程按照設(shè)定的步驟依次完成，手動方式需要手動操作各個按鈕來進(jìn)行控制。下面以遠(yuǎn)程自動控制說明泡排棒投放過程。

啟動投棒系統(tǒng)，直接點擊自動投棒按鈕（圖2），系統(tǒng)檢測投棒腔體（容器）壓力是否為0，如果壓力不為0，啟動泄壓閥進(jìn)行泄壓，如果為0打開上投棒閥，打開上投棒閥后，步進(jìn)電機(jī)啟動并帶動料筒旋轉(zhuǎn)18°，旋轉(zhuǎn)到位后料筒中的固體泡排棒投入到投棒腔體內(nèi)，同時紅外傳感器會識別泡排棒是否投放，如果識別不到，系統(tǒng)報投棒下落故障信號，如果識別到泡排棒的下落，計數(shù)器會增加1，上投棒閥關(guān)閉，接著平衡閥打開，系統(tǒng)判斷投棒腔體內(nèi)壓力與井口油壓是否相同，當(dāng)兩個壓力值相同時，表明壓力達(dá)到平衡，平衡閥關(guān)閉，下投棒閥打開，泡排棒在自身重力作用下落入井內(nèi)，下投棒閥關(guān)閉，泄壓閥打開，排放投棒腔體內(nèi)氣體，直到壓力監(jiān)測模塊監(jiān)測出投棒腔體內(nèi)壓力為零，泄壓閥關(guān)閉。這樣就完成了一次泡排棒的投放過程。如需再次投棒，再次點擊自動投棒按鈕即可，直到投完一個周期所需要的泡排棒數(shù)量為止。

1.5 裝置性能參數(shù)

Performances of relevant devices

井口投棒裝置性能參數(shù)見表1。

2 室內(nèi)試驗

Lab tests

室內(nèi)進(jìn)行了井口投棒裝置和自動控制系統(tǒng)的功能性模擬試驗，主要檢驗井口投棒裝置的承壓密封性以及料筒旋轉(zhuǎn)、紅外傳感器監(jiān)測、電動球閥控制、系統(tǒng)供電等模塊的可靠性，具體內(nèi)容見表2。

表1 井口投棒裝置性能參數(shù)Table 1 Specifications of wellhead bar droppers

表2 自動投棒系統(tǒng)室內(nèi)模擬試驗Table 2 Indoor simulation tests of the automatic bar dropper system

3 現(xiàn)場試驗及應(yīng)用

Field tests and applications

2015年8月9日起，在蘇里格蘇75區(qū)塊X井安裝井口投棒裝置及控制系統(tǒng)調(diào)試試驗。本次試驗通過中控室的上位機(jī)系統(tǒng)軟件遠(yuǎn)程控制，共完成15個周期的投棒試驗，每個投棒周期間隔3 d，每次投棒4根，投放1根泡排棒1 min，累計投棒50余次，運行過程安全準(zhǔn)確可靠。該井在實施泡排作業(yè)前日產(chǎn)氣0.53×104m3，油壓3.6 MPa，套壓6.7 MPa，泡排試驗后日產(chǎn)氣0.78×104m3，油壓3.3 MPa，套壓5.1 MPa，泡排效果顯著。若發(fā)生無線通訊信號中斷等突發(fā)情況，工作人員可通過井場的控制柜進(jìn)行本地投棒，避免工作人員爬井口采氣樹，較以往投棒過程更安全、可靠。

使用該遠(yuǎn)程控制自動投棒系統(tǒng)后，現(xiàn)場工作人員只需到現(xiàn)場儲放泡排棒到料筒1次，即可滿足5個泡排周期的加藥量，大大減少了工人上井次數(shù)，節(jié)省人力物力，提高泡排效率。

4 結(jié)論及建議

Conclusions and proposals

（1） 實現(xiàn)了本地和遠(yuǎn)程控制自動投棒加藥措施，不受天氣影響，工人在控制室可以按照泡排加藥周期定時定量完成泡排作業(yè)。

（2） 井口投棒裝置比現(xiàn)有的裝置更安全，實現(xiàn)了投棒腔體內(nèi)壓力與井口油壓的平衡，系統(tǒng)設(shè)計的紅外傳感器具有監(jiān)測和記錄泡排棒的功能。此外，整個裝置具有防爆功能。

（3） 根據(jù)蘇里格氣田當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，所設(shè)計的太陽能蓄電池完全可以滿足較長時間陰雨天對設(shè)備所需電能的需求。

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（修改稿收到日期 2016-09-30）

〔編輯 李春燕〕

Development and application of remote-controlling automatic bar dropper system

WANG Xiaodong1,DUAN Baoyu1,WU Yu1,LEI Ruiping2,MA Jixiang1,XIONG Wei1,ZHOU Xian1
1.Production Engineering Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company,Renqiu 062552,Hebei,China;
2.Shaanxi Tiancheng Petroleum Science and Technology Deνelopment Co.Ltd.,Xi’an 710018,Shaanxi,China

Downhole fluid accumulation is a common phenomenon in the process of natural gas production,therefore water drainage operation is required constantly,leading to heavy workload related to routine maintenance.Conventional automatic bar dropper systems are characterized by deployment of internal pressure and high risks in operation safety.To eliminate such problems,an innovative remote controlling automatic dropping system with foam-drainage bars has been developed.Major components of the system include wellhead bar dropper,local control system and remote control system.With pressure balancing devices and bar dropper monitoring devices deployed,the newly development system can effectively balance the pressure in the bar-dropping chamber and the wellhead pressure to protect the foam-drainage bar against damage caused by strong gas flow around the wellhead.In addition,these devices may be used to monitor and record bar dropping processes.Host computer systems for the innovative remote controlling system have been tested in field to control the automatic bar dropper system safely and reliably.The newly developed system can effectively reduce manpower,enhance foam drainage efficiency and can be applied more extensively.

foam-drainage bar;balance valve;infrared sensor;automatic bar dropper system ;remote control;hose computer

王小東，段寶玉，吳郁，雷銳平，馬紀(jì)翔，熊巍，周賢.遠(yuǎn)程控制自動投棒系統(tǒng)的研制及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：859-862.

TE931

B

1000-7393（ 2016 ） 06-0859-04

10.13639/j.odpt.2016.06.028

:WANG Xiaodong,DUAN Baoyu,WU Yu,LEI Ruiping,MA Jixiang,XIONG Wei,ZHOU Xian.Development and application of remote-controlling automatic bar dropper system［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):859-862.

王小東（1983-），2013年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事采氣工程研究工作，工程師。通訊地址：（062552）河北省任丘市華北油田公司采油工程研究院。電話：0317-2720414。E-mail:cyy_wangxd@petrochina.com.cn