水力泵在氣井排采中的應用

葛利俊，劉學文，畢琳琳

（渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

傳統(tǒng)的油氣田排采工藝主要以有桿排采系統(tǒng)為主，比如抽油機、地面驅螺桿泵等，但隨著鉆井技術的發(fā)展、地質結構的要求、井場管理等因素的影響，近年來大平臺井、大斜度井、水平井越來越多，尤其是在氣井、頁巖氣井開采中尤為常見。有桿系統(tǒng)的桿柱偏磨、斷脫等問題成為制約氣田開發(fā)的主要原因，為了解決這個問題，國內相關制造企業(yè)加快研發(fā)進程，無桿排采技術得到快速發(fā)展。

1 氣井排采工藝對比

目前，國內在煤層氣、頁巖氣等氣井開采中，常見的無桿排水采氣工藝包括泡沫排液、柱塞氣舉、潛油電泵、水力泵、撈油機等。

（1）泡沫排液：泡沫排水采氣工藝應用于氣井初期見水，其工藝又分為人工泡沫排水采氣和自動泡沫排水采氣兩種。①人工泡沫排水采氣主要是利用投棒器進行投棒，目前現(xiàn)場采用的主要做法是在井口防噴管內一次放入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油管內，人工泡沫排水采氣安全性、環(huán)保性差，員工勞動強度大、人工成本高；②自動泡沫排水采氣技術主要是借助自動投棒器進行實施，該裝置通過料桶旋轉，完成裝棒及投棒操作，其特點是太陽能供電、穩(wěn)定性高、操作安全，解決了人工泡沫排水采氣中員工勞動強度大的難題，缺點是不能根據(jù)井筒積液量定量加藥。

適合于不同的積液氣藏，但是它們一般適用于70 ℃以下的地層。需要定期添加起泡劑、消泡劑等化學藥劑。隨環(huán)境溫度的升高，泡排劑的起泡能力和穩(wěn)定性會降低，尤其在100 ℃以上的高溫地層，許多起泡劑產(chǎn)生的泡沫會在1～2 min 內消失，甚至不產(chǎn)生泡沫。

（2）氣舉方式。適用于弱噴井、間歇性自噴井。需要充足氣源，設備投資大，成本較高?？衫门R井高壓氣源氣舉原理。

（3）潛油電泵。參數(shù)可調性好、設計安裝及維修方便，適用于水淹井復產(chǎn)和氣藏強排水。但電泵散熱差，橡膠件壽命短，電機、電纜易發(fā)生故障，耗電量較大；排砂能力弱。

（4）撈油機。設備運輸方便，可在一個區(qū)域，保證多口油井的生產(chǎn)，適用于低產(chǎn)井。但因其采用鋼絲作為提拉機構，撈液深度受限。

（5）水力射流泵。適用于高產(chǎn)砂、高含H2S 和CO2、高含氯離子、高氣液比井。但其地面設備復雜、投資大、效率低、受結垢影響較大。其缺點有兩方面：①必須有較高的吸入壓力，使射流泵的應用受到限制；②射流泵泵效較低，所需要的輸入功率比水力柱塞泵高。

（6）水力活塞泵：泵掛深度深，系統(tǒng)效率較高。但其受砂、煤粉影響較大，控制系統(tǒng)相對復雜。

2 水力泵介紹

雖然水力泵有著本身的一些不足，但在一些特定井況中還是有著其特有的優(yōu)勢，下面具體介紹水力活塞泵及水力射流泵。

2.1 水力活塞泵

2.1.1 設備概述

水力柱塞泵是一種液壓驅動的無桿排采設備。動力液經(jīng)過地面柱塞泵增壓，通過換向電磁閥控制，注入中心管（一般為Φ48.3 mm 油管）或者油管環(huán)空（一般為Φ48.3 mm 油管和Φ73.2 mm 油管之間的環(huán)形空間），驅動井下活塞泵的柱塞反復運動，地層產(chǎn)出液經(jīng)油管環(huán)空舉升到地面。然后再經(jīng)地面管線進入儲水罐，過濾、沉淀后的水再進入地面柱塞泵循環(huán)使用，沉淀物及多余的產(chǎn)出液經(jīng)排污閥和溢流管線排放至污水池。地面進出管線均由流量計進行測量注入量和產(chǎn)出量。變頻控制柜控制電機帶動地面柱塞泵運轉，控制核心部件一般為PLC 或者RTU，需要開發(fā)專門的控制程序。

2.1.2 設備組成

水力活塞泵系統(tǒng)主要由地面設備和井下設備兩大部分組成。地面設備主要包括控制柜、柱塞泵、儲水罐、電機、換向機構、流量計、過濾器及地面管線等，考慮到運輸及安裝的便利，一般將除地面管線以外的其他地面設備集中于一個撬裝房內。井下設備包括井下管柱、活塞泵、尾管等，一般還會增加長度不等的篩管，用于防止井下大顆粒砂進入水力射流泵，造成卡泵、地面管線閥門關閉不嚴等故障。系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構

2.1.3 工作原理

其工作時由PLC 控制變頻器驅動電機，帶動注水泵將動力液增壓，通過電磁換向閥循環(huán)控制動力液注入方向，動力液在中心管和環(huán)空空間輪換推動，實現(xiàn)井下泵組的上下往復運動。

在電磁換向閥組切換至上行流程時，PLC 控制柜內變頻器驅動電機，帶動注水泵將驅動液池的動力液增壓后，通過中心管與油管形成的環(huán)形空間注入井下泵組，當油管環(huán)形空間注入壓力后，液體通過雙通道主體的側向通道進入至抽油泵內部環(huán)形空間，對水力泵活動部位產(chǎn)生向上推力，活動部分上行，此時游動閥會因為壓力變化而關閉，從而達到上行排液的目的。同時活動部位上行過程中，由于抽油泵腔體體積變大，壓力減小，泵下端固定閥會打開并完成吸液過程。并將井下泵上腔內混合液通過中心管排至地面。井底產(chǎn)出液通過過濾后進入驅動液池，多余產(chǎn)出液則排至地面積水池。

在電磁換向閥組切換至下行流程后，動力液通過中心管注入，當中心管注入壓力后，液體通過雙通道主體的中心通道進入至水力泵上泵筒內部空間，對水力泵活動部位產(chǎn)生向下推力，活動部分下行，此時活動部分與固定部分中間腔室體積減小壓力增大游動閥開啟，從而實現(xiàn)將液體由腔體排到上泵筒內部空間。泵腔液體進入中心管與動力液形成混合液。

裝置具有自洗井功能，在洗井時，高壓動力液持續(xù)注入環(huán)形空間內，井下動力活塞組件上行至上止點，注入的高壓動力液清洗井下泵組游動閥。洗井過程中，井下泵組位于上止點，泵筒靜止不排液。

2.1.4 設備優(yōu)勢

水力柱塞泵智能排采系統(tǒng)，以高壓水作為排采動力，可有效地解決有桿舉升方式存在的抽油桿偏磨、水平井及定向井反復作業(yè)等的弊端，為水平井、定向井的連續(xù)排采提供了新的生產(chǎn)方式?？刂葡到y(tǒng)基于PLC 技術的自動化實現(xiàn)智能排采功能。相比于普通有桿排采設備，具有以下優(yōu)勢：①先進性，能夠根據(jù)水平井、定向井的排采需求調整設備的設計參數(shù)，并解決有桿排采設備的不足，具有系統(tǒng)自洗井功能及遠程調節(jié)沖程、沖次功能；②可靠性，運行安全可靠，性能穩(wěn)定，并在大沖程、高沖次的作業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定運行；③擴展性，設計排量可根據(jù)水平井、定向井的排采需求進行調整，日排采量可達到80 m3以上；④經(jīng)濟性，設備性價比高、運行穩(wěn)定，有效減低作業(yè)次數(shù)及維護檢修費用；⑤適用性。人機界面友好，操作、維護檢修簡便。

2.1.5 控制系統(tǒng)設計

煤層氣排采控制系統(tǒng)采用STEP 7 和組態(tài)王對系統(tǒng)進行組態(tài)、編程，并通過人機交互界面下發(fā)控制信號，控制系統(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)結構

程序控制層主要由PLC 監(jiān)控中心、I/O 等組成，以西門子S7-1200 型PLC 為控制核心，當控制單元接收到觸摸屏發(fā)送的指令后，程序運算控制并完成相應的輸出變化量。

現(xiàn)場采集執(zhí)行層主要由井下壓力計采集端、井口套壓變送器、地面儀表采集端、變頻器傳輸系統(tǒng)組成，通過RS485 與PLC通信，實現(xiàn)監(jiān)控中心對現(xiàn)場各個控制點的調節(jié)和監(jiān)控。

當系統(tǒng)出現(xiàn)液位故障、變頻故障、電機故障、溫度故障和超壓故障時，PLC 立即停機并鎖定故障，等待人為排除。

通過PLC 梯形圖編程，構建井底流壓與變頻器閉環(huán)控制，實現(xiàn)智能排采軟件設計。它以控制排采電機變頻器的頻率為中心，以控制井底流壓為核心，根據(jù)氣井的產(chǎn)氣、產(chǎn)水規(guī)律和井底流壓變化規(guī)律，控制系統(tǒng)按照設定降液速度控制注水泵的轉速和液動換向水閥的換向頻率，調節(jié)井下泵組的排量。

通過監(jiān)測系統(tǒng)采集井底流壓變化情況，系統(tǒng)可按人工預先設置井底流壓的變化速度調整沖次。通過采用自適應PID 控制作為智能排采降壓的核心算法，根據(jù)井底壓力計實測值和井底流壓預期降低值做偏差，自動調整變頻器的參數(shù)，自動改變電機的運轉速率，控制井底流壓的變化，實現(xiàn)對動液面的準確控制?？刂屏鞒虨椋涸O定值→智能排采控制器→水力管式泵沖次→排水量→流壓下降速度→控制器，形成整體的閉環(huán)控制。

換向閥則按設置沖次的時間或換向壓力值進行換向，從而控制地面高壓動力液在換向水閥的作用下從高壓注水泵的兩出液口交替注入管柱內，實現(xiàn)自動化排采。

2.2 水力射流泵

2.2.1 工作原理

水力射流泵是一種依靠壓力轉換的無桿排采設備。動力液經(jīng)過地面柱塞泵增壓，通過地面管線、中心管（一般為Φ48.3 mm油管）注入，高壓動力液經(jīng)水力射流泵泵芯內的噴嘴形成高速低壓區(qū)，產(chǎn)生抽吸作用吸入地層產(chǎn)出液體，并與高壓動力液在喉管中充分混合；高速低壓混合液進入擴散管，流動截面積擴大，轉為低速高壓流體，通過油管環(huán)空（一般為中心管，也就是Φ48.3 mm 油管和大油管，一般為Φ73.2 mm 油管或者Φ88.9 mm 油管之間的環(huán)形空間）舉升到地面。然后再經(jīng)地面管線進入儲水罐，過濾、沉淀后的水再進入地面柱塞泵循環(huán)使用，沉淀物及多余的產(chǎn)出液經(jīng)排污閥和溢流管線排放至污水池。地面進出管線均由流量計進行測量注入量和產(chǎn)出量。變頻控制柜控制電機帶動地面柱塞泵運轉，一般為壓力閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)比較簡單。

2.2.2 系統(tǒng)組成

主要由地面設備和井下設備兩大部分組成。地面設備主要由控制柜、柱塞泵、儲水罐、電機、過濾器、地面管線（注入端為高壓管線、產(chǎn)出端為低壓管線，低壓管線一般不會超過3 MPa）、流量計、閥門及采油樹改造配件等組成。井下設備包括井下管柱、水力射流泵、尾管等，一般還會增加長度不等的篩管，用于防止井下大顆粒砂進入水力射流泵，造成卡泵、地面管線閥門關閉不嚴等故障。水力射流泵系統(tǒng)流程如圖3 所示。

圖3 水力射流泵系統(tǒng)流程

2.3 對比分析

水力活塞泵與水力射流泵系統(tǒng)組成雖然比較接近，但其工作原理及泵結構完全不同。

水力活塞泵繼承傳統(tǒng)抽油泵的結構特點，依靠游動閥、固定閥的啟閉以及柱塞的上下運動將地層液舉升到地面，就造成其存在砂、煤粉卡泵、氣鎖等問題，但由于井下工具的快速發(fā)展，比如：氣錨、篩管等，使部分問題得到解決。其產(chǎn)液量高低取決于水力活塞泵的泵徑、沖次（水力活塞泵每分鐘運行的次數(shù)，上下運行一周為一次）、沉沒度（地層液面到水力活塞泵之間的垂直距離）等因素。

水力射流泵是依靠泵芯內噴嘴、喉管之間的壓力變化，將地層液舉升到地面的。其泵芯和泵筒之間是獨立存在的，依靠密封圈和密封端面配合。泵芯可以依靠反洗流程（高壓動力液從油管環(huán)空注入，進入泵芯后再經(jīng)中心管排出）舉升到地面，方便檢泵維護，此過程由于泵筒內單流閥的作用，地層產(chǎn)出液不會進入循環(huán)過程。水力射流泵幾乎不受井斜影響，可以下到A 點（水平井的增斜段設計線與靶窗的交點，又稱設計瞄準點）附近，甚至是水平段。同時還具備攜砂能力強、不怕氣鎖等優(yōu)點。其產(chǎn)液量的高低由噴嘴、喉管的面積比、地面柱塞泵注入壓力、注入流量、地層壓力、動液面（抽油井在正常生產(chǎn)時，油管和套管環(huán)形空間內的液面。）等因素決定的。但相比于水力活塞泵，效率更低，一般不會超過25%，水力活塞泵可以達到60%以上。

地面系統(tǒng)組成基本一致，但水力活塞泵依靠地面電磁換向閥或者液壓換向閥的不停換向來推動水力活塞泵柱塞的上下運動，所以需要復雜的控制系統(tǒng)，尤其是水力活塞泵換向位置的判斷尤為重要，這直接決定了泵效的高低。而水力射流泵正常運行時注入與排出通道是固定的，無需換向，控制系統(tǒng)要簡單很多。水力活塞泵所需動力液壓力一般不會高于15 MPa，地面設備投資成本相對更低，而水力射流泵動力液壓力直接決定其產(chǎn)液量的高低，在某些超深井、產(chǎn)液量大的井應用，動力液壓力甚至需要超過30 MPa，造成地面設備投資成本的增加，安全風險也在提高。

3 市場應用情況

隨著山西煤層氣區(qū)塊的天然氣開發(fā)進入中期階段，定向井及水平井的數(shù)量逐年增加。為克服有桿抽油泵對大斜度井甚至90°水平井的不適應性，徹底解決抽油桿斷脫、偏磨對油氣產(chǎn)量的影響；同時從減少油氣開發(fā)公司修井費用、環(huán)保節(jié)能等方面考慮，因此開發(fā)具備防腐性能的無桿抽油泵成為新的研究方向。

隨著市場的擴大，用戶對抽油泵的性能和適應性提出更高的要求。根據(jù)市場統(tǒng)計，這類水力柱塞泵每年需求量達較大，并且逐年呈現(xiàn)遞增的態(tài)勢。因此開發(fā)針對煤層氣區(qū)塊排水采氣特點、具備防腐性能的水力柱塞泵，將有助于占領市場，提高公司的經(jīng)濟效益。

目前，水力泵在氣井的應用越來越多。山西地區(qū)的煤層氣井中，水力活塞泵與水力射流泵均進入試驗階段，并開始小批量推廣試用。水力柱塞泵因其效率高，成本相對較低，同時煤層氣井對產(chǎn)液量需求相對較低，受到了更多的青睞。而在頁巖氣井開采中，產(chǎn)液量需求大、氣量大、超深井、水平井居多是其特點，在潛油電泵、氣舉、泡排等技術因各自的局限性，出現(xiàn)一些不適應的情況下，水力射流泵開始走進了人們的視線。

4 結束語

隨著油氣井的不斷開采，大斜度井、水平井越來越多，無桿排采技術受到更多的關注。針對各種特殊井況的無桿排采技術如雨后春筍般應運而生，水力泵技術也隨之得到快速發(fā)展。但水力活塞泵的柱塞定位換向問題、水力射流泵受結垢影響較大等問題仍然制約著其發(fā)展、應用，不過，隨著現(xiàn)場試驗的增多以及研發(fā)、制造企業(yè)技術的不斷創(chuàng)新，這些難題都將隨之得到解決。未來在油氣田排采工藝中，水力泵必將有它的一席之地。