周 帥 崔金榜 石慧寧 王勝利 周 燦

(中國石油華北油田采油工藝研究院, 河北 062552)

1 前言

沁水盆地南部煤層氣勘探開發(fā)的主要目的層是二疊系山西組的3#煤層和石炭系太原組的15#煤層。3#煤層厚度4．06～7．19m, 埋深300～1000m,含氣量10．78～25．29m3/t。樊莊區(qū)塊開發(fā)井主要有直井、叢式井和多分支水平井。

直井和叢式井排采主要采用抽油機舉升系統(tǒng),抽油機依據(jù)井深、載荷等選用3 型和5 型兩種; 抽油桿選用D 級φ19mm; 管式泵主要有φ38mm、φ44 mm、φ56mm 三種。水平井排采主要采用地面電驅(qū)動螺桿泵方式排水, 螺桿泵由地面電機驅(qū)動, 泵體主要由頂部接頭、多級泵、萬向節(jié)、軸承四部分組成。

在煤層氣井需要調(diào)整作業(yè)生產(chǎn)過程中, 由于以下原因經(jīng)常發(fā)生停泵。一是煤層氣直井在進入排采階段后, 會產(chǎn)出煤粉顆粒及壓裂支撐劑石英砂, 而管式泵對砂和煤粉的適應(yīng)能力較差, 容易產(chǎn)生柱塞卡死、閥堵塞等現(xiàn)象; 二是在煤層氣開發(fā)過程中,為適應(yīng)產(chǎn)水量變化 (0～50m3/d) , 需要進行沖程沖次的調(diào)整或進行換泵作業(yè), 難以實現(xiàn)排量變化范圍較大條件下的靈活平穩(wěn)控制; 三是作為有桿泵舉升工藝, 存在著不平衡、不對中、桿管偏磨等現(xiàn)象,尤其是對斜井、叢式井、水平井的適應(yīng)性比較差。

根據(jù)電潛泵具有排量變化范圍大、揚程高、適應(yīng)范圍廣 (可用于斜井和水平井) 的特點, 2007年華北油田采油工藝研究院和煤層氣分公司經(jīng)過聯(lián)合攻關(guān), 先后攻克了井底流壓監(jiān)測、自動控制等關(guān)鍵技術(shù), 研制出了煤層氣井電潛泵智能排采系統(tǒng),在現(xiàn)場應(yīng)用5 井次, 最長運行達到373 天, 表現(xiàn)出運行平穩(wěn)及排量調(diào)節(jié)容易及節(jié)能等特點, 具有很好的推廣前景。

2 電潛離心泵智能排采系統(tǒng)研究

2．1 煤層氣井專用電潛離心泵排采系統(tǒng)組成

電潛離心泵排采系統(tǒng)主要由煤層氣井專用離心泵、潛水電機、壓力計及液位開關(guān)、動力電纜、壓力計電纜、繞絲篩管、扶正器、離心泵專用井口、控制柜等組成。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗不斷改進, 煤層氣井專用電潛離心泵系統(tǒng)完井管柱如圖1 所示。

2．2 電潛離心泵智能控制原理

電潛離心泵智能排采時根據(jù)煤層氣井井底流壓變化規(guī)律和排采規(guī)律, 地面人工預(yù)先設(shè)定井底流壓變化調(diào)整值?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)井下壓力計采集的流壓變化情況, 采取“控制液面排水”法, 即通過控制流量, 使液面按要求以既定速度下降。在控制器上只要設(shè)定好液面下降速度參數(shù)后, 通過井下壓力計, 控制器自動計算控制變頻器調(diào)整電機轉(zhuǎn)速, 使液面均勻的下降?？刂圃砣鐖D2 所示。

在控制液面下降時, 采用定時調(diào)節(jié)的方式, 定時調(diào)節(jié)是在固定的時間點, 對當(dāng)前液面和期望的液面作比較與調(diào)整, 實現(xiàn)對理想液面的定時追蹤。

圖1 煤層氣井電潛離心泵管柱結(jié)構(gòu)圖

圖2 智能控制原理圖

2．3 電潛離心泵變頻控制系統(tǒng)

變頻控制系統(tǒng)如圖3 所示, 主要由變頻器、升壓變壓器、控制器、正弦濾波器組成。

圖3 變頻控制系統(tǒng)示意圖

(1) 變頻器： 變頻器是一種用來改變交流電頻率的電氣設(shè)備, 它還具有改變交流電電壓的輔助功能。變頻器通過改變電動機電源頻率來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。

(2) 升壓變壓器： 由于電動機與變頻器的距離比較遠, 考慮到電機電纜上的電壓損失, 這就需要用升壓變壓器對380V 的電源電壓進行升壓, 根據(jù)電機電纜的長度和電流的大小來確定升壓變壓器的檔位, 保證電機端的電壓處在額定電壓范圍內(nèi)。

(3) 控制器： 可采用微控制器或PLC 作為控制器, 一是實現(xiàn)各種參數(shù)的實時采集, 二是根據(jù)下達的指令對液面進行控制。

(4) 正弦濾波器： 變頻器輸出電壓是PWM(脈沖寬度調(diào)制) 波形, 電機需要長線傳輸時 (電機線纜超過50m) , 由于行波反射引起電機端電壓疊加, 使電機絕緣破壞; 由于變頻器的輸出含有高頻諧波, 增加了動力電纜以及電機的損耗; 極高的dv/dt 會引起數(shù)MHz 的輻射干擾。

正弦波濾波器由高頻輸出電抗器、RC 回路、共模電抗器組成, 通過在變頻器輸出側(cè)加裝正弦波濾波器, 將PWM 調(diào)制波濾成近似正弦的電壓波形, 可以有效地抑制高頻損耗和輻射干擾, 并使電機與變頻器的線纜長至500m, 甚至是3km。

改進后的電潛離心泵變頻控制系統(tǒng)主要具有以下功能：

(1) 軟啟動功能

變頻控制系統(tǒng)采用變頻器啟動時, 隨著電機的加速相應(yīng)提高頻率和電壓, 起動電流被限制在150%額定電流以下。電機啟動的全過程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩, 而是平滑的啟動運行, 從而可以減少啟動電流對電機絕緣的損害, 降低機械沖擊扭矩對機組的破壞。

(2) 升壓穩(wěn)壓功能

由于煤層氣井電潛泵井電機電纜的長度一般在500～800m 之間, 動力電纜上的壓降比較大, 同時電網(wǎng)電壓的波動范圍較大, 加上受到井下氣體、煤粉、砂等的影響, 使電機處于過電壓或欠電壓的狀態(tài), 最終都會導(dǎo)致電機電流升高, 極易燒毀井下電機。

升壓變壓器有425V、450V、475V、500V 四檔, 根據(jù)現(xiàn)場的電源電壓情況和井深, 選擇合適的檔位, 同時合理設(shè)置變頻器, 控制變頻器的輸出電壓, 以達到升壓穩(wěn)壓的目的, 使電機工作在合適的電壓范圍內(nèi) (340～420V) 。

(3) 控制功能

①手動控制： 可根據(jù)現(xiàn)場的實際排采情況, 通過手動調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率, 從而改變電機轉(zhuǎn)速來控制電潛泵的排量。

②自動控制： 根據(jù)排采制度的要求, 設(shè)定液面的下降速度, 控制器按照下達的指令, 自動控制變頻器的輸出頻率, 最終使實際的液面下降速度與設(shè)定值一致, 達到連續(xù)、平穩(wěn)降液面的目的。

③遠程控制： 通過安裝無線數(shù)傳通訊模塊, 對電潛泵進行遠程啟停操作和運行參數(shù)的調(diào)節(jié)。

2．4 回流控制功能

針對排采后期隨著產(chǎn)水量的減少, 離心泵排量降低, 散熱不良的情況增加了回流裝置, 保證離心泵在小流量下的安全運行。具體做法是： 通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率, 控制離心泵機組輸出功率, 實現(xiàn)降液位、穩(wěn)液位、低沉沒度的運行, 產(chǎn)水量較低時(小于10m3/d) , 通過控制調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)節(jié)出水量和回流量的大小, 回流管的安裝使得抽出的水一部分又回到了井下, 保證了井下機組具有較大的排量, 以滿足潛水電機的散熱要求, 同時使泵具有一定的攜帶煤粉的能力, 從而解決了高揚程、小排量的問題。

2．5 井底壓力監(jiān)測及危險液面控制

井底流壓是預(yù)測煤層氣井生產(chǎn)和流入動態(tài)的一個基本要素, 是進行有效人工舉升設(shè)計的一個關(guān)鍵參數(shù), 在閉環(huán)智能控制模型中, 也以井底流壓的變化為調(diào)整基礎(chǔ)。

系統(tǒng)主要包括： 井下設(shè)備 (壓力傳感器, 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器, 依靠電纜供電并傳輸信號) 、井筒設(shè)備(鎧裝電纜、扶正器、電纜卡子、儀器卡座、儀器托筒) 和井口設(shè)備 (地面數(shù)據(jù)存儲單元及微型蓄電池供電單元, 負責(zé)數(shù)據(jù)觀察、數(shù)據(jù)存儲并向電子壓力計提供直流12V 電源) 。通過采取數(shù)字傳輸, 提高抗強電和變頻器干擾能力, 整套控制系統(tǒng)正常運行。

液面控制采取液位開關(guān)技術(shù), 在液面低于規(guī)定液面時, 自動斷電停機。一旦液面高于液位開關(guān),可以從遠程或本地啟動。

3 技術(shù)指標(biāo)

3．1 系統(tǒng)指標(biāo)

●電潛泵型號： QSDB110 - 20/800 或QSDB110- 20/550

●電源輸入： 三相四線380VAC/50HZ

●輸出電壓： 380～480V (50Hz)

●輸出頻率： 0～50Hz

●適應(yīng)井溫： 40 ℃

●排水量： 0～60m3/d

●系統(tǒng)功耗： ＜7．5KW

●控制柜類型： 室外/落地

3．2 數(shù)字壓力計指標(biāo)：

●壓力測量范圍： 0～10MPa

●壓力精度等級： ±0．1%F·S (綜合精度)

●溫度測量范圍： 0～50 ℃

●溫度精度等級： 0．2%

●長期穩(wěn)定性： ±0．3%F·S/a

●功耗： ＜20mA

●整體抗壓強度： ≥30MPa

4 現(xiàn)場應(yīng)用

通過對電潛離心泵系統(tǒng)的不斷完善改進, 目前已經(jīng)能夠適應(yīng)煤層氣井的排采要求, 系統(tǒng)的安全性和可靠性大大增強, 經(jīng)過改進后的DB - 1、DB -2、DB- 3、DB - 4、DB - 5 五口電潛泵井運行平穩(wěn), 電潛泵系統(tǒng)的運行頻率在35～50Hz 之間, 運行電流為10～14A, 排量調(diào)節(jié)范圍達到0～50m3/d,而且變頻器的輸出電壓穩(wěn)定, 使電機工作在正常的電壓范圍內(nèi), 目前5 口井的運行情況如下表所示。

表1 電潛離心泵井運行情況一覽表

由于煤層氣井的產(chǎn)水量具有不規(guī)律性, 需要根據(jù)液面高度不斷改變變頻器的頻率來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速, 從而不斷的調(diào)整離心泵的排量, 使液面連續(xù)平穩(wěn)下降。該井采用變頻電潛泵系統(tǒng)之前, 由于產(chǎn)水量比較大, 經(jīng)過了較長的時間液面才降下來, 同時逐漸的產(chǎn)水量也開始降低。采用變頻系統(tǒng)進行排采時液面出現(xiàn)一定的起伏, 說明產(chǎn)水量也是不斷變化的, 同時隨著液面的降低揚程也在不斷增大, 通過不斷改變頻率來對液面的下降進行調(diào)整, 圖4 為DB- 3 井的生產(chǎn)曲線。

圖4 DB- 3 井生產(chǎn)曲線

5 結(jié)論和應(yīng)用前景

將電潛離心泵智能排采系統(tǒng)引入到煤層氣井后, 經(jīng)過不斷試驗和改進, 提高了電潛泵系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性和控制性能, 通過現(xiàn)場應(yīng)用可以得到以下結(jié)論：

(1) 采用變頻控制系統(tǒng)后, 提高了系統(tǒng)效率,延長了機組壽命, 節(jié)能降耗。

(2) 增加回流裝置, 改善電機的散熱, 實現(xiàn)小排量、高揚程排采。

(3) 改進后的電潛泵系統(tǒng)的排量調(diào)節(jié)范圍比較大, 控制性能比較好, 有利于實現(xiàn)平穩(wěn)降壓。

[1] 任源峰, 呂衛(wèi)東, 馮義堂．煤層氣井電泵排采工藝技術(shù)的研究及應(yīng)用 [J ] ． 中國煤層氣, 2006, 3(1) ： 34- 36．

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