宋漢華宋 劼劉丹丹茹志娟韓 勇魏 瑋

（1.長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發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.長慶油田公司超低滲透油藏第四項目部，甘肅西峰 745000；4.長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發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.長慶油田公司超低滲透油藏第四項目部，甘肅西峰 745000；4.長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）

針對氣井產(chǎn)水積液問題，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車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)場需求和井口工況，研發(fā)了一種可以遠(yuǎn)程控制、自動投放固體球形泡排藥劑的裝置，增加了藥劑發(fā)泡時間，提高了藥劑使用效率，同時有效降低了工人勞動強(qiáng)度和人工成本。該裝置能耗較低，通過太陽能電池板供電，可以滿足定時間、定數(shù)量、定次數(shù)排水采氣加藥需求；儲球筒設(shè)計為常壓狀態(tài)，工人添加泡排球方便靈活。該項技術(shù)的成功試驗，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； 自動投球；蘇里格氣田

隨著蘇里格氣田開發(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，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車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，對路況差和偏遠(yuǎn)井加藥得不到保證，無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化、智能化的方向發(fā)展［5］。

針對現(xiàn)場泡排藥劑加注工作量大的問題，為減少氣田泡排工作量，降低員工勞動強(qiáng)度，提高排水采氣效率，近年來蘇里格氣田積極開展遠(yuǎn)程自動加注裝置試驗。從2010年開始，分別開展了太陽能智能泵加藥試驗、平衡罐自動加注泡排球自動加注、泡排棒自動加注新方法試驗等，均實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制自動加注泡排劑的功能。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；泡排棒自動加注裝置實現(xiàn)了固體藥劑加注，但由于棒體太長，遇水發(fā)黏后易堵塞通道，且由于裝置承受高壓，加藥過程必須放壓并拆卸儲藥筒上封蓋，添加藥劑不方便，增加了工人勞動強(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，通過投放固體藥劑控制藥劑發(fā)泡時間，實現(xiàn)數(shù)字化排水采氣工藝。

1 自動加注泡排球裝置

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)動部件、撥輪、投球活塞、球閥、密封端蓋、下閥體、主閥體、承壓儲球筒等組成，負(fù)責(zé)完成入井藥劑的加裝及投放；控制器部分主要實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作。利用井口太陽能供電系統(tǒng)提供弱電控制，即可實現(xiàn)投球加藥作業(yè)。

圖1 自動加注泡排球裝置

1.1 藥劑

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

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

1.2 主控閥

主控閥（圖2）在設(shè)計時參照低轉(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)計保證主閥的氣密性及工作壽命，單向雙密封的設(shè)計實現(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，從而實現(xiàn)設(shè)備的不放空設(shè)計。進(jìn)而避免了常規(guī)氣井井口作業(yè)過程中放空帶來的污染問題。

圖2 主控閥

1.3 儲球筒

儲球筒放置在裝置側(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，在密封活塞的作用下，使儲球筒與主控閥的高壓部分隔離開來，儲球筒處于常壓狀態(tài)，方便添加泡排球。

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

1.4 投球撥輪

在儲球筒與中間通道之間設(shè)計投球撥輪，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，投球動作準(zhǔn)確。

投球撥輪設(shè)計通過傳動系統(tǒng)，與投球活塞同步運行。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個直徑38 mm孔，以減輕零件質(zhì)量（見圖3）。

圖3 投球撥輪

2 遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

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

通訊系統(tǒng)采用井口無線電臺遠(yuǎn)程傳輸。井口無線電臺通過數(shù)據(jù)電纜與自動投球裝置控制器上RS-485接口相連。投球指令通過控制器RS-485接口傳輸給控制器。指令經(jīng)控制器處理后，把執(zhí)行指令信號發(fā)給自動投球裝置上的3個電機(jī)，實現(xiàn)投球動作。

2.2 太陽能供電系統(tǒng)校核

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

根據(jù)設(shè)計，該遠(yuǎn)程自動加注泡排球裝置的基本技術(shù)參數(shù)為：公稱壓力25 MPa；工作電壓DC24V；供電方式： 太陽能電池板+蓄電池供電（太陽能板100 W，蓄電池100 A·h）；額定功率150 W（活塞電機(jī)100 W，儲球桶電機(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；每次投球個數(shù)1~2個；總高度1.2 m。

按照每天投球10~20次，取最高20次計算，每次投球工作時間約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。在陰雨天太陽能板蓄電池能持續(xù)工作時間為14.9 d。

根據(jù)烏審旗全年天氣情況，太陽能板蓄電池可滿足較長時間陰雨天對設(shè)備的供電需求。

3 工作原理

3.1 自動投球原理

（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，投球控制撥輪口對準(zhǔn)泡排球等待區(qū)（笫1次只投下1個泡排球，另一個泡排球在等待區(qū)停留）。

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

（3）投球活塞向下運動，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，兩個泡排球掉入球芯。

（5）投球活塞向下運動，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—次投球過程。

3.2 遠(yuǎn)程自動控制原理

遠(yuǎn)程客戶端發(fā)出投放泡排球指令，指令通過光纜傳輸?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)通過無線傳輸，把指令傳輸給井口無線電臺，通過自動投球裝置上的控制器執(zhí)行投球動作（見圖4）。

圖4 遠(yuǎn)程自動控制投球系統(tǒng)示意圖

4 室內(nèi)實驗

室內(nèi)開展了密封性試壓、強(qiáng)度試壓、電路性能試驗、老化試驗、模擬投球試驗等試驗：開展了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，每次保壓15 min無壓降無泄漏；進(jìn)行了6次37.5 MPa（液體介質(zhì)）高強(qiáng)度試壓試驗，每次保壓15 min無壓降無泄漏；在零下45℃及高溫80 ℃運行電路性能試驗10次，約2.5 h電路可正常運行；通過14 天 4 000次連續(xù)自動運行試驗，每小時完成投球動作12次，無老化損壞；在室內(nèi)開展8 MPa帶壓投球試驗，10小時投泡排球60個，投球順利、準(zhǔn)確。

5 現(xiàn)場試驗及改進(jìn)

在現(xiàn)場試驗過程中，設(shè)備運行半個月，共出現(xiàn)兩次卡球問題。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)運行過程中與含水天然氣接觸，泡排球會因潮濕變黏，黏在球芯凹坑內(nèi)，當(dāng)兩個以上的泡排球堆積在球芯凹坑內(nèi)，就會出現(xiàn)卡球問題。

因此，對閥芯做出改進(jìn)，將原來球芯的凹坑改為直通孔，讓泡排球直接通過，不在球芯內(nèi)停留。見圖5。

圖5 改進(jìn)前后閥芯設(shè)計平面示意圖

改進(jìn)后，開展現(xiàn)場試驗2口井，每天投球20次，每次投放2個泡排球，運行250余天，完成投球動作5 000余次，投球動作準(zhǔn)確，運行正常。因此，蘇里格氣田繼續(xù)推廣應(yīng)用50余口井，效果較好。最早開展試驗S6-x-y井，從2012年7月下旬開始現(xiàn)場試驗，設(shè)備運行正常。該井遠(yuǎn)程投球試驗前平均套壓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)程自動投放固體泡排球藥劑裝置可以實現(xiàn)定時間、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題，可實現(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)，不會產(chǎn)生環(huán)境污染，且能耗較低，僅依靠井口太陽能板供電系統(tǒng)即可完成作業(yè)。該裝置實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制自動化排水采氣，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。

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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〕

中國石油股份有限公司科技專項“致密氣藏開發(fā)工程技術(shù)研究”（編號：2010E-23）。

宋漢華，1979年生。2005年畢業(yè)于長江大學(xué)油氣田開發(fā)專業(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。