王彥彬，劉麗娟，孫 文

（1.渤海裝備新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280；2.天津市正方科技發(fā)展有限公司，天津 300270）

0 引言

隨著天然氣與煤層氣開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大與發(fā)展，排水采氣技術(shù)已成為保持氣井可持續(xù)生產(chǎn)的重要技術(shù)手段。以抽油機(jī)、螺桿泵、潛油電泵等為代表的機(jī)械排采裝備在排水采氣領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

潛油電泵自1985年前后在川西南氣，2005年以后在長(zhǎng)慶礦井開(kāi)展排水采氣試驗(yàn)以來(lái)，歷經(jīng)30多年摸索過(guò)程，取得了一系列成功經(jīng)驗(yàn)，期間各項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用提高了潛油電泵對(duì)各種復(fù)雜井況的適應(yīng)性，激勵(lì)石油技術(shù)人員不斷深入探索。但時(shí)至今日，在不同區(qū)塊的小規(guī)模應(yīng)用中，仍不斷出現(xiàn)問(wèn)題，究其原因，生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的不合理控制是造成設(shè)備停機(jī)與故障的重要影響因素，說(shuō)明加強(qiáng)控制方法研究，提高運(yùn)行控制的合理性，對(duì)保證設(shè)備的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行是極其重要的。

1 運(yùn)行模式分析

潛油電泵排水采氣的生產(chǎn)過(guò)程可分為2個(gè)階段，即生產(chǎn)初期大排量排液階段和出氣后保持抽吸積液階段。兩個(gè)階段差異性較大，初期充分發(fā)揮了潛油電泵排液量大的特點(diǎn)，積液排采迅速；見(jiàn)氣后排液量下降迅速，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生新的轉(zhuǎn)變。目前根據(jù)井底積液速度，見(jiàn)氣后的潛油電泵基本采取2種運(yùn)行模式。

（1）連續(xù)運(yùn)行模式。對(duì)于積液速度快，或需要用積液控制壓差的氣井，采取連續(xù)運(yùn)行模式。這也是對(duì)低產(chǎn)井和邊底水迅速增加井，普遍采用的運(yùn)行模式。特別是煤層氣開(kāi)采，低產(chǎn)井居多，壓差控制嚴(yán)格，雖然積液量不大，仍需要排水裝備連續(xù)運(yùn)行。如陜北神木煤層氣開(kāi)采，產(chǎn)氣量一般在（3000～5000）m3/d。通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)，見(jiàn)氣后，泵的排液量從排采初期的20 m3/d降到5 m3/d以下，為了控制好積液壓差，基本都采取降頻控制，保持機(jī)組連續(xù)運(yùn)行。

（2）間歇運(yùn)行模式。對(duì)于積液速度緩慢，或產(chǎn)氣量接近臨界流量的氣井，可采取間歇運(yùn)行模式。即氣井正常產(chǎn)氣后，機(jī)組停機(jī)，待井底積液達(dá)到一定程度后，再啟動(dòng)機(jī)組排水。這類井一般比較深，氣量比較大。如吐哈魯克沁12井，2012年采用潛油電泵排水采氣，泵掛深度超過(guò)2000 m，產(chǎn)氣量達(dá)到15 000 m3/d，采取了間歇運(yùn)行模式。

2 潛油電泵控制方法

2.1 井下壓力與電機(jī)溫度控制

在見(jiàn)氣前和見(jiàn)氣后的2個(gè)不同生產(chǎn)階段，由于抽吸介質(zhì)的變化，潛油電泵的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)存在較大差別。見(jiàn)氣前泵抽吸的是單相流體，泵的負(fù)載正常，工作電流穩(wěn)定；見(jiàn)氣后，泵抽吸的流體由單相流轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嗔?，產(chǎn)液量下降明顯，且會(huì)出現(xiàn)較大的電流波動(dòng)。經(jīng)驗(yàn)證明，此時(shí)若仍采用欠載電流保護(hù)控制，易導(dǎo)致機(jī)組過(guò)早停機(jī)，難以改變水壓井格局；若取消欠載電流保護(hù)，又易于出現(xiàn)井液抽空燒泵現(xiàn)象。目前該類案例出現(xiàn)的較多，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)也較多?；谇份d電流保護(hù)不能適應(yīng)排水采氣井的實(shí)際生產(chǎn)狀況，應(yīng)改進(jìn)控制模式，在井下安裝壓力和電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)傳感器。

通過(guò)井下壓力傳感器可以自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下壓力，存在式（1）的關(guān)系。

式中Ps— 井下壓力傳感器傳輸出的壓力

Ph—— 動(dòng)液面壓力

P套—— 套管回壓

根據(jù)井下壓力和井口套壓，可以準(zhǔn)確判定動(dòng)液面高度和積液狀態(tài)，實(shí)施變頻控制和防抽空停機(jī)保護(hù)。特別是煤層氣井，理想的積液壓差一般只有十幾米，使用地面監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性還不能為生產(chǎn)提供有效保障，時(shí)有抽空燒泵現(xiàn)象發(fā)生[6]。

通過(guò)對(duì)電機(jī)溫度自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，替代欠載電流保護(hù)，只要實(shí)際監(jiān)測(cè)的溫度低于電機(jī)的耐溫值，并且地面表征的其它運(yùn)行參數(shù)正常，就可保持系統(tǒng)正常運(yùn)行。一旦監(jiān)測(cè)溫度達(dá)到設(shè)定保護(hù)值，自動(dòng)停機(jī)保護(hù)。

2013年川西南氣礦古18井生產(chǎn)初期采用欠載電流保護(hù)，機(jī)組頻繁停機(jī)幾十余次，采用電機(jī)溫度保護(hù)措施后，有效控制了電機(jī)過(guò)早停機(jī)與頻繁停機(jī)現(xiàn)象。西南氣田伊18-16-276H井采用了井下壓力和電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)控制，取得良好的應(yīng)用效果，產(chǎn)氣高峰期產(chǎn)氣量最高達(dá)到51 498 m3/d，后期保持在12 000 m3/d以上（圖1）；產(chǎn)液量下降明顯，由生產(chǎn)初期的500 m3/d下降到50 m3/d（圖2）；電機(jī)運(yùn)行溫度保持在106℃；電機(jī)額定電流40 A，實(shí)際運(yùn)行最高32.5 A，最低24.2 A（圖3）。

圖1 伊18-16-276H井產(chǎn)期數(shù)據(jù)

圖2 伊18-16-276H井產(chǎn)液數(shù)據(jù)

圖3 伊18-16-276H井運(yùn)行數(shù)據(jù)

2.2 井口套壓控制

潛油電泵排水采氣，套管是主產(chǎn)氣通道，油管是主排水通道。因此井口套壓是氣井生產(chǎn)的重要技術(shù)參數(shù)。

根據(jù)公式（1）可知，井口套壓直接影響動(dòng)液面高度。隨著井口套壓的增大，可促進(jìn)動(dòng)液面高度下降，盡早解氣，因此在見(jiàn)氣初期以及動(dòng)液面較高階段，保持較高的井口套壓有助于減少套管中更多的積液。從伊18-16-276H井運(yùn)行數(shù)據(jù)看，在高產(chǎn)氣階段，井口套壓值達(dá)到3.5 MPa，在日常產(chǎn)氣階段，套壓值僅為0.9 MPa，套壓值的增高不僅證明該階段具有較強(qiáng)的產(chǎn)氣能力，也助推了動(dòng)液面的下降。

當(dāng)然，由于氣井的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較差，井口套壓控制還要與井下壓力以及地面生產(chǎn)流程很好地結(jié)合，有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。特別是煤層氣井，動(dòng)液面距離泵入口很近，為防止抽空燒泵，井口套壓更需要精確控制。這方面有些氣田往往重視不夠，如選擇量程較大的指針式壓力表，易造成較大的視覺(jué)誤差，應(yīng)根據(jù)實(shí)際量程需要加以改進(jìn)。

2.3 運(yùn)行模式控制

在不同的生產(chǎn)階段，連續(xù)運(yùn)行模式和間歇運(yùn)行模式都可能用到，關(guān)鍵是看動(dòng)液面高度是否穩(wěn)定處于臨界解氣點(diǎn)以下。

對(duì)于產(chǎn)氣量較低的氣井，氣體流速低于臨界流速，水的聚積易導(dǎo)致水埋井，即使水量較小，也應(yīng)采取連續(xù)運(yùn)行模式；水的聚積量需要一定的時(shí)間才能接近水埋井，可以采取間歇運(yùn)行模式，間歇控制時(shí)間必須保證動(dòng)液面回升高度在臨界解氣點(diǎn)以下，可以通過(guò)井下壓力及地面套壓監(jiān)測(cè)隨時(shí)掌握。

對(duì)于高產(chǎn)氣井，水量一般也比較大，依據(jù)Coleman模型［7］，對(duì)于井口套壓＜7 MPa的氣井，氣體的臨界流速見(jiàn)式（2）。

式中σ—— 水界面張力，kg/m

ρ1— 水密度，kg/m3

ρg—— 氣體密度，kg/m3

按照Coleman模型計(jì)算，在套管產(chǎn)氣的條件下，有效攜帶井筒積液的臨界流量值會(huì)很高。目前國(guó)內(nèi)已實(shí)施的潛油電泵排水采氣井一般都很難達(dá)到臨界流量值，因此必須對(duì)產(chǎn)氣通道加以改進(jìn)。

對(duì)于產(chǎn)氣量在（10 000～50 000）m3/d氣井，目前采取的附加泡排等措施都是有益的嘗試，如何進(jìn)一步完善工藝，提高應(yīng)用效果是今后的一個(gè)重要研究細(xì)節(jié)。適時(shí)轉(zhuǎn)為油管生產(chǎn)或采取雙油管生產(chǎn)也是達(dá)到Coleman模型要求的有效辦法，只是目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有實(shí)施先例。

2.4 變頻控制

進(jìn)入產(chǎn)氣階段，井下游離氣和井底積液都將進(jìn)入潛油泵，油管成為氣液兩相流通道，進(jìn)入泵中的氣體將導(dǎo)致泵的揚(yáng)程和排量特性下降。為保證舉升揚(yáng)程，泵的運(yùn)行工況點(diǎn)向小排量端轉(zhuǎn)移。根據(jù)離心泵的工作特性，較低的轉(zhuǎn)速更有利于減少氣體聚積對(duì)泵造成的影響，因此在投入費(fèi)用可接受的條件下，應(yīng)適當(dāng)降低機(jī)組的額定運(yùn)行頻率。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，升頻控制也應(yīng)結(jié)合井下壓力及地面套壓變化逐步實(shí)施，切忌一次性大幅度提高運(yùn)行頻率，造成泵氣鎖。

3 運(yùn)行跟蹤與診斷

由于氣液兩相的動(dòng)態(tài)變化直接影響氣井的生產(chǎn)穩(wěn)定性，因此加強(qiáng)運(yùn)行跟蹤對(duì)保證穩(wěn)產(chǎn)是極其重要的。對(duì)于潛油電泵而言，需要監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)參數(shù)包括井下壓力、電機(jī)溫度、井口套壓、井口油壓、運(yùn)行電流等。針對(duì)不同的故障類型所表征的參數(shù)變化情況總結(jié)為表1，可根據(jù)全時(shí)域參數(shù)記錄進(jìn)行具體診斷。

表1中，×表示該參數(shù)項(xiàng)不是故障類型表征項(xiàng)。氣體干擾是最重要的故障類型，典型特征明顯。需要強(qiáng)調(diào)的是2種突出的氣體干擾故障運(yùn)行模式，一種是在排采到某個(gè)節(jié)點(diǎn)后，動(dòng)液面不再下降，即使是升頻控制也不見(jiàn)效果，如果此時(shí)歸結(jié)為氣體干擾，正確的控制方式應(yīng)是間歇停機(jī)或降頻控制，并增大井口套壓，保證氣井的可持續(xù)生產(chǎn)；另一種是在產(chǎn)氣階段出現(xiàn)井口油壓為零，油管中既無(wú)液產(chǎn)出，也無(wú)氣產(chǎn)出現(xiàn)象，此時(shí)如果井下壓力和電機(jī)溫度正常，可繼續(xù)保持生產(chǎn)，防止過(guò)早停機(jī)保護(hù)，達(dá)不到預(yù)期的投產(chǎn)效果。

表1 不同故障類型的參數(shù)表征

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合多年生產(chǎn)實(shí)際，總結(jié)了5點(diǎn)潛油電泵排水采氣的控制經(jīng)驗(yàn)。

（1）根據(jù)氣井的生產(chǎn)特點(diǎn)，應(yīng)合理選擇潛油電泵的運(yùn)行模式。

（2）通過(guò)井下壓力和電機(jī)溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可準(zhǔn)確判定動(dòng)液面高度并對(duì)機(jī)組實(shí)施運(yùn)行保護(hù)。應(yīng)取消欠載電流保護(hù)。

（3）在見(jiàn)氣初期或動(dòng)液面較高階段，要適當(dāng)控制井口套壓，輔助動(dòng)液面下降。

（4）在正常產(chǎn)氣階段，適當(dāng)降低泵轉(zhuǎn)速更有利于提高泵對(duì)氣的適應(yīng)性。

（5）加強(qiáng)運(yùn)行的跟蹤與診斷，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行措施，對(duì)保證穩(wěn)定生產(chǎn)及其重要。

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