葛利俊，劉學(xué)文，屈東海

（渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著煤層氣鉆井技術(shù)進(jìn)步和采礦區(qū)地理?xiàng)l件限制，定向井和水平井在煤層氣井的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，其中大斜度的定向井、羽狀多分支水平井開發(fā)技術(shù)是近年來國際煤層氣領(lǐng)域應(yīng)用的一種新技術(shù)，逐步成為煤層氣勘探開發(fā)的主要井型。

水力柱塞泵排采系統(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偏磨的弊端，為煤層氣大斜度定向井的連續(xù)排采提供新的生產(chǎn)方式?？刂葡到y(tǒng)基于PLC 技術(shù)的自動化實(shí)現(xiàn)煤層氣井的智能排采功能。

1 新型水力柱塞泵介紹

主要介紹新型水力柱塞泵的設(shè)備組成、工作原理及關(guān)鍵技術(shù)、地下泵組結(jié)構(gòu)、地上控制系統(tǒng)等內(nèi)容。

水力柱塞泵是一種柱塞式無桿排水采氣系統(tǒng)，是一種同心管排采設(shè)備。動力液經(jīng)過地面柱塞泵增壓，通過換向電磁閥控制，通過反復(fù)交替注入中心管或者油管與中心管環(huán)空空間，驅(qū)動地下泵組的活動部件反復(fù)運(yùn)動，井下產(chǎn)出液經(jīng)油管與中心管環(huán)空空間舉升到地面。排水過程中，套管與油管環(huán)空水壓下降，從而氣體解析釋放經(jīng)由套管與油管環(huán)空空間排出地面?？刂葡到y(tǒng)電機(jī)帶動地面三柱塞注水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，控制核心部件為PLC，由特定程序控制換向機(jī)構(gòu)將注水泵增壓后的動力液反復(fù)交替注入中心管或者油管與中心管環(huán)空空間，從而實(shí)現(xiàn)地下泵組抽吸排液動作。

1.1 設(shè)備組成

水力活塞泵系統(tǒng)主要由地面控制系統(tǒng)和地下泵組兩大部分組成。地面設(shè)備主要包括控制系統(tǒng)、三活塞注水泵、水箱、電機(jī)、換向機(jī)構(gòu)、流量計(jì)、過濾器及地面管線等組成。地下泵組包括中心管座封結(jié)構(gòu)、雙通道主體、固定部件、活動部件、尾部接箍、外管等，地下泵組以下一般還會增加氣錨、長度不等的篩管及沉沙尾管，用于防止井下大顆粒砂、煤粉等進(jìn)入地下泵組，造成卡泵、地面管線閥門關(guān)閉不嚴(yán)等故障。

1.2 設(shè)備工作原理

其工作時(shí)，控制系統(tǒng)驅(qū)動三柱塞注水泵電機(jī)，帶動注水泵將動力液增壓，通過電磁換向閥循環(huán)控制動力液注入中心管和油管與中心油管環(huán)空空間輪換推動，實(shí)現(xiàn)井下泵組活動部分的反復(fù)交替運(yùn)動。此工作原理需要解決的關(guān)鍵技術(shù)由地下泵組及地上控制系統(tǒng)兩方面構(gòu)成：

（1）地下泵組：①地下抽油泵組在腐蝕環(huán)境中，疲勞斷裂的可能性大，所以需要采取特殊工藝和材料配方，解決抽油泵抗腐蝕性能的技術(shù)難題；②由于煤層氣井下含煤粉等雜質(zhì)，長時(shí)間工作下產(chǎn)生垢塊，解決游動閥副和固定閥副漏失及卡泵等問題，成為該產(chǎn)品的技術(shù)難點(diǎn)。

（2）地上控制系統(tǒng)：①設(shè)備在高頻次下頻繁換向，地面注水泵及相關(guān)連接管路容易發(fā)生滲漏問題，解決此問題，成為保證控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、使用壽命的技術(shù)難點(diǎn)；②由于換向閥使用頻率極高，保證換向閥在如此高的換向頻率、并伴隨設(shè)備振動的工作環(huán)境下，穩(wěn)定、高效的運(yùn)行是該產(chǎn)品的技術(shù)重點(diǎn)；③開發(fā)高效、精準(zhǔn)的智能化控制程序，是保證設(shè)備運(yùn)行及滿足用戶需求的關(guān)鍵技術(shù)問題。

由此衍生的新型水力柱塞泵具有以下技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）地下泵組：①解決偏磨影響，適應(yīng)于大斜度甚至水平井的無桿抽油泵產(chǎn)品；②研制帶自洗井功能的水力柱塞泵，解決泵組卡泵、漏失的問題；③采用特殊材料及加工工藝，保證地下泵組的密封性、耐磨、抗腐蝕性等。

（2）地上控制系統(tǒng)：①研制新型換向機(jī)構(gòu)，解決頻繁換向的滲漏、磨損、使用壽命短等問題；②根據(jù)水力柱塞泵的工作原理及實(shí)際排采需要，自主研發(fā)控制程序，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效、精準(zhǔn)控制；③采用軟、硬高壓管配合連接、高壓應(yīng)力點(diǎn)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的方法，解決注水泵及高壓連接管路的滲漏問題。

1.3 地下泵組結(jié)構(gòu)

中心管注壓時(shí)（深色箭頭）：在電磁換向閥組切換至活動部件上行流程時(shí)，控制系統(tǒng)驅(qū)動三柱塞注水泵電機(jī)，帶動注水泵將水箱內(nèi)進(jìn)水口流至柱塞泵頭的動力液增壓后，通過中心油管注入地下泵組，動力液通過雙通道主體的特殊通道進(jìn)入至抽油泵內(nèi)部環(huán)形空間，對抽油泵活動部位產(chǎn)生向上推力，活動部分上行，此時(shí)游動閥會因?yàn)閴毫ψ兓P(guān)閉，將井下泵上腔內(nèi)混合液通過中心管排至地面，從而達(dá)到上行排液的目的。同時(shí)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。地層產(chǎn)出液通過過濾后進(jìn)入水箱，多余產(chǎn)出液則溢流至地面積水池。

油管與中心管環(huán)空空間注壓時(shí)（最深色剪頭）：在電磁換向閥組切換至活動部件下行流程后，動力液通過中心管與油管環(huán)空空間注入，動力液通過雙通道主體的特殊通道進(jìn)入至抽油泵上泵筒內(nèi)部空間，對抽油泵活動部位產(chǎn)生向下推力，活動部分下行，此時(shí)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(shí)現(xiàn)將液體由活動部件腔體排到上泵筒內(nèi)部空間。泵腔液體進(jìn)入中心管與油管環(huán)空空間與動力液形成混合液。

上沖程過程，液體通過雙通道主體的側(cè)通道排到中心管與油管環(huán)空空間（淺色箭頭）。下沖程過程，液體通過雙通道主體的側(cè)通道排到中心管。

地下泵組具有自洗井功能，在洗井時(shí)，高壓動力液持續(xù)注入環(huán)形空間內(nèi)，活動部分上行至上止點(diǎn)，注入的高壓動力液清洗地下泵組游動閥。洗井過程中，井下泵組位于上止點(diǎn)，泵筒靜止不排液。

（1）固定部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。固定部分采用下柱塞和拉管連接。下柱塞為雙固定閥罩設(shè)計(jì)，即在柱塞兩端各安裝一個(gè)固定閥罩，只要其中一個(gè)能正常使用，泵整體就能正常工作，起到雙保險(xiǎn)的作用，并且下游動閥設(shè)計(jì)強(qiáng)制閉合彈簧裝置。

（2）活動部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。活動部分采用上柱塞和下泵筒連接。上柱塞為單閉式閥罩帶強(qiáng)制閉合彈簧設(shè)計(jì)，并在頂部安裝減振彈簧裝置，避免上沖程過盈和洗井過程造成的劇烈撞擊。

（3）上泵筒正懸掛。抽油泵的雙通道主體通過變扣接箍與上泵筒連接（泵筒正懸掛）。上泵筒和活動部分上柱塞；活動部分下泵筒和固定部分下柱塞形成兩個(gè)密封抽汲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)抽油泵上沖程的井底吸液和頂部排液過程。

（4）自洗井功能設(shè)計(jì)。由于產(chǎn)出液中包含煤粉和其他雜質(zhì)，游動閥長期使用后，閥球與閥座的密封面會附著較多黏性雜質(zhì)致使游動閥密封不嚴(yán)甚至失效。為解決這一問題，設(shè)計(jì)了針對游動閥的自洗井功能。當(dāng)需要洗井作業(yè)時(shí)，只需向中心管注入足夠壓力，使抽油泵活動部位運(yùn)行至上死點(diǎn)，此時(shí)下泵筒末端的槽孔將運(yùn)動到活動部分與固定部分中間腔體空間位置，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部腔體與中心管連通，從而達(dá)到清洗游動閥的洗井目的。由于活動部位頂部安裝減振彈簧裝置，所以油管環(huán)空注壓洗井時(shí)，降低上柱塞與泵頂部發(fā)生碰撞的撞擊力。

（5）中心管與泵密封連接設(shè)計(jì)。中心管與泵體的密封連接采用皮碗坐封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封性能好，提高抽油泵與中心管的密封性能。

（6）閥副配套使用特殊材料。在長期使用中發(fā)生凡爾漏失的現(xiàn)象，其原因?yàn)橐韵聝牲c(diǎn)：①由于在水井中，閥球失去緩沖，沖擊力增強(qiáng)，在多次的沖擊中造成閥座正常密封面擴(kuò)大，破壞密封面的圓整度，導(dǎo)致密封面關(guān)閉不嚴(yán)，使水液反復(fù)在球座縫隙中沖涮至閥座密封面刺漏；②在高沖次的工作制度下，閥球的落座速度增大，即增強(qiáng)閥球撞擊閥座的沖擊力度，長期使用中也會造成閥座正常密封面擴(kuò)大，破壞密封面的圓整度，導(dǎo)致密封面關(guān)閉不嚴(yán)。采用特殊材質(zhì)閥座，這兩種合金材料閥副比普通不銹鋼閥副的硬度高，抗沖擊能力強(qiáng)，提高使用壽命。

圖1 地下泵組工作過程

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程序控制層主要由PLC 監(jiān)控中心、I/O 等組成，以性能較穩(wěn)定的西門子S7-1200 型PLC 為控制核心，當(dāng)控制單元接收到觸摸屏發(fā)送的指令后，程序運(yùn)算控制并完成相應(yīng)的輸出變化量?？刂葡到y(tǒng)采用STEP 7 和組態(tài)王對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、編程，并通過人機(jī)交互界面下發(fā)控制信號?，F(xiàn)場采集執(zhí)行層主要由井下壓力計(jì)采集端、套壓變送器、地面儀表采集端、變頻器傳輸系統(tǒng)組成，通過上RS485 與PLC 通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對現(xiàn)場各個(gè)控制點(diǎn)的調(diào)節(jié)和監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)液位故障、變頻器故障、電機(jī)故障、溫度故障和超壓故障時(shí)，PLC 立即停機(jī)并鎖定故障，等待人為排除。

通過PLC 梯形圖編程，構(gòu)建井底流壓與變頻器閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)煤層氣井的智能排采軟件設(shè)計(jì)。它以控制排采電機(jī)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(shè)定降液速度控制注水泵的轉(zhuǎn)速和液動換向水閥的換向頻率，調(diào)節(jié)井下無桿管式泵的排量。

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(yù)先設(shè)置井底流壓的變化速度調(diào)整沖次。通過采用自適應(yīng)PID 控制作為智能排采降壓的核心算法，根據(jù)井底壓力計(jì)實(shí)測值和井底流壓預(yù)期降低值做偏差，自動調(diào)整變頻器的參數(shù)，自動改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率，控制井底流壓的變化，實(shí)現(xiàn)對動液面的準(zhǔn)確控制?？刂屏鞒虨椋涸O(shè)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(shè)置沖次的時(shí)間或換向壓力值進(jìn)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(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動化排采。

梳理活塞泵主回路控制原理如圖2 所示，二次回路控制原理如圖3 所示。

圖2 主回路控制原理

圖3 二次回路控制原理

2 新型設(shè)備與現(xiàn)有設(shè)備對比分析

2.1 新型水力柱塞泵現(xiàn)場使用情況

（1）設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)在產(chǎn)水量（0.2～18）m3/d 范圍變化的井況下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）設(shè)備能夠滿足降壓范圍在（0.01～0.2）MPa/d 的工作制度要求。

（3）設(shè)備與現(xiàn)有自動化系統(tǒng)同步對接，能現(xiàn)場顯示并上傳設(shè)備啟停狀態(tài)、井底流壓、電流、驅(qū)動系統(tǒng)壓力、產(chǎn)水量、頻率等數(shù)據(jù)，具有遠(yuǎn)程啟停、調(diào)節(jié)工作制度的功能等技術(shù)要求。

（4）控制程序穩(wěn)定準(zhǔn)確、智能化程度高；能夠在不同沖次下自適應(yīng)調(diào)整。

（5）電磁換向閥換向精準(zhǔn)，能夠在高壓、高頻率、高振動、液體高腐蝕的工作環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定。

（6）地下泵組運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)卡泵、漏失等問題，綜合泵效達(dá)到85%以上。

（7）設(shè)備在煤層氣L 形水平井穩(wěn)定運(yùn)行180 d 以上，排采時(shí)率達(dá)到98.5%以上。

2.2 新型水力柱塞泵與現(xiàn)有設(shè)備對比

煤層氣井現(xiàn)有設(shè)備出現(xiàn)的地上控制系統(tǒng)換向閥漏失嚴(yán)重、控制系統(tǒng)程序智能化程度低、設(shè)備整體品控差、維修故障率高；地下泵組漏失嚴(yán)重、泵效低下、卡泵腐蝕嚴(yán)重、檢泵作業(yè)次數(shù)多等諸多問題，相比之下，新型水力柱塞泵設(shè)備優(yōu)勢明顯，主要有以下8 方面特點(diǎn)：

（1）地上控制系統(tǒng)創(chuàng)新性的采用進(jìn)口電磁換向閥，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓換向機(jī)構(gòu)，具有精準(zhǔn)快速、承壓力強(qiáng)、無滲漏、體積小、壽命長、維護(hù)方便、節(jié)約成本、便于自動控制等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場工業(yè)化試驗(yàn)6 個(gè)月運(yùn)行良好、穩(wěn)定，能夠很好的滿足煤層氣井排采需要。

（2）地下泵組泵筒采用鍍硬鉻處理，柱塞外表面采用合金粉噴焊技術(shù)。具有硬度高、耐磨損、鍍層致密、耐腐蝕、使用壽命長等特點(diǎn)。

（3）地下泵組內(nèi)部部件全部采用不銹鋼材料加工，具有更好的抗腐蝕性、抗沖擊性能。

（4）地下泵組在固定閥和游動閥部位采取彈簧強(qiáng)制閉合技術(shù)，縮短閥球閉合時(shí)間并減少閥球起跳沖擊力，實(shí)現(xiàn)減少漏失的目的。

（5）地下泵組柱塞上、下部位均設(shè)計(jì)有防撞、減振裝置，減少超沖程帶來的硬性沖擊，提高抽油泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（6）系統(tǒng)通過程序控制及地下泵組特殊結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)超低壓換向，有效的解決了管道劇烈振動、管道疲勞滲漏、管道氣蝕等難題，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，延長地上控制系統(tǒng)注水泵及油管、中心管的使用壽命。

（7）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)沖程、沖次智能化自學(xué)習(xí)功能，能夠準(zhǔn)確迅速的根據(jù)現(xiàn)場境況及排采制度的要求，制定合理的排采沖程、沖次。

（8）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及控制，并可以實(shí)現(xiàn)固定沖次下的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，將有效沖程自動調(diào)整到最合理的狀態(tài)，最高有效沖程可達(dá)到4.3 m，泵充滿度達(dá)到90%以上。

2.3 控制系統(tǒng)主要組成設(shè)備和參數(shù)

設(shè)備和參數(shù)包括：①額定功率：18.5 kW；②最大沖次：4.8 次；③外形尺寸：2000 mm×1450 mm×1900 mm；④三柱塞泵：額定流量4.2 m3/h，出口壓力12 MPa；⑤變頻電機(jī)：額定功率18.5 kW，額定轉(zhuǎn)速：1000 r/min；防護(hù)等級IP 54；調(diào)速范圍：5～100 Hz；絕緣等級F。

3 市場應(yīng)用情況

近年來，國外水驅(qū)無桿抽油泵技術(shù)發(fā)展較快，尤其是為了滿足各種高難度油井采油的需要，通過不斷提高熱處理工藝水平、不但大幅提高抽油泵的各項(xiàng)性能指標(biāo)，而且研究開發(fā)與應(yīng)用許多新型抽油泵，增加抽油泵的適應(yīng)性，擴(kuò)大抽油泵使用范圍，延長抽油泵的壽命周期，取得較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。其中以水力射流泵和水力柱塞泵為代表：

（1）水力射流泵是利用射流原理將注入井內(nèi)的高壓動力液的能量傳遞給井下產(chǎn)液的無桿水力采油裝置。其缺點(diǎn)有兩方面：①必須有較高的吸入壓力，使射流泵的應(yīng)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。

（2）水力柱塞泵是將動力液高壓勢能轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動的機(jī)械能，使井下原油舉升到地面的一種泵。由馬達(dá)和泵通過空心管相連組成，液馬達(dá)和泵有一個(gè)或兩個(gè)。按結(jié)構(gòu)形式分為雙作用泵、單作用泵、雙泵端泵和雙液馬達(dá)泵。相比較下水力柱塞泵更適合煤層氣區(qū)塊的使用要求，其管理方便、節(jié)能環(huán)保、整體費(fèi)用低的特點(diǎn)更受客戶青睞。

目前，國內(nèi)也有部分公司設(shè)計(jì)研發(fā)水力柱塞泵，并在新疆、吉林、大港、煤層氣等油田實(shí)現(xiàn)小規(guī)模應(yīng)用。但是這些產(chǎn)品價(jià)格昂貴，質(zhì)量參差不齊，并沒有實(shí)現(xiàn)大量使用。

4 結(jié)束語

系列化新型水力柱塞泵的研發(fā)與應(yīng)用，能滿足不同排液量井況的開采需求，減少檢泵作業(yè)次數(shù)，自由調(diào)整沖程沖次并可完成自洗井功能，使抽油泵產(chǎn)品處于國內(nèi)的領(lǐng)先水平。通過水力柱塞泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，有效減少抽油泵砂卡、腐蝕問題發(fā)生，延長檢泵周期。提高抽油泵產(chǎn)品的市場占有率，具有很好的推廣應(yīng)用前景。