煤層氣井專用電潛泵研究與應(yīng)用

周 帥 崔金榜 石慧寧 王勝利 周 燦

(中國(guó)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(kāi)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(kāi)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(jī)舉升系統(tǒng),抽油機(jī)依據(jù)井深、載荷等選用3 型和5 型兩種; 抽油桿選用D 級(jí)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(dòng)螺桿泵方式排水, 螺桿泵由地面電機(jī)驅(qū)動(dòng), 泵體主要由頂部接頭、多級(jí)泵、萬(wàn)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(guò)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(jìn)入排采階段后, 會(huì)產(chǎn)出煤粉顆粒及壓裂支撐劑石英砂, 而管式泵對(duì)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(kāi)發(fā)過(guò)程中,為適應(yīng)產(chǎn)水量變化 (0～50m3/d) , 需要進(jìn)行沖程沖次的調(diào)整或進(jìn)行換泵作業(yè), 難以實(shí)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(duì)中、桿管偏磨等現(xiàn)象,尤其是對(duì)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(yáng)程高、適應(yīng)范圍廣 (可用于斜井和水平井) 的特點(diǎn), 2007年華北油田采油工藝研究院和煤層氣分公司經(jīng)過(guò)聯(lián)合攻關(guān), 先后攻克了井底流壓監(jiān)測(cè)、自動(dòng)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(chǎng)應(yīng)用5 井次, 最長(zhǎng)運(yùn)行達(dá)到373 天, 表現(xiàn)出運(yùn)行平穩(wěn)及排量調(diào)節(jié)容易及節(jié)能等特點(diǎn), 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(jī)、壓力計(jì)及液位開(kāi)關(guān)、動(dòng)力電纜、壓力計(jì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不斷改進(jìn), 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(shí)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。控制系統(tǒng)根據(jù)井下壓力計(jì)采集的流壓變化情況, 采取“控制液面排水”法, 即通過(guò)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(guò)井下壓力計(jì), 控制器自動(dòng)計(jì)算控制變頻器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速, 使液面均勻的下降。控制原理如圖2 所示。

在控制液面下降時(shí), 采用定時(shí)調(diào)節(jié)的方式, 定時(shí)調(diào)節(jié)是在固定的時(shí)間點(diǎn), 對(duì)當(dāng)前液面和期望的液面作比較與調(diào)整, 實(shí)現(xiàn)對(duì)理想液面的定時(shí)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(lái)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(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(2) 升壓變壓器： 由于電動(dòng)機(jī)與變頻器的距離比較遠(yuǎn), 考慮到電機(jī)電纜上的電壓損失, 這就需要用升壓變壓器對(duì)380V 的電源電壓進(jìn)行升壓, 根據(jù)電機(jī)電纜的長(zhǎng)度和電流的大小來(lái)確定升壓變壓器的檔位, 保證電機(jī)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(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)采集, 二是根據(jù)下達(dá)的指令對(duì)液面進(jìn)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(jī)需要長(zhǎng)線傳輸時(shí) (電機(jī)線纜超過(guò)50m) , 由于行波反射引起電機(jī)端電壓疊加, 使電機(jī)絕緣破壞; 由于變頻器的輸出含有高頻諧波, 增加了動(dòng)力電纜以及電機(jī)的損耗; 極高的dv/dt 會(huì)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(guò)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(jī)與變頻器的線纜長(zhǎng)至500m, 甚至是3km。

改進(jìn)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(dòng)功能

變頻控制系統(tǒng)采用變頻器啟動(dòng)時(shí), 隨著電機(jī)的加速相應(yīng)提高頻率和電壓, 起動(dòng)電流被限制在150%額定電流以下。電機(jī)啟動(dòng)的全過(guò)程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩, 而是平滑的啟動(dòng)運(yùn)行, 從而可以減少啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)絕緣的損害, 降低機(jī)械沖擊扭矩對(duì)機(jī)組的破壞。

(2) 升壓穩(wěn)壓功能

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

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

(3) 控制功能

①手動(dòng)控制： 可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際排采情況, 通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率, 從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制電潛泵的排量。

②自動(dòng)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(dá)的指令, 自動(dòng)控制變頻器的輸出頻率, 最終使實(shí)際的液面下降速度與設(shè)定值一致, 達(dá)到連續(xù)、平穩(wěn)降液面的目的。

③遠(yuǎn)程控制： 通過(guò)安裝無(wú)線數(shù)傳通訊模塊, 對(duì)電潛泵進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停操作和運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)。

2．4 回流控制功能

針對(duì)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(yùn)行。具體做法是： 通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率, 控制離心泵機(jī)組輸出功率, 實(shí)現(xiàn)降液位、穩(wěn)液位、低沉沒(méi)度的運(yùn)行, 產(chǎn)水量較低時(shí)(小于10m3/d) , 通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)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(jī)組具有較大的排量, 以滿足潛水電機(jī)的散熱要求, 同時(shí)使泵具有一定的攜帶煤粉的能力, 從而解決了高揚(yáng)程、小排量的問(wèn)題。

2．5 井底壓力監(jiān)測(cè)及危險(xiǎn)液面控制

井底流壓是預(yù)測(cè)煤層氣井生產(chǎn)和流入動(dòng)態(tài)的一個(gè)基本要素, 是進(jìn)行有效人工舉升設(shè)計(jì)的一個(gè)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(hào)) 、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(chǔ)單元及微型蓄電池供電單元, 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)觀察、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并向電子壓力計(jì)提供直流12V 電源) 。通過(guò)采取數(shù)字傳輸, 提高抗強(qiáng)電和變頻器干擾能力, 整套控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。

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

3 技術(shù)指標(biāo)

3．1 系統(tǒng)指標(biāo)

●電潛泵型號(hào)： 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(jì)指標(biāo)：

●壓力測(cè)量范圍： 0～10MPa

●壓力精度等級(jí)： ±0．1%F·S (綜合精度)

●溫度測(cè)量范圍： 0～50 ℃

●溫度精度等級(jí)： 0．2%

●長(zhǎng)期穩(wěn)定性： ±0．3%F·S/a

●功耗： ＜20mA

●整體抗壓強(qiáng)度： ≥30MPa

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)對(duì)電潛離心泵系統(tǒng)的不斷完善改進(jìn), 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(qiáng), 經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的DB - 1、DB -2、DB- 3、DB - 4、DB - 5 五口電潛泵井運(yùn)行平穩(wěn), 電潛泵系統(tǒng)的運(yùn)行頻率在35～50Hz 之間, 運(yùn)行電流為10～14A, 排量調(diào)節(jié)范圍達(dá)到0～50m3/d,而且變頻器的輸出電壓穩(wěn)定, 使電機(jī)工作在正常的電壓范圍內(nèi), 目前5 口井的運(yùn)行情況如下表所示。

表1 電潛離心泵井運(yùn)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(lái)調(diào)整電機(jī)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(guò)了較長(zhǎng)的時(shí)間液面才降下來(lái), 同時(shí)逐漸的產(chǎn)水量也開(kāi)始降低。采用變頻系統(tǒng)進(jìn)行排采時(shí)液面出現(xiàn)一定的起伏, 說(shuō)明產(chǎn)水量也是不斷變化的, 同時(shí)隨著液面的降低揚(yáng)程也在不斷增大, 通過(guò)不斷改變頻率來(lái)對(duì)液面的下降進(jìn)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(guò)不斷試驗(yàn)和改進(jìn), 提高了電潛泵系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性和控制性能, 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)了機(jī)組壽命, 節(jié)能降耗。

(2) 增加回流裝置, 改善電機(jī)的散熱, 實(shí)現(xiàn)小排量、高揚(yáng)程排采。

(3) 改進(jìn)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(shí)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(guó)煤層氣, 2006, 3(1) ： 34- 36．

[2] 崔曉霖, 刑海燕等．潛油電泵變頻技術(shù)的研究與應(yīng)用 [J] ．石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2004 (5) ： 57- 59．

[3] 李振智, 唐周懷等．變頻器在潛油電泵井上的應(yīng)用[J] ．鉆采工藝, 2001, 24 (3) ： 45- 47．