油田地面智能注入系統(tǒng)的研制

楊成永，賈吉冉，孫玉全，陳 強，張桂昌

（德州聯(lián)合石油機械有限公司，山東德州253034） ＊

油田地面智能注入系統(tǒng)的研制

楊成永，賈吉冉，孫玉全，陳 強，張桂昌

（德州聯(lián)合石油機械有限公司，山東德州253034）＊

介紹了一種專用調剖、堵水、注聚、復合驅用地面注入系統(tǒng)及設備。詳細分析了結構組成、流程、控制和使用特點等，并重點論述所配套使用的特殊注入泵的功能特點。

調剖堵水；油層保護；TDB泵；精細控制

近年來，我國各大油田均已進入注水開發(fā)的中后期，綜合含水大幅度上升，如何控制油田的綜合含水、提高油田的最終采收率是保證油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施之一。目前，國內使用的注入設備多為水泥車，存在以下問題：

1） 使用維護成本高。由于其活塞、缸套、閥體、閥座、閥箱等易損件更換頻率高，不但影響生產(chǎn)，而且提高了使用成本。

2） 對堵劑分子鏈剪切率高、工藝效果差。由于水泥車沖次高達每分鐘幾百次，閥體座起落次數(shù)頻繁，因此對堵劑分子鏈剪切很嚴重，有的剪切率達到40%以上，極大地破壞了堵劑的性能。

3） 現(xiàn)場配料難度大、精度低?，F(xiàn)有工藝大多為人工配料后運至現(xiàn)場，不能保證配料精度，且增加了大量的運輸費用。

4） 破壞地層、不能長期連續(xù)工作。由于水泥車在運轉過程中，無論地層壓力多高，都只能保持固定的注入壓力，極易造成地層破壞，而水泥車易損件也需頻繁更換，破壞了工藝的連續(xù)性。

5） 操作復雜、占用人員多。無論是配料運輸、還是設備運行等都需要大量人員協(xié)作才能完成。

近年來，調剖等措施向大劑量深部大段塞或精確泵注方向發(fā)展，單井組的施工時間長達一個多月，甚至更長，調堵等措施的施工時間更是達到半年以上。因此，沒有專業(yè)的注入設備，只靠水泥車或注聚泵在現(xiàn)場長期運轉，不易精確完成工藝要求。

德州聯(lián)合石油機械有限公司開發(fā)的油田地面智能注入系統(tǒng)是專為滿足此要求的一套適合調剖、堵水、注聚及復合驅作業(yè)的自動控制泵注系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)流程

油田地面智能注入系統(tǒng)各主要單元主管路連接如圖1所示。流程包括雙系統(tǒng)：配料雙池＋熟化雙罐＋注入泵。為便于安裝調試和設備轉運，整套系統(tǒng)分解成控制房、配料池、儲液（熟化）罐、注入泵4個獨立的單元。各單元能夠獨立完成所需的底層基本控制過程，各單元之間以快速連接方式互聯(lián)信號電纜和流程管線。為了各單元靈活組配改變流程，將流量計量也單獨分出來形成1個小單元使用。

圖1 地面智能注入系統(tǒng)流程

本系統(tǒng)不僅適用于大規(guī)模施工，也適用于小規(guī)模施工，根據(jù)施工要求和規(guī)模的不同，對4個獨立的單元進行選配連接，目前有7種連接方式（如表1）。對應各種連接，開發(fā)了多種適用程序。除此之外，在施工要求不是非常嚴格和施工強度不高的情況下，各設備可以轉換到現(xiàn)場手動控制狀態(tài)，進行手動控制，可不做智能控制線路的連接。

表1 各種組配方式和適應的施工規(guī)模

2 系統(tǒng)特點

1） 采用計算機控制對藥液自動混配、導出。液位、壓力、流量和總注入量計量數(shù)值通過數(shù)字顯示出來，隨時提供給現(xiàn)場操作人員進行監(jiān)督判斷。作業(yè)強度大幅降低，基本上實現(xiàn)無人值守或只需1人維護，并有效保證了作業(yè)質量［1］。

2） 采集井口壓力，形成壓力的閉環(huán)控制，即壓力控制流量、壓力控制濃度、過壓力報警停機及低壓泄漏判斷等，有效保護了壓力管線的安全和地層不受破壞。

3） 能在很寬的范圍內根據(jù)要求對排量進行自動控制調整，以便滿足各種地層特點下的流量要求，達到最理想化的預期效果。同時預定各種流量實施方案。

4） 實現(xiàn)全自動、半自動和手動控制，靈活選擇各種操控方式，使流程更改變得輕松自如。

5） 實時保存數(shù)據(jù)記錄，進一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳、遠程分析和遠程控制。

6） 控制方式采用分級方式進行。按控制范圍分為系統(tǒng)級整體控制、單元級控制和局部執(zhí)行自主控制。盡量保持各功能部件控制的獨立性，上一級僅協(xié)調各分支銜接階段的跳轉和終止等。按控制層次分級：最上層的遠端數(shù)據(jù)傳輸，上層的協(xié)調和總體配方選擇，下一層的實時性比較強的監(jiān)控執(zhí)行。報警監(jiān)控按重要程度分級：分為一般的提醒、嚴重警告、緊急情況處理。此外還可顯示細節(jié)分級等。

7） 控制過程以順序控制為主。在啟動環(huán)節(jié)采用時間順序控制（例如：為了防止多臺電機同時啟動的電網(wǎng)沖擊，先啟動前序電機，再順次啟動后序各電機）；在運轉過程采用邏輯順序控制（例如，攪拌電機的轉停由罐內液位控制）。

8） 系統(tǒng)主要采用集中控制，采用A／D、D／A、I／O、變頻控制，儀表數(shù)據(jù)以模擬方式或智能儀表方式傳輸數(shù)據(jù)。經(jīng)過十多年不斷的完善，加進了許多有使用價值的成果，在不同時期實踐了各種方案和側重改進的問題。

9） 除了功能強大的自動控制外，還結合手動、遠程和就地控制方式，各種控制方式可混合使用。在就地儀表控制時，控制室屏幕起到數(shù)據(jù)監(jiān)控和顯示作用。可對各分立單元分別選擇各自的控制方式，控制方式可在線就地變換。

3 液壓調剖堵水泵

在泵注環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)采用了一種專業(yè)泵（TDB泵），其區(qū)別于機械連桿驅動的液壓驅動方式，采用單缸雙出桿、兩端對稱連接泥漿端［2－3］的獨特結構，泥漿端的同步性得到了很好的保證，原理如圖2。通過框架機體實現(xiàn)了液壓缸端和泥漿端之間的較大連接剛度，同時采用合適的液壓換向控制機構，并加裝出口蓄能器，壓力波動在1～2MPa。目前該泵的技術比較成熟，已經(jīng)大量使用在油田作業(yè)中。

圖2 TDB泵驅動結構原理

同常規(guī)機械泵相比，TDB泵有著非常適合于調堵注聚作業(yè)的性能特點：

1） 油壓泵站采用變量油泵，使TDB泵具備了恒功率變量、不停泵手動變量及過載壓力保護等特殊功能。圖3為最高使用壓力35MPa的TDB恒功率變量泵在變頻驅動下獲得的試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)區(qū)頂部和右上側輪廓清楚地描繪出了恒功率變量特性（其變量特性可調整，并與所配缸套規(guī)格、變頻頻率等有關，本例變量點功率約為28kW）。這種排量隨井底壓力變化而變化（反比例）的特性，合理地保護了油層，壓力流量關系曲線如圖4。

圖3 注入泵工作狀態(tài)點分布

圖4 TDB－II型液壓調剖泵流量壓力曲線

2） 采用液壓回路作為動力傳動鏈，油路系統(tǒng)壓力和過油量可大致反映泥漿出口壓力和泵排量。這一特性可通過如圖5所示試驗數(shù)據(jù)得到驗證，去除數(shù)據(jù)散點并排除測量誤差，圖5中的回歸斜線即是它們的對應關系。由圖5可以看出：比例線形并不正好通過坐標原點，比例線左上三角區(qū)域沒有任何試驗數(shù)據(jù)，更說明水壓形成是油壓傳遞過去的，沒有油壓驅動，水壓不可能自行升高。從使用角度來說：在油側設置安全閥比在水側更合理，它不但防止了下游水壓的超壓危險，也同時避免了機械卡滯帶來的壓力危險，因此更具安全性，且油比水清潔得多，油路安全閥比水路安全閥設定更加精準、重復性好、調整方便、測試容易。同時，這種控壓方式特別適合要求較低剪切率的堵劑輸送中的過壓保護，不存在嚴重的節(jié)流和泄流剪切問題和分流收集的管道布置問題，實施方便快捷［4－5］。

圖5 TDB泵壓力對應特性曲線

3） 油壓活塞桿與泥漿活塞桿固聯(lián)成一體，通過直線推動做功，整個行程是勻速前沖的，容積線性變化，特別適用于低沖次、長沖程運行。TDB泵的活塞截面積大、沖程長（500mm）、額定工況下沖次少（只有22min－1）、活塞運行線速度低、吸入排出閥起落頻率低、對堵劑的剪切率小，從而有效地保護了堵劑的性能。泵送調剖堵水所適用的堵劑，自吸能力強，不使用喂水泵仍能夠正常工作。由于沖次少，易損件壽命增長，液力端的活塞、缸套、閥體、閥座的使用壽命是一般機械往復泵的5～10倍。因此，適合大劑量、長時間、穩(wěn)壓調剖堵水工藝［6］。

4） 取消了曲軸連桿及人字齒輪、皮帶輪等大型復雜結構件，也不存在曲軸箱及潤滑機構。往復機構安裝在一個長方形機體框架內，大幅降低了加工復雜度及安裝精度。在相同沖程下，比往復泵尺寸小。

5） 油源泵體積小，動力源和油缸用軟管連接，動力源可按要求變動位置，可將油源泵直接安裝在柴油機等已有動力設備的分動頭處，配套容易。

4 結語

油田地面智能注入系統(tǒng)采用液壓缸驅動，實現(xiàn)智能控制，已在國內各油田得到了很好的推廣應用。本系統(tǒng)適用于水井調剖堵水、油井堵水、聚合物驅油、三元復合驅、污泥回注等多種作業(yè)方式。廣泛適用各種介質：CSE－1、三相泡沫、G級油井水泥、鋸末、膨潤土、污泥、聚丙烯酰胺、榆樹皮粉、纖維素、體膨顆粒等所有在用堵劑。采用變排量特性，高效節(jié)能，流程轉換方便，轉換方案多，保證低運行費用，維護方便，經(jīng)濟效益顯著。

［1］ 唐 凡，陸 梅，王尚衛(wèi)，等.油井自動點滴加藥裝置研制與應用［J］.石油礦場機械，2012，41（3）：63－65.

［2］ 張 斌，程 波，周恕毅，等.基于ANSYS／LS－DYNA鉆井泵泵閥的沖擊特性仿真分析［J］.石油礦場機械，2011，40（11）：16－19.

［3］ 周玉海，劉 超，徐志明，等.新型耐磨鉆井泵缸套試驗研究［J］.石油礦場機械，2011，40（11）：20－23.

［4］ 雷天覺.液壓工程手冊［K］.北京：機械工程出版社，1997.

［5］ 丁樹模，趙如一.液壓傳動［M］.北京：機械工程出版社，1992.

［6］ 劉長年.液壓缸式往復高壓注液泵的研究［J］.石油礦場機械，2005，34（5）：40－41.

1001－3482（2012）11－0079－03

TE9

B

2012－05－25

楊成永（1974－），男，山東禹城人，工程師，主要從事鉆井工具、井口、鉆采設備研發(fā)及技術管理工作，E－mail：yangcy＠dupm.cn。