射流泵在煤層氣排采中的自動(dòng)控制

吳慶彬

(無(wú)錫虹業(yè)自動(dòng)化工程控制有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

鄂東煤層氣田2009年以來(lái)投入規(guī)模開(kāi)發(fā)，截至2012年9月，在渭北區(qū)塊、臨汾區(qū)塊、保德區(qū)塊共鉆井近兩千口，建產(chǎn)能12億m3/a，已有近千口開(kāi)發(fā)井投入排采。受鄂氣田復(fù)雜地形條件的限制，煤層氣開(kāi)發(fā)井中叢式井和水平井所占比例越來(lái)越高，常規(guī)管式泵、螺桿泵等煤層氣排采工藝經(jīng)常發(fā)生偏磨、卡泵現(xiàn)象造成煤層氣井修井和排采不連續(xù)，不僅發(fā)生大量的修井費(fèi)用，影響氣井產(chǎn)量，更為嚴(yán)重的是煤層氣井停抽引起的壓力波動(dòng)會(huì)對(duì)煤儲(chǔ)層造成嚴(yán)重傷害、煤粉沉積還會(huì)降低裂縫的導(dǎo)流能力，引起排采井產(chǎn)氣能力降低甚至不產(chǎn)氣。為此，沒(méi)有管桿偏磨的射流泵技術(shù)成為解決煤層氣井偏磨、卡泵現(xiàn)象，保障煤層氣井連續(xù)排采的重要方法。

而射流泵的自動(dòng)控制在國(guó)內(nèi)尚屬空白，不能滿(mǎn)足集團(tuán)公司數(shù)字化油氣田建設(shè)和煤層氣公司煤層氣田自動(dòng)化建設(shè)要求[1]。為了實(shí)現(xiàn)射流泵排采自動(dòng)控制，達(dá)到煤層氣公司自動(dòng)化煤層氣田建設(shè)的總體要求，亟需開(kāi)展射流泵排采自動(dòng)控制的研究與實(shí)驗(yàn)。

1 自控方案①

1.1 設(shè)備組成

保德區(qū)塊井場(chǎng)“保5-07號(hào)”平臺(tái)共有6口煤層氣排采生產(chǎn)井，其中1口直井，井號(hào)為保5-07井；5口定向井，井號(hào)分別為保5-07向1、向2、向3、向4、向5井，均采用射流泵作為排水(煤粉)采氣設(shè)備。

該平臺(tái)6口煤層氣排采生產(chǎn)井均采用139.7mm套管，套管內(nèi)徑124.26mm，使用同心管排砂采油裝置進(jìn)行排砂采氣生產(chǎn)，動(dòng)力液管使用內(nèi)徑48mm油管，流通面積為1 256mm2；混合液管使用內(nèi)徑73mm油管，其混合液實(shí)際流通的環(huán)形空間面積為1 186mm2。

相比于采用管式泵、螺桿泵和電潛泵的排采方案，射流泵排采方案相對(duì)復(fù)雜，它包含地面設(shè)備和井下設(shè)備兩部分。射流泵地面設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理如圖1、2所示，射流泵井下設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示。如圖1所示，動(dòng)力液罐中的液體經(jīng)過(guò)柱塞泵加壓后，成為高壓動(dòng)力液，它的壓力通常在10～20MPa之間。每個(gè)井口都有一套高壓流量自控儀表，它包含了一個(gè)高壓流量?jī)x和電動(dòng)閥門(mén)，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸入到井口的動(dòng)力液的實(shí)際流量。如圖2所示，高壓動(dòng)力液達(dá)到井下泵體后，由噴嘴高速?lài)姵觥８咚僖后w的流動(dòng)在噴嘴附近產(chǎn)生負(fù)壓，將井筒內(nèi)的液體吸入到油管，形成混合液被舉升到地面，由此實(shí)現(xiàn)了排液功能。

圖1 射流泵地面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 射流泵地面控制系統(tǒng)原理

圖3 井下設(shè)備結(jié)構(gòu)

根據(jù)射流泵的排采系統(tǒng)單井所需設(shè)備來(lái)看，值得注意的是，在同一個(gè)叢式井井臺(tái)上，動(dòng)力液泵、變頻器、儲(chǔ)液罐、動(dòng)力液壓力變送器及自動(dòng)排采控制柜等設(shè)備可以被多個(gè)井共用。而高壓流量自控儀、井下壓力計(jì)、套壓變送器及氣體流量計(jì)等設(shè)備需要每個(gè)井配備一套。

1.2 排采過(guò)程

自動(dòng)控制設(shè)備根據(jù)設(shè)定初始值控制變頻器的輸出頻率；測(cè)量高壓管匯中動(dòng)力液的壓力[2]；自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器頻率，以達(dá)到設(shè)定的動(dòng)力液壓力。由于動(dòng)力液的壓力范圍在0～20MPa，動(dòng)力液壓力測(cè)量?jī)x表精度為0.25%滿(mǎn)量程，變頻器控制精度在0.20%滿(mǎn)量程，因此最終能實(shí)現(xiàn)的動(dòng)力液控制精度為0.05MPa。

高壓水(動(dòng)力液)經(jīng)動(dòng)力液管匯到達(dá)各井口，自動(dòng)控制設(shè)備設(shè)定高壓流量自控儀的流通流量，使得高壓水(動(dòng)力液)以一定流量流入井口。設(shè)置的動(dòng)力液流通流量分辨率為0.1m3/h，實(shí)際能達(dá)到的控制精度會(huì)根據(jù)流量自控儀進(jìn)口和出口的壓力差有所變化。此外，流入井口的動(dòng)力液流量的變化與相應(yīng)的返回井口的混合液流量變化的比例關(guān)系需要通過(guò)實(shí)踐來(lái)證實(shí)，理論上講是該比例應(yīng)小于1。

井筒產(chǎn)出液和動(dòng)力液混合后的混合液從井口的另一端產(chǎn)出，經(jīng)混合液流量計(jì)進(jìn)入混合液管匯，然后進(jìn)入泥砂、水、煤粉分離罐沉降分離后，供動(dòng)力液循環(huán)使用，煤層產(chǎn)水進(jìn)入污水池。煤層氣從套管產(chǎn)出，計(jì)量后進(jìn)入輸氣流程。

2 研究目標(biāo)

為了滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，解決射流泵排采過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)難題，筆者從3個(gè)方面設(shè)定本次課題的研究目標(biāo)：找出射流泵控制系統(tǒng)中合理的調(diào)整參數(shù)，使其具有普遍推廣意義；針對(duì)射流泵控制系統(tǒng)中控制節(jié)點(diǎn)多、動(dòng)力干擾大的特點(diǎn)，研究出一整套完善的穩(wěn)定抗干擾的解決方案；找到射流泵自動(dòng)排采的綜合控制思路。

2.1 調(diào)整參數(shù)

要想合理調(diào)節(jié)射流泵的排采強(qiáng)度，達(dá)到想要的控制精度，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并找到以下規(guī)律：

a. 入井流量與返回流量的關(guān)系，這個(gè)關(guān)系隨入井動(dòng)力液壓力和流量的變化而變化，找出其相關(guān)性線性度，其變化響應(yīng)時(shí)間、變化范圍需要通過(guò)大量數(shù)據(jù)測(cè)試來(lái)佐證。獲得這個(gè)參數(shù)可掌握合理的動(dòng)力液壓力和流量的調(diào)整幅度。

b. 井筒排液量與入井流量存在正相關(guān)性，但也不是線性的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試找到排液量與井口壓力、井深、入井流量的關(guān)系。

2.2 抗干擾解決方案

相比于普通排采設(shè)備，射流泵排采系統(tǒng)具有壓力大、流量高、動(dòng)力需求大、電源種類(lèi)多的特點(diǎn)，儀表、控制、通信之間的相互干擾遠(yuǎn)高于一般井場(chǎng)控制系統(tǒng)，因此，需要提出一個(gè)穩(wěn)定可靠的總體抗干擾解決方案：

a. 電源隔離技術(shù)，對(duì)儀表、控制、通信分別采用隔離電源系統(tǒng)，作好接地及電磁屏蔽等工作；

b. 采用磁/光隔離的通信技術(shù)，確保控制命令的通信過(guò)程準(zhǔn)確無(wú)誤；

c. 軟件上采用鏈路層帶校驗(yàn)、應(yīng)用層出錯(cuò)重發(fā)、命令下達(dá)多重確認(rèn)及數(shù)據(jù)自動(dòng)糾錯(cuò)機(jī)制等。

2.3 綜合控制思路

射流泵的綜合控制思路包括以下步驟[3]：

a. 通過(guò)調(diào)節(jié)柱塞泵電機(jī)工作頻率，產(chǎn)生合理的高壓動(dòng)力液；

b. 設(shè)置一定的入井流量，測(cè)量返出混合液流量，從而獲得井筒產(chǎn)液量數(shù)據(jù)；

c. 根據(jù)井底流壓的變化，微調(diào)動(dòng)力液入井流量，從而微調(diào)井筒產(chǎn)液量；

d. 微調(diào)柱塞泵的工作頻率，使得動(dòng)力液壓力保持穩(wěn)定，調(diào)節(jié)過(guò)程減少對(duì)其他井口控制系統(tǒng)的影響；

e. 保持一段穩(wěn)定時(shí)間，以便觀察井底壓力的變化趨勢(shì)；

f. 重復(fù)步驟c～e。

射流泵排采綜合控制步驟如圖4所示。

圖4 射流泵排采綜合控制步驟

圖5為實(shí)際控制曲線，分別展示了煤層氣5個(gè)階段的排采曲線，即排水階段、憋壓排水階段、控壓排水階段、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段和衰竭階段。

圖5 實(shí)際控制曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的射流泵排采工藝不但解決煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的偏磨及卡泵等難題，還滿(mǎn)足煤層氣井規(guī)模化排采、自動(dòng)化排采的要求，實(shí)現(xiàn)了“長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢”的目標(biāo)。