大容量氣井泡排棒自動投放裝置及其應(yīng)用

梅宗清， 梅宗斌， 楊文武， 楊太剛， 李建玉

(四川華宇石油鉆采裝備有限公司)

地層出水是天然氣井生產(chǎn)過程中的伴生現(xiàn)象，隨著地層壓力的降低，產(chǎn)氣量下降，當(dāng)產(chǎn)氣量低于氣井臨界攜液流量時，氣體無法將產(chǎn)出水全部攜帶出井筒，井底形成積液，進(jìn)而造成井底回壓增大，使氣井產(chǎn)量進(jìn)一步下降；積液還導(dǎo)致氣井產(chǎn)層發(fā)生“水侵”、“水鎖”傷害并降低氣相滲透率，影響氣田最終采收率[1-3]。

泡沫排水采氣的基本原理是向井底注入表面活性劑，降低井底積液的表面張力,在天然氣流的攪動作用下，把井底積液變成低密度泡沫,從而改變井筒內(nèi)的氣液流態(tài),提高氣流的攜水能力，同時,起泡劑還能增加流體在井筒中的流速，減少舉升過程中的液體滑脫損失，提高氣流舉液能力，達(dá)到改善或恢復(fù)氣井產(chǎn)量的目的[4-5]。該技術(shù)有見效快、成本低、施工簡單、不影響日常生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為有水氣藏最經(jīng)濟(jì)有效的排水采氣方式。

常用泡排劑分液體和固體兩種：液體泡排劑主要采用平衡罐、柱塞泵和泡排車[6-7]；固體泡排棒主要采用人工井口投放和自動投放，其中自動投放可提高作業(yè)效率，降低操作成本。長慶氣田前期開展了電磁驅(qū)動自動投棒裝置研究及試驗(yàn)，該裝置單支藥棒規(guī)格為?30 mm×250 mm，儲棒筒最高儲棒量為12支，井口加藥周期較短(平均為9～12 d)，尚不能完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求。

針對自動投棒裝置現(xiàn)場應(yīng)用中存在的問題，在前期研究的基礎(chǔ)上研發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡單、耗能小、容藥量大、滿足井筒測試要求的泡排棒自動投放裝置，進(jìn)一步提高了設(shè)備的適用性。

一、裝置的組成及工作原理

1. 裝置的結(jié)構(gòu)組成

大容量氣井泡排棒自動投放裝置主要由太陽能供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和投棒裝置等三大部分組成(圖1)。

圖1 泡排棒自動投棒裝置組成

1.1 供電系統(tǒng)組成

蘇里格氣田地處沙漠地帶，因地制宜選擇采用太陽能電力最為方便。井口泡排棒自動投放裝置的太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能光伏板、太陽能控制器及蓄電池等組成。太陽能光伏板將光能轉(zhuǎn)化為電能；蓄電池組接收儲存電能；太陽能控制器控制光伏板的電能轉(zhuǎn)換和蓄電池的充放電，它在電池充滿電后自動斷開太陽能電池板的電路以保護(hù)電池；充電控制器還可檢測充電狀態(tài)、電池的電量、負(fù)載的狀態(tài)顯示。

1.2 控制系統(tǒng)組成

自動投放裝置控制系統(tǒng)的核心元件是智能控制器。控制系統(tǒng)的控制方式主要分為時間控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。控制器采用128×64點(diǎn)陣液晶顯示，液晶屏面積76 mm×38 mm，節(jié)能設(shè)計(jì)，無按鍵操作，延時后自動關(guān)閉屏幕顯示，控制器通過對年份、日期、時間的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)泡排棒定時投放，可以任意指定某日某時某分開始投棒，控制器可一次設(shè)定20支泡排棒的投放時間。

1.3 投棒裝置組成

投棒裝置是系統(tǒng)的功能主體，主要由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和主體及附件等組成。

(1)驅(qū)動機(jī)構(gòu)為投棒裝置提供機(jī)械動力，此系統(tǒng)中可采用的驅(qū)動方式較多，包括電機(jī)驅(qū)動、氣缸驅(qū)動和電磁鐵驅(qū)動等方式。

綜合對比幾種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)(表1),本裝置采用電磁鐵驅(qū)動結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相對比較簡單、可靠。電磁鐵驅(qū)動機(jī)構(gòu)無需與傳動機(jī)構(gòu)直接接觸，從而形成可靠的壓力區(qū)間隔離，只需磁力導(dǎo)入受壓儲藥倉，靠磁力驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)即可。另外，電磁鐵耗能低，對供電形式要求不高，容易實(shí)現(xiàn)井場電力自給。

表1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)方案對比

(2)傳動機(jī)構(gòu)是將待投入的泡排棒傳送到井口頂端，并循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，為此，裝置的傳動機(jī)構(gòu)要將電磁驅(qū)動器銜鐵的單向擺動轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇性步進(jìn)轉(zhuǎn)動。加裝鋼絲彈簧可以使銜鐵回位，銜鐵單向擺動變?yōu)橥鶑?fù)擺動，往復(fù)擺動進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇性步進(jìn)轉(zhuǎn)動。本裝置選用技術(shù)成熟的棘輪棘爪間歇性步進(jìn)機(jī)構(gòu)方式。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于儲存和投送泡排棒，同時為測試工具下入提供通道。為簡化機(jī)構(gòu)提高可靠性，有利于藥棒傳遞，本裝置采用轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)裝儲泡排棒。

泡排棒裝儲于轉(zhuǎn)盤后，轉(zhuǎn)盤底部加設(shè)托舉機(jī)械(托盤)，圈閉裝儲的泡排棒，使之不與井液直接接觸，在托盤底部配置導(dǎo)軌，減小轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時的阻力和動力消耗(圖2)。

圖2 轉(zhuǎn)盤和導(dǎo)軌示意圖

(4)投棒裝置主體包括本體、頂蓋部分及底蓋部分(圖3)。本體作為設(shè)備主體的承壓外層及結(jié)構(gòu)主體,采用鍛造成型工藝，圓腔承壓結(jié)構(gòu)。外部接口通過密封墊環(huán)和雙頭螺柱連接底蓋及電磁驅(qū)動器，通過“O”型密封圈連接頂蓋，現(xiàn)場安裝時底蓋與采氣樹頂部閥門通過密封墊環(huán)和雙頭螺柱連接，形成完整壓力封隔體，本體內(nèi)部容納、支撐和固定轉(zhuǎn)盤及傳動機(jī)構(gòu)等。

圖3 本體、頂蓋、底蓋結(jié)構(gòu)示意圖

頂蓋部分包括頂蓋和裝棒孔、測試孔、“O”型密封圈、壓力表、截止閥等附屬件。除用作封閉主體內(nèi)的壓力外，頂蓋部分還承擔(dān)裝棒、觀察、讀壓、放空、連接測試工具設(shè)備等操作，即可通過裝棒孔裝棒，通過截止閥放空卸壓，通過測試孔進(jìn)行觀察投棒情況，或下測試工具進(jìn)行井下作業(yè)等。

底蓋部分包括底蓋和導(dǎo)軌、密封墊環(huán)、連接螺柱等附屬件，其主要作用是封閉本體內(nèi)的壓力，與井口頂部閥法蘭連接，提供投棒、測試及放噴通道和支撐轉(zhuǎn)盤。底蓋上偏心開設(shè)一個通孔，與采氣樹主通徑一致，安裝時該孔中心線與井口主通道中心線重合，也與頂蓋上的測試孔中心線重合。

(5)測試放噴通道是為便于從裝置頂部直接下測試工具，頂蓋、底蓋和轉(zhuǎn)盤需開設(shè)不小于?62 mm的通道孔，且與井口裝置主通道軸線重合安裝。在進(jìn)行測試作業(yè)前，將轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動到相應(yīng)工位，該?62 mm管道孔與井筒正對時，即形成完整的測試通道(圖4)。在需要進(jìn)行放噴作業(yè)時，只需將放噴管連接在頂蓋上觀察孔接口處，即可形成放噴通道而直接放噴(圖5)。

圖4 測試通道示意圖

圖5 放噴通道示意圖

2. 裝置的工作原理

投棒裝置主要由本體、頂蓋部分底蓋部分、電磁驅(qū)動器、轉(zhuǎn)盤、棘輪棘爪機(jī)構(gòu)等零部件組成(圖6)，安裝在采氣樹頂部，兩者通過法蘭連接，實(shí)施裝棒、投棒及其他作業(yè)過程。

圖6 投棒裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 裝棒過程

轉(zhuǎn)盤上環(huán)形外圓周上開設(shè)20個料孔和1個測試孔(圖7)，料孔間均勻布置，棘輪與轉(zhuǎn)盤中心軸固連，電磁鐵驅(qū)動銜鐵擺動，銜鐵通過連桿帶動棘輪順向步進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤步進(jìn)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤上的料孔與頂蓋上的裝棒孔正對時，可從裝棒孔實(shí)施人工裝棒。

2.2 投棒過程

當(dāng)轉(zhuǎn)盤的料孔對正底蓋孔時，該料孔底部的托盤自動向下翻轉(zhuǎn)打開，泡排棒靠自重掉入氣井中，實(shí)現(xiàn)泡排棒投放，轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動后，料孔底部的托盤在底蓋上的導(dǎo)軌作用下回位關(guān)閉。

圖7 轉(zhuǎn)盤孔分布圖

2.3 測試作業(yè)

當(dāng)轉(zhuǎn)盤上的測試孔對正頂蓋觀察孔時，可實(shí)施測井等井下作業(yè)。

二、 室內(nèi)測試

1. 功能測試

(1)空轉(zhuǎn)測試。對電磁鐵通斷電，轉(zhuǎn)盤連續(xù)步進(jìn)轉(zhuǎn)動88次，過程中4臺投棒裝置均轉(zhuǎn)動靈活無卡阻，步進(jìn)對位準(zhǔn)確無錯位，電磁線圈發(fā)熱正常。

(2)裝棒、投棒測試。通斷電驅(qū)動電磁鐵步進(jìn)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，通過頂蓋上投棒孔裝棒，每通斷電2次后裝棒1支，通斷電38次后裝棒20支。

(3)通道測試。通斷電41次后，測試孔轉(zhuǎn)動到主孔位，此時從測試孔下?62 mm×1 000 mm通井規(guī)檢測。連續(xù)轉(zhuǎn)動過程中，4臺裝置均轉(zhuǎn)動靈活無卡阻現(xiàn)象，裝棒、落棒順暢無阻礙，測試工具能順暢通過，電磁線圈發(fā)熱不明顯。

(4)帶壓投棒測試。將裝置組裝連接，投棒裝置內(nèi)零壓時打開投棒孔，裝棒20支后裝上投棒孔堵頭，從壓力表截止閥處向本體內(nèi)充壓(2～14 MPa氮?dú)?，手動操作電磁鐵通斷電，循環(huán)進(jìn)行投棒—泄壓—打開閥門—檢查投棒情況—充壓操作，連續(xù)投棒20支。實(shí)驗(yàn)中4臺裝置均轉(zhuǎn)動靈活無卡阻，落棒順暢，各密封處無漏氣，電磁線圈發(fā)熱不明顯。

(5)自動動作測試。手動操作連續(xù)裝入20支棒，通過時間控制器設(shè)定投棒時間，裝置自動運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)過程中落棒準(zhǔn)時、順暢，電磁線圈無過熱現(xiàn)象。

(6)型式測試。抽取樣機(jī)連接好裝置并設(shè)置程序，通斷電驅(qū)動電磁鐵步進(jìn)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，每運(yùn)轉(zhuǎn)一周后停止5 min，然后繼續(xù)進(jìn)行下一周期裝投棒實(shí)驗(yàn)，連續(xù)轉(zhuǎn)動94圈。試驗(yàn)過程中，裝置裝棒順暢，落棒準(zhǔn)時、順暢無阻礙，電磁線圈發(fā)熱正常。

2. 承壓測試

(1)本體靜水壓強(qiáng)度測試。本體按2倍額定工作壓力的靜水壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),試壓中均未超過API 6A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.4 MPa的最大允許壓降，穩(wěn)壓期間本體無可見滲漏現(xiàn)象。

(2)密封性能測試。裝置內(nèi)注水，從壓力表截止閥處連接試壓系統(tǒng)，排空后施水壓，在施水壓測試中均未超過API 6A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.7 MPa最大允許壓降，穩(wěn)壓期間無可見滲漏。

3. 供電系統(tǒng)測試

太陽能供電系統(tǒng)制作完成后，進(jìn)行廠內(nèi)穩(wěn)定性測試。設(shè)定工作程序，利用電量表測電池電量消耗，統(tǒng)計(jì)分析若干次投棒電量消耗，計(jì)算出平均單次工作電量消耗數(shù)值和充電一次可以工作的最長時間。另外，進(jìn)行充電測試，太陽能光伏板每小時能充電4.1 AH，蓄電池空載情況下充滿電量耗時約12 h左右，適應(yīng)蘇里格現(xiàn)場沙漠氣候條件下工作。經(jīng)過測試，供電系統(tǒng)滿足系統(tǒng)電力需要。

4. 遠(yuǎn)程控制測試

控制器通過轉(zhuǎn)換接口與計(jì)算機(jī)連接，通過測試，控制器能按設(shè)定程序及遠(yuǎn)程指令準(zhǔn)確運(yùn)行，滿足投棒裝置遠(yuǎn)程控制需要。

三、現(xiàn)場應(yīng)用

完成裝置的加工及室內(nèi)測試后，在蘇X區(qū)塊蘇X-1和蘇X-2兩口井開展泡排棒自動投放裝置現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)(表2)。

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

按照設(shè)計(jì)安裝步驟將投放裝置安裝于采氣樹頂部，并對供電系統(tǒng)、投棒裝置及控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試和調(diào)試，首先對投棒裝置采用井口天然氣進(jìn)行氣密封性檢測，裝置連接密封良好，投棒裝置手動、自動投棒運(yùn)行正常，測試工具起下順暢。完成設(shè)備安裝調(diào)試后，進(jìn)行泡排棒連續(xù)加注試驗(yàn)，試驗(yàn)初期加注制度采用1次/d，加注量3根/次，并對泡排效果進(jìn)行自動跟蹤，根據(jù)試驗(yàn)效果調(diào)整泡排棒加注量及加注周期。不僅有力促進(jìn)了工藝全過程的氣井遠(yuǎn)程控制及數(shù)字化管理的需要，減少了現(xiàn)場工人的勞動強(qiáng)度，而且取得了明顯的增產(chǎn)效果。

如蘇X-1井安裝時生產(chǎn)油壓3.1 MPa、套壓5.7 MPa，該井開展泡排棒自動投放裝置試驗(yàn)，平均產(chǎn)氣量由試驗(yàn)前的0.62×104m3/d，增加到試驗(yàn)、應(yīng)用期間的0.81×104m3/d。現(xiàn)該井使用此裝置已連續(xù)生產(chǎn)，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在0.8×104m3以上，增產(chǎn)幅度29%，增產(chǎn)效果較顯著。

四、結(jié)論

(1)研發(fā)的大容量泡排棒自動投棒裝置儲棒容量達(dá)20支(泡排棒規(guī)格?40 mm×400 mm)，投棒裝置采用電磁鐵驅(qū)動，主體高度713 mm，總高917 mm，重量700 kg。

(2)投棒裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)了測試和放空通道，通道內(nèi)徑DN62 mm，現(xiàn)場通過外徑?59 mm測試工具起下試驗(yàn)檢測。

(3)系統(tǒng)設(shè)備耗電量計(jì)算及室內(nèi)測試驗(yàn)證，表明系統(tǒng)供電設(shè)備滿足7 d以上連續(xù)陰雨天氣下系統(tǒng)供電要求。

(4)研發(fā)的遠(yuǎn)程控制器配置RS485通訊信號接口，采用MODBUS RTU通訊協(xié)議,能夠通過站控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)投棒裝置的遠(yuǎn)程自動控制，實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)到100%。

(5)成功進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用，試驗(yàn)期間不僅設(shè)備及控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，而且現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用的氣井獲得了明顯的增產(chǎn)效果。