川西氣田自動泡沫排水采氣注劑裝置研究及應用*

中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院

天然氣井開采進入中后期，會因為攜液能力不足發(fā)生井底積液，造成氣井水淹停產。泡沫排液采氣工藝是排除氣井積液、維持氣井穩(wěn)產的有效手段，在各類排液采氣工藝中應用最為廣泛[1-2]。以川西氣田為例，1 500多口生產井中80%需要采用泡沫排液采氣工藝維持穩(wěn)產[3-5]。傳統(tǒng)人工判識積液和人工泡排方式存在積液預警不及時、勞動強度大、人工泡排頻率無法維持氣井穩(wěn)產、頻繁的車輛動用和人工操作增加運行成本和安全風險，降低了泡排工藝應用效果，制約了氣藏采收率的提高[6-8]。

通過設計自動化泡排注劑流程，開發(fā)泡排加注遠程監(jiān)控決策軟件，提出了手動加注、自動定時加注、智能加注3種運行模式，配套泡排自動安全防護系統(tǒng)，研制了單井自動泡沫排水采氣注劑裝置（簡稱自動注劑裝置）、叢式井自動輪井注劑裝置、自發(fā)電自動注劑裝置，形成了泡排井無人值守、安全高效的工作模式，提高了氣井產量，降低了運行成本。

1 自動注劑裝置設計

開展泡排自動注劑流程設計、自控系統(tǒng)硬件配套、遠程監(jiān)控決策軟件開發(fā)、安全系統(tǒng)集成，形成了自動注劑裝置設計方案。

1.1 裝置原理

氣井自動注劑裝置由儲藥裝置、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，具體包括：儲液罐、攪拌器、液位計、壓力傳感器、高壓泵、電動機、各類管線、閥件、控制柜、無線接收器等[9-10]。該裝置安裝于氣井井口，在控制柜的指令下，將儲液罐中的藥劑通過高壓泵自動抽吸，經過注劑閥和單流閥自動加注至氣井中，實時采集注劑壓力、藥罐液位、井口壓力等參數(shù)。對于井多的叢式井組，可對多口氣井進行自動輪注；對于無市電的偏遠井，還可采用光伏產品離網供電。為了便于中心站集中管理，利用電腦或手機APP遠程監(jiān)控，也可通過遠程自動決策軟件發(fā)送指令，滿足單井、叢式井、偏遠井遠程自動、智能泡排注劑需要。

1.2 自控系統(tǒng)

系統(tǒng)運行過程中，控制軟件通過不同信號傳輸方式將控制指令發(fā)給PLC控制器的變頻器，變頻器閉合，柱塞泵打開，開關量將柱塞泵開啟狀態(tài)反饋給控制軟件，控制軟件在界面上顯示柱塞泵已開啟。當柱塞泵停止運行時，控制軟件發(fā)出斷電或停泵指令，PLC控制器收到指令后，繼電器斷開，柱塞泵停止；開關量收到斷電或停泵指示后，將指令反饋給控制軟件，控制軟件將在界面上顯示柱塞泵已停泵。設備控制原理見圖1。

圖1 遠程自動控制流程Fig.1 Flow of remote automatic control

1.3 遠程監(jiān)控決策軟件

應用C#編程語言開發(fā)了遠程監(jiān)控決策軟件，一方面用于對注劑壓力、藥箱液位、排量等設備參數(shù)進行實時監(jiān)測，另一方面通過遠程指令控制泵的啟動和停止。控制方式可分為三種：

（1）手動控制。手動控制泵的啟/停。

（2）自動控制。自動控制泵的啟/停，設定自動加注時間間隔、加注時刻、單次加注量等。

（3）智能控制。在線診斷積液，并向設備自動發(fā)送控制指令控制泵的啟/停。在傳統(tǒng)油套壓差診斷積液基礎上，創(chuàng)建了基于流型、持液率等5項指標的積液深度解析法，形成多指標積液在線數(shù)字診斷技術，編制了氣井積液在線預警軟件，自動提示積液井與井筒積液量，解決了單一指標判識積液誤差大的問題，積液在線預警正確率≥90%。

1.4 安全系統(tǒng)

超壓、低液位、雙單流閥、過載保護是保障自動泡排工藝安全運行的關鍵。當泵出口壓力過高，為防止管線憋壓爆裂，要求將自動強制停泵；當藥箱液位過低時，為防止泵空轉，要求自動強制停泵；當泵啟動電流過載時，自動強制停泵；此外還具有雙單流閥保護功能，必要時增加可燃氣體報警和溫度監(jiān)測等，以保證設備的安全運行。

1.5 技術特點

（1）基于多指標積液在線數(shù)字診斷技術的自動加注模式，提升注劑效率和劑量精度，提高氣井產量和壽命。

（2）實現(xiàn)1泵對多井自動泡排加注，大幅降低叢式井泡排成本。

（3）基于光伏產品的偏遠井自動加注模式，解決無市電偏遠井自動泡排難題。

（4）既可用于向氣井自動加注起泡劑，也可用作向地面管線自動加注消泡劑。

（5）設備排量可變、制度可調，持續(xù)工作時間長、防盜、防雨等，且具有低液位、超壓、過載等報警切斷功能，現(xiàn)場檢驗安全可靠。

（6）最大限度地節(jié)約人力、設備和運行成本，消除人工操作引起的跑冒滴漏現(xiàn)象及人員安全風險，實現(xiàn)氣井遠程、精細、集中管理。

2 自動注劑裝置的研制

研制出三個系列的產品：GCY-PP-02型單井自動注劑裝置、GCY-PP-03型叢式井自動注劑裝置、GCY-PP-04型自發(fā)電自動注劑裝置。高壓泵額定工作壓力0～25 MPa任意定制，排量15～900 L/h任意定制；儲藥罐容積1～5 m3任意定制，防爆等級ExdIIBT4，無線網絡接口4G，工作介質為起泡劑或消泡劑。

2.1 GCY-PP-02型單井自動注劑裝置

設計研制了GCY-PP-02型單井自動注劑裝置，滿足自動、定時、定量向單口氣井加注起泡劑溶液，同時具備智能加注功能，即自動診斷積液量，自動預警，自動決策，基于積液量變化的自適應加注，適用于需要間歇加注或連續(xù)加注泡排的無人值守單井。

2.2 GCY-PP-03型叢式井自動注劑裝置

針對叢式井人工加注勞動強度大、加注效率低、故障處理滯后、安全隱患多等問題，設計研制了GCY-PP-03型叢式井自動注劑裝置，滿足在叢式井模式下，1泵對多井的自動、定時、定量輪流加注起泡劑，該設備的最大優(yōu)勢在于應用的叢式井數(shù)越多，降本越明顯；當該裝置同時用于6口井時，與傳統(tǒng)泵相比，降低設備成本可達75%。

針對現(xiàn)有泡排裝置質量較重、搬運成本高、山區(qū)運輸困難、檢維修停運影響工期等問題，開發(fā)了一種便攜式組裝結構。將泵模塊、閥模塊和控制模塊分別獨立設置于相應的柜體內，不同柜體之間通過快插接頭實現(xiàn)快速連接及組裝。降低了裝置的搬運成本，縮短了裝置的安裝周期，避免了裝置因檢修而造成的采氣過程停運的現(xiàn)象，裝置質量僅為200 kg，單模塊約50 kg。

2.3 GCY-PP-04型自發(fā)電自動注劑裝置

針對偏遠地區(qū)氣井無市電、井位分散、井數(shù)眾多、連續(xù)加注難度大、費用高等問題，設計研制了GCY-PP-04型自發(fā)電自動注劑裝置，即在GCYPP-02型單井自動注劑裝置的基礎上，增加了太陽能和風能發(fā)電、防盜、保溫功能，滿足小劑量、間歇加注起泡劑的要求，同時兼顧自動加注功能。

3 現(xiàn)場應用

2019年，自動泡排注劑裝置應用于川西氣田16口井，累計自動運行2 374井次，累計采出天然氣1 879.881×104m3，與前期人工泡排相比，產量增產約10%，節(jié)約人工泡排費用48.6萬元，降本增效顯著；作業(yè)期間，安全隱患提示17次，故障自動報警切斷13次，最高實現(xiàn)1泵對8口井加注，創(chuàng)造了川西氣田泡排工藝“自動化、智能化、網聯(lián)化、8分支”四項記錄，取得顯著經濟效益的同時，提高了排采工藝精細、安全、高效、人性化管理水平。

3.1 JS203-7HF井自動泡排試驗

X203-7HF井是位于川西坳陷東部的1口水平井，造斜點深1 830 m，井內管柱為內徑62 mm全通徑油管，試驗前采用車注泡排劑+強排方式維持生產，加注頻率一周2次，每次加注起泡劑15 kg，起泡劑與水的配比為1∶10。由于勞動強度大，人工加注頻率不滿足排液需要。

圖2 JS203-7HF井自動注劑試驗Fig.2 Automatic agent injection test of JS203-7HF Well

2019年4月3日采用GCY-PP-02型單井自動注劑裝置后，泡排周期由4～5天縮短至2天，油套壓差由1.33 MPa降至0.78 MPa，產量遞減率由643 m3/mon降至460 m3/mon；6月22日試驗智能泡排，泡排周期自適應調整，油套壓差由0.78 MPa控制到0.39 MPa，產量遞減率由460 m3/mon降至191 m3/mon，排液更連續(xù)，產氣更平穩(wěn)。該井油套壓差受積液影響敏感，采用智能加注模式具有更高的排液效率。該井三個階段泡排的生產曲線見圖2。

3.2 X886井站4口井自動泡排輪注試驗

X886集氣站有4口中淺層的定向井（X886、X887、X890、X51），均在2006年9月10日前投產，長期處于低壓低產，井筒積液多，采用每日投固體泡排棒和每3～5天車注液體泡排劑10 kg（配比1∶15）的方式維持穩(wěn)產，泡排加注頻率高，勞動強度大。

2019年7月9日，采用GCY-PP-03型叢式井自動注劑裝置后，4口井的油套壓差分別由0.45 MPa降至0.27 MPa、2.45 MPa降至1.0 MPa、4.78 MPa降至3.3 MPa、0.44 MPa降至0.3 MPa，合輸產氣量由1.036 5×104m3/d增加至1.335 7×104m3/d，合輸水量由5.8 m3/d增加至6.5 m3/d，平均增產約3 000 m3/d，見圖3。同時減少車注作業(yè)近200井次，按每井次600元核算，節(jié)約人工作業(yè)費用約12萬元。該工藝最近在L111井站8口井也得到了成功應用，創(chuàng)造了川西地區(qū)1泵對8口井同時泡排的記錄。

圖3 X886井站4口井自動輪注泡排試驗Fig.3 Automatic alternate injection foam drainage test in 4 wells of X886 Well Station

4 結論

（1）自動泡沫排水采氣裝置具有智能加注、遠傳遠控、自動報警、多井輪注、多源供電、小型手抬等功能，滿足泡排井無人值守、安全高效工作模式，在氣井排水采氣提效方面具有推廣潛力。

（2）該裝置在川西氣田獲得了成功應用，運行平穩(wěn)，產量提升，驗證了裝置的可靠性。

（3）通過將積液在線診斷與自動泡排加注相結合，形成了智能加注模式，其與自動加注模式相比具有更高的排液效率。