新型水力柱塞泵研發與應用

葛利俊，劉學文，屈東海

（渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著煤層氣鉆井技術進步和采礦區地理條件限制，定向井和水平井在煤層氣井的應用規模逐漸擴大，其中大斜度的定向井、羽狀多分支水平井開發技術是近年來國際煤層氣領域應用的一種新技術，逐步成為煤層氣勘探開發的主要井型。

水力柱塞泵排采系統，以高壓水作為排采動力，可有效地解決有桿舉升方式存在的偏磨的弊端，為煤層氣大斜度定向井的連續排采提供新的生產方式。控制系統基于PLC 技術的自動化實現煤層氣井的智能排采功能。

1 新型水力柱塞泵介紹

主要介紹新型水力柱塞泵的設備組成、工作原理及關鍵技術、地下泵組結構、地上控制系統等內容。

水力柱塞泵是一種柱塞式無桿排水采氣系統，是一種同心管排采設備。動力液經過地面柱塞泵增壓，通過換向電磁閥控制，通過反復交替注入中心管或者油管與中心管環空空間，驅動地下泵組的活動部件反復運動，井下產出液經油管與中心管環空空間舉升到地面。排水過程中，套管與油管環空水壓下降，從而氣體解析釋放經由套管與油管環空空間排出地面。控制系統電機帶動地面三柱塞注水泵運轉，控制核心部件為PLC，由特定程序控制換向機構將注水泵增壓后的動力液反復交替注入中心管或者油管與中心管環空空間，從而實現地下泵組抽吸排液動作。

1.1 設備組成

水力活塞泵系統主要由地面控制系統和地下泵組兩大部分組成。地面設備主要包括控制系統、三活塞注水泵、水箱、電機、換向機構、流量計、過濾器及地面管線等組成。地下泵組包括中心管座封結構、雙通道主體、固定部件、活動部件、尾部接箍、外管等，地下泵組以下一般還會增加氣錨、長度不等的篩管及沉沙尾管，用于防止井下大顆粒砂、煤粉等進入地下泵組，造成卡泵、地面管線閥門關閉不嚴等故障。

1.2 設備工作原理

其工作時，控制系統驅動三柱塞注水泵電機，帶動注水泵將動力液增壓，通過電磁換向閥循環控制動力液注入中心管和油管與中心油管環空空間輪換推動，實現井下泵組活動部分的反復交替運動。此工作原理需要解決的關鍵技術由地下泵組及地上控制系統兩方面構成：

（1）地下泵組：①地下抽油泵組在腐蝕環境中，疲勞斷裂的可能性大，所以需要采取特殊工藝和材料配方，解決抽油泵抗腐蝕性能的技術難題；②由于煤層氣井下含煤粉等雜質，長時間工作下產生垢塊，解決游動閥副和固定閥副漏失及卡泵等問題，成為該產品的技術難點。

（2）地上控制系統：①設備在高頻次下頻繁換向，地面注水泵及相關連接管路容易發生滲漏問題，解決此問題，成為保證控制系統運行穩定性、使用壽命的技術難點；②由于換向閥使用頻率極高，保證換向閥在如此高的換向頻率、并伴隨設備振動的工作環境下，穩定、高效的運行是該產品的技術重點；③開發高效、精準的智能化控制程序，是保證設備運行及滿足用戶需求的關鍵技術問題。

由此衍生的新型水力柱塞泵具有以下技術創新點：

（1）地下泵組：①解決偏磨影響，適應于大斜度甚至水平井的無桿抽油泵產品；②研制帶自洗井功能的水力柱塞泵，解決泵組卡泵、漏失的問題；③采用特殊材料及加工工藝，保證地下泵組的密封性、耐磨、抗腐蝕性等。

（2）地上控制系統：①研制新型換向機構，解決頻繁換向的滲漏、磨損、使用壽命短等問題；②根據水力柱塞泵的工作原理及實際排采需要，自主研發控制程序，實現穩定、高效、精準控制；③采用軟、硬高壓管配合連接、高壓應力點結構加強的方法，解決注水泵及高壓連接管路的滲漏問題。

1.3 地下泵組結構

中心管注壓時（深色箭頭）：在電磁換向閥組切換至活動部件上行流程時，控制系統驅動三柱塞注水泵電機，帶動注水泵將水箱內進水口流至柱塞泵頭的動力液增壓后，通過中心油管注入地下泵組，動力液通過雙通道主體的特殊通道進入至抽油泵內部環形空間，對抽油泵活動部位產生向上推力，活動部分上行，此時游動閥會因為壓力變化而關閉，將井下泵上腔內混合液通過中心管排至地面，從而達到上行排液的目的。同時活動部位上行過程中，由于抽油泵腔體體積變大，壓力減小，泵下端固定閥會打開并完成吸液過程。地層產出液通過過濾后進入水箱，多余產出液則溢流至地面積水池。

油管與中心管環空空間注壓時（最深色剪頭）：在電磁換向閥組切換至活動部件下行流程后，動力液通過中心管與油管環空空間注入，動力液通過雙通道主體的特殊通道進入至抽油泵上泵筒內部空間，對抽油泵活動部位產生向下推力，活動部分下行，此時活動部分與固定部分中間腔室體積減小、壓力增大游動閥開啟，從而實現將液體由活動部件腔體排到上泵筒內部空間。泵腔液體進入中心管與油管環空空間與動力液形成混合液。

上沖程過程，液體通過雙通道主體的側通道排到中心管與油管環空空間（淺色箭頭）。下沖程過程，液體通過雙通道主體的側通道排到中心管。

地下泵組具有自洗井功能，在洗井時，高壓動力液持續注入環形空間內，活動部分上行至上止點，注入的高壓動力液清洗地下泵組游動閥。洗井過程中，井下泵組位于上止點，泵筒靜止不排液。

（1）固定部分結構設計。固定部分采用下柱塞和拉管連接。下柱塞為雙固定閥罩設計，即在柱塞兩端各安裝一個固定閥罩，只要其中一個能正常使用，泵整體就能正常工作，起到雙保險的作用，并且下游動閥設計強制閉合彈簧裝置。

（2）活動部分結構設計。活動部分采用上柱塞和下泵筒連接。上柱塞為單閉式閥罩帶強制閉合彈簧設計，并在頂部安裝減振彈簧裝置，避免上沖程過盈和洗井過程造成的劇烈撞擊。

（3）上泵筒正懸掛。抽油泵的雙通道主體通過變扣接箍與上泵筒連接（泵筒正懸掛）。上泵筒和活動部分上柱塞；活動部分下泵筒和固定部分下柱塞形成兩個密封抽汲系統，實現抽油泵上沖程的井底吸液和頂部排液過程。

（4）自洗井功能設計。由于產出液中包含煤粉和其他雜質，游動閥長期使用后，閥球與閥座的密封面會附著較多黏性雜質致使游動閥密封不嚴甚至失效。為解決這一問題，設計了針對游動閥的自洗井功能。當需要洗井作業時，只需向中心管注入足夠壓力，使抽油泵活動部位運行至上死點，此時下泵筒末端的槽孔將運動到活動部分與固定部分中間腔體空間位置，實現內部腔體與中心管連通，從而達到清洗游動閥的洗井目的。由于活動部位頂部安裝減振彈簧裝置，所以油管環空注壓洗井時，降低上柱塞與泵頂部發生碰撞的撞擊力。

（5）中心管與泵密封連接設計。中心管與泵體的密封連接采用皮碗坐封結構設計，密封性能好，提高抽油泵與中心管的密封性能。

（6）閥副配套使用特殊材料。在長期使用中發生凡爾漏失的現象，其原因為以下兩點：①由于在水井中，閥球失去緩沖，沖擊力增強，在多次的沖擊中造成閥座正常密封面擴大，破壞密封面的圓整度，導致密封面關閉不嚴，使水液反復在球座縫隙中沖涮至閥座密封面刺漏；②在高沖次的工作制度下，閥球的落座速度增大，即增強閥球撞擊閥座的沖擊力度，長期使用中也會造成閥座正常密封面擴大，破壞密封面的圓整度，導致密封面關閉不嚴。采用特殊材質閥座，這兩種合金材料閥副比普通不銹鋼閥副的硬度高，抗沖擊能力強，提高使用壽命。

圖1 地下泵組工作過程

1.4 控制系統設計

程序控制層主要由PLC 監控中心、I/O 等組成，以性能較穩定的西門子S7-1200 型PLC 為控制核心，當控制單元接收到觸摸屏發送的指令后，程序運算控制并完成相應的輸出變化量。控制系統采用STEP 7 和組態王對系統進行組態、編程，并通過人機交互界面下發控制信號。現場采集執行層主要由井下壓力計采集端、套壓變送器、地面儀表采集端、變頻器傳輸系統組成，通過上RS485 與PLC 通信，實現監控中心對現場各個控制點的調節和監控。當系統出現液位故障、變頻器故障、電機故障、溫度故障和超壓故障時，PLC 立即停機并鎖定故障，等待人為排除。

通過PLC 梯形圖編程，構建井底流壓與變頻器閉環控制，實現煤層氣井的智能排采軟件設計。它以控制排采電機變頻器的頻率為中心，以控制井底流壓為核心，根據氣井的產氣、產水規律和井底流壓變化規律，控制系統按照設定降液速度控制注水泵的轉速和液動換向水閥的換向頻率，調節井下無桿管式泵的排量。

通過監測系統采集井底流壓變化情況，系統可按人工預先設置井底流壓的變化速度調整沖次。通過采用自適應PID 控制作為智能排采降壓的核心算法，根據井底壓力計實測值和井底流壓預期降低值做偏差，自動調整變頻器的參數，自動改變電機的運轉速率，控制井底流壓的變化，實現對動液面的準確控制。控制流程為：設定值→智能排采控制器→水力管式泵沖次→排水量→流壓下降速度→控制器，形成整體的閉環控制。

換向閥則按設置沖次的時間或換向壓力值進行換向，從而控制地面高壓動力液在換向水閥的作用下從高壓注水泵的兩出液口交替注入管柱內，實現自動化排采。

梳理活塞泵主回路控制原理如圖2 所示，二次回路控制原理如圖3 所示。

圖2 主回路控制原理

圖3 二次回路控制原理

2 新型設備與現有設備對比分析

2.1 新型水力柱塞泵現場使用情況

（1）設備能夠實現在產水量（0.2～18）m3/d 范圍變化的井況下連續穩定運行。

（2）設備能夠滿足降壓范圍在（0.01～0.2）MPa/d 的工作制度要求。

（3）設備與現有自動化系統同步對接，能現場顯示并上傳設備啟停狀態、井底流壓、電流、驅動系統壓力、產水量、頻率等數據，具有遠程啟停、調節工作制度的功能等技術要求。

（4）控制程序穩定準確、智能化程度高；能夠在不同沖次下自適應調整。

（5）電磁換向閥換向精準，能夠在高壓、高頻率、高振動、液體高腐蝕的工作環境中運行穩定。

（6）地下泵組運行穩定，未出現卡泵、漏失等問題，綜合泵效達到85%以上。

（7）設備在煤層氣L 形水平井穩定運行180 d 以上，排采時率達到98.5%以上。

2.2 新型水力柱塞泵與現有設備對比

煤層氣井現有設備出現的地上控制系統換向閥漏失嚴重、控制系統程序智能化程度低、設備整體品控差、維修故障率高；地下泵組漏失嚴重、泵效低下、卡泵腐蝕嚴重、檢泵作業次數多等諸多問題，相比之下，新型水力柱塞泵設備優勢明顯，主要有以下8 方面特點：

（1）地上控制系統創新性的采用進口電磁換向閥，代替傳統的液壓換向機構，具有精準快速、承壓力強、無滲漏、體積小、壽命長、維護方便、節約成本、便于自動控制等優點，現場工業化試驗6 個月運行良好、穩定，能夠很好的滿足煤層氣井排采需要。

（2）地下泵組泵筒采用鍍硬鉻處理，柱塞外表面采用合金粉噴焊技術。具有硬度高、耐磨損、鍍層致密、耐腐蝕、使用壽命長等特點。

（3）地下泵組內部部件全部采用不銹鋼材料加工，具有更好的抗腐蝕性、抗沖擊性能。

（4）地下泵組在固定閥和游動閥部位采取彈簧強制閉合技術，縮短閥球閉合時間并減少閥球起跳沖擊力，實現減少漏失的目的。

（5）地下泵組柱塞上、下部位均設計有防撞、減振裝置，減少超沖程帶來的硬性沖擊，提高抽油泵運行的穩定性。

（6）系統通過程序控制及地下泵組特殊結構，可實現超低壓換向，有效的解決了管道劇烈振動、管道疲勞滲漏、管道氣蝕等難題，保障系統穩定運行，延長地上控制系統注水泵及油管、中心管的使用壽命。

（7）系統實現沖程、沖次智能化自學習功能，能夠準確迅速的根據現場境況及排采制度的要求，制定合理的排采沖程、沖次。

（8）系統可實現遠程數據傳輸及控制，并可以實現固定沖次下的自適應調節，將有效沖程自動調整到最合理的狀態，最高有效沖程可達到4.3 m，泵充滿度達到90%以上。

2.3 控制系統主要組成設備和參數

設備和參數包括：①額定功率：18.5 kW；②最大沖次：4.8 次；③外形尺寸：2000 mm×1450 mm×1900 mm；④三柱塞泵：額定流量4.2 m3/h，出口壓力12 MPa；⑤變頻電機：額定功率18.5 kW，額定轉速：1000 r/min；防護等級IP 54；調速范圍：5～100 Hz；絕緣等級F。

3 市場應用情況

近年來，國外水驅無桿抽油泵技術發展較快，尤其是為了滿足各種高難度油井采油的需要，通過不斷提高熱處理工藝水平、不但大幅提高抽油泵的各項性能指標，而且研究開發與應用許多新型抽油泵，增加抽油泵的適應性，擴大抽油泵使用范圍，延長抽油泵的壽命周期，取得較好的社會效益和經濟效益。其中以水力射流泵和水力柱塞泵為代表：

（1）水力射流泵是利用射流原理將注入井內的高壓動力液的能量傳遞給井下產液的無桿水力采油裝置。其缺點有兩方面：①必須有較高的吸入壓力，使射流泵的應用受到限制；②射流泵泵效較低，所需要的輸入功率比水力柱塞泵高。

（2）水力柱塞泵是將動力液高壓勢能轉變為往復運動的機械能，使井下原油舉升到地面的一種泵。由馬達和泵通過空心管相連組成，液馬達和泵有一個或兩個。按結構形式分為雙作用泵、單作用泵、雙泵端泵和雙液馬達泵。相比較下水力柱塞泵更適合煤層氣區塊的使用要求，其管理方便、節能環保、整體費用低的特點更受客戶青睞。

目前，國內也有部分公司設計研發水力柱塞泵，并在新疆、吉林、大港、煤層氣等油田實現小規模應用。但是這些產品價格昂貴，質量參差不齊，并沒有實現大量使用。

4 結束語

系列化新型水力柱塞泵的研發與應用，能滿足不同排液量井況的開采需求，減少檢泵作業次數，自由調整沖程沖次并可完成自洗井功能，使抽油泵產品處于國內的領先水平。通過水力柱塞泵的優化設計研究，有效減少抽油泵砂卡、腐蝕問題發生，延長檢泵周期。提高抽油泵產品的市場占有率，具有很好的推廣應用前景。