煤層氣井專用電潛泵研究與應用

周 帥 崔金榜 石慧寧 王勝利 周 燦

(中國石油華北油田采油工藝研究院, 河北 062552)

1 前言

沁水盆地南部煤層氣勘探開發的主要目的層是二疊系山西組的3#煤層和石炭系太原組的15#煤層。3#煤層厚度4．06～7．19m, 埋深300～1000m,含氣量10．78～25．29m3/t。樊莊區塊開發井主要有直井、叢式井和多分支水平井。

直井和叢式井排采主要采用抽油機舉升系統,抽油機依據井深、載荷等選用3 型和5 型兩種; 抽油桿選用D 級φ19mm; 管式泵主要有φ38mm、φ44 mm、φ56mm 三種。水平井排采主要采用地面電驅動螺桿泵方式排水, 螺桿泵由地面電機驅動, 泵體主要由頂部接頭、多級泵、萬向節、軸承四部分組成。

在煤層氣井需要調整作業生產過程中, 由于以下原因經常發生停泵。一是煤層氣直井在進入排采階段后, 會產出煤粉顆粒及壓裂支撐劑石英砂, 而管式泵對砂和煤粉的適應能力較差, 容易產生柱塞卡死、閥堵塞等現象; 二是在煤層氣開發過程中,為適應產水量變化 (0～50m3/d) , 需要進行沖程沖次的調整或進行換泵作業, 難以實現排量變化范圍較大條件下的靈活平穩控制; 三是作為有桿泵舉升工藝, 存在著不平衡、不對中、桿管偏磨等現象,尤其是對斜井、叢式井、水平井的適應性比較差。

根據電潛泵具有排量變化范圍大、揚程高、適應范圍廣 (可用于斜井和水平井) 的特點, 2007年華北油田采油工藝研究院和煤層氣分公司經過聯合攻關, 先后攻克了井底流壓監測、自動控制等關鍵技術, 研制出了煤層氣井電潛泵智能排采系統,在現場應用5 井次, 最長運行達到373 天, 表現出運行平穩及排量調節容易及節能等特點, 具有很好的推廣前景。

2 電潛離心泵智能排采系統研究

2．1 煤層氣井專用電潛離心泵排采系統組成

電潛離心泵排采系統主要由煤層氣井專用離心泵、潛水電機、壓力計及液位開關、動力電纜、壓力計電纜、繞絲篩管、扶正器、離心泵專用井口、控制柜等組成。

經過現場試驗不斷改進, 煤層氣井專用電潛離心泵系統完井管柱如圖1 所示。

2．2 電潛離心泵智能控制原理

電潛離心泵智能排采時根據煤層氣井井底流壓變化規律和排采規律, 地面人工預先設定井底流壓變化調整值?？刂葡到y根據井下壓力計采集的流壓變化情況, 采取“控制液面排水”法, 即通過控制流量, 使液面按要求以既定速度下降。在控制器上只要設定好液面下降速度參數后, 通過井下壓力計, 控制器自動計算控制變頻器調整電機轉速, 使液面均勻的下降?？刂圃砣鐖D2 所示。

在控制液面下降時, 采用定時調節的方式, 定時調節是在固定的時間點, 對當前液面和期望的液面作比較與調整, 實現對理想液面的定時追蹤。

圖1 煤層氣井電潛離心泵管柱結構圖

圖2 智能控制原理圖

2．3 電潛離心泵變頻控制系統

變頻控制系統如圖3 所示, 主要由變頻器、升壓變壓器、控制器、正弦濾波器組成。

圖3 變頻控制系統示意圖

(1) 變頻器： 變頻器是一種用來改變交流電頻率的電氣設備, 它還具有改變交流電電壓的輔助功能。變頻器通過改變電動機電源頻率來調節電機轉速。

(2) 升壓變壓器： 由于電動機與變頻器的距離比較遠, 考慮到電機電纜上的電壓損失, 這就需要用升壓變壓器對380V 的電源電壓進行升壓, 根據電機電纜的長度和電流的大小來確定升壓變壓器的檔位, 保證電機端的電壓處在額定電壓范圍內。

(3) 控制器： 可采用微控制器或PLC 作為控制器, 一是實現各種參數的實時采集, 二是根據下達的指令對液面進行控制。

(4) 正弦濾波器： 變頻器輸出電壓是PWM(脈沖寬度調制) 波形, 電機需要長線傳輸時 (電機線纜超過50m) , 由于行波反射引起電機端電壓疊加, 使電機絕緣破壞; 由于變頻器的輸出含有高頻諧波, 增加了動力電纜以及電機的損耗; 極高的dv/dt 會引起數MHz 的輻射干擾。

正弦波濾波器由高頻輸出電抗器、RC 回路、共模電抗器組成, 通過在變頻器輸出側加裝正弦波濾波器, 將PWM 調制波濾成近似正弦的電壓波形, 可以有效地抑制高頻損耗和輻射干擾, 并使電機與變頻器的線纜長至500m, 甚至是3km。

改進后的電潛離心泵變頻控制系統主要具有以下功能：

(1) 軟啟動功能

變頻控制系統采用變頻器啟動時, 隨著電機的加速相應提高頻率和電壓, 起動電流被限制在150%額定電流以下。電機啟動的全過程都不存在沖擊轉矩, 而是平滑的啟動運行, 從而可以減少啟動電流對電機絕緣的損害, 降低機械沖擊扭矩對機組的破壞。

(2) 升壓穩壓功能

由于煤層氣井電潛泵井電機電纜的長度一般在500～800m 之間, 動力電纜上的壓降比較大, 同時電網電壓的波動范圍較大, 加上受到井下氣體、煤粉、砂等的影響, 使電機處于過電壓或欠電壓的狀態, 最終都會導致電機電流升高, 極易燒毀井下電機。

升壓變壓器有425V、450V、475V、500V 四檔, 根據現場的電源電壓情況和井深, 選擇合適的檔位, 同時合理設置變頻器, 控制變頻器的輸出電壓, 以達到升壓穩壓的目的, 使電機工作在合適的電壓范圍內 (340～420V) 。

(3) 控制功能

①手動控制： 可根據現場的實際排采情況, 通過手動調節變頻器的輸出頻率, 從而改變電機轉速來控制電潛泵的排量。

②自動控制： 根據排采制度的要求, 設定液面的下降速度, 控制器按照下達的指令, 自動控制變頻器的輸出頻率, 最終使實際的液面下降速度與設定值一致, 達到連續、平穩降液面的目的。

③遠程控制： 通過安裝無線數傳通訊模塊, 對電潛泵進行遠程啟停操作和運行參數的調節。

2．4 回流控制功能

針對排采后期隨著產水量的減少, 離心泵排量降低, 散熱不良的情況增加了回流裝置, 保證離心泵在小流量下的安全運行。具體做法是： 通過調節變頻器的頻率, 控制離心泵機組輸出功率, 實現降液位、穩液位、低沉沒度的運行, 產水量較低時(小于10m3/d) , 通過控制調節閥的開度來調節出水量和回流量的大小, 回流管的安裝使得抽出的水一部分又回到了井下, 保證了井下機組具有較大的排量, 以滿足潛水電機的散熱要求, 同時使泵具有一定的攜帶煤粉的能力, 從而解決了高揚程、小排量的問題。

2．5 井底壓力監測及危險液面控制

井底流壓是預測煤層氣井生產和流入動態的一個基本要素, 是進行有效人工舉升設計的一個關鍵參數, 在閉環智能控制模型中, 也以井底流壓的變化為調整基礎。

系統主要包括： 井下設備 (壓力傳感器, 數據轉換器, 依靠電纜供電并傳輸信號) 、井筒設備(鎧裝電纜、扶正器、電纜卡子、儀器卡座、儀器托筒) 和井口設備 (地面數據存儲單元及微型蓄電池供電單元, 負責數據觀察、數據存儲并向電子壓力計提供直流12V 電源) 。通過采取數字傳輸, 提高抗強電和變頻器干擾能力, 整套控制系統正常運行。

液面控制采取液位開關技術, 在液面低于規定液面時, 自動斷電停機。一旦液面高于液位開關,可以從遠程或本地啟動。

3 技術指標

3．1 系統指標

●電潛泵型號： QSDB110 - 20/800 或QSDB110- 20/550

●電源輸入： 三相四線380VAC/50HZ

●輸出電壓： 380～480V (50Hz)

●輸出頻率： 0～50Hz

●適應井溫： 40 ℃

●排水量： 0～60m3/d

●系統功耗： ＜7．5KW

●控制柜類型： 室外/落地

3．2 數字壓力計指標：

●壓力測量范圍： 0～10MPa

●壓力精度等級： ±0．1%F·S (綜合精度)

●溫度測量范圍： 0～50 ℃

●溫度精度等級： 0．2%

●長期穩定性： ±0．3%F·S/a

●功耗： ＜20mA

●整體抗壓強度： ≥30MPa

4 現場應用

通過對電潛離心泵系統的不斷完善改進, 目前已經能夠適應煤層氣井的排采要求, 系統的安全性和可靠性大大增強, 經過改進后的DB - 1、DB -2、DB- 3、DB - 4、DB - 5 五口電潛泵井運行平穩, 電潛泵系統的運行頻率在35～50Hz 之間, 運行電流為10～14A, 排量調節范圍達到0～50m3/d,而且變頻器的輸出電壓穩定, 使電機工作在正常的電壓范圍內, 目前5 口井的運行情況如下表所示。

表1 電潛離心泵井運行情況一覽表

由于煤層氣井的產水量具有不規律性, 需要根據液面高度不斷改變變頻器的頻率來調整電機的轉速, 從而不斷的調整離心泵的排量, 使液面連續平穩下降。該井采用變頻電潛泵系統之前, 由于產水量比較大, 經過了較長的時間液面才降下來, 同時逐漸的產水量也開始降低。采用變頻系統進行排采時液面出現一定的起伏, 說明產水量也是不斷變化的, 同時隨著液面的降低揚程也在不斷增大, 通過不斷改變頻率來對液面的下降進行調整, 圖4 為DB- 3 井的生產曲線。

圖4 DB- 3 井生產曲線

5 結論和應用前景

將電潛離心泵智能排采系統引入到煤層氣井后, 經過不斷試驗和改進, 提高了電潛泵系統運行的平穩性和控制性能, 通過現場應用可以得到以下結論：

(1) 采用變頻控制系統后, 提高了系統效率,延長了機組壽命, 節能降耗。

(2) 增加回流裝置, 改善電機的散熱, 實現小排量、高揚程排采。

(3) 改進后的電潛泵系統的排量調節范圍比較大, 控制性能比較好, 有利于實現平穩降壓。

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