一種PLC控制的深井抽汲機研制及應用

宗美巧，周力帥，唐長書，羅紅兵，殷秀君，宋官友

（1.鹽城市佳鑫石化機械制造有限公司，江蘇阜寧 224431；2.中原石油勘探局鉆井三公司，河南濮陽 457001；3.濮陽市雙發實業有限責任公司，河南濮陽 457001；4.濮陽市中原匯騰實業有限公司，河南濮陽 457001）①

抽汲排液是常規試油中最常用的一道工序，是油氣勘探開發取得成果的關鍵環節。中原油田的油氣層埋藏深度在2000～3600m，且具有低孔、低滲的特點，目前已處于中后期勘探開發階段。老區塊地層壓力不斷降低，深層滾動勘探開發是增儲上產的重要途徑，采用新的試油工藝技術和裝備是油田精細化管理的客觀要求。在分析目前油田排液技術和抽汲設備現狀的基礎上，結合中原油田的實際情況，采用了變頻和PLC 控制技術，成功研制了一種新型抽汲機，改變了傳統的機械操控模式，減輕了操作者的勞動強度，具有自動化程度高、抽汲強度大、安全可靠、操作簡單、方便直觀等優點，進一步完善了常規試油氣配套工藝技術。

1 油氣井排液技術現狀

試油中常用的排液方式有4種：

1）常規抽汲排液其優點是簡易、通用。缺點是抽汲深度受滾筒容量限制，目前的抽汲深度小于1800m。

2）潛油電泵排液其優點是排液強度大，但成本高，下井成功率低，故障率高，并且在大斜度定向井中無法應用。

3）水力泵排液其優點是不受井斜影響，排液能力大，但對動力液和油管要求高，增加了成本。出口液是混合液，難以真實反映地層液性能，應用較少。

4）氣舉閥分級氣舉和液氮氣舉比較適合氣井排液。可以1次快速舉升井筒液體，但無法實現連續排液；采用連續制氮車組方可實現連續氣舉。

隨著鉆井工藝技術的發展，定向井、大斜度井成為勘探開發的主流。由于受井斜的影響，使得完井作業工藝技術難度增加，一些常規試油工藝技術的應用受到了限制，但常規抽汲排液技術在一定程度上仍發揮著重要作用。目前，在試油中主要采用常規抽汲法進行排液求產，就是利用一種專用工具把井內的液體抽到地面，以達到降低液面即減少液柱對油層造成的回壓的一種措施［1－3］。其主要設備是通井機或抽汲車，通過手動操作和剎把制動來實現上提下放，抽汲深度采用丈量鋼絲繩長度的方法來記錄，動液面深度則依靠操作手的經驗來判斷。鋼絲繩很容易打扭而報廢，上提至井口時依靠在鋼絲繩上做的記號來防止頂鉆，記號易脫落且不易通過抽汲防噴盒，自動化程度不高，操作不方便，深度誤差大，抽汲能力小，勞動強度大。

2 新型抽汲機組成

新型抽汲機采用撬裝式結構，以發電機組或工業電源為動力，采用PLC 控制系統，通過操作臺設定抽汲參數，采用自動或手動2種模式來完成抽汲排液工作。它由機械系統和控制系統2部分組成，如圖1。

圖1 新型抽汲機工作原理

2.1 機械系統

由井架、滑輪組、抽子、鋼絲繩和卷揚機組成。抽汲時，纏繞在滾筒上的鋼絲繩通過減速機減速后，由控制系統來控制其上提、下放動作。重復此過程，即可進行抽汲排液工作。

1）井架使用原試油井架。

2）滑輪組把地滑輪固定在井口大四通上，井架天滑輪和地滑輪起導向作用，使鋼絲繩在井內的垂直運動變為地面的水平運動。

3）抽子使用高強度耐磨膠皮，可以增加抽子的使用次數和減少抽汲過程的漏失量，提高抽汲效率。

4）鋼絲繩將鋼絲繩一端固定整齊纏繞在滾筒上，另一端與加重桿連接。滾筒系多層纏繞，鋼絲繩受力比較復雜。鋼絲繩末端設計載荷為20kN，選擇?15.875mm 鋼絲繩即可［4］。

5）卷揚機是機械系統的核心部分，采用撬裝式，結構緊湊，安裝方便。它由基座、滾筒、變頻電機、減速機、液壓抱閘和安全限位裝置等組成（如圖2）。

依據《JD－11.4型調度絞車說明書》［5］和《起重機械安全技術手冊》［6］，綜合計算鋼絲繩重力、提升液柱重力、摩阻等參數，以滿足深抽排液的需求。卷揚機的額定拉力為20kN，鋼絲繩的平均速度為30～300m／min，滾筒容量為3500m（?15.875mm鋼絲繩）。特制的減速機能夠輸出足夠的轉矩和轉速。特制的變頻電機在低頻慢速時不會過熱。通過液壓抱閘可實現液壓制動，使制動更可靠。安全限位裝置可防止滾筒過卷而發生安全事故。

圖2 卷揚機結構

2.2 控制系統

控制系統是新型抽汲機的核心部分。根據抽汲排液技術的特點和現場要求，采用了PLC 可編程控制器自動控制技術和文本顯示屏操作方法［7－8］，由井口馬達、同步馬達、傳感器、控制操作臺、制動單元、矢量控制變頻器、系統總線和電源組成。

1）井口馬達安裝在井口地滑輪上，將深度數據傳輸給同步馬達。

2）同步馬達安裝在控制操作臺內，將接收的井口馬達信號傳輸給控制操作臺實現自動控制，并在文本屏顯示深度數據。

3）傳感器在井口安裝載荷傳感器，由PLC根據載荷的變化判斷抽子的沉沒度，在防噴管安裝磁性接近傳感器，由PLC自動判斷抽子離井口的位置（鋼絲繩已分段充磁）。

4）控制操作臺輸入控制信號，文本顯示屏實時顯示速度、抽汲深度和載荷。手動與自動任意轉換，點動和連續提升、下放，可實現緊急停車。

5）制動單元消除電機發電狀態時的反電壓，對電機輸入直流輔助制動，以保證鋼絲繩平穩下放。

6）矢量控制變頻器采用矢量控制方式，使電機在低頻慢速轉動時有足夠的轉矩。

7）系統總線為系統電器控制元件提供電信號。

8）電源由發電機組或工業電網提供380 V／50Hz電源。

3 主要特點

新型抽汲機與目前通井機和抽汲車相比，具有6個特點：

1）自動化程度高采用變頻和PLC 控制技術，可設定下放深度、自動上提下放動作和過載自動停止，上提至井口附近可自動減速和停止，手動、自動2種模式任意轉換，自動化程度高。

2）實時監測參數控制操作臺采用屏幕顯示載荷、深度、速度等參數，便于操作者及時分析判斷井下情況。

3）抽汲能力大采用高強度大容量滾筒，設計?15.875 mm 鋼絲繩容量3500 m，最大抽深3000m，最大提速達300m／min，實現了深抽強排。

4）安全可靠當變頻器發出任意故障代碼時，能及時報警，可實現緊急強制停車并制動，防止意外事故的發生。采用液壓制動和安全限位裝置，可實現緊急停車，防止過載和過卷，保證了安全。

5）參數準確采用同步馬達和載荷傳感器，深度和載荷記錄準確，深度誤差為±0.5 m／1000m。

6）操作簡單操作人性化，簡單直觀，減輕了操作者勞動強度。

4 適用范圍

該新型抽汲機適用于油水井、煤層氣井進行抽汲排液、求產、降液、誘噴等施工，特別適合低滲油藏條件下的深抽排液，為油田低滲層、壓力系數較低的老井（層）求產提供了新手段，是老油田精細化勘探、壓裂、酸化后排液配套工藝技術，特別是在深井壓裂、酸化后的連續快速排液中更能體現出良好的優越性和實用性。

5 應用情況

在以前的抽汲排液過程中，采用常規通井機或抽汲車抽汲，最大抽深只有2000 m，生產壓差較小；采用水力泵排液，因產量低等原因而放棄（如表1）。新型抽汲機自2008－10首次在Q100井試驗成功以來，已在中原油田的多口試油井進行抽汲排液，最大抽深已達到2800m，增大了生產壓差（如表2）。

表1 常規通井機或抽汲車抽汲和水力泵排液數據

表2 新型抽汲機抽汲排液數據

由表1和表2抽汲排液數據對比分析：應用新型抽汲機抽汲，增加了油井生產壓差，特別適合低滲油藏條件，完全能滿足試油井抽汲排液施工的要求，有效地解決了常規抽汲排液工藝中的實際問題。和常規抽汲設備相比，具有明顯的先進性和優越性。該新型抽汲機的成功應用，提高了常規抽汲排液工藝技術水平，使中原油田精細勘探和壓裂效果評價配套技術更完善，為油田提供了可靠的技術手段，具有較強的實用性和較好的推廣應用前景，將產生較好的經濟效益和社會效益。

6 結論

1）新型抽汲機具有手動、自動2種控制模式，自動化程度高，極大地減輕了操作者的勞動強度。

2）具有緊急制動和報警功能，安全可靠。

3）采用高強度、大容量滾筒，滿足了深抽排液的要求。

4）顯示屏實時監測載荷、深度、速度等抽汲參數，方便操作者及時分析、判斷井下情況。

5）新型抽汲機具有明顯的先進性和實用性，推廣應用前景較好，同時為研究電動抽油機系統提供了新的思路。

［1］吳奇，王林，陳顯進，等.井下作業監督［M］.2版.北京：石油工業出版社，2003.

［2］陳鳳管，綦耀光，王渭，等.環空射流泵排采工藝在煤層氣井中的適用性研究［J］.石油礦場機械，2012，41（6）：46－49.

［3］王方林，李大春，李麗麗，等.?89mm 油管抽汲裝置的研制與應用［J］.石油礦場機械，2009，38（2）：81－84.

［4］GB 8918—2006，重要用途鋼絲繩［S］.

［5］徐州礦山設備制造廠.JD－11.4型調度絞車說明書［Z］.1994.

［6］王西.起重機械安全技術手冊［K］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

［7］吳啟紅.變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應用技術［M］.3版.北京：機械工業出版社，2010.

［8］高勤.電器及PLC控制技術［M］.北京：高等教育出版社，2001.