一種遠程自動投放球形泡排藥劑裝置的研制及應用

宋漢華宋 劼劉丹丹茹志娟韓 勇魏 瑋

（1.長慶油田公司蘇里格氣田研究中心，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.長慶油田公司超低滲透油藏第四項目部，甘肅西峰 745000；4.長慶油田公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500；5.西安交通大學，陜西西安 710049）

一種遠程自動投放球形泡排藥劑裝置的研制及應用

宋漢華1，2宋 劼3劉丹丹4茹志娟1，2韓 勇1，2魏 瑋5

（1.長慶油田公司蘇里格氣田研究中心，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.長慶油田公司超低滲透油藏第四項目部，甘肅西峰 745000；4.長慶油田公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500；5.西安交通大學，陜西西安 710049）

針對氣井產水積液問題，蘇里格氣田主要采用泡沫排水采氣工藝。傳統的泡沫排水采氣工藝通過車載人工加注的方式進行，工作量大，施工成本高，氣井不易管理。因此，結合現場需求和井口工況，研發了一種可以遠程控制、自動投放固體球形泡排藥劑的裝置，增加了藥劑發泡時間，提高了藥劑使用效率，同時有效降低了工人勞動強度和人工成本。該裝置能耗較低，通過太陽能電池板供電，可以滿足定時間、定數量、定次數排水采氣加藥需求；儲球筒設計為常壓狀態，工人添加泡排球方便靈活。該項技術的成功試驗，為蘇里格氣田數字化排水采氣提供了一種新思路，應用前景廣闊，建議進一步推廣應用。

排水采氣； 泡沫排水；遠程控制； 自動投球；蘇里格氣田

隨著蘇里格氣田開發的不斷深入，氣井壓力下降和產水量逐年增加，導致氣井嚴重積液甚至停產。據統計，蘇里格氣田產水積液氣井已經占20%以上（目前蘇里格氣田已經投產幾千口井）。因此，排水采氣工作的緊迫性日益突出。蘇里格氣田主要采用泡沫排水采氣工藝［1-2］。常規泡沫排水采氣工藝是通過車載加注或人工投棒加注泡排藥劑，工作效率低，如遇雨雪天氣，對路況差和偏遠井加藥得不到保證，無法滿足氣田排水采氣要求。因此，在蘇里格氣田已經建成數字化氣田的大背景下［3-4］，泡排加注工藝也必然沿著自動化、智能化的方向發展［5］。

針對現場泡排藥劑加注工作量大的問題，為減少氣田泡排工作量，降低員工勞動強度，提高排水采氣效率，近年來蘇里格氣田積極開展遠程自動加注裝置試驗。從2010年開始，分別開展了太陽能智能泵加藥試驗、平衡罐自動加注泡排球自動加注、泡排棒自動加注新方法試驗等，均實現了遠程控制自動加注泡排劑的功能。但也暴露了一定的不足：平衡罐設備體積較大、笨重，太陽能智能泵設備結構復雜、成本較高，且兩者注入的均是液體藥劑，發泡時間較短，或藥劑掛壁嚴重，不能全部到達井底，影響藥劑使用效率；泡排棒自動加注裝置實現了固體藥劑加注，但由于棒體太長，遇水發黏后易堵塞通道，且由于裝置承受高壓，加藥過程必須放壓并拆卸儲藥筒上封蓋，添加藥劑不方便，增加了工人勞動強度。因此，需要研發體積輕巧、易于安裝和管理的遠程控制排水采氣裝置，通過投放固體藥劑控制藥劑發泡時間，實現數字化排水采氣工藝。

1 自動加注泡排球裝置

設備由裝置部分和控制器部分組成［6-8］，直接安裝到采氣井口上。裝置部分（圖1）主要由驅動部件、撥輪、投球活塞、球閥、密封端蓋、下閥體、主閥體、承壓儲球筒等組成，負責完成入井藥劑的加裝及投放；控制器部分主要實現遠程控制操作。利用井口太陽能供電系統提供弱電控制，即可實現投球加藥作業。

圖1 自動加注泡排球裝置

1.1 藥劑

為了更有利于控制藥劑發泡時間和發泡效果，選擇固體泡排藥劑。考慮到棒形藥劑太長，遇水膨脹變黏后易卡死在通道，本次設計將棒形藥劑縮短為球形。

目前蘇里格氣田氣井采氣樹基本上都是采氣KQ65/70型，采氣樹通徑為65 mm，為有利于泡排球順利通過，將泡排球的直徑定為40 mm。

1.2 主控閥

主控閥（圖2）在設計時參照低轉矩球閥的結構原理，結合進口及出口單向雙密封設計保證主閥的氣密性及工作壽命，單向雙密封的設計實現了介質由下向上的截止密封，但上部活塞壓縮生成的壓力可以由上向下導通不密封，從而實現設備的不放空設計。進而避免了常規氣井井口作業過程中放空帶來的污染問題。

圖2 主控閥

1.3 儲球筒

儲球筒放置在裝置側面，在中間通道內增加密封活塞，給泡排球下行提供推力，當活塞停到下位時，在密封活塞的作用下，使儲球筒與主控閥的高壓部分隔離開來，儲球筒處于常壓狀態，方便添加泡排球。

儲球筒設計成圓柱形儲球筒，一方面靠重力自由下落，另一方面依靠電機帶動投球撥輪強制驅動泡排球，確保個別不太規則的泡排球能順利下落。同時儲球筒圓柱旋轉獨特設計，更有利于儲存更多泡排球，減少人工井口補藥周期。

1.4 投球撥輪

在儲球筒與中間通道之間設計投球撥輪，使泡排球強制送入中間通道，這種結構能防止泡排球在通道內堵塞，投球動作準確。

投球撥輪設計通過傳動系統，與投球活塞同步運行。投球撥輪上留有月牙形缺口，用于傳送泡排球。投球撥輪上挖3個直徑38 mm孔，以減輕零件質量（見圖3）。

圖3 投球撥輪

2 遠程自動控制系統

2.1 系統設計

控制系統主要由控制器及通訊系統組成。自動投球裝置上的控制器是整個控制系統的核心，它下掛有液晶顯示屏、控制鍵盤、遙控控制接口和RS-485接口。同時，它有5組位置傳感器接口和3組電機控制接口。通過人機接口來設定運行參數和顯示工作狀態，通過位置傳感器來確定當前整個裝置的工作情況，通過電機控制接口控制裝置執行預定動作。

通訊系統采用井口無線電臺遠程傳輸。井口無線電臺通過數據電纜與自動投球裝置控制器上RS-485接口相連。投球指令通過控制器RS-485接口傳輸給控制器。指令經控制器處理后，把執行指令信號發給自動投球裝置上的3個電機，實現投球動作。

2.2 太陽能供電系統校核

由于蘇里格氣田井口沒有有線電源，井口設備用電只能通過太陽能系統供電，因此，要保證遠程自動投球裝置能正常運行，必須確保裝置能實現小功率、大扭矩的功能。

根據設計，該遠程自動加注泡排球裝置的基本技術參數為：公稱壓力25 MPa；工作電壓DC24V；供電方式： 太陽能電池板+蓄電池供電（太陽能板100 W，蓄電池100 A·h）；額定功率150 W（活塞電機100 W，儲球桶電機10 W，主閥體電機40 W）；最大裝藥數量150，可滿足10~25天的加藥要求；每次投球個數1~2個；總高度1.2 m。

按照每天投球10~20次，取最高20次計算，每次投球工作時間約3 min，工作電流6.25 A，因此設備每天工作消耗電池容量為6.25 A·h。設備每天待機功率為0.5 W，待機時間為23 h，則設備每天待機消耗電池容量0.45 A·h。在陰雨天太陽能板蓄電池能持續工作時間為14.9 d。

根據烏審旗全年天氣情況，太陽能板蓄電池可滿足較長時間陰雨天對設備的供電需求。

3 工作原理

3.1 自動投球原理

（1）在原始工作狀態下，主連軸球芯球口向下，投球活塞端面貼向連軸球芯球面，投球控制撥輪口對準泡排球等待區（笫1次只投下1個泡排球，另一個泡排球在等待區停留）。

（2）工作時，主連軸球芯球口向下，投球活塞向上運動，投球控制撥輪同步正轉—周，撥輪月牙形缺口對準泡排球等待區，此時泡排球落入缸體。

（3）投球活塞向下運動，活塞進入缸體密封暫停，投球控制撥輪同步反轉。

（4）主連軸球芯球口向上，兩個泡排球掉入球芯。

（5）投球活塞向下運動，活塞端面貼向連軸球芯球面，投球控制撥輪同步反轉，撥輪月牙形缺口對準泡排球等待區。

（6）主連軸球芯球口向下，泡排球掉入氣井，完成—次投球過程。

3.2 遠程自動控制原理

遠程客戶端發出投放泡排球指令，指令通過光纜傳輸到遠程服務器，再經光纜把指令傳輸到集氣站站控系統，站控系統通過無線傳輸，把指令傳輸給井口無線電臺，通過自動投球裝置上的控制器執行投球動作（見圖4）。

圖4 遠程自動控制投球系統示意圖

4 室內實驗

室內開展了密封性試壓、強度試壓、電路性能試驗、老化試驗、模擬投球試驗等試驗：開展了10次0.6 MPa低壓（氣體介質）、氣液27.5 MPa（液體介質）條件下氣液密封性試驗，每次保壓15 min無壓降無泄漏；進行了6次37.5 MPa（液體介質）高強度試壓試驗，每次保壓15 min無壓降無泄漏；在零下45℃及高溫80 ℃運行電路性能試驗10次，約2.5 h電路可正常運行；通過14 天 4 000次連續自動運行試驗，每小時完成投球動作12次，無老化損壞；在室內開展8 MPa帶壓投球試驗，10小時投泡排球60個，投球順利、準確。

5 現場試驗及改進

在現場試驗過程中，設備運行半個月，共出現兩次卡球問題。經技術人員分析認為出現卡球的主要原因：泡排球在球芯的凹坑內，當運行過程中與含水天然氣接觸，泡排球會因潮濕變黏，黏在球芯凹坑內，當兩個以上的泡排球堆積在球芯凹坑內，就會出現卡球問題。

因此，對閥芯做出改進，將原來球芯的凹坑改為直通孔，讓泡排球直接通過，不在球芯內停留。見圖5。

圖5 改進前后閥芯設計平面示意圖

改進后，開展現場試驗2口井，每天投球20次，每次投放2個泡排球，運行250余天，完成投球動作5 000余次，投球動作準確，運行正常。因此，蘇里格氣田繼續推廣應用50余口井，效果較好。最早開展試驗S6-x-y井，從2012年7月下旬開始現場試驗，設備運行正常。該井遠程投球試驗前平均套壓9.15 MPa，平均產氣量0.49×104m3/d；投泡排球后平均套壓5.69 MPa，平均產氣量0.81×104m3/d；排水和增產效果均比較明顯。

6 結論

氣井遠程自動投放固體泡排球藥劑裝置可以實現定時間、定數量、定次數排水采氣加藥需求，減少了人工上井加注泡排劑的工作強度，大幅度降低人工加藥成本；該裝置充分考慮了氣井高壓的安全問題，可實現人工常壓狀態添加泡排球；使用該裝置不需要進行放空作業，不會產生環境污染，且能耗較低，僅依靠井口太陽能板供電系統即可完成作業。該裝置實現了遠程控制自動化排水采氣，是排水采氣的發展方向，因此，建議在蘇里格氣田加大該設備的推廣應用。

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［3］吳革生，王效明，宋漢華，等.氣井井口智能生產控制系統［J］.新疆石油天然氣，2008，4（S0）：126-132，136.

［4］宋漢華，朱迅，馬兵，等.McWiLL寬帶無線技術在蘇里格氣田單井無線監控中的應用［J］.石油鉆采工藝，2010，32（5）：116-118.

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Development and application of a remote controlled auto released bubble displacing chemical device

SONG Hanhua1,2,SONG Jie3,LIU Dandan4,RU Zhijuan1,2,HAN Yong1,2,WEI Wei5
（1.Research Center of Sulige Gas Field,Changqing Oilfield Company,Xi’an710018,China;2.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil &Gas Field Xi’an710018,China;3.The Fourth Project Department,Ultra-low Permeability Reservoir Research Center of Changqing Oilfield Company,Xifeng745000,China;4.No.1Gas Production Plant of Changqing Oilfield Company,Jingbian718500,China; 5.Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,China）

In line with the problems of water production and liquid accumulation in gas wells,the technology for foam drainage gas recovery is mainly used in Sulige Gas Field.The traditional technology for foam drainage gas recovery is manually injected from trucks,which has a lot of work and costs much,and gas wells are hard to control.For this reason,and in combination with field demand and wellhead conditions,a device has been developed which can remote control and automatically drop solid ball-like displacing agent,which increases the foaming time of the agent,improves the agent efficiency and also effectively reduces the labor intensity and labor cost.This device is powered by solar panels,so it has a low energy consumption and can satisfy the demand for chemical addition according to fixed time interval,fixed amount and fixed frequency.The ball storage barrel is designed to be at atmospheric pressure and easy to add bubbles to displace balls manually.The success test of this technique provides a new concept for digitized drainage gas recovery for Sulige Gas Field and has a broad application prospect.It is suggested to further promote the use this technique.

drainage gas recovery;foam drainage;remote control;auto releasing;Sulige Gas Field

宋漢華，宋劼，劉丹丹，等.一種遠程自動投放球形泡排藥劑裝置的研制及應用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：124-127.

TE37

：B

1000–7393（2014） 05–0124–04

10.13639/j.odpt.2014.05.031

2014-03-14）

〔編輯 景 暖〕

中國石油股份有限公司科技專項“致密氣藏開發工程技術研究”（編號：2010E-23）。

宋漢華，1979年生。2005年畢業于長江大學油氣田開發專業，獲碩士學位。現主要從事采氣工藝研究工作。電話：029-86978173。E-mail：shh_cq@petrochina.com.cn。