射流泵在煤層氣排采中的自動控制

吳慶彬

(無錫虹業自動化工程控制有限公司，江蘇 無錫 214000)

鄂東煤層氣田2009年以來投入規模開發，截至2012年9月，在渭北區塊、臨汾區塊、保德區塊共鉆井近兩千口，建產能12億m3/a，已有近千口開發井投入排采。受鄂氣田復雜地形條件的限制，煤層氣開發井中叢式井和水平井所占比例越來越高，常規管式泵、螺桿泵等煤層氣排采工藝經常發生偏磨、卡泵現象造成煤層氣井修井和排采不連續，不僅發生大量的修井費用，影響氣井產量，更為嚴重的是煤層氣井停抽引起的壓力波動會對煤儲層造成嚴重傷害、煤粉沉積還會降低裂縫的導流能力，引起排采井產氣能力降低甚至不產氣。為此，沒有管桿偏磨的射流泵技術成為解決煤層氣井偏磨、卡泵現象，保障煤層氣井連續排采的重要方法。

而射流泵的自動控制在國內尚屬空白，不能滿足集團公司數字化油氣田建設和煤層氣公司煤層氣田自動化建設要求[1]。為了實現射流泵排采自動控制，達到煤層氣公司自動化煤層氣田建設的總體要求，亟需開展射流泵排采自動控制的研究與實驗。

1 自控方案①

1.1 設備組成

保德區塊井場“保5-07號”平臺共有6口煤層氣排采生產井，其中1口直井，井號為保5-07井；5口定向井，井號分別為保5-07向1、向2、向3、向4、向5井，均采用射流泵作為排水(煤粉)采氣設備。

該平臺6口煤層氣排采生產井均采用139.7mm套管，套管內徑124.26mm，使用同心管排砂采油裝置進行排砂采氣生產，動力液管使用內徑48mm油管，流通面積為1 256mm2；混合液管使用內徑73mm油管，其混合液實際流通的環形空間面積為1 186mm2。

相比于采用管式泵、螺桿泵和電潛泵的排采方案，射流泵排采方案相對復雜，它包含地面設備和井下設備兩部分。射流泵地面設備的系統結構和原理如圖1、2所示，射流泵井下設備結構如圖3所示。如圖1所示，動力液罐中的液體經過柱塞泵加壓后，成為高壓動力液，它的壓力通常在10～20MPa之間。每個井口都有一套高壓流量自控儀表，它包含了一個高壓流量儀和電動閥門，負責調節輸入到井口的動力液的實際流量。如圖2所示，高壓動力液達到井下泵體后，由噴嘴高速噴出。高速液體的流動在噴嘴附近產生負壓，將井筒內的液體吸入到油管，形成混合液被舉升到地面，由此實現了排液功能。

圖1 射流泵地面控制系統結構

圖2 射流泵地面控制系統原理

圖3 井下設備結構

根據射流泵的排采系統單井所需設備來看，值得注意的是，在同一個叢式井井臺上，動力液泵、變頻器、儲液罐、動力液壓力變送器及自動排采控制柜等設備可以被多個井共用。而高壓流量自控儀、井下壓力計、套壓變送器及氣體流量計等設備需要每個井配備一套。

1.2 排采過程

自動控制設備根據設定初始值控制變頻器的輸出頻率；測量高壓管匯中動力液的壓力[2]；自動調節變頻器頻率，以達到設定的動力液壓力。由于動力液的壓力范圍在0～20MPa，動力液壓力測量儀表精度為0.25%滿量程，變頻器控制精度在0.20%滿量程，因此最終能實現的動力液控制精度為0.05MPa。

高壓水(動力液)經動力液管匯到達各井口，自動控制設備設定高壓流量自控儀的流通流量，使得高壓水(動力液)以一定流量流入井口。設置的動力液流通流量分辨率為0.1m3/h，實際能達到的控制精度會根據流量自控儀進口和出口的壓力差有所變化。此外，流入井口的動力液流量的變化與相應的返回井口的混合液流量變化的比例關系需要通過實踐來證實，理論上講是該比例應小于1。

井筒產出液和動力液混合后的混合液從井口的另一端產出，經混合液流量計進入混合液管匯，然后進入泥砂、水、煤粉分離罐沉降分離后，供動力液循環使用，煤層產水進入污水池。煤層氣從套管產出，計量后進入輸氣流程。

2 研究目標

為了滿足生產需求，解決射流泵排采過程中的關鍵技術難題，筆者從3個方面設定本次課題的研究目標：找出射流泵控制系統中合理的調整參數，使其具有普遍推廣意義；針對射流泵控制系統中控制節點多、動力干擾大的特點，研究出一整套完善的穩定抗干擾的解決方案；找到射流泵自動排采的綜合控制思路。

2.1 調整參數

要想合理調節射流泵的排采強度，達到想要的控制精度，必須通過現場測試并找到以下規律：

a. 入井流量與返回流量的關系，這個關系隨入井動力液壓力和流量的變化而變化，找出其相關性線性度，其變化響應時間、變化范圍需要通過大量數據測試來佐證。獲得這個參數可掌握合理的動力液壓力和流量的調整幅度。

b. 井筒排液量與入井流量存在正相關性，但也不是線性的。通過現場測試找到排液量與井口壓力、井深、入井流量的關系。

2.2 抗干擾解決方案

相比于普通排采設備，射流泵排采系統具有壓力大、流量高、動力需求大、電源種類多的特點，儀表、控制、通信之間的相互干擾遠高于一般井場控制系統，因此，需要提出一個穩定可靠的總體抗干擾解決方案：

a. 電源隔離技術，對儀表、控制、通信分別采用隔離電源系統，作好接地及電磁屏蔽等工作；

b. 采用磁/光隔離的通信技術，確保控制命令的通信過程準確無誤；

c. 軟件上采用鏈路層帶校驗、應用層出錯重發、命令下達多重確認及數據自動糾錯機制等。

2.3 綜合控制思路

射流泵的綜合控制思路包括以下步驟[3]：

a. 通過調節柱塞泵電機工作頻率，產生合理的高壓動力液；

b. 設置一定的入井流量，測量返出混合液流量，從而獲得井筒產液量數據；

c. 根據井底流壓的變化，微調動力液入井流量，從而微調井筒產液量；

d. 微調柱塞泵的工作頻率，使得動力液壓力保持穩定，調節過程減少對其他井口控制系統的影響；

e. 保持一段穩定時間，以便觀察井底壓力的變化趨勢；

f. 重復步驟c～e。

射流泵排采綜合控制步驟如圖4所示。

圖4 射流泵排采綜合控制步驟

圖5為實際控制曲線，分別展示了煤層氣5個階段的排采曲線，即排水階段、憋壓排水階段、控壓排水階段、高產穩產階段和衰竭階段。

圖5 實際控制曲線

3 結束語

筆者設計的射流泵排采工藝不但解決煤層氣井生產過程中常見的偏磨及卡泵等難題，還滿足煤層氣井規模化排采、自動化排采的要求，實現了“長期、連續、穩定、緩慢”的目標。