大容量氣井泡排棒自動投放裝置及其應用

梅宗清， 梅宗斌， 楊文武， 楊太剛， 李建玉

(四川華宇石油鉆采裝備有限公司)

地層出水是天然氣井生產過程中的伴生現(xiàn)象，隨著地層壓力的降低，產氣量下降，當產氣量低于氣井臨界攜液流量時，氣體無法將產出水全部攜帶出井筒，井底形成積液，進而造成井底回壓增大，使氣井產量進一步下降；積液還導致氣井產層發(fā)生“水侵”、“水鎖”傷害并降低氣相滲透率，影響氣田最終采收率[1-3]。

泡沫排水采氣的基本原理是向井底注入表面活性劑，降低井底積液的表面張力,在天然氣流的攪動作用下，把井底積液變成低密度泡沫,從而改變井筒內的氣液流態(tài),提高氣流的攜水能力，同時,起泡劑還能增加流體在井筒中的流速，減少舉升過程中的液體滑脫損失，提高氣流舉液能力，達到改善或恢復氣井產量的目的[4-5]。該技術有見效快、成本低、施工簡單、不影響日常生產等優(yōu)點,目前已經成為有水氣藏最經濟有效的排水采氣方式。

常用泡排劑分液體和固體兩種：液體泡排劑主要采用平衡罐、柱塞泵和泡排車[6-7]；固體泡排棒主要采用人工井口投放和自動投放，其中自動投放可提高作業(yè)效率，降低操作成本。長慶氣田前期開展了電磁驅動自動投棒裝置研究及試驗，該裝置單支藥棒規(guī)格為?30 mm×250 mm，儲棒筒最高儲棒量為12支，井口加藥周期較短(平均為9～12 d)，尚不能完全滿足現(xiàn)場生產需求。

針對自動投棒裝置現(xiàn)場應用中存在的問題，在前期研究的基礎上研發(fā)了一種結構簡單、耗能小、容藥量大、滿足井筒測試要求的泡排棒自動投放裝置，進一步提高了設備的適用性。

一、裝置的組成及工作原理

1. 裝置的結構組成

大容量氣井泡排棒自動投放裝置主要由太陽能供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和投棒裝置等三大部分組成(圖1)。

圖1 泡排棒自動投棒裝置組成

1.1 供電系統(tǒng)組成

蘇里格氣田地處沙漠地帶，因地制宜選擇采用太陽能電力最為方便。井口泡排棒自動投放裝置的太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能光伏板、太陽能控制器及蓄電池等組成。太陽能光伏板將光能轉化為電能；蓄電池組接收儲存電能；太陽能控制器控制光伏板的電能轉換和蓄電池的充放電，它在電池充滿電后自動斷開太陽能電池板的電路以保護電池；充電控制器還可檢測充電狀態(tài)、電池的電量、負載的狀態(tài)顯示。

1.2 控制系統(tǒng)組成

自動投放裝置控制系統(tǒng)的核心元件是智能控制器?？刂葡到y(tǒng)的控制方式主要分為時間控制和遠程控制兩種模式。控制器采用128×64點陣液晶顯示，液晶屏面積76 mm×38 mm，節(jié)能設計，無按鍵操作，延時后自動關閉屏幕顯示，控制器通過對年份、日期、時間的設置來實現(xiàn)泡排棒定時投放，可以任意指定某日某時某分開始投棒，控制器可一次設定20支泡排棒的投放時間。

1.3 投棒裝置組成

投棒裝置是系統(tǒng)的功能主體，主要由驅動機構、傳動機構、執(zhí)行機構和主體及附件等組成。

(1)驅動機構為投棒裝置提供機械動力，此系統(tǒng)中可采用的驅動方式較多，包括電機驅動、氣缸驅動和電磁鐵驅動等方式。

綜合對比幾種驅動方式的優(yōu)缺點(表1),本裝置采用電磁鐵驅動結構，該結構相對比較簡單、可靠。電磁鐵驅動機構無需與傳動機構直接接觸，從而形成可靠的壓力區(qū)間隔離，只需磁力導入受壓儲藥倉，靠磁力驅動傳動機構即可。另外，電磁鐵耗能低，對供電形式要求不高，容易實現(xiàn)井場電力自給。

表1 驅動機構方案對比

(2)傳動機構是將待投入的泡排棒傳送到井口頂端，并循環(huán)運轉，為此，裝置的傳動機構要將電磁驅動器銜鐵的單向擺動轉變?yōu)殚g歇性步進轉動。加裝鋼絲彈簧可以使銜鐵回位，銜鐵單向擺動變?yōu)橥鶑蛿[動，往復擺動進而轉變?yōu)殚g歇性步進轉動。本裝置選用技術成熟的棘輪棘爪間歇性步進機構方式。

(3)執(zhí)行機構用于儲存和投送泡排棒，同時為測試工具下入提供通道。為簡化機構提高可靠性，有利于藥棒傳遞，本裝置采用轉盤結構裝儲泡排棒。

泡排棒裝儲于轉盤后，轉盤底部加設托舉機械(托盤)，圈閉裝儲的泡排棒，使之不與井液直接接觸，在托盤底部配置導軌，減小轉盤轉動時的阻力和動力消耗(圖2)。

圖2 轉盤和導軌示意圖

(4)投棒裝置主體包括本體、頂蓋部分及底蓋部分(圖3)。本體作為設備主體的承壓外層及結構主體,采用鍛造成型工藝，圓腔承壓結構。外部接口通過密封墊環(huán)和雙頭螺柱連接底蓋及電磁驅動器，通過“O”型密封圈連接頂蓋，現(xiàn)場安裝時底蓋與采氣樹頂部閥門通過密封墊環(huán)和雙頭螺柱連接，形成完整壓力封隔體，本體內部容納、支撐和固定轉盤及傳動機構等。

圖3 本體、頂蓋、底蓋結構示意圖

頂蓋部分包括頂蓋和裝棒孔、測試孔、“O”型密封圈、壓力表、截止閥等附屬件。除用作封閉主體內的壓力外，頂蓋部分還承擔裝棒、觀察、讀壓、放空、連接測試工具設備等操作，即可通過裝棒孔裝棒，通過截止閥放空卸壓，通過測試孔進行觀察投棒情況，或下測試工具進行井下作業(yè)等。

底蓋部分包括底蓋和導軌、密封墊環(huán)、連接螺柱等附屬件，其主要作用是封閉本體內的壓力，與井口頂部閥法蘭連接，提供投棒、測試及放噴通道和支撐轉盤。底蓋上偏心開設一個通孔，與采氣樹主通徑一致，安裝時該孔中心線與井口主通道中心線重合，也與頂蓋上的測試孔中心線重合。

(5)測試放噴通道是為便于從裝置頂部直接下測試工具，頂蓋、底蓋和轉盤需開設不小于?62 mm的通道孔，且與井口裝置主通道軸線重合安裝。在進行測試作業(yè)前，將轉盤轉動到相應工位，該?62 mm管道孔與井筒正對時，即形成完整的測試通道(圖4)。在需要進行放噴作業(yè)時，只需將放噴管連接在頂蓋上觀察孔接口處，即可形成放噴通道而直接放噴(圖5)。

圖4 測試通道示意圖

圖5 放噴通道示意圖

2. 裝置的工作原理

投棒裝置主要由本體、頂蓋部分底蓋部分、電磁驅動器、轉盤、棘輪棘爪機構等零部件組成(圖6)，安裝在采氣樹頂部，兩者通過法蘭連接，實施裝棒、投棒及其他作業(yè)過程。

圖6 投棒裝置結構示意圖

2.1 裝棒過程

轉盤上環(huán)形外圓周上開設20個料孔和1個測試孔(圖7)，料孔間均勻布置，棘輪與轉盤中心軸固連，電磁鐵驅動銜鐵擺動，銜鐵通過連桿帶動棘輪順向步進，進而實現(xiàn)轉盤步進。當轉盤上的料孔與頂蓋上的裝棒孔正對時，可從裝棒孔實施人工裝棒。

2.2 投棒過程

當轉盤的料孔對正底蓋孔時，該料孔底部的托盤自動向下翻轉打開，泡排棒靠自重掉入氣井中，實現(xiàn)泡排棒投放，轉盤繼續(xù)轉動后，料孔底部的托盤在底蓋上的導軌作用下回位關閉。

圖7 轉盤孔分布圖

2.3 測試作業(yè)

當轉盤上的測試孔對正頂蓋觀察孔時，可實施測井等井下作業(yè)。

二、 室內測試

1. 功能測試

(1)空轉測試。對電磁鐵通斷電，轉盤連續(xù)步進轉動88次，過程中4臺投棒裝置均轉動靈活無卡阻，步進對位準確無錯位，電磁線圈發(fā)熱正常。

(2)裝棒、投棒測試。通斷電驅動電磁鐵步進轉動轉盤，通過頂蓋上投棒孔裝棒，每通斷電2次后裝棒1支，通斷電38次后裝棒20支。

(3)通道測試。通斷電41次后，測試孔轉動到主孔位，此時從測試孔下?62 mm×1 000 mm通井規(guī)檢測。連續(xù)轉動過程中，4臺裝置均轉動靈活無卡阻現(xiàn)象，裝棒、落棒順暢無阻礙，測試工具能順暢通過，電磁線圈發(fā)熱不明顯。

(4)帶壓投棒測試。將裝置組裝連接，投棒裝置內零壓時打開投棒孔，裝棒20支后裝上投棒孔堵頭，從壓力表截止閥處向本體內充壓(2～14 MPa氮氣)，手動操作電磁鐵通斷電，循環(huán)進行投棒—泄壓—打開閥門—檢查投棒情況—充壓操作，連續(xù)投棒20支。實驗中4臺裝置均轉動靈活無卡阻，落棒順暢，各密封處無漏氣，電磁線圈發(fā)熱不明顯。

(5)自動動作測試。手動操作連續(xù)裝入20支棒，通過時間控制器設定投棒時間，裝置自動運行，實驗過程中落棒準時、順暢，電磁線圈無過熱現(xiàn)象。

(6)型式測試。抽取樣機連接好裝置并設置程序，通斷電驅動電磁鐵步進轉動轉盤，每運轉一周后停止5 min，然后繼續(xù)進行下一周期裝投棒實驗，連續(xù)轉動94圈。試驗過程中，裝置裝棒順暢，落棒準時、順暢無阻礙，電磁線圈發(fā)熱正常。

2. 承壓測試

(1)本體靜水壓強度測試。本體按2倍額定工作壓力的靜水壓強度實驗,試壓中均未超過API 6A標準規(guī)定的1.4 MPa的最大允許壓降，穩(wěn)壓期間本體無可見滲漏現(xiàn)象。

(2)密封性能測試。裝置內注水，從壓力表截止閥處連接試壓系統(tǒng)，排空后施水壓，在施水壓測試中均未超過API 6A標準規(guī)定的0.7 MPa最大允許壓降，穩(wěn)壓期間無可見滲漏。

3. 供電系統(tǒng)測試

太陽能供電系統(tǒng)制作完成后，進行廠內穩(wěn)定性測試。設定工作程序，利用電量表測電池電量消耗，統(tǒng)計分析若干次投棒電量消耗，計算出平均單次工作電量消耗數(shù)值和充電一次可以工作的最長時間。另外，進行充電測試，太陽能光伏板每小時能充電4.1 AH，蓄電池空載情況下充滿電量耗時約12 h左右，適應蘇里格現(xiàn)場沙漠氣候條件下工作。經過測試，供電系統(tǒng)滿足系統(tǒng)電力需要。

4. 遠程控制測試

控制器通過轉換接口與計算機連接，通過測試，控制器能按設定程序及遠程指令準確運行，滿足投棒裝置遠程控制需要。

三、現(xiàn)場應用

完成裝置的加工及室內測試后，在蘇X區(qū)塊蘇X-1和蘇X-2兩口井開展泡排棒自動投放裝置現(xiàn)場應用試驗(表2)。

表2 現(xiàn)場試驗結果

按照設計安裝步驟將投放裝置安裝于采氣樹頂部，并對供電系統(tǒng)、投棒裝置及控制系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試和調試，首先對投棒裝置采用井口天然氣進行氣密封性檢測，裝置連接密封良好，投棒裝置手動、自動投棒運行正常，測試工具起下順暢。完成設備安裝調試后，進行泡排棒連續(xù)加注試驗，試驗初期加注制度采用1次/d，加注量3根/次，并對泡排效果進行自動跟蹤，根據(jù)試驗效果調整泡排棒加注量及加注周期。不僅有力促進了工藝全過程的氣井遠程控制及數(shù)字化管理的需要，減少了現(xiàn)場工人的勞動強度，而且取得了明顯的增產效果。

如蘇X-1井安裝時生產油壓3.1 MPa、套壓5.7 MPa，該井開展泡排棒自動投放裝置試驗，平均產氣量由試驗前的0.62×104m3/d，增加到試驗、應用期間的0.81×104m3/d。現(xiàn)該井使用此裝置已連續(xù)生產，日產氣量穩(wěn)定在0.8×104m3以上，增產幅度29%，增產效果較顯著。

四、結論

(1)研發(fā)的大容量泡排棒自動投棒裝置儲棒容量達20支(泡排棒規(guī)格?40 mm×400 mm)，投棒裝置采用電磁鐵驅動，主體高度713 mm，總高917 mm，重量700 kg。

(2)投棒裝置內部設計了測試和放空通道，通道內徑DN62 mm，現(xiàn)場通過外徑?59 mm測試工具起下試驗檢測。

(3)系統(tǒng)設備耗電量計算及室內測試驗證，表明系統(tǒng)供電設備滿足7 d以上連續(xù)陰雨天氣下系統(tǒng)供電要求。

(4)研發(fā)的遠程控制器配置RS485通訊信號接口，采用MODBUS RTU通訊協(xié)議,能夠通過站控系統(tǒng)實現(xiàn)投棒裝置的遠程自動控制，實驗成功率達到100%。

(5)成功進行了現(xiàn)場試驗與應用，試驗期間不僅設備及控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，而且現(xiàn)場試驗與應用的氣井獲得了明顯的增產效果。