煤层气井专用电潜泵研究与应用

周 帅 崔金榜 石慧宁 王胜利 周 灿

(中国石油华北油田采油工艺研究院, 河北 062552)

1 前言

沁水盆地南部煤层气勘探开发的主要目的层是二叠系山西组的3#煤层和石炭系太原组的15#煤层。3#煤层厚度4．06～7．19m, 埋深300～1000m,含气量10．78～25．29m3/t。樊庄区块开发井主要有直井、丛式井和多分支水平井。

直井和丛式井排采主要采用抽油机举升系统,抽油机依据井深、载荷等选用3 型和5 型两种; 抽油杆选用D 级φ19mm; 管式泵主要有φ38mm、φ44 mm、φ56mm 三种。水平井排采主要采用地面电驱动螺杆泵方式排水, 螺杆泵由地面电机驱动, 泵体主要由顶部接头、多级泵、万向节、轴承四部分组成。

在煤层气井需要调整作业生产过程中, 由于以下原因经常发生停泵。一是煤层气直井在进入排采阶段后, 会产出煤粉颗粒及压裂支撑剂石英砂, 而管式泵对砂和煤粉的适应能力较差, 容易产生柱塞卡死、阀堵塞等现象; 二是在煤层气开发过程中,为适应产水量变化 (0～50m3/d) , 需要进行冲程冲次的调整或进行换泵作业, 难以实现排量变化范围较大条件下的灵活平稳控制; 三是作为有杆泵举升工艺, 存在着不平衡、不对中、杆管偏磨等现象,尤其是对斜井、丛式井、水平井的适应性比较差。

根据电潜泵具有排量变化范围大、扬程高、适应范围广 (可用于斜井和水平井) 的特点, 2007年华北油田采油工艺研究院和煤层气分公司经过联合攻关, 先后攻克了井底流压监测、自动控制等关键技术, 研制出了煤层气井电潜泵智能排采系统,在现场应用5 井次, 最长运行达到373 天, 表现出运行平稳及排量调节容易及节能等特点, 具有很好的推广前景。

2 电潜离心泵智能排采系统研究

2．1 煤层气井专用电潜离心泵排采系统组成

电潜离心泵排采系统主要由煤层气井专用离心泵、潜水电机、压力计及液位开关、动力电缆、压力计电缆、绕丝筛管、扶正器、离心泵专用井口、控制柜等组成。

经过现场试验不断改进, 煤层气井专用电潜离心泵系统完井管柱如图1 所示。

2．2 电潜离心泵智能控制原理

电潜离心泵智能排采时根据煤层气井井底流压变化规律和排采规律, 地面人工预先设定井底流压变化调整值。控制系统根据井下压力计采集的流压变化情况, 采取“控制液面排水”法, 即通过控制流量, 使液面按要求以既定速度下降。在控制器上只要设定好液面下降速度参数后, 通过井下压力计, 控制器自动计算控制变频器调整电机转速, 使液面均匀的下降。控制原理如图2 所示。

在控制液面下降时, 采用定时调节的方式, 定时调节是在固定的时间点, 对当前液面和期望的液面作比较与调整, 实现对理想液面的定时追踪。

图1 煤层气井电潜离心泵管柱结构图

图2 智能控制原理图

2．3 电潜离心泵变频控制系统

变频控制系统如图3 所示, 主要由变频器、升压变压器、控制器、正弦滤波器组成。

图3 变频控制系统示意图

(1) 变频器： 变频器是一种用来改变交流电频率的电气设备, 它还具有改变交流电电压的辅助功能。变频器通过改变电动机电源频率来调节电机转速。

(2) 升压变压器： 由于电动机与变频器的距离比较远, 考虑到电机电缆上的电压损失, 这就需要用升压变压器对380V 的电源电压进行升压, 根据电机电缆的长度和电流的大小来确定升压变压器的档位, 保证电机端的电压处在额定电压范围内。

(3) 控制器： 可采用微控制器或PLC 作为控制器, 一是实现各种参数的实时采集, 二是根据下达的指令对液面进行控制。

(4) 正弦滤波器： 变频器输出电压是PWM(脉冲宽度调制) 波形, 电机需要长线传输时 (电机线缆超过50m) , 由于行波反射引起电机端电压叠加, 使电机绝缘破坏; 由于变频器的输出含有高频谐波, 增加了动力电缆以及电机的损耗; 极高的dv/dt 会引起数MHz 的辐射干扰。

正弦波滤波器由高频输出电抗器、RC 回路、共模电抗器组成, 通过在变频器输出侧加装正弦波滤波器, 将PWM 调制波滤成近似正弦的电压波形, 可以有效地抑制高频损耗和辐射干扰, 并使电机与变频器的线缆长至500m, 甚至是3km。

改进后的电潜离心泵变频控制系统主要具有以下功能：

(1) 软启动功能

变频控制系统采用变频器启动时, 随着电机的加速相应提高频率和电压, 起动电流被限制在150%额定电流以下。电机启动的全过程都不存在冲击转矩, 而是平滑的启动运行, 从而可以减少启动电流对电机绝缘的损害, 降低机械冲击扭矩对机组的破坏。

(2) 升压稳压功能

由于煤层气井电潜泵井电机电缆的长度一般在500～800m 之间, 动力电缆上的压降比较大, 同时电网电压的波动范围较大, 加上受到井下气体、煤粉、砂等的影响, 使电机处于过电压或欠电压的状态, 最终都会导致电机电流升高, 极易烧毁井下电机。

升压变压器有425V、450V、475V、500V 四档, 根据现场的电源电压情况和井深, 选择合适的档位, 同时合理设置变频器, 控制变频器的输出电压, 以达到升压稳压的目的, 使电机工作在合适的电压范围内 (340～420V) 。

(3) 控制功能

①手动控制： 可根据现场的实际排采情况, 通过手动调节变频器的输出频率, 从而改变电机转速来控制电潜泵的排量。

②自动控制： 根据排采制度的要求, 设定液面的下降速度, 控制器按照下达的指令, 自动控制变频器的输出频率, 最终使实际的液面下降速度与设定值一致, 达到连续、平稳降液面的目的。

③远程控制： 通过安装无线数传通讯模块, 对电潜泵进行远程启停操作和运行参数的调节。

2．4 回流控制功能

针对排采后期随着产水量的减少, 离心泵排量降低, 散热不良的情况增加了回流装置, 保证离心泵在小流量下的安全运行。具体做法是： 通过调节变频器的频率, 控制离心泵机组输出功率, 实现降液位、稳液位、低沉没度的运行, 产水量较低时(小于10m3/d) , 通过控制调节阀的开度来调节出水量和回流量的大小, 回流管的安装使得抽出的水一部分又回到了井下, 保证了井下机组具有较大的排量, 以满足潜水电机的散热要求, 同时使泵具有一定的携带煤粉的能力, 从而解决了高扬程、小排量的问题。

2．5 井底压力监测及危险液面控制

井底流压是预测煤层气井生产和流入动态的一个基本要素, 是进行有效人工举升设计的一个关键参数, 在闭环智能控制模型中, 也以井底流压的变化为调整基础。

系统主要包括： 井下设备 (压力传感器, 数据转换器, 依靠电缆供电并传输信号) 、井筒设备(铠装电缆、扶正器、电缆卡子、仪器卡座、仪器托筒) 和井口设备 (地面数据存储单元及微型蓄电池供电单元, 负责数据观察、数据存储并向电子压力计提供直流12V 电源) 。通过采取数字传输, 提高抗强电和变频器干扰能力, 整套控制系统正常运行。

液面控制采取液位开关技术, 在液面低于规定液面时, 自动断电停机。一旦液面高于液位开关,可以从远程或本地启动。

3 技术指标

3．1 系统指标

●电潜泵型号： QSDB110 - 20/800 或QSDB110- 20/550

●电源输入： 三相四线380VAC/50HZ

●输出电压： 380～480V (50Hz)

●输出频率： 0～50Hz

●适应井温： 40 ℃

●排水量： 0～60m3/d

●系统功耗： ＜7．5KW

●控制柜类型： 室外/落地

3．2 数字压力计指标：

●压力测量范围： 0～10MPa

●压力精度等级： ±0．1%F·S (综合精度)

●温度测量范围： 0～50 ℃

●温度精度等级： 0．2%

●长期稳定性： ±0．3%F·S/a

●功耗： ＜20mA

●整体抗压强度： ≥30MPa

4 现场应用

通过对电潜离心泵系统的不断完善改进, 目前已经能够适应煤层气井的排采要求, 系统的安全性和可靠性大大增强, 经过改进后的DB - 1、DB -2、DB- 3、DB - 4、DB - 5 五口电潜泵井运行平稳, 电潜泵系统的运行频率在35～50Hz 之间, 运行电流为10～14A, 排量调节范围达到0～50m3/d,而且变频器的输出电压稳定, 使电机工作在正常的电压范围内, 目前5 口井的运行情况如下表所示。

表1 电潜离心泵井运行情况一览表

由于煤层气井的产水量具有不规律性, 需要根据液面高度不断改变变频器的频率来调整电机的转速, 从而不断的调整离心泵的排量, 使液面连续平稳下降。该井采用变频电潜泵系统之前, 由于产水量比较大, 经过了较长的时间液面才降下来, 同时逐渐的产水量也开始降低。采用变频系统进行排采时液面出现一定的起伏, 说明产水量也是不断变化的, 同时随着液面的降低扬程也在不断增大, 通过不断改变频率来对液面的下降进行调整, 图4 为DB- 3 井的生产曲线。

图4 DB- 3 井生产曲线

5 结论和应用前景

将电潜离心泵智能排采系统引入到煤层气井后, 经过不断试验和改进, 提高了电潜泵系统运行的平稳性和控制性能, 通过现场应用可以得到以下结论：

(1) 采用变频控制系统后, 提高了系统效率,延长了机组寿命, 节能降耗。

(2) 增加回流装置, 改善电机的散热, 实现小排量、高扬程排采。

(3) 改进后的电潜泵系统的排量调节范围比较大, 控制性能比较好, 有利于实现平稳降压。

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