油田地面智能注入系统的研制

杨成永，贾吉冉，孙玉全，陈 强，张桂昌

（德州联合石油机械有限公司，山东德州253034） ＊

油田地面智能注入系统的研制

杨成永，贾吉冉，孙玉全，陈 强，张桂昌

（德州联合石油机械有限公司，山东德州253034）＊

介绍了一种专用调剖、堵水、注聚、复合驱用地面注入系统及设备。详细分析了结构组成、流程、控制和使用特点等，并重点论述所配套使用的特殊注入泵的功能特点。

调剖堵水；油层保护；TDB泵；精细控制

近年来，我国各大油田均已进入注水开发的中后期，综合含水大幅度上升，如何控制油田的综合含水、提高油田的最终采收率是保证油田高产稳产的重要措施之一。目前，国内使用的注入设备多为水泥车，存在以下问题：

1） 使用维护成本高。由于其活塞、缸套、阀体、阀座、阀箱等易损件更换频率高，不但影响生产，而且提高了使用成本。

2） 对堵剂分子链剪切率高、工艺效果差。由于水泥车冲次高达每分钟几百次，阀体座起落次数频繁，因此对堵剂分子链剪切很严重，有的剪切率达到40%以上，极大地破坏了堵剂的性能。

3） 现场配料难度大、精度低。现有工艺大多为人工配料后运至现场，不能保证配料精度，且增加了大量的运输费用。

4） 破坏地层、不能长期连续工作。由于水泥车在运转过程中，无论地层压力多高，都只能保持固定的注入压力，极易造成地层破坏，而水泥车易损件也需频繁更换，破坏了工艺的连续性。

5） 操作复杂、占用人员多。无论是配料运输、还是设备运行等都需要大量人员协作才能完成。

近年来，调剖等措施向大剂量深部大段塞或精确泵注方向发展，单井组的施工时间长达一个多月，甚至更长，调堵等措施的施工时间更是达到半年以上。因此，没有专业的注入设备，只靠水泥车或注聚泵在现场长期运转，不易精确完成工艺要求。

德州联合石油机械有限公司开发的油田地面智能注入系统是专为满足此要求的一套适合调剖、堵水、注聚及复合驱作业的自动控制泵注系统。

1 系统流程

油田地面智能注入系统各主要单元主管路连接如图1所示。流程包括双系统：配料双池＋熟化双罐＋注入泵。为便于安装调试和设备转运，整套系统分解成控制房、配料池、储液（熟化）罐、注入泵4个独立的单元。各单元能够独立完成所需的底层基本控制过程，各单元之间以快速连接方式互联信号电缆和流程管线。为了各单元灵活组配改变流程，将流量计量也单独分出来形成1个小单元使用。

图1 地面智能注入系统流程

本系统不仅适用于大规模施工，也适用于小规模施工，根据施工要求和规模的不同，对4个独立的单元进行选配连接，目前有7种连接方式（如表1）。对应各种连接，开发了多种适用程序。除此之外，在施工要求不是非常严格和施工强度不高的情况下，各设备可以转换到现场手动控制状态，进行手动控制，可不做智能控制线路的连接。

表1 各种组配方式和适应的施工规模

2 系统特点

1） 采用计算机控制对药液自动混配、导出。液位、压力、流量和总注入量计量数值通过数字显示出来，随时提供给现场操作人员进行监督判断。作业强度大幅降低，基本上实现无人值守或只需1人维护，并有效保证了作业质量［1］。

2） 采集井口压力，形成压力的闭环控制，即压力控制流量、压力控制浓度、过压力报警停机及低压泄漏判断等，有效保护了压力管线的安全和地层不受破坏。

3） 能在很宽的范围内根据要求对排量进行自动控制调整，以便满足各种地层特点下的流量要求，达到最理想化的预期效果。同时预定各种流量实施方案。

4） 实现全自动、半自动和手动控制，灵活选择各种操控方式，使流程更改变得轻松自如。

5） 实时保存数据记录，进一步实现数据远传、远程分析和远程控制。

6） 控制方式采用分级方式进行。按控制范围分为系统级整体控制、单元级控制和局部执行自主控制。尽量保持各功能部件控制的独立性，上一级仅协调各分支衔接阶段的跳转和终止等。按控制层次分级：最上层的远端数据传输，上层的协调和总体配方选择，下一层的实时性比较强的监控执行。报警监控按重要程度分级：分为一般的提醒、严重警告、紧急情况处理。此外还可显示细节分级等。

7） 控制过程以顺序控制为主。在启动环节采用时间顺序控制（例如：为了防止多台电机同时启动的电网冲击，先启动前序电机，再顺次启动后序各电机）；在运转过程采用逻辑顺序控制（例如，搅拌电机的转停由罐内液位控制）。

8） 系统主要采用集中控制，采用A／D、D／A、I／O、变频控制，仪表数据以模拟方式或智能仪表方式传输数据。经过十多年不断的完善，加进了许多有使用价值的成果，在不同时期实践了各种方案和侧重改进的问题。

9） 除了功能强大的自动控制外，还结合手动、远程和就地控制方式，各种控制方式可混合使用。在就地仪表控制时，控制室屏幕起到数据监控和显示作用。可对各分立单元分别选择各自的控制方式，控制方式可在线就地变换。

3 液压调剖堵水泵

在泵注环节，本系统采用了一种专业泵（TDB泵），其区别于机械连杆驱动的液压驱动方式，采用单缸双出杆、两端对称连接泥浆端［2－3］的独特结构，泥浆端的同步性得到了很好的保证，原理如图2。通过框架机体实现了液压缸端和泥浆端之间的较大连接刚度，同时采用合适的液压换向控制机构，并加装出口蓄能器，压力波动在1～2MPa。目前该泵的技术比较成熟，已经大量使用在油田作业中。

图2 TDB泵驱动结构原理

同常规机械泵相比，TDB泵有着非常适合于调堵注聚作业的性能特点：

1） 油压泵站采用变量油泵，使TDB泵具备了恒功率变量、不停泵手动变量及过载压力保护等特殊功能。图3为最高使用压力35MPa的TDB恒功率变量泵在变频驱动下获得的试验数据，数据区顶部和右上侧轮廓清楚地描绘出了恒功率变量特性（其变量特性可调整，并与所配缸套规格、变频频率等有关，本例变量点功率约为28kW）。这种排量随井底压力变化而变化（反比例）的特性，合理地保护了油层，压力流量关系曲线如图4。

图3 注入泵工作状态点分布

图4 TDB－II型液压调剖泵流量压力曲线

2） 采用液压回路作为动力传动链，油路系统压力和过油量可大致反映泥浆出口压力和泵排量。这一特性可通过如图5所示试验数据得到验证，去除数据散点并排除测量误差，图5中的回归斜线即是它们的对应关系。由图5可以看出：比例线形并不正好通过坐标原点，比例线左上三角区域没有任何试验数据，更说明水压形成是油压传递过去的，没有油压驱动，水压不可能自行升高。从使用角度来说：在油侧设置安全阀比在水侧更合理，它不但防止了下游水压的超压危险，也同时避免了机械卡滞带来的压力危险，因此更具安全性，且油比水清洁得多，油路安全阀比水路安全阀设定更加精准、重复性好、调整方便、测试容易。同时，这种控压方式特别适合要求较低剪切率的堵剂输送中的过压保护，不存在严重的节流和泄流剪切问题和分流收集的管道布置问题，实施方便快捷［4－5］。

图5 TDB泵压力对应特性曲线

3） 油压活塞杆与泥浆活塞杆固联成一体，通过直线推动做功，整个行程是匀速前冲的，容积线性变化，特别适用于低冲次、长冲程运行。TDB泵的活塞截面积大、冲程长（500mm）、额定工况下冲次少（只有22min－1）、活塞运行线速度低、吸入排出阀起落频率低、对堵剂的剪切率小，从而有效地保护了堵剂的性能。泵送调剖堵水所适用的堵剂，自吸能力强，不使用喂水泵仍能够正常工作。由于冲次少，易损件寿命增长，液力端的活塞、缸套、阀体、阀座的使用寿命是一般机械往复泵的5～10倍。因此，适合大剂量、长时间、稳压调剖堵水工艺［6］。

4） 取消了曲轴连杆及人字齿轮、皮带轮等大型复杂结构件，也不存在曲轴箱及润滑机构。往复机构安装在一个长方形机体框架内，大幅降低了加工复杂度及安装精度。在相同冲程下，比往复泵尺寸小。

5） 油源泵体积小，动力源和油缸用软管连接，动力源可按要求变动位置，可将油源泵直接安装在柴油机等已有动力设备的分动头处，配套容易。

4 结语

油田地面智能注入系统采用液压缸驱动，实现智能控制，已在国内各油田得到了很好的推广应用。本系统适用于水井调剖堵水、油井堵水、聚合物驱油、三元复合驱、污泥回注等多种作业方式。广泛适用各种介质：CSE－1、三相泡沫、G级油井水泥、锯末、膨润土、污泥、聚丙烯酰胺、榆树皮粉、纤维素、体膨颗粒等所有在用堵剂。采用变排量特性，高效节能，流程转换方便，转换方案多，保证低运行费用，维护方便，经济效益显著。

［1］ 唐 凡，陆 梅，王尚卫，等.油井自动点滴加药装置研制与应用［J］.石油矿场机械，2012，41（3）：63－65.

［2］ 张 斌，程 波，周恕毅，等.基于ANSYS／LS－DYNA钻井泵泵阀的冲击特性仿真分析［J］.石油矿场机械，2011，40（11）：16－19.

［3］ 周玉海，刘 超，徐志明，等.新型耐磨钻井泵缸套试验研究［J］.石油矿场机械，2011，40（11）：20－23.

［4］ 雷天觉.液压工程手册［K］.北京：机械工程出版社，1997.

［5］ 丁树模，赵如一.液压传动［M］.北京：机械工程出版社，1992.

［6］ 刘长年.液压缸式往复高压注液泵的研究［J］.石油矿场机械，2005，34（5）：40－41.

1001－3482（2012）11－0079－03

TE9

B

2012－05－25

杨成永（1974－），男，山东禹城人，工程师，主要从事钻井工具、井口、钻采设备研发及技术管理工作，E－mail：yangcy＠dupm.cn。