一种远程自动投放球形泡排药剂装置的研制及应用

宋汉华宋 劼刘丹丹茹志娟韩 勇魏 玮

（1.长庆油田公司苏里格气田研究中心，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018；3.长庆油田公司超低渗透油藏第四项目部，甘肃西峰 745000；4.长庆油田公司第一采气厂，陕西靖边 718500；5.西安交通大学，陕西西安 710049）

一种远程自动投放球形泡排药剂装置的研制及应用

宋汉华1，2宋 劼3刘丹丹4茹志娟1，2韩 勇1，2魏 玮5

（1.长庆油田公司苏里格气田研究中心，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018；3.长庆油田公司超低渗透油藏第四项目部，甘肃西峰 745000；4.长庆油田公司第一采气厂，陕西靖边 718500；5.西安交通大学，陕西西安 710049）

针对气井产水积液问题，苏里格气田主要采用泡沫排水采气工艺。传统的泡沫排水采气工艺通过车载人工加注的方式进行，工作量大，施工成本高，气井不易管理。因此，结合现场需求和井口工况，研发了一种可以远程控制、自动投放固体球形泡排药剂的装置，增加了药剂发泡时间，提高了药剂使用效率，同时有效降低了工人劳动强度和人工成本。该装置能耗较低，通过太阳能电池板供电，可以满足定时间、定数量、定次数排水采气加药需求；储球筒设计为常压状态，工人添加泡排球方便灵活。该项技术的成功试验，为苏里格气田数字化排水采气提供了一种新思路，应用前景广阔，建议进一步推广应用。

排水采气； 泡沫排水；远程控制； 自动投球；苏里格气田

随着苏里格气田开发的不断深入，气井压力下降和产水量逐年增加，导致气井严重积液甚至停产。据统计，苏里格气田产水积液气井已经占20%以上（目前苏里格气田已经投产几千口井）。因此，排水采气工作的紧迫性日益突出。苏里格气田主要采用泡沫排水采气工艺［1-2］。常规泡沫排水采气工艺是通过车载加注或人工投棒加注泡排药剂，工作效率低，如遇雨雪天气，对路况差和偏远井加药得不到保证，无法满足气田排水采气要求。因此，在苏里格气田已经建成数字化气田的大背景下［3-4］，泡排加注工艺也必然沿着自动化、智能化的方向发展［5］。

针对现场泡排药剂加注工作量大的问题，为减少气田泡排工作量，降低员工劳动强度，提高排水采气效率，近年来苏里格气田积极开展远程自动加注装置试验。从2010年开始，分别开展了太阳能智能泵加药试验、平衡罐自动加注泡排球自动加注、泡排棒自动加注新方法试验等，均实现了远程控制自动加注泡排剂的功能。但也暴露了一定的不足：平衡罐设备体积较大、笨重，太阳能智能泵设备结构复杂、成本较高，且两者注入的均是液体药剂，发泡时间较短，或药剂挂壁严重，不能全部到达井底，影响药剂使用效率；泡排棒自动加注装置实现了固体药剂加注，但由于棒体太长，遇水发黏后易堵塞通道，且由于装置承受高压，加药过程必须放压并拆卸储药筒上封盖，添加药剂不方便，增加了工人劳动强度。因此，需要研发体积轻巧、易于安装和管理的远程控制排水采气装置，通过投放固体药剂控制药剂发泡时间，实现数字化排水采气工艺。

1 自动加注泡排球装置

设备由装置部分和控制器部分组成［6-8］，直接安装到采气井口上。装置部分（图1）主要由驱动部件、拨轮、投球活塞、球阀、密封端盖、下阀体、主阀体、承压储球筒等组成，负责完成入井药剂的加装及投放；控制器部分主要实现远程控制操作。利用井口太阳能供电系统提供弱电控制，即可实现投球加药作业。

图1 自动加注泡排球装置

1.1 药剂

为了更有利于控制药剂发泡时间和发泡效果，选择固体泡排药剂。考虑到棒形药剂太长，遇水膨胀变黏后易卡死在通道，本次设计将棒形药剂缩短为球形。

目前苏里格气田气井采气树基本上都是采气KQ65/70型，采气树通径为65 mm，为有利于泡排球顺利通过，将泡排球的直径定为40 mm。

1.2 主控阀

主控阀（图2）在设计时参照低转矩球阀的结构原理，结合进口及出口单向双密封设计保证主阀的气密性及工作寿命，单向双密封的设计实现了介质由下向上的截止密封，但上部活塞压缩生成的压力可以由上向下导通不密封，从而实现设备的不放空设计。进而避免了常规气井井口作业过程中放空带来的污染问题。

图2 主控阀

1.3 储球筒

储球筒放置在装置侧面，在中间通道内增加密封活塞，给泡排球下行提供推力，当活塞停到下位时，在密封活塞的作用下，使储球筒与主控阀的高压部分隔离开来，储球筒处于常压状态，方便添加泡排球。

储球筒设计成圆柱形储球筒，一方面靠重力自由下落，另一方面依靠电机带动投球拨轮强制驱动泡排球，确保个别不太规则的泡排球能顺利下落。同时储球筒圆柱旋转独特设计，更有利于储存更多泡排球，减少人工井口补药周期。

1.4 投球拨轮

在储球筒与中间通道之间设计投球拨轮，使泡排球强制送入中间通道，这种结构能防止泡排球在通道内堵塞，投球动作准确。

投球拨轮设计通过传动系统，与投球活塞同步运行。投球拨轮上留有月牙形缺口，用于传送泡排球。投球拨轮上挖3个直径38 mm孔，以减轻零件质量（见图3）。

图3 投球拨轮

2 远程自动控制系统

2.1 系统设计

控制系统主要由控制器及通讯系统组成。自动投球装置上的控制器是整个控制系统的核心，它下挂有液晶显示屏、控制键盘、遥控控制接口和RS-485接口。同时，它有5组位置传感器接口和3组电机控制接口。通过人机接口来设定运行参数和显示工作状态，通过位置传感器来确定当前整个装置的工作情况，通过电机控制接口控制装置执行预定动作。

通讯系统采用井口无线电台远程传输。井口无线电台通过数据电缆与自动投球装置控制器上RS-485接口相连。投球指令通过控制器RS-485接口传输给控制器。指令经控制器处理后，把执行指令信号发给自动投球装置上的3个电机，实现投球动作。

2.2 太阳能供电系统校核

由于苏里格气田井口没有有线电源，井口设备用电只能通过太阳能系统供电，因此，要保证远程自动投球装置能正常运行，必须确保装置能实现小功率、大扭矩的功能。

根据设计，该远程自动加注泡排球装置的基本技术参数为：公称压力25 MPa；工作电压DC24V；供电方式： 太阳能电池板+蓄电池供电（太阳能板100 W，蓄电池100 A·h）；额定功率150 W（活塞电机100 W，储球桶电机10 W，主阀体电机40 W）；最大装药数量150，可满足10~25天的加药要求；每次投球个数1~2个；总高度1.2 m。

按照每天投球10~20次，取最高20次计算，每次投球工作时间约3 min，工作电流6.25 A，因此设备每天工作消耗电池容量为6.25 A·h。设备每天待机功率为0.5 W，待机时间为23 h，则设备每天待机消耗电池容量0.45 A·h。在阴雨天太阳能板蓄电池能持续工作时间为14.9 d。

根据乌审旗全年天气情况，太阳能板蓄电池可满足较长时间阴雨天对设备的供电需求。

3 工作原理

3.1 自动投球原理

（1）在原始工作状态下，主连轴球芯球口向下，投球活塞端面贴向连轴球芯球面，投球控制拨轮口对准泡排球等待区（笫1次只投下1个泡排球，另一个泡排球在等待区停留）。

（2）工作时，主连轴球芯球口向下，投球活塞向上运动，投球控制拨轮同步正转—周，拨轮月牙形缺口对准泡排球等待区，此时泡排球落入缸体。

（3）投球活塞向下运动，活塞进入缸体密封暂停，投球控制拨轮同步反转。

（4）主连轴球芯球口向上，两个泡排球掉入球芯。

（5）投球活塞向下运动，活塞端面贴向连轴球芯球面，投球控制拨轮同步反转，拨轮月牙形缺口对准泡排球等待区。

（6）主连轴球芯球口向下，泡排球掉入气井，完成—次投球过程。

3.2 远程自动控制原理

远程客户端发出投放泡排球指令，指令通过光缆传输到远程服务器，再经光缆把指令传输到集气站站控系统，站控系统通过无线传输，把指令传输给井口无线电台，通过自动投球装置上的控制器执行投球动作（见图4）。

图4 远程自动控制投球系统示意图

4 室内实验

室内开展了密封性试压、强度试压、电路性能试验、老化试验、模拟投球试验等试验：开展了10次0.6 MPa低压（气体介质）、气液27.5 MPa（液体介质）条件下气液密封性试验，每次保压15 min无压降无泄漏；进行了6次37.5 MPa（液体介质）高强度试压试验，每次保压15 min无压降无泄漏；在零下45℃及高温80 ℃运行电路性能试验10次，约2.5 h电路可正常运行；通过14 天 4 000次连续自动运行试验，每小时完成投球动作12次，无老化损坏；在室内开展8 MPa带压投球试验，10小时投泡排球60个，投球顺利、准确。

5 现场试验及改进

在现场试验过程中，设备运行半个月，共出现两次卡球问题。经技术人员分析认为出现卡球的主要原因：泡排球在球芯的凹坑内，当运行过程中与含水天然气接触，泡排球会因潮湿变黏，黏在球芯凹坑内，当两个以上的泡排球堆积在球芯凹坑内，就会出现卡球问题。

因此，对阀芯做出改进，将原来球芯的凹坑改为直通孔，让泡排球直接通过，不在球芯内停留。见图5。

图5 改进前后阀芯设计平面示意图

改进后，开展现场试验2口井，每天投球20次，每次投放2个泡排球，运行250余天，完成投球动作5 000余次，投球动作准确，运行正常。因此，苏里格气田继续推广应用50余口井，效果较好。最早开展试验S6-x-y井，从2012年7月下旬开始现场试验，设备运行正常。该井远程投球试验前平均套压9.15 MPa，平均产气量0.49×104m3/d；投泡排球后平均套压5.69 MPa，平均产气量0.81×104m3/d；排水和增产效果均比较明显。

6 结论

气井远程自动投放固体泡排球药剂装置可以实现定时间、定数量、定次数排水采气加药需求，减少了人工上井加注泡排剂的工作强度，大幅度降低人工加药成本；该装置充分考虑了气井高压的安全问题，可实现人工常压状态添加泡排球；使用该装置不需要进行放空作业，不会产生环境污染，且能耗较低，仅依靠井口太阳能板供电系统即可完成作业。该装置实现了远程控制自动化排水采气，是排水采气的发展方向，因此，建议在苏里格气田加大该设备的推广应用。

［1］马国华，刘三军，王升.低产气井泡沫排水采气技术应用分析［J］.石油化工应用，2009，28（2）：52-55.

［2］张书平，白晓弘，樊莲莲，等.低压低产气井排水采气工艺技术［J］.天然气工业，2005，25 （4）：106.

［3］吴革生，王效明，宋汉华，等.气井井口智能生产控制系统［J］.新疆石油天然气，2008，4（S0）：126-132，136.

［4］宋汉华，朱迅，马兵，等.McWiLL宽带无线技术在苏里格气田单井无线监控中的应用［J］.石油钻采工艺，2010，32（5）：116-118.

［5］黄艳，佘朝毅，钟晓瑜，等.国外排水采气工艺技术现状及发展趋势［J］.钻采工艺，2005，28（4）：57-59.

［6］王晓荣，郭自新，徐文龙，等.一种气井远程控制自动加药装置：中国，200920246234.9 ［P］.2010-06-30.

［7］韩兴刚，冯鹏鑫，谷成义，等.活塞式气井自动投放泡排球装置：中国，201220605744.2 ［P］.2013-05-29.

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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

宋汉华，宋劼，刘丹丹，等.一种远程自动投放球形泡排药剂装置的研制及应用［J］.石油钻采工艺，2014，36（5）：124-127.

TE37

：B

1000–7393（2014） 05–0124–04

10.13639/j.odpt.2014.05.031

2014-03-14）

〔编辑 景 暖〕

中国石油股份有限公司科技专项“致密气藏开发工程技术研究”（编号：2010E-23）。

宋汉华，1979年生。2005年毕业于长江大学油气田开发专业，获硕士学位。现主要从事采气工艺研究工作。电话：029-86978173。E-mail：shh_cq@petrochina.com.cn。