远程控制自动投棒系统的研制及应用

王小东段宝玉吴郁雷锐平马纪翔熊巍周贤

1.中国石油华北油田公司采油工程研究院；2.陕西天成石油科技技术有限责任公司

远程控制自动投棒系统的研制及应用

王小东1段宝玉1吴郁1雷锐平2马纪翔1熊巍1周贤1

1.中国石油华北油田公司采油工程研究院；2.陕西天成石油科技技术有限责任公司

天然气开采过程中常会出现井筒积液现象，排水采气作业贯穿整个采气过程，导致日常维护管理工作繁重。针对目前自动投棒装置内部带压、操作存在安全隐患等问题，设计了一套远程控制泡排棒自动投放系统，主要包括井口投棒装置、本地控制系统远程控制系统。整个系统的井口投棒装置上设计有压力平衡装置和投棒监测装置，从而实现了投棒腔体与井口压力的平衡问题，防止泡排棒在投棒装置内受到井口气流剧烈的冲击而损坏，还实现了投棒监测和记录功能。开发的远程控制上位机系统在现场进行试验，实现了定时定量自动投棒，系统稳定可靠。该系统的成功研制大大降低了工人劳动强度，提高了泡排效率，具有一定的推广应用价值。

泡排棒；平衡阀；红外传感器；自动投棒；远程控制；上位机

在天然气井开采的中后期，气井压力逐渐下降、产水量逐年增加，导致气井严重积液甚至停产。为了排除井内积液，现场工程技术人员和专业科研人员研究出了多种排水采气工艺方法。经过大量的现场试验应用，目前现场常用的主要有气举法、柱塞法、泡排法［1-2］。上述3种排水采气工艺中，泡沫排水采气工艺应用最为广泛。

泡沫法排采工艺技术主要有投棒法和泵注法，将固体泡排棒或者液体发泡剂加入到井内。固体泡排棒主要用于排出油管内的积液，而液体发泡剂主要用于排出环空内的积液。在投棒法中，目前现场采用的主要做法是在井口防喷管内一次放入2～3根泡排棒，然后打开采气树上的清蜡阀门将泡排棒投入到井筒内。这种做法虽然能够达到投棒目的，但存在较多弊病：操作工人劳动强度大，在投棒过程中需要不断的开启和关闭井口采气树上的清蜡阀门；工作效率低，完成一次投棒需要约需要40 min的时间；安全隐患大，操作人员需要在约3 m高的井口上进行操作；井口设备损坏严重，由于频繁投棒，导致气井井口的闸阀损坏，多数井口的闸阀存在漏气的问题，对环境造成污染。

随着泡排工艺方法的不断完善，出现了各种新的自动投放装置。通过大量调研，目前自动泡排法现场应用极其少见，分析其主要原因在于自动泡排装置内部带压、操作过程存在安全隐患等问题［3-8］。为了解决上述问题，改进完善了现有自动投棒装置，研制了远程控制自动投棒系统。

1 自动投棒系统研制

Development of automatic bar dropper system

远程控制自动投棒系统主要由3部分组成：井口投棒装置、本地控制系统和远程控制系统。

1.1 井口投棒装置

Wellhead bar dropper

井口投棒装置部分是整个系统的执行机构，其主要由料筒、步进电机、红外传感器、上投棒阀、下投棒阀、平衡阀、泄压阀和井口连接法兰等零部件组成，四个电动球阀都具有防爆功能，如图1所示。

料筒主要作用是储放泡排棒；步进电机主要作用是带动料筒旋转；红外传感器主要作用是对泡排棒在投放过程进行实时监测；上投棒阀和下投棒阀主要是控制泡排棒的投放；平衡阀主要作用是平衡投棒腔体（上投棒阀和下投棒阀之间的腔体）与井口的压力；泄压阀主要作用是排放投棒腔体内的气体，进行泄压；井口连接法兰主要是与井口采气树相连接的法兰接口。

1.2 本地控制系统

Local control system

本地控制系统安装在井场控制柜，其主要由电动球阀控制模块、料筒旋转控制模块、泡排棒监测模块、压力监测模块、远程通讯模块、供电模块等组成，所有模块安装在防爆控制柜内［9-10］。

图1 井口装置结构Fig.1 Structure of wellhead device

电动球阀控制模块主要是4个球阀（上投棒阀、下投棒阀、平衡阀和泄压阀）控制命令的输入，经过PLC逻辑处理输出，执行4个球阀的开启和关闭；料筒旋转控制模块主要是步进电机控制命令的输入，经过PLC逻辑处理并输出指令控制步进电机工作；泡排棒投放监测模块主要是利用红外传感器把监测到的信息进行处理并输出显示；压力监测模块主要是采集井口油压和投棒腔体内压力信息，并输出显示；人机交互控制模块主要是本地控制投棒时的命令输入和监测信息显示；远程通讯模块主要是通过Modbus传输协议实现本地与远程控制中心进行信息传输；供电模块主要是通过太阳能为蓄电池充电，为整个控制系统供电。

1.3 远程控制系统

Remote controlling system

远程控制系统主要是独立开发的远程控制自动投棒上位机系统，如图2所示［11］。该系统安装在中控室终端设备上，投棒时，在投棒监控控制界面上直接发送投棒命令，通过MicWill无线通讯传输，命令被井场的RTU模块接收并进行处理输出，执行投棒命令。

1.4 工作原理

Working principles

将井口投棒装置安装于采气树上，平衡阀与油管三通接头处用一根高压软管相连接。上投棒阀、下投棒阀、平衡阀以及泄压阀处于关闭状态，并打开采气树清蜡阀门。装泡排棒过程中，所设计的料筒不承压，直接打开料筒的料筒帽，一次将多根泡排棒装入料筒内的料棒筒中并盖好料筒帽。

图2 远程控制系统界面Fig.2 Interface of remote controling system

泡排棒的投放既可以在本地控制系统的人机交互界面上实现，也可以在中控室的上位机控制系统上实现。在本地控制系统投棒时，将人机交互界面上的控制按钮切换到本地状态，再进行投棒。在远程控制投棒时需要切换到远程状态，远程控制投棒有自动和手动两种方式，自动方式投棒为一键式操作，投棒过程按照设定的步骤依次完成，手动方式需要手动操作各个按钮来进行控制。下面以远程自动控制说明泡排棒投放过程。

启动投棒系统，直接点击自动投棒按钮（图2），系统检测投棒腔体（容器）压力是否为0，如果压力不为0，启动泄压阀进行泄压，如果为0打开上投棒阀，打开上投棒阀后，步进电机启动并带动料筒旋转18°，旋转到位后料筒中的固体泡排棒投入到投棒腔体内，同时红外传感器会识别泡排棒是否投放，如果识别不到，系统报投棒下落故障信号，如果识别到泡排棒的下落，计数器会增加1，上投棒阀关闭，接着平衡阀打开，系统判断投棒腔体内压力与井口油压是否相同，当两个压力值相同时，表明压力达到平衡，平衡阀关闭，下投棒阀打开，泡排棒在自身重力作用下落入井内，下投棒阀关闭，泄压阀打开，排放投棒腔体内气体，直到压力监测模块监测出投棒腔体内压力为零，泄压阀关闭。这样就完成了一次泡排棒的投放过程。如需再次投棒，再次点击自动投棒按钮即可，直到投完一个周期所需要的泡排棒数量为止。

1.5 装置性能参数

Performances of relevant devices

井口投棒装置性能参数见表1。

2 室内试验

Lab tests

室内进行了井口投棒装置和自动控制系统的功能性模拟试验，主要检验井口投棒装置的承压密封性以及料筒旋转、红外传感器监测、电动球阀控制、系统供电等模块的可靠性，具体内容见表2。

表1 井口投棒装置性能参数Table 1 Specifications of wellhead bar droppers

表2 自动投棒系统室内模拟试验Table 2 Indoor simulation tests of the automatic bar dropper system

3 现场试验及应用

Field tests and applications

2015年8月9日起，在苏里格苏75区块X井安装井口投棒装置及控制系统调试试验。本次试验通过中控室的上位机系统软件远程控制，共完成15个周期的投棒试验，每个投棒周期间隔3 d，每次投棒4根，投放1根泡排棒1 min，累计投棒50余次，运行过程安全准确可靠。该井在实施泡排作业前日产气0.53×104m3，油压3.6 MPa，套压6.7 MPa，泡排试验后日产气0.78×104m3，油压3.3 MPa，套压5.1 MPa，泡排效果显著。若发生无线通讯信号中断等突发情况，工作人员可通过井场的控制柜进行本地投棒，避免工作人员爬井口采气树，较以往投棒过程更安全、可靠。

使用该远程控制自动投棒系统后，现场工作人员只需到现场储放泡排棒到料筒1次，即可满足5个泡排周期的加药量，大大减少了工人上井次数，节省人力物力，提高泡排效率。

4 结论及建议

Conclusions and proposals

（1） 实现了本地和远程控制自动投棒加药措施，不受天气影响，工人在控制室可以按照泡排加药周期定时定量完成泡排作业。

（2） 井口投棒装置比现有的装置更安全，实现了投棒腔体内压力与井口油压的平衡，系统设计的红外传感器具有监测和记录泡排棒的功能。此外，整个装置具有防爆功能。

（3） 根据苏里格气田当地的气候条件，所设计的太阳能蓄电池完全可以满足较长时间阴雨天对设备所需电能的需求。

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（修改稿收到日期 2016-09-30）

〔编辑 李春燕〕

Development and application of remote-controlling automatic bar dropper system

WANG Xiaodong1,DUAN Baoyu1,WU Yu1,LEI Ruiping2,MA Jixiang1,XIONG Wei1,ZHOU Xian1
1.Production Engineering Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company,Renqiu 062552,Hebei,China;
2.Shaanxi Tiancheng Petroleum Science and Technology Deνelopment Co.Ltd.,Xi’an 710018,Shaanxi,China

Downhole fluid accumulation is a common phenomenon in the process of natural gas production,therefore water drainage operation is required constantly,leading to heavy workload related to routine maintenance.Conventional automatic bar dropper systems are characterized by deployment of internal pressure and high risks in operation safety.To eliminate such problems,an innovative remote controlling automatic dropping system with foam-drainage bars has been developed.Major components of the system include wellhead bar dropper,local control system and remote control system.With pressure balancing devices and bar dropper monitoring devices deployed,the newly development system can effectively balance the pressure in the bar-dropping chamber and the wellhead pressure to protect the foam-drainage bar against damage caused by strong gas flow around the wellhead.In addition,these devices may be used to monitor and record bar dropping processes.Host computer systems for the innovative remote controlling system have been tested in field to control the automatic bar dropper system safely and reliably.The newly developed system can effectively reduce manpower,enhance foam drainage efficiency and can be applied more extensively.

foam-drainage bar;balance valve;infrared sensor;automatic bar dropper system ;remote control;hose computer

王小东，段宝玉，吴郁，雷锐平，马纪翔，熊巍，周贤.远程控制自动投棒系统的研制及应用［J］.石油钻采工艺，2016，38（6）：859-862.

TE931

B

1000-7393（ 2016 ） 06-0859-04

10.13639/j.odpt.2016.06.028

:WANG Xiaodong,DUAN Baoyu,WU Yu,LEI Ruiping,MA Jixiang,XIONG Wei,ZHOU Xian.Development and application of remote-controlling automatic bar dropper system［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):859-862.

王小东（1983-），2013年毕业于西安石油大学石油与天然气工程专业，硕士研究生，现从事采气工程研究工作，工程师。通讯地址：（062552）河北省任丘市华北油田公司采油工程研究院。电话：0317-2720414。E-mail:cyy_wangxd@petrochina.com.cn