一种PLC控制的深井抽汲机研制及应用

2013-07-08宗美巧周力帅唐长书罗红兵殷秀君宋官友

石油矿场机械 2013年6期

宗美巧，周力帅，唐长书，罗红兵，殷秀君，宋官友

（1.盐城市佳鑫石化机械制造有限公司，江苏阜宁 224431；2.中原石油勘探局钻井三公司，河南濮阳 457001；3.濮阳市双发实业有限责任公司，河南濮阳 457001；4.濮阳市中原汇腾实业有限公司，河南濮阳 457001）①

抽汲排液是常规试油中最常用的一道工序，是油气勘探开发取得成果的关键环节。中原油田的油气层埋藏深度在2000～3600m，且具有低孔、低渗的特点，目前已处于中后期勘探开发阶段。老区块地层压力不断降低，深层滚动勘探开发是增储上产的重要途径，采用新的试油工艺技术和装备是油田精细化管理的客观要求。在分析目前油田排液技术和抽汲设备现状的基础上，结合中原油田的实际情况，采用了变频和PLC 控制技术，成功研制了一种新型抽汲机，改变了传统的机械操控模式，减轻了操作者的劳动强度，具有自动化程度高、抽汲强度大、安全可靠、操作简单、方便直观等优点，进一步完善了常规试油气配套工艺技术。

1 油气井排液技术现状

试油中常用的排液方式有4种：

1）常规抽汲排液其优点是简易、通用。缺点是抽汲深度受滚筒容量限制，目前的抽汲深度小于1800m。

2）潜油电泵排液其优点是排液强度大，但成本高，下井成功率低，故障率高，并且在大斜度定向井中无法应用。

3）水力泵排液其优点是不受井斜影响，排液能力大，但对动力液和油管要求高，增加了成本。出口液是混合液，难以真实反映地层液性能，应用较少。

4）气举阀分级气举和液氮气举比较适合气井排液。可以1次快速举升井筒液体，但无法实现连续排液；采用连续制氮车组方可实现连续气举。

随着钻井工艺技术的发展，定向井、大斜度井成为勘探开发的主流。由于受井斜的影响，使得完井作业工艺技术难度增加，一些常规试油工艺技术的应用受到了限制，但常规抽汲排液技术在一定程度上仍发挥着重要作用。目前，在试油中主要采用常规抽汲法进行排液求产，就是利用一种专用工具把井内的液体抽到地面，以达到降低液面即减少液柱对油层造成的回压的一种措施［1－3］。其主要设备是通井机或抽汲车，通过手动操作和刹把制动来实现上提下放，抽汲深度采用丈量钢丝绳长度的方法来记录，动液面深度则依靠操作手的经验来判断。钢丝绳很容易打扭而报废，上提至井口时依靠在钢丝绳上做的记号来防止顶钻，记号易脱落且不易通过抽汲防喷盒，自动化程度不高，操作不方便，深度误差大，抽汲能力小，劳动强度大。

2 新型抽汲机组成

新型抽汲机采用撬装式结构，以发电机组或工业电源为动力，采用PLC 控制系统，通过操作台设定抽汲参数，采用自动或手动2种模式来完成抽汲排液工作。它由机械系统和控制系统2部分组成，如图1。

图1 新型抽汲机工作原理

2.1 机械系统

由井架、滑轮组、抽子、钢丝绳和卷扬机组成。抽汲时，缠绕在滚筒上的钢丝绳通过减速机减速后，由控制系统来控制其上提、下放动作。重复此过程，即可进行抽汲排液工作。

1）井架使用原试油井架。

2）滑轮组把地滑轮固定在井口大四通上，井架天滑轮和地滑轮起导向作用，使钢丝绳在井内的垂直运动变为地面的水平运动。

3）抽子使用高强度耐磨胶皮，可以增加抽子的使用次数和减少抽汲过程的漏失量，提高抽汲效率。

4）钢丝绳将钢丝绳一端固定整齐缠绕在滚筒上，另一端与加重杆连接。滚筒系多层缠绕，钢丝绳受力比较复杂。钢丝绳末端设计载荷为20kN，选择Ø15.875mm 钢丝绳即可［4］。

5）卷扬机是机械系统的核心部分，采用撬装式，结构紧凑，安装方便。它由基座、滚筒、变频电机、减速机、液压抱闸和安全限位装置等组成（如图2）。

依据《JD－11.4型调度绞车说明书》［5］和《起重机械安全技术手册》［6］，综合计算钢丝绳重力、提升液柱重力、摩阻等参数，以满足深抽排液的需求。卷扬机的额定拉力为20kN，钢丝绳的平均速度为30～300m／min，滚筒容量为3500m（Ø15.875mm钢丝绳）。特制的减速机能够输出足够的转矩和转速。特制的变频电机在低频慢速时不会过热。通过液压抱闸可实现液压制动，使制动更可靠。安全限位装置可防止滚筒过卷而发生安全事故。

图2 卷扬机结构

2.2 控制系统

控制系统是新型抽汲机的核心部分。根据抽汲排液技术的特点和现场要求，采用了PLC 可编程控制器自动控制技术和文本显示屏操作方法［7－8］，由井口马达、同步马达、传感器、控制操作台、制动单元、矢量控制变频器、系统总线和电源组成。

1）井口马达安装在井口地滑轮上，将深度数据传输给同步马达。

2）同步马达安装在控制操作台内，将接收的井口马达信号传输给控制操作台实现自动控制，并在文本屏显示深度数据。

3）传感器在井口安装载荷传感器，由PLC根据载荷的变化判断抽子的沉没度，在防喷管安装磁性接近传感器，由PLC自动判断抽子离井口的位置（钢丝绳已分段充磁）。

4）控制操作台输入控制信号，文本显示屏实时显示速度、抽汲深度和载荷。手动与自动任意转换，点动和连续提升、下放，可实现紧急停车。

5）制动单元消除电机发电状态时的反电压，对电机输入直流辅助制动，以保证钢丝绳平稳下放。

6）矢量控制变频器采用矢量控制方式，使电机在低频慢速转动时有足够的转矩。

7）系统总线为系统电器控制元件提供电信号。

8）电源由发电机组或工业电网提供380 V／50Hz电源。

3 主要特点

新型抽汲机与目前通井机和抽汲车相比，具有6个特点：

1）自动化程度高采用变频和PLC 控制技术，可设定下放深度、自动上提下放动作和过载自动停止，上提至井口附近可自动减速和停止，手动、自动2种模式任意转换，自动化程度高。

2）实时监测参数控制操作台采用屏幕显示载荷、深度、速度等参数，便于操作者及时分析判断井下情况。

3）抽汲能力大采用高强度大容量滚筒，设计Ø15.875 mm 钢丝绳容量3500 m，最大抽深3000m，最大提速达300m／min，实现了深抽强排。

4）安全可靠当变频器发出任意故障代码时，能及时报警，可实现紧急强制停车并制动，防止意外事故的发生。采用液压制动和安全限位装置，可实现紧急停车，防止过载和过卷，保证了安全。

5）参数准确采用同步马达和载荷传感器，深度和载荷记录准确，深度误差为±0.5 m／1000m。

6）操作简单操作人性化，简单直观，减轻了操作者劳动强度。

4 适用范围

该新型抽汲机适用于油水井、煤层气井进行抽汲排液、求产、降液、诱喷等施工，特别适合低渗油藏条件下的深抽排液，为油田低渗层、压力系数较低的老井（层）求产提供了新手段，是老油田精细化勘探、压裂、酸化后排液配套工艺技术，特别是在深井压裂、酸化后的连续快速排液中更能体现出良好的优越性和实用性。

5 应用情况

在以前的抽汲排液过程中，采用常规通井机或抽汲车抽汲，最大抽深只有2000 m，生产压差较小；采用水力泵排液，因产量低等原因而放弃（如表1）。新型抽汲机自2008－10首次在Q100井试验成功以来，已在中原油田的多口试油井进行抽汲排液，最大抽深已达到2800m，增大了生产压差（如表2）。

表1 常规通井机或抽汲车抽汲和水力泵排液数据

表2 新型抽汲机抽汲排液数据

由表1和表2抽汲排液数据对比分析：应用新型抽汲机抽汲，增加了油井生产压差，特别适合低渗油藏条件，完全能满足试油井抽汲排液施工的要求，有效地解决了常规抽汲排液工艺中的实际问题。和常规抽汲设备相比，具有明显的先进性和优越性。该新型抽汲机的成功应用，提高了常规抽汲排液工艺技术水平，使中原油田精细勘探和压裂效果评价配套技术更完善，为油田提供了可靠的技术手段，具有较强的实用性和较好的推广应用前景，将产生较好的经济效益和社会效益。