大容量气井泡排棒自动投放装置及其应用

2020-06-04梅宗清梅宗斌杨文武杨太刚李建玉

钻采工艺 2020年2期

梅宗清，梅宗斌，杨文武，杨太刚，李建玉

(四川华宇石油钻采装备有限公司)

地层出水是天然气井生产过程中的伴生现象，随着地层压力的降低，产气量下降，当产气量低于气井临界携液流量时，气体无法将产出水全部携带出井筒，井底形成积液，进而造成井底回压增大，使气井产量进一步下降；积液还导致气井产层发生“水侵”、“水锁”伤害并降低气相渗透率，影响气田最终采收率[1-3]。

泡沫排水采气的基本原理是向井底注入表面活性剂，降低井底积液的表面张力,在天然气流的搅动作用下，把井底积液变成低密度泡沫,从而改变井筒内的气液流态,提高气流的携水能力，同时,起泡剂还能增加流体在井筒中的流速，减少举升过程中的液体滑脱损失，提高气流举液能力，达到改善或恢复气井产量的目的[4-5]。该技术有见效快、成本低、施工简单、不影响日常生产等优点,目前已经成为有水气藏最经济有效的排水采气方式。

常用泡排剂分液体和固体两种：液体泡排剂主要采用平衡罐、柱塞泵和泡排车[6-7]；固体泡排棒主要采用人工井口投放和自动投放，其中自动投放可提高作业效率，降低操作成本。长庆气田前期开展了电磁驱动自动投棒装置研究及试验，该装置单支药棒规格为Ø30 mm×250 mm，储棒筒最高储棒量为12支，井口加药周期较短(平均为9～12 d)，尚不能完全满足现场生产需求。

针对自动投棒装置现场应用中存在的问题，在前期研究的基础上研发了一种结构简单、耗能小、容药量大、满足井筒测试要求的泡排棒自动投放装置，进一步提高了设备的适用性。

一、装置的组成及工作原理

1. 装置的结构组成

大容量气井泡排棒自动投放装置主要由太阳能供电系统、控制系统和投棒装置等三大部分组成(图1)。

图1 泡排棒自动投棒装置组成

1.1 供电系统组成

苏里格气田地处沙漠地带，因地制宜选择采用太阳能电力最为方便。井口泡排棒自动投放装置的太阳能供电系统主要由太阳能光伏板、太阳能控制器及蓄电池等组成。太阳能光伏板将光能转化为电能；蓄电池组接收储存电能；太阳能控制器控制光伏板的电能转换和蓄电池的充放电，它在电池充满电后自动断开太阳能电池板的电路以保护电池；充电控制器还可检测充电状态、电池的电量、负载的状态显示。

1.2 控制系统组成

自动投放装置控制系统的核心元件是智能控制器。控制系统的控制方式主要分为时间控制和远程控制两种模式。控制器采用128×64点阵液晶显示，液晶屏面积76 mm×38 mm，节能设计，无按键操作，延时后自动关闭屏幕显示，控制器通过对年份、日期、时间的设置来实现泡排棒定时投放，可以任意指定某日某时某分开始投棒，控制器可一次设定20支泡排棒的投放时间。

1.3 投棒装置组成

投棒装置是系统的功能主体，主要由驱动机构、传动机构、执行机构和主体及附件等组成。

(1)驱动机构为投棒装置提供机械动力，此系统中可采用的驱动方式较多，包括电机驱动、气缸驱动和电磁铁驱动等方式。

综合对比几种驱动方式的优缺点(表1),本装置采用电磁铁驱动结构，该结构相对比较简单、可靠。电磁铁驱动机构无需与传动机构直接接触，从而形成可靠的压力区间隔离，只需磁力导入受压储药仓，靠磁力驱动传动机构即可。另外，电磁铁耗能低，对供电形式要求不高，容易实现井场电力自给。

表1 驱动机构方案对比

(2)传动机构是将待投入的泡排棒传送到井口顶端，并循环运转，为此，装置的传动机构要将电磁驱动器衔铁的单向摆动转变为间歇性步进转动。加装钢丝弹簧可以使衔铁回位，衔铁单向摆动变为往复摆动，往复摆动进而转变为间歇性步进转动。本装置选用技术成熟的棘轮棘爪间歇性步进机构方式。

(3)执行机构用于储存和投送泡排棒，同时为测试工具下入提供通道。为简化机构提高可靠性，有利于药棒传递，本装置采用转盘结构装储泡排棒。

泡排棒装储于转盘后，转盘底部加设托举机械(托盘)，圈闭装储的泡排棒，使之不与井液直接接触，在托盘底部配置导轨，减小转盘转动时的阻力和动力消耗(图2)。

图2 转盘和导轨示意图

(4)投棒装置主体包括本体、顶盖部分及底盖部分(图3)。本体作为设备主体的承压外层及结构主体,采用锻造成型工艺，圆腔承压结构。外部接口通过密封垫环和双头螺柱连接底盖及电磁驱动器，通过“O”型密封圈连接顶盖，现场安装时底盖与采气树顶部阀门通过密封垫环和双头螺柱连接，形成完整压力封隔体，本体内部容纳、支撑和固定转盘及传动机构等。

图3 本体、顶盖、底盖结构示意图

顶盖部分包括顶盖和装棒孔、测试孔、“O”型密封圈、压力表、截止阀等附属件。除用作封闭主体内的压力外，顶盖部分还承担装棒、观察、读压、放空、连接测试工具设备等操作，即可通过装棒孔装棒，通过截止阀放空卸压，通过测试孔进行观察投棒情况，或下测试工具进行井下作业等。

底盖部分包括底盖和导轨、密封垫环、连接螺柱等附属件，其主要作用是封闭本体内的压力，与井口顶部阀法兰连接，提供投棒、测试及放喷通道和支撑转盘。底盖上偏心开设一个通孔，与采气树主通径一致，安装时该孔中心线与井口主通道中心线重合，也与顶盖上的测试孔中心线重合。

(5)测试放喷通道是为便于从装置顶部直接下测试工具，顶盖、底盖和转盘需开设不小于Ø62 mm的通道孔，且与井口装置主通道轴线重合安装。在进行测试作业前，将转盘转动到相应工位，该Ø62 mm管道孔与井筒正对时，即形成完整的测试通道(图4)。在需要进行放喷作业时，只需将放喷管连接在顶盖上观察孔接口处，即可形成放喷通道而直接放喷(图5)。

图4 测试通道示意图

图5 放喷通道示意图

2. 装置的工作原理

投棒装置主要由本体、顶盖部分底盖部分、电磁驱动器、转盘、棘轮棘爪机构等零部件组成(图6)，安装在采气树顶部，两者通过法兰连接，实施装棒、投棒及其他作业过程。

图6 投棒装置结构示意图

2.1 装棒过程

转盘上环形外圆周上开设20个料孔和1个测试孔(图7)，料孔间均匀布置，棘轮与转盘中心轴固连，电磁铁驱动衔铁摆动，衔铁通过连杆带动棘轮顺向步进，进而实现转盘步进。当转盘上的料孔与顶盖上的装棒孔正对时，可从装棒孔实施人工装棒。

2.2 投棒过程

当转盘的料孔对正底盖孔时，该料孔底部的托盘自动向下翻转打开，泡排棒靠自重掉入气井中，实现泡排棒投放，转盘继续转动后，料孔底部的托盘在底盖上的导轨作用下回位关闭。

图7 转盘孔分布图

2.3 测试作业

当转盘上的测试孔对正顶盖观察孔时，可实施测井等井下作业。

二、室内测试

1. 功能测试

(1)空转测试。对电磁铁通断电，转盘连续步进转动88次，过程中4台投棒装置均转动灵活无卡阻，步进对位准确无错位，电磁线圈发热正常。

(2)装棒、投棒测试。通断电驱动电磁铁步进转动转盘，通过顶盖上投棒孔装棒，每通断电2次后装棒1支，通断电38次后装棒20支。

(3)通道测试。通断电41次后，测试孔转动到主孔位，此时从测试孔下Ø62 mm×1 000 mm通井规检测。连续转动过程中，4台装置均转动灵活无卡阻现象，装棒、落棒顺畅无阻碍，测试工具能顺畅通过，电磁线圈发热不明显。

(4)带压投棒测试。将装置组装连接，投棒装置内零压时打开投棒孔，装棒20支后装上投棒孔堵头，从压力表截止阀处向本体内充压(2～14 MPa氮气)，手动操作电磁铁通断电，循环进行投棒—泄压—打开阀门—检查投棒情况—充压操作，连续投棒20支。实验中4台装置均转动灵活无卡阻，落棒顺畅，各密封处无漏气，电磁线圈发热不明显。

(5)自动动作测试。手动操作连续装入20支棒，通过时间控制器设定投棒时间，装置自动运行，实验过程中落棒准时、顺畅，电磁线圈无过热现象。

(6)型式测试。抽取样机连接好装置并设置程序，通断电驱动电磁铁步进转动转盘，每运转一周后停止5 min，然后继续进行下一周期装投棒实验，连续转动94圈。试验过程中，装置装棒顺畅，落棒准时、顺畅无阻碍，电磁线圈发热正常。

2. 承压测试

(1)本体静水压强度测试。本体按2倍额定工作压力的静水压强度实验,试压中均未超过API 6A标准规定的1.4 MPa的最大允许压降，稳压期间本体无可见渗漏现象。

(2)密封性能测试。装置内注水，从压力表截止阀处连接试压系统，排空后施水压，在施水压测试中均未超过API 6A标准规定的0.7 MPa最大允许压降，稳压期间无可见渗漏。

3. 供电系统测试

太阳能供电系统制作完成后，进行厂内稳定性测试。设定工作程序，利用电量表测电池电量消耗，统计分析若干次投棒电量消耗，计算出平均单次工作电量消耗数值和充电一次可以工作的最长时间。另外，进行充电测试，太阳能光伏板每小时能充电4.1 AH，蓄电池空载情况下充满电量耗时约12 h左右，适应苏里格现场沙漠气候条件下工作。经过测试，供电系统满足系统电力需要。

4. 远程控制测试

控制器通过转换接口与计算机连接，通过测试，控制器能按设定程序及远程指令准确运行，满足投棒装置远程控制需要。

三、现场应用

完成装置的加工及室内测试后，在苏X区块苏X-1和苏X-2两口井开展泡排棒自动投放装置现场应用试验(表2)。

表2 现场试验结果

按照设计安装步骤将投放装置安装于采气树顶部，并对供电系统、投棒装置及控制系统进行现场测试和调试，首先对投棒装置采用井口天然气进行气密封性检测，装置连接密封良好，投棒装置手动、自动投棒运行正常，测试工具起下顺畅。完成设备安装调试后，进行泡排棒连续加注试验，试验初期加注制度采用1次/d，加注量3根/次，并对泡排效果进行自动跟踪，根据试验效果调整泡排棒加注量及加注周期。不仅有力促进了工艺全过程的气井远程控制及数字化管理的需要，减少了现场工人的劳动强度，而且取得了明显的增产效果。

如苏X-1井安装时生产油压3.1 MPa、套压5.7 MPa，该井开展泡排棒自动投放装置试验，平均产气量由试验前的0.62×104m3/d，增加到试验、应用期间的0.81×104m3/d。现该井使用此装置已连续生产，日产气量稳定在0.8×104m3以上，增产幅度29%，增产效果较显著。