長慶氣田柱塞氣舉排液自動(dòng)化控制技術(shù)

韓強(qiáng)輝

（中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710018）

長慶氣田柱塞氣舉排液自動(dòng)化控制技術(shù)

韓強(qiáng)輝

（中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710018）

針對國外引進(jìn)柱塞氣舉技術(shù)采用定時(shí)開關(guān)井生產(chǎn)方式，沒有自動(dòng)調(diào)參功能，運(yùn)行制度需人工設(shè)置的缺陷，開發(fā)了一種氣井柱塞氣舉生產(chǎn)的自動(dòng)運(yùn)行方法。該方法將柱塞最佳上升時(shí)間長度設(shè)置為目標(biāo)上升時(shí)間，通過控制器對柱塞實(shí)際上升時(shí)間的分析，自動(dòng)調(diào)整開、關(guān)井時(shí)間，保證柱塞實(shí)際上升時(shí)間接近于目標(biāo)上升時(shí)間，使氣井生產(chǎn)制度自動(dòng)趨于最佳，實(shí)現(xiàn)對柱塞氣舉排液采氣過程自動(dòng)化的控制管理。并設(shè)計(jì)了一種性能更優(yōu)的一體化柱塞控制器。這種新型柱塞排液采氣技術(shù)已在長慶氣田某區(qū)塊整體應(yīng)用75口井，經(jīng)過2年多的實(shí)踐檢驗(yàn)，能夠根據(jù)柱塞到達(dá)情況，自動(dòng)對生產(chǎn)制度進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，大幅降低工作量，實(shí)現(xiàn)了柱塞氣舉井運(yùn)行自動(dòng)控制和精細(xì)管理。基于柱塞上升時(shí)間自動(dòng)優(yōu)化工作制度的控制方法為長慶氣田柱塞氣舉排液技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

柱塞；自動(dòng)化控制；控制器；開井時(shí)間；關(guān)井時(shí)間；優(yōu)化生產(chǎn)制度

柱塞氣舉排液采氣工藝技術(shù)是以柱塞作為氣液分隔界面，能有效防止氣體上竄和液體滑脫，增加舉液效率，此外該技術(shù)不加注化學(xué)藥劑，還具有環(huán)保特點(diǎn)，已成為長慶氣田排水采氣的重要技術(shù)手段。由于該技術(shù)通過開關(guān)井實(shí)現(xiàn)柱塞周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而開關(guān)井的工作制度與氣井自身能量密切相關(guān)，因此隨著氣井開采階段的不同，工作制度也需要調(diào)整，才能及時(shí)排出積液，維護(hù)氣井穩(wěn)定生產(chǎn)。筆者基于氣井能量與柱塞工作制度的關(guān)系、現(xiàn)場應(yīng)用中遇到的問題等，開展了自動(dòng)優(yōu)化工作制度新方法的研究[1，2]。

1 柱塞技術(shù)存在的問題

柱塞氣舉排液技術(shù)是以柱塞作為氣液分隔界面，能有效防止氣體上竄和液體滑脫[3-6]，增加舉液效率，此外該技術(shù)不加注化學(xué)藥劑，還具有環(huán)保特點(diǎn)。

國外認(rèn)為柱塞氣舉工藝技術(shù)是低產(chǎn)及致密氣藏最經(jīng)濟(jì)有效的排水采氣工藝，應(yīng)用井?dāng)?shù)達(dá)41.4萬口之多，氣井增產(chǎn)22%～500%，投資回收期4個(gè)月，措施可應(yīng)用至氣井枯竭。國內(nèi)1991年開展柱塞氣舉工藝技術(shù)探索性試驗(yàn)，近年各氣田均開展了試驗(yàn)研究，共應(yīng)用465口井，應(yīng)用結(jié)果表明，設(shè)定合理的工作制度對提高柱塞氣舉排液采氣效率至關(guān)重要。2009年至2011年期間，長慶蘇里格氣田引進(jìn)應(yīng)用國外柱塞技術(shù)40口井，應(yīng)用初期，多數(shù)井運(yùn)行效果良好，氣井年平均遞減率2.1%～9.6%，遠(yuǎn)低于區(qū)塊的平均遞減率15.9%。但應(yīng)用幾個(gè)月后有29口井柱塞不能到達(dá)井口，說明運(yùn)行工作制度已不合理，導(dǎo)致了氣井排液效率明顯降低[7-9]。

1.1 工作原理存在的問題

現(xiàn)有柱塞氣舉技術(shù)采用定時(shí)開關(guān)井（比如開井5 h，關(guān)井2 h）的生產(chǎn)控制方式，工程師利用氣井生產(chǎn)信息做出判斷，人為設(shè)置開關(guān)井的工作制度。

以長慶氣田某應(yīng)用國外進(jìn)口柱塞技術(shù)井為例進(jìn)行分析。該井投放柱塞后一直采用初次設(shè)定的工作制度，生產(chǎn)一段時(shí)間后，出現(xiàn)了柱塞不能到達(dá)井口情況，油套壓差增加到3.21 MPa。優(yōu)化工作制度后，柱塞又能到達(dá)井口，氣井產(chǎn)量增加0.24×104m3/d，油套壓差減少1.59 MPa，生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)（見表1）。

表1 某井調(diào)整制度前后參數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.2 控制器存在的問題

柱塞氣舉工藝主要是通過柱塞控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開、關(guān)井功能以及合理的數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)柱塞按照設(shè)置的工作制度運(yùn)行，達(dá)到氣井排液生產(chǎn)的目的。

國外進(jìn)口控制器存在以下不足：（1）不具備遠(yuǎn)程控制功能、智能化程度低，需要人工井口調(diào)參，調(diào)參工作量大；（2）結(jié)構(gòu)分散，運(yùn)行中，裝置能耗大，故障率高達(dá)76%（見圖1）。

圖1 國外進(jìn)口柱塞氣舉控制器圖

2 柱塞自動(dòng)化控制方法設(shè)計(jì)

柱塞在氣井中運(yùn)動(dòng)速度過低時(shí)氣竄量劇烈增加，且太低的柱塞速度不利于氣井生產(chǎn)；過高的柱塞運(yùn)動(dòng)速度造成較大的漏液量，柱塞舉液能力下降，降低了舉液效率。存在最佳的柱塞上行速度，達(dá)到較高的柱塞系統(tǒng)舉液效率。當(dāng)柱塞上行速度低到保證液體不回落時(shí)，能夠在相對較少的漏氣及地層能量損失下，將井底積液舉升至井口排出。通過數(shù)值模擬的方法計(jì)算了使得柱塞流場恰好不漏液的臨界柱塞上行速度為v=3.7 m/s。

柱塞從井底到達(dá)井口的時(shí)間稱為柱塞上升時(shí)間，該時(shí)間可以反映出氣井儲(chǔ)層能量的情況。通過前期大量的現(xiàn)場試驗(yàn)及國外資料調(diào)研，根據(jù)最佳柱塞舉液上行速度計(jì)算的時(shí)間定為柱塞最佳的上升時(shí)間。將柱塞最佳上升時(shí)間設(shè)置為目標(biāo)上升時(shí)間，通過對柱塞實(shí)際上升時(shí)間的分析，自動(dòng)優(yōu)化開、關(guān)井時(shí)間，使開關(guān)井周期更加合理[10-16]。

當(dāng)柱塞早于目標(biāo)上升時(shí)間到達(dá)時(shí)，稱之為過快到達(dá)（見圖2）。

圖2 過快到達(dá)示意圖

柱塞的實(shí)際上升時(shí)間過快，說明地層能量過于充足，將通過自動(dòng)延長開井續(xù)流時(shí)間和縮短關(guān)井時(shí)間，降低下個(gè)周期的柱塞上升速度，使其達(dá)到最優(yōu)。

式中：t續(xù)－續(xù)流時(shí)間；t1－上周期續(xù)流時(shí)間；Δt1－過快到達(dá)延長續(xù)流時(shí)間；t關(guān)－關(guān)井時(shí)間；t2－上周期關(guān)井時(shí)間；Δt2－過快到達(dá)縮短關(guān)井時(shí)間。

當(dāng)柱塞晚于目標(biāo)上升時(shí)間到達(dá)時(shí)，稱之為過慢到達(dá)（見圖3）。

圖3 過慢到達(dá)示意圖

柱塞的實(shí)際上升時(shí)間過慢，說明地層能量不足，將通過自動(dòng)縮短開井續(xù)流時(shí)間和延長關(guān)井時(shí)間，提高下個(gè)周期的柱塞上升速度，使其達(dá)到最優(yōu)。

式中：t續(xù)－續(xù)流時(shí)間；t1－上周期續(xù)流時(shí)間；Δt1－過緩到達(dá)縮短續(xù)流時(shí)間；t關(guān)－關(guān)井時(shí)間；t2－上周期關(guān)井時(shí)間；Δt2－過緩到達(dá)延長關(guān)井時(shí)間。

柱塞實(shí)際上升時(shí)間在正常的目標(biāo)時(shí)間范圍內(nèi)，為正常到達(dá)。此時(shí)的柱塞上升時(shí)間合理，開、關(guān)井時(shí)間不需調(diào)整。

當(dāng)柱塞未能到達(dá)時(shí)，除開井下管串和工具異常的情況，說明地層能量嚴(yán)重不足。智能柱塞控制器將關(guān)閉氣井，進(jìn)一步儲(chǔ)存地層能量，待其達(dá)到一定值時(shí)，重新開井。最終實(shí)現(xiàn)油氣井柱塞氣舉排液采氣的自動(dòng)運(yùn)行管理。

3 柱塞控制器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 控制器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

柱塞控制器包含的電路和結(jié)構(gòu)部件，是研制過程必須相互兼顧的兩個(gè)方面，所以在試制電子電路的部件時(shí)，必須考慮太陽能電池板、電池等結(jié)構(gòu)部件的安裝問題，照顧總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要。同樣在完成總體結(jié)構(gòu)時(shí)，也必須滿足主板、顯示器、接線盒（電源底板）等電子電路設(shè)計(jì)的需要，并根據(jù)這些需要，對結(jié)構(gòu)作必要的優(yōu)化調(diào)整。

針對國外進(jìn)口控制器存在的不足，控制器采用一體化設(shè)計(jì)思路，將數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器、圖形液晶顯示器、輕觸鍵盤、光伏板、鎳氫電池、太陽能充放電控制器、RS485網(wǎng)絡(luò)通信接口等部件統(tǒng)統(tǒng)布置在外殼之中，并與其融為一體。作為控制器基本構(gòu)成的電子電路的部件，按功能區(qū)別可分為顯示器、主板和接線盒三件，它們之間用插針式電氣連接器連為一體，構(gòu)成一個(gè)完整的電路系統(tǒng)。

顯示器（含輕觸鍵盤）和主板位于外殼的前腔室，用于現(xiàn)場的人機(jī)對話、實(shí)現(xiàn)柱塞氣舉控制器的核心功能。

太陽能電池板安裝在外殼頂部，可通過其方位角調(diào)整螺釘調(diào)整方向，保證各種應(yīng)用環(huán)境都獲得最佳的光照條件。最后形成柱塞氣舉控制器。

3.2 控制器性能評價(jià)

一體化柱塞控制器一方面通過將控制器與太陽能供電系統(tǒng)等設(shè)計(jì)為一體，功能集成、能耗低、防護(hù)等級達(dá)IP65，故障率0.1%；另一方面，選用低功耗、性能可靠的電磁閥作為氣動(dòng)薄膜閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；還有，在控制邏輯中，置入了開、關(guān)井狀態(tài)檢測機(jī)制和多次重試驅(qū)動(dòng)機(jī)制，使開、關(guān)井成功率達(dá)到100%。該控制器保證了每次開關(guān)井的操作準(zhǔn)確無誤，有較高的可靠性、系統(tǒng)穩(wěn)定性，安裝維護(hù)更加方便（見表2）。

表2 新設(shè)計(jì)一體化控制器與進(jìn)口控制器應(yīng)用參數(shù)對比

4 現(xiàn)場應(yīng)用

這種基于柱塞到達(dá)時(shí)間自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行制度的新型柱塞排液采氣方法已在長慶氣田某區(qū)塊應(yīng)用75口井，經(jīng)過2年多的實(shí)踐檢驗(yàn)，能夠根據(jù)柱塞到達(dá)情況，自動(dòng)對生產(chǎn)制度進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整。設(shè)備故障率1%，控制開、關(guān)井成功率100%。該區(qū)塊實(shí)施柱塞氣舉排液生產(chǎn)后，氣井運(yùn)行工作制度合格率95%，產(chǎn)量遞減率由44%下降至23.6%（見表3）。

表3 整體應(yīng)用柱塞氣舉排液前后生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

（1）國外引進(jìn)柱塞裝置結(jié)構(gòu)分散，運(yùn)行中，裝置能耗大，故障率高達(dá)76%。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)及控制邏輯，設(shè)計(jì)出一體化柱塞控制器，功能集成、能耗低、防護(hù)等級達(dá)IP65。現(xiàn)場應(yīng)用75口井，安裝維護(hù)方便；經(jīng)過2年多運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性，設(shè)備故障率降低至1%，大幅提高了運(yùn)行效率。

（2）國外引進(jìn)柱塞氣舉排液技術(shù)控制系統(tǒng)沒有自動(dòng)調(diào)參功能，運(yùn)行制度需人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，工作量大，排液效率低，嚴(yán)重影響了應(yīng)用范圍。形成的氣井柱塞氣舉排液生產(chǎn)的自動(dòng)化控制運(yùn)行方法改變了定時(shí)開關(guān)井的生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)整柱塞上行時(shí)間趨于最佳上行時(shí)間，能夠根據(jù)油氣井生產(chǎn)狀況自動(dòng)調(diào)整工作制度，大幅降低工作量，實(shí)現(xiàn)了柱塞氣舉井運(yùn)行自動(dòng)化控制和精細(xì)管理，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。

［1］LEA J F，DUNHAM C L.Methods remove liquids in gas wells［J］.The American Oil&Gas Reporter，2007，50（3）：79-84.

［2］OYEWOLE P O.Plunger lift application and optimization in the Sanjuan North Basin-our journey［R］.SPE 2007，6（4）：107-109.

［3］楊亞聰，穆謙益，白曉弘.柱塞氣舉排水采氣技術(shù)優(yōu)化研究［J］.石油化工應(yīng)用，2013，32（10）：11-13.

［4］韓勇，宋志軍，白建文.柱塞氣舉排水采氣工藝在蘇里格氣田的應(yīng)用研究［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2011，（4）：119-120.

［5］于蓉.對柱塞氣舉排水采氣工藝的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)［J］.鉆采工藝，1994，17（2）：82-84.

［6］李冰毅，周翀，何云.淺析大牛地氣田柱塞氣舉排水采氣工作制度優(yōu)化［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19（11）：225-227.

［7］Foss D L，Gaul R B.Plunger-lift performance critieria with operating experience－venture avenue field［J］.Drill and Pro d Practice，1965：124－140.

［8］黃兆武，等譯.采油地面操作［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1995.

［9］周世賢，等譯.石油工程手冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1996.

［10］楊平.確定性激勵(lì)時(shí)多介質(zhì)藕合型非線性隔振器近似求解［J］.桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，（4）：113－115.

［11］廖開貴，李穎川.高氣液比氣井氣液兩相節(jié)流預(yù)測數(shù)學(xué)模型［J］.天然氣工業(yè)，2005，（8）：56－73.

［12］廖開貴，李穎川.采氣工藝模擬實(shí)驗(yàn)井測控系統(tǒng)研究［J］.鉆采工藝，2007，30（3）：132－133.

［13］張琪，萬仁薄.采油工程方案設(shè)計(jì)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009.

［14］汪崎生，廖銳全.柱塞氣舉特性分析［J］.江漢石油學(xué)報(bào)，2000，22（3）：61－64.

［15］張翠霞.混合介質(zhì)緩沖器動(dòng)力學(xué)特性與緩沖效果研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

［16］張金良，吳曉東，呂明才，等.智能柱塞氣舉排液采氣技術(shù)與應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)（江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)），2005，27（5）：652－655.

Automatic control plunger gas-lift drainage technology

HAN Qianghui
（Institute of Technology of Oil and Gas，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710018，China）

The imported plunger gas lift technology from abroad adopts timing open and shut-in method of production without automatic parameter adjustment function.This operation system needs manual setting which leads to the design of an automatic operation system of plunger gas lift technology.This method sets the optimal rise time of the plunger as the target rise time,through the analysis by the controller of the actual rise time of the plunger, automatically adjusts the open and shut-in time,guarantees the actual rise time is close to the target rise time,optimizes the gas well automatic production system and realizes the control and management of liquid unloading and gas production by using plunger gas lift.An integrated plunger controller with better performance is designed.The new plunger gas lift technology has been used in 75 wells of a certain Changqing gas block.After more than 2 years of practical testing,according to the arrival of the plunger,the production system has been automatically optimized and adjusted,the workload greatly reduced and the automatic control and fine management of the plunger gas lift well has been realized.The controlmethod of automatic optimization system based on the rise time of the plunger will provide technical support for the popularization and application of plunger gas lift technology of Changqing oilfield in large scale.

plunger；controller automatic；control；opening time；kansai time；optimization production system

TE938.2

A

1673-5285（2016）12-0119-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.12.029

2016－09-19

韓強(qiáng)輝（1981-），氣田開發(fā)工程師，2004年7月畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事氣田開發(fā)工作。