一種新型球狀固體泡排加注裝置研發(fā)與應(yīng)用

巫 揚，劉世常，熊蘭瓊，周 仁，劉 波

（中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400021）

泡沫排水采氣技術(shù)是發(fā)揮氣井產(chǎn)能的重要手段，因其經(jīng)濟性和實用性而被廣泛應(yīng)用。泡沫排水采氣有固體和液體加注兩種方式[1-4]，液體泡排劑主要通過平衡罐或加注泵注入油套環(huán)空[5-7]，對于油、套管不連通的氣井，可以通過油管打孔實現(xiàn)藥劑加注[8-10]。而固體泡排劑主要通過安裝在采氣樹7 號閥頂端的專用加注裝置向油管內(nèi)加注，固體泡排劑又分為棒狀和球狀泡排劑兩種[11]。川東地區(qū)早在20 世紀(jì)90 年代就開始運用泡沫排水采氣技術(shù)，目前已成為一種主要挖潛措施，年增產(chǎn)氣量占據(jù)川東地區(qū)總產(chǎn)量的10%以上。

1 智能化泡沫排水采氣技術(shù)

川東地區(qū)泡沫排水采氣技術(shù)雖然起步較早，但長期以來主要依靠人工加注。隨著井站無人值守化和智能化推進(jìn)，人工加注逐漸表現(xiàn)出不適應(yīng)性，尤其對于偏遠(yuǎn)井站，人工加注需要花費高昂的人力、物力成本，川東地區(qū)從2010 年開始逐步推進(jìn)泡沫排水采氣自動化，目前已大面積推廣應(yīng)用，但僅限于液體泡排技術(shù)[12，13]，而長慶地區(qū)已成功實現(xiàn)了固體泡排加注技術(shù)自動化。自動化棒狀固體泡排加注裝置已成功運用在寧夏、甘肅和內(nèi)蒙古區(qū)域[14-17]，相比之下市面上在用的球狀固體泡排加注裝置則存在一定的局限性[18，19]，主要表現(xiàn)在：一是裝置設(shè)計為兩個壓力系統(tǒng)，密封原件長期工作會疲勞失效，二是未考慮放空系統(tǒng)，對于含硫氣井，不符合規(guī)范。針對此，研制出了一種新型球狀固體泡排加注裝置[20]，裝置由一個壓力系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)計了放空系統(tǒng)，且裝置具備遠(yuǎn)程和就地自動加注功能，可以實現(xiàn)自動化加注，室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗均證明裝置安全可靠，為氣井泡沫排水采氣提供了新的技術(shù)手段。

2 球狀固體泡排加注裝置結(jié)構(gòu)及原理

2.1 球狀固體泡排加注裝置結(jié)構(gòu)

球狀固體泡排加注裝置安裝于采氣樹7 號閥頂端，主要由兩大部件組成：儲球筒和主控閥門（見圖1）。對于川東地區(qū)的氣井，天然氣中多含有硫化氫、二氧化碳等介質(zhì)，因此材質(zhì)的選擇要具有抗腐蝕性，儲球筒材質(zhì)選用35CrMo，材質(zhì)級別EE 級，主控閥材質(zhì)選用35CrMo/20Cr13。

2.1.1 儲球筒 儲球筒為承壓設(shè)備，設(shè)計壓力21 MPa，內(nèi)部安裝有12 根儲球管，儲球管規(guī)格為40 mm×250 mm，每根管可以儲存8 顆球狀固體泡排劑。儲球筒內(nèi)部設(shè)計為轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，12 根儲球管置于轉(zhuǎn)盤上，通過控制按鍵將轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)到指定位置后，單根儲球管內(nèi)的球狀固體泡排劑通過出球口下落至主控閥門。

2.1.2 主控閥門 主控閥采用球閥原理，閥芯按單向缺口（凹槽）設(shè)計且閥芯中間不連通，凹槽內(nèi)可以裝載一顆球狀固體泡排劑。當(dāng)閥位指示器處于關(guān)閉狀態(tài)時，凹槽朝上，內(nèi)部裝有一顆球狀固體泡排劑。當(dāng)閥位指示器處于開啟狀態(tài)時，閥芯旋轉(zhuǎn)180 度，凹槽朝下，位于凹槽內(nèi)的單顆球狀泡排劑依靠重力下落至井底。

基于安全性和規(guī)范要求，裝置設(shè)置了放空系統(tǒng)，在裝置頂部安裝一條放空管線連接至本站的放空系統(tǒng)，用于密閉泄放裝置內(nèi)的余氣。

圖1 球狀泡排加注裝置示意圖Fig.1 Schematic drawing of the ball shaped solid foam drainage filling device

在主控閥的上下兩端分別設(shè)置兩片法蘭，連接平衡管，用于球狀泡排加注裝置升壓引氣，平衡管采用雙閥控制。同時在儲球筒頂部和下法蘭分別安裝兩塊壓力表，分別監(jiān)測裝置內(nèi)部的壓力和氣井油壓。

2.2 球狀固體泡排加注裝置原理

球狀泡排加注裝置未使用時儲球筒和主控閥閥芯以上部分處于常壓狀態(tài)，主控閥閥芯以下部分與采氣樹連通，處于帶壓狀態(tài)，此時閥芯的凹槽處于向上位置。在使用前，打開儲球筒頂部的投球孔向儲球筒內(nèi)裝填球狀固體泡排劑，12 根儲球管全部裝填完畢后關(guān)閉投球孔。打開平衡管控制閥對裝置進(jìn)行升壓，升壓完成后開始藥劑加注。通過儲球筒控制按鍵，使內(nèi)置電機帶動儲球筒內(nèi)的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，當(dāng)儲球筒內(nèi)的某根儲球管對準(zhǔn)投放口時，儲球管內(nèi)的球狀固體泡排劑下落至主控閥閥芯上方，此時會有一顆球狀固體泡排劑掉落至閥芯的凹槽內(nèi)。再通過主控閥控制開關(guān)，使電動執(zhí)行機構(gòu)帶動閥芯順時針轉(zhuǎn)動180 度，凹槽由向上旋轉(zhuǎn)至向下位置，凹槽內(nèi)的球狀固體泡排劑在重力作用下落至井底，完成一顆球狀固體泡排劑投放后，通過主控閥控制按鍵，使電動執(zhí)行機構(gòu)帶動閥芯逆時針轉(zhuǎn)動180 度，凹槽由向下旋轉(zhuǎn)至向上位置，至此完成一顆球狀固體泡排劑的加注。循環(huán)動作8 次，完成1 根儲球管內(nèi)所有球狀固體泡排劑的投放。一根儲球管的球狀固體泡排劑投放完畢后，通過控制儲球筒內(nèi)部的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行后續(xù)11 根儲球管內(nèi)藥劑的投放。藥劑加注完成后關(guān)閉平衡管線控制閥，通過放空管線對裝置進(jìn)行泄壓，裝置內(nèi)的殘余天然氣通過放空管線排放至站內(nèi)放空系統(tǒng)，天然氣泄放完畢后再次打開儲球筒頂部的投球孔裝填球狀固體泡排劑，開始新一輪的加注。

3 自動化控制系統(tǒng)

球狀泡排加注裝置自動控制系統(tǒng)采用電動控制，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程和就地操作。就地操作通過安裝在井站的總控制箱實現(xiàn)，遠(yuǎn)程操作通過安裝于中心站電腦中的編譯程序?qū)崿F(xiàn)。且控制系統(tǒng)具備手動和自動兩種操作模式。手動操作模式下，每按一次儲球筒控制按鍵，儲球筒轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一個工位，旋轉(zhuǎn)12 次剛好完成12 根儲球管內(nèi)球狀固體泡排劑的投放。每按一次主控閥控制按鍵，主控閥閥芯旋轉(zhuǎn)180 度，動作2 次完成單顆球狀固體泡排劑的加注。自動操作模式下，通過在遠(yuǎn)程操作界面設(shè)定好參數(shù)后，裝置即可實現(xiàn)自動運行（如：主控閥投球間隔設(shè)定為60 min，代表主控閥每60 min 動作一次，即每60 min 加注一顆球狀固體泡排劑，儲球筒工作間隔設(shè)定為8 次，代表加注8 顆球狀固體泡排劑后儲球筒內(nèi)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一次，即1 根儲球管內(nèi)的藥劑加注完，開始第2 根儲球管內(nèi)藥劑的加注）。

系統(tǒng)設(shè)置了計數(shù)器功能，可以記錄球狀固體泡排劑的加注數(shù)量，便于實時監(jiān)控加注量與裝置內(nèi)部剩余的藥劑量。

為保證裝置安全性，系統(tǒng)設(shè)定為儲球筒和主控閥門不可以同時動作，即同時按下儲球筒控制按鍵和主控閥門控制按鍵時，以系統(tǒng)收到的第一個指令為準(zhǔn)，第二個指令不會執(zhí)行。當(dāng)現(xiàn)場操作指令和遠(yuǎn)程操作指令不一致時，以現(xiàn)場操作指令為準(zhǔn)。如遠(yuǎn)程操作設(shè)置為自動模式，而現(xiàn)場操作設(shè)置為手動模式，則系統(tǒng)默認(rèn)為手動模式。

4 室內(nèi)試驗

4.1 裝置性能試驗

分別開展了主控閥投球試驗、儲球筒投球試驗和整體聯(lián)動調(diào)試。

主控閥投球試驗?zāi)康闹饕球炞C主控閥是否可以正常動作以及凹槽尺寸設(shè)計是否合理。本次試驗用球狀固體泡排劑的尺寸為30 mm×30 mm，凹槽原始尺寸設(shè)計為50 mm×50 mm，但試驗過程中發(fā)現(xiàn)尺寸偏大，主控閥動作時會發(fā)生切球，經(jīng)過多次試驗，最終將凹槽尺寸確定為35 mm×35 mm，剛好滿足需求。

儲球筒投球試驗的結(jié)果證明裝置運行正常。

整體聯(lián)動調(diào)試主要是測試儲球筒和主控閥組裝在一起后是否可以正常、協(xié)調(diào)動作。試驗初期發(fā)現(xiàn)儲球筒的出球口與主控閥通道出現(xiàn)錯位，導(dǎo)致球狀固體泡排劑從儲球筒下落后無法掉入主控閥的凹槽內(nèi)，經(jīng)過調(diào)試儲球筒內(nèi)部轉(zhuǎn)盤和其他部件，并通過300 多次試驗驗證，最終將裝置調(diào)試正常，使球狀固體泡排劑能夠成功掉落。

4.2 密封性試驗

由于儲球筒、主控閥、放空控制閥、平衡閥等主要部件出廠時已進(jìn)行強度試壓，本次只對裝置連接后進(jìn)行整體密封性試壓。采用JT-JKSY 測試系統(tǒng)開展了21 MPa（試壓介質(zhì)為水）密封性試驗，保壓60 min 無壓降無泄漏。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

A 井2015 年3 月15 日投產(chǎn)，初期油壓20.5 MPa，日產(chǎn)氣21×104m3。2015 年3 月1 日開始產(chǎn)地層水，2018 年以前一直正常帶液生產(chǎn)，2019 年初出現(xiàn)帶液不暢，采取間歇生產(chǎn)方式，開井一周左右關(guān)井復(fù)壓一次。A 井2019 年以前未實施過排水采氣工藝，正常開井生產(chǎn)時套壓5.5～6 MPa，油壓3.5～4 MPa，開井初期日產(chǎn)氣量達(dá)到5×104m3以上，但僅3～4 d 時間就出現(xiàn)帶液不暢，產(chǎn)量下降至1×104m3/d 以下。2019 年7 月應(yīng)用球狀泡排加注裝置在A 井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

A 井于2019 年7 月19 日開始實施球狀泡排加注裝置加注試驗，每日加注10 顆左右球狀固體泡排劑，試驗周期1 個月，至8 月23 日結(jié)束（見圖2）。

從圖2 可以看出，球狀泡排劑加注試驗前該井平均油套壓差1.5～2 MPa，最高達(dá)到2.14 MPa，開井一周左右關(guān)井復(fù)壓一次，開井初期日產(chǎn)氣量達(dá)到5×104m3以上，但開井第二天開始便大幅度下降，僅3～4 d 時間就下降至1×104m3/d 以下，加注球狀固體泡排劑后該井平均油套壓差減小至1～1.5 MPa，平均產(chǎn)氣量達(dá)到2×104m3/d 以上，試驗期間未關(guān)井，氣井增產(chǎn)效果明顯。且現(xiàn)場試驗36 d 期間共計加注400 余顆球狀固體泡排劑，未發(fā)生一次卡球現(xiàn)象。

圖2 A 井試驗前后采氣曲線Fig.2 Production curve of A well before and after test

6 結(jié)論與認(rèn)識

（1）研制的球狀固體泡排加注裝置實用性強，不會出現(xiàn)卡球問題，有效填補了川東地區(qū)固體泡排加注裝置未實現(xiàn)自動化加注的空白。

（2）球狀泡排加注裝置的研究成功，使泡沫排水采氣工藝效果得以最大化，有效提高了排水采氣效率，增產(chǎn)效果明顯。

（3）球狀固體泡排加注裝置自動化程度高，尤其適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的無人值守井站，極大降低了生產(chǎn)成本。

（4）球狀泡排加注裝置現(xiàn)場試驗表明，該裝置性能穩(wěn)定，適用于川東地區(qū)的氣質(zhì)條件，具有廣闊的應(yīng)用前景。