射流泵在煤层气排采中的自动控制

吴庆彬

(无锡虹业自动化工程控制有限公司，江苏 无锡 214000)

鄂东煤层气田2009年以来投入规模开发，截至2012年9月，在渭北区块、临汾区块、保德区块共钻井近两千口，建产能12亿m3/a，已有近千口开发井投入排采。受鄂气田复杂地形条件的限制，煤层气开发井中丛式井和水平井所占比例越来越高，常规管式泵、螺杆泵等煤层气排采工艺经常发生偏磨、卡泵现象造成煤层气井修井和排采不连续，不仅发生大量的修井费用，影响气井产量，更为严重的是煤层气井停抽引起的压力波动会对煤储层造成严重伤害、煤粉沉积还会降低裂缝的导流能力，引起排采井产气能力降低甚至不产气。为此，没有管杆偏磨的射流泵技术成为解决煤层气井偏磨、卡泵现象，保障煤层气井连续排采的重要方法。

而射流泵的自动控制在国内尚属空白，不能满足集团公司数字化油气田建设和煤层气公司煤层气田自动化建设要求[1]。为了实现射流泵排采自动控制，达到煤层气公司自动化煤层气田建设的总体要求，亟需开展射流泵排采自动控制的研究与实验。

1 自控方案①

1.1 设备组成

保德区块井场“保5-07号”平台共有6口煤层气排采生产井，其中1口直井，井号为保5-07井；5口定向井，井号分别为保5-07向1、向2、向3、向4、向5井，均采用射流泵作为排水(煤粉)采气设备。

该平台6口煤层气排采生产井均采用139.7mm套管，套管内径124.26mm，使用同心管排砂采油装置进行排砂采气生产，动力液管使用内径48mm油管，流通面积为1 256mm2；混合液管使用内径73mm油管，其混合液实际流通的环形空间面积为1 186mm2。

相比于采用管式泵、螺杆泵和电潜泵的排采方案，射流泵排采方案相对复杂，它包含地面设备和井下设备两部分。射流泵地面设备的系统结构和原理如图1、2所示，射流泵井下设备结构如图3所示。如图1所示，动力液罐中的液体经过柱塞泵加压后，成为高压动力液，它的压力通常在10～20MPa之间。每个井口都有一套高压流量自控仪表，它包含了一个高压流量仪和电动阀门，负责调节输入到井口的动力液的实际流量。如图2所示，高压动力液达到井下泵体后，由喷嘴高速喷出。高速液体的流动在喷嘴附近产生负压，将井筒内的液体吸入到油管，形成混合液被举升到地面，由此实现了排液功能。

图1 射流泵地面控制系统结构

图2 射流泵地面控制系统原理

图3 井下设备结构

根据射流泵的排采系统单井所需设备来看，值得注意的是，在同一个丛式井井台上，动力液泵、变频器、储液罐、动力液压力变送器及自动排采控制柜等设备可以被多个井共用。而高压流量自控仪、井下压力计、套压变送器及气体流量计等设备需要每个井配备一套。

1.2 排采过程

自动控制设备根据设定初始值控制变频器的输出频率；测量高压管汇中动力液的压力[2]；自动调节变频器频率，以达到设定的动力液压力。由于动力液的压力范围在0～20MPa，动力液压力测量仪表精度为0.25%满量程，变频器控制精度在0.20%满量程，因此最终能实现的动力液控制精度为0.05MPa。

高压水(动力液)经动力液管汇到达各井口，自动控制设备设定高压流量自控仪的流通流量，使得高压水(动力液)以一定流量流入井口。设置的动力液流通流量分辨率为0.1m3/h，实际能达到的控制精度会根据流量自控仪进口和出口的压力差有所变化。此外，流入井口的动力液流量的变化与相应的返回井口的混合液流量变化的比例关系需要通过实践来证实，理论上讲是该比例应小于1。

井筒产出液和动力液混合后的混合液从井口的另一端产出，经混合液流量计进入混合液管汇，然后进入泥砂、水、煤粉分离罐沉降分离后，供动力液循环使用，煤层产水进入污水池。煤层气从套管产出，计量后进入输气流程。

2 研究目标

为了满足生产需求，解决射流泵排采过程中的关键技术难题，笔者从3个方面设定本次课题的研究目标：找出射流泵控制系统中合理的调整参数，使其具有普遍推广意义；针对射流泵控制系统中控制节点多、动力干扰大的特点，研究出一整套完善的稳定抗干扰的解决方案；找到射流泵自动排采的综合控制思路。

2.1 调整参数

要想合理调节射流泵的排采强度，达到想要的控制精度，必须通过现场测试并找到以下规律：

a. 入井流量与返回流量的关系，这个关系随入井动力液压力和流量的变化而变化，找出其相关性线性度，其变化响应时间、变化范围需要通过大量数据测试来佐证。获得这个参数可掌握合理的动力液压力和流量的调整幅度。

b. 井筒排液量与入井流量存在正相关性，但也不是线性的。通过现场测试找到排液量与井口压力、井深、入井流量的关系。

2.2 抗干扰解决方案

相比于普通排采设备，射流泵排采系统具有压力大、流量高、动力需求大、电源种类多的特点，仪表、控制、通信之间的相互干扰远高于一般井场控制系统，因此，需要提出一个稳定可靠的总体抗干扰解决方案：

a. 电源隔离技术，对仪表、控制、通信分别采用隔离电源系统，作好接地及电磁屏蔽等工作；

b. 采用磁/光隔离的通信技术，确保控制命令的通信过程准确无误；

c. 软件上采用链路层带校验、应用层出错重发、命令下达多重确认及数据自动纠错机制等。

2.3 综合控制思路

射流泵的综合控制思路包括以下步骤[3]：

a. 通过调节柱塞泵电机工作频率，产生合理的高压动力液；

b. 设置一定的入井流量，测量返出混合液流量，从而获得井筒产液量数据；

c. 根据井底流压的变化，微调动力液入井流量，从而微调井筒产液量；

d. 微调柱塞泵的工作频率，使得动力液压力保持稳定，调节过程减少对其他井口控制系统的影响；

e. 保持一段稳定时间，以便观察井底压力的变化趋势；

f. 重复步骤c～e。

射流泵排采综合控制步骤如图4所示。

图4 射流泵排采综合控制步骤

图5为实际控制曲线，分别展示了煤层气5个阶段的排采曲线，即排水阶段、憋压排水阶段、控压排水阶段、高产稳产阶段和衰竭阶段。

图5 实际控制曲线

3 结束语

笔者设计的射流泵排采工艺不但解决煤层气井生产过程中常见的偏磨及卡泵等难题，还满足煤层气井规模化排采、自动化排采的要求，实现了“长期、连续、稳定、缓慢”的目标。