巫 揚(yáng)，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(jì)性和實(shí)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(duì)于油、套管不連通的氣井，可以通過油管打孔實(shí)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(hào)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(yùn)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(duì)于偏遠(yuǎn)井站，人工加注需要花費(fèi)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了固體泡排加注技術(shù)自動(dòng)化。自動(dòng)化棒狀固體泡排加注裝置已成功運(yùn)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(jì)為兩個(gè)壓力系統(tǒng)，密封原件長期工作會(huì)疲勞失效，二是未考慮放空系統(tǒng)，對(duì)于含硫氣井，不符合規(guī)范。針對(duì)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(gè)壓力系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)計(jì)了放空系統(tǒng)，且裝置具備遠(yuǎn)程和就地自動(dòng)加注功能，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加注，室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)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(hào)閥頂端，主要由兩大部件組成：儲(chǔ)球筒和主控閥門（見圖1）。對(duì)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(chǔ)球筒材質(zhì)選用35CrMo，材質(zhì)級(jí)別EE 級(jí)，主控閥材質(zhì)選用35CrMo/20Cr13。

2.1.1 儲(chǔ)球筒 儲(chǔ)球筒為承壓設(shè)備，設(shè)計(jì)壓力21 MPa，內(nèi)部安裝有12 根儲(chǔ)球管，儲(chǔ)球管規(guī)格為40 mm×250 mm，每根管可以儲(chǔ)存8 顆球狀固體泡排劑。儲(chǔ)球筒內(nèi)部設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，12 根儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)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(shí)，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(shí)，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(shí)在儲(chǔ)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(shí)儲(chǔ)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(shí)閥芯的凹槽處于向上位置。在使用前，打開儲(chǔ)球筒頂部的投球孔向儲(chǔ)球筒內(nèi)裝填球狀固體泡排劑，12 根儲(chǔ)球管全部裝填完畢后關(guān)閉投球孔。打開平衡管控制閥對(duì)裝置進(jìn)行升壓，升壓完成后開始藥劑加注。通過儲(chǔ)球筒控制按鍵，使內(nèi)置電機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)球筒內(nèi)的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，當(dāng)儲(chǔ)球筒內(nèi)的某根儲(chǔ)球管對(duì)準(zhǔn)投放口時(shí)，儲(chǔ)球管內(nèi)的球狀固體泡排劑下落至主控閥閥芯上方，此時(shí)會(huì)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥芯順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥芯逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)作8 次，完成1 根儲(chǔ)球管內(nèi)所有球狀固體泡排劑的投放。一根儲(chǔ)球管的球狀固體泡排劑投放完畢后，通過控制儲(chǔ)球筒內(nèi)部的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行后續(xù)11 根儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)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(dòng)化控制系統(tǒng)

球狀泡排加注裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)采用電動(dòng)控制，可以實(shí)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(shí)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(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式。手動(dòng)操作模式下，每按一次儲(chǔ)球筒控制按鍵，儲(chǔ)球筒轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位，旋轉(zhuǎn)12 次剛好完成12 根儲(chǔ)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(dòng)作2 次完成單顆球狀固體泡排劑的加注。自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行（如：主控閥投球間隔設(shè)定為60 min，代表主控閥每60 min 動(dòng)作一次，即每60 min 加注一顆球狀固體泡排劑，儲(chǔ)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(chǔ)球筒內(nèi)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)一次，即1 根儲(chǔ)球管內(nèi)的藥劑加注完，開始第2 根儲(chǔ)球管內(nèi)藥劑的加注）。

系統(tǒng)設(shè)置了計(jì)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(shí)時(shí)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(chǔ)球筒和主控閥門不可以同時(shí)動(dòng)作，即同時(shí)按下儲(chǔ)球筒控制按鍵和主控閥門控制按鍵時(shí)，以系統(tǒng)收到的第一個(gè)指令為準(zhǔn)，第二個(gè)指令不會(huì)執(zhí)行。當(dāng)現(xiàn)場操作指令和遠(yuǎn)程操作指令不一致時(shí)，以現(xiàn)場操作指令為準(zhǔn)。如遠(yuǎn)程操作設(shè)置為自動(dòng)模式，而現(xiàn)場操作設(shè)置為手動(dòng)模式，則系統(tǒng)默認(rèn)為手動(dòng)模式。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

4.1 裝置性能試驗(yàn)

分別開展了主控閥投球試驗(yàn)、儲(chǔ)球筒投球試驗(yàn)和整體聯(lián)動(dòng)調(diào)試。

主控閥投球試驗(yàn)?zāi)康闹饕球?yàn)證主控閥是否可以正常動(dòng)作以及凹槽尺寸設(shè)計(jì)是否合理。本次試驗(yàn)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(jì)為50 mm×50 mm，但試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)尺寸偏大，主控閥動(dòng)作時(shí)會(huì)發(fā)生切球，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終將凹槽尺寸確定為35 mm×35 mm，剛好滿足需求。

儲(chǔ)球筒投球試驗(yàn)的結(jié)果證明裝置運(yùn)行正常。

整體聯(lián)動(dòng)調(diào)試主要是測試儲(chǔ)球筒和主控閥組裝在一起后是否可以正常、協(xié)調(diào)動(dòng)作。試驗(yàn)初期發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)球筒的出球口與主控閥通道出現(xiàn)錯(cuò)位，導(dǎo)致球狀固體泡排劑從儲(chǔ)球筒下落后無法掉入主控閥的凹槽內(nèi)，經(jīng)過調(diào)試儲(chǔ)球筒內(nèi)部轉(zhuǎn)盤和其他部件，并通過300 多次試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)

由于儲(chǔ)球筒、主控閥、放空控制閥、平衡閥等主要部件出廠時(shí)已進(jìn)行強(qiáng)度試壓，本次只對(duì)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(yàn)，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(shí)施過排水采氣工藝，正常開井生產(chǎn)時(shí)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(shí)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(shí)施球狀泡排加注裝置加注試驗(yàn)，每日加注10 顆左右球狀固體泡排劑，試驗(yàn)周期1 個(gè)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(yàn)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(shí)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(yàn)期間未關(guān)井，氣井增產(chǎn)效果明顯。且現(xiàn)場試驗(yàn)36 d 期間共計(jì)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(yàn)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(shí)

（1）研制的球狀固體泡排加注裝置實(shí)用性強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)卡球問題，有效填補(bǔ)了川東地區(qū)固體泡排加注裝置未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)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(yàn)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。