柱塞气举天然气井用在线监测系统设计.pdf

2 0 1 2 年第 4 1 卷 第 5 期第 4 3页 石 油矿 场机 械 0I L F I ELD E QUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 01 - 3 48 2 2 0 1 2 0 5 00 4 3 0 5 柱塞气举天然气井用在线监测 系统设计 童征 ， 沈泽俊 ， 郑立臣 ， 师俊峰 ， 高 向前 中国石油勘探开发研究院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 根 据 气井的 生产 需求 ， 结合柱 塞 气举 工艺 的特 点和技 术现 状 ， 提 出一 种 可进 行 在 线监 测 的 柱 塞排 液采 气 系统 的设计 方案 。该 系统在 柱塞 运行期 间处 于封 闭状 态， 井下监 测 、 排 液采 气和 数据传 输之 间互不影 响 ， 具有 结构 紧凑 、 作 业 效率 高 、 安 全性好 、 关井停 产次数 少等优 点 。该技 术 的应 用可 在一定程度上取代传统的电缆测井方式， 为今后柱塞气举 的 自动化生产与管理提供 了重要 的技 术 保 障 。 关键 词 柱塞 气举 ； 在线监 测 ； 无线射 频 通信 ； 声 波发射 器 ； 排 液采 气 ； 自动化 中图分类 号 TE 9 3 8 ． 5 0 2 文献 标识 码 A De s i g n o f Pl u ng e r Li f t S y s t e m wi t h On l i n e M o ni t o r i n g f o r Ga s W e l l De I i qu i f i c a t i O n TONG Z h e n g ， SHEN Z e j u n， ZHENG Li c h e n， S HI J u n f e n g， GAO Xi a n g q i a n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m Ex pl o r a t i o n De v e l o p me n t ， Pe t r o J h i n a ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3， Ch i n a Ab s t r a c t I n t e r m s of c ur r e n t s i t ua t i o n o f pl u nge r l i f t t e c h ． a nd t he f i e l d de m a nd on t he d e l i q u i f i c a t i o n o f g a s we l l s， t hi s p a p e r p ut f o r wa r d a n i m p r o ve d s ol u t i o n t o t he s y s t e m wi t h o n l i ne mo ni t o r i ng ． Du r i ng o p e r a t i on o f s ys t e m ， do wn ho l e l o gg i ng a nd d a t a t r a ns m i s s i o n ha ve no s i de e f f e c t o n t h e d e l i qu i f i c a t i o n o f g a s we l l s ． I ns t e a d o f t he t r a d i t i on a l wi r e l i ne l o gg i ng， t he n e w s y s t e m wo r k s i n t h e c l o s e d e n vi r o n m e nt wi t h t h e a dv a n t a g e s o f c ompa c t me c h a ni c a l s t r u c t ur e． hi g h s e r v i c e e f f i c i e nc y， go od s a f e t y a nd l e s s no n pr o du c t i v e t i me ． Vi a o n l i ne m o n i t o r i ng t e c h． t he ne w s y s t e m p r o 一 4 结 论 设计 的井筒压力控制 阀在 阀座上安装压力传 感 器 和 阀 位 指 示 装 置 。室 内 试 验 结 果 表 明 所 设 计 测 量装 置 可 以对 欠 平 衡 状 态 下起 下 钻 过 程 中 阀 板 下 的压 力 变 化 趋 势 和 阀 板 开 位 进 行 监 测 ， 防 止 含气油藏气体置换导致 的圈闭压力对 井筒控制安 全 的 影 响 ， 而 且 所 测 压 力 值 可 以 更 精 确 地 反 映 打 开套 管 阀 时 施 加 的 平 衡 压 力 。在 下 钻 过 程 ， 对 阀 板 开 位 的指 示 可 以 确 定 阀 板 是 否 完 全 处 于 开 位 ， 防 止 钻头 对 阀板 的 刮碰 ， 避 免 损 坏 控 制 阀 ， 提 高 操 作 安 全性 。 参考文献 [ 1 ] 王辉 ， 李俊儒 ， 李滨 ， 等． 欠平衡钻井井下套管 阀的 [ 2 ] [ 3 2 E 4 2 [ 5 ] 研制 [ J ] ． 断块油气 田， 2 0 0 6 ， 1 3 4 5 2 5 4 ． 李斌 ， 沈雪峰． 全过程欠平衡钻井井下套管 阀结构 改 进 及优化 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 9 3 3 3 7 ． 陈永 明． 全过程欠平 衡钻井 中的不压 井作 业[ J ] ． 石 油 钻 探 技 术 ， 2 0 0 6， 3 4 2 2 2 2 5 ． 常玉连 ， 魏静 ， 高胜 ， 等． 独立式不压井作业装备 技 术发展 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 O 4 1 2 1 6 ． St e ve Her b al ， Rod Gr a n t， Br i a n Or a y s on， e t a 1 ．Down hol e De pl o yme n t Val ve Addr e s s es Pr o bl e ms As s o c i a t e d wi t h Tr i pp i n g Dr i l l Pi pe Du r i ng Unde r h a 1 a n c e d Dr i l l i n g Op e r a t i o n s [ R ] ． I AD C ／ S P E A s i a P a c i f i c D r i l l i n g Te c h n o l o g y， J a k a r t a ， I n d o n e s i a ， 2 0 0 2 ． 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 O 6 项 目来源 发明专利“ 一种用于气井在线测量的柱塞装置及柱塞排液采气系统” 2 0 1 1 1 0 1 4 6 1 3 2 ． 1 作者简介 童征 1 9 7 8 一 ， 男 ， 福建龙岩人 ， 工 程师 ， 硕士 ， 主要 从事石 油钻采机 械研发 工作 ， E ma i l t o n g z h e n g l 9 3 2 p e t r o c hi na ． e o m．c n。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 2年 5月 v i d e a s i g n i f i c a n t b a s i s f o r a u t o ma t e d g a s p r o d u c t i o n a n d r e g u l a t i o n o f p l u n g e r l i f t i n t h e f u t u r e ． Ke y wo r d s p l u n g e r l i f t ； o n l i n e mo n i t o r i n g； RF I D c o mmu n i c a t i o n ； a c o u s t i c t r a n s mi t t e r ； d e l i q u i f i c a t i o n； a u t o m a t i o n 在气 田开发 的中后期 ， 许多气井进入低压及单 井低产的阶段 ， 气井流速过低， 不能达到气井的临界 携液流量， 携液能力差， 井底积液增多， 井筒压力升 高 ， 最终导致井被压死 ， 无法生产。因此， 必须采取 有 效 的清除 积液措 施 以保 证气 井 的正常生 产 。 柱塞气举是一种利用储层本身能量来携液的间 歇式举升方法。该技术的工作原理是 先关井提高 井底压 力 ， 压力上 升 到能满 足举升 要求 时再 开井 ， 井 底 的柱 塞依 靠气 井 的压 力 在 油 管 内上 升 ， 直 至井 口 防喷管； 同时 ， 井 口的到达传感器向电子控制器发送 信号 ， 控制器打开地面开关阀， 液体从管线排出， 产 出天然气 ； 随着天然气不断采出， 井筒压力下降， 地 面开关阀重新关井 ， 柱塞下落至井底 ， 开始新 的压力 恢复过程 。气井开井和关井形成 1个工作周期， 重 复这一周期性动作就可以把井底积液和天然气不断 采 出_ 】 ] 。柱塞使气体与液体之 间形成一个力学界 面， 能有效防止液体的回落。与其他工艺相比， 柱塞 气举无需外界能量 ， 系统整体结构简单， 成本较低 ， 很适合在高气液 比井应用。 掌握大量准确 、 及时的井筒数据是对柱塞气举 井进行有效生产管理的基础 。现有的柱塞气举生产 管理的依据是理论模型 ， 通过模 型来预测柱塞到达 井底的时间、 开始进入动液面的时间等参数 ， 并输入 控制程序中， 由于模 型本身的缺陷会导致预测值与 实际值有很大误差。另外 ， 测井方法还是传 统的电 缆下人工艺 ， 即必须先让气井停产 ， 使用电缆从井口 将测量仪器下人井简 中[ 。由于柱塞气举本身就是 间歇式生产 ， 气井在柱塞下落 阶段不产气 ， 如果需要 提高产量必须采取加快柱塞下降速度 、 减少关井次 数与时间等措施。因此， 测井时要停产与尽量避免 关 井构成 了矛 盾 。 国外公司在多年以前就提出过“ 智能柱塞举升” s ma r t p l u n g e r l i f t 的概念， 并 已成功进行 了多 口 井的现场试验[ 4 ] 。该技术将传感器与柱塞集成为整 体 ， 但是下载数据时需要关井取出柱塞， 影响了正常 生产。针对现有技术 的问题， 中国石油勘探开发研 究院采油采气装备研究所提出一种具有在线监测与 通信功能的方案 ， 为柱塞气举井提供了有效的井筒 生产动态监测手段。 1 技术分析 1 ． 1 技术 要 求 1 无需 电缆测井作业 可准确获取井下压 力 、 温度等参数 ， 工作期 间系统处于封闭状态 ， 井喷 等事故发生的概率低 ， 安全性好。 2 测井 、 通信和生产互不影响 作业效率高 ， 传输数据量大 ， 对柱塞井下运行状态可实施有效监 测 ， 满足动态分析的要求。 3 适应 性好可根 据需求 配有 不 同的测量 和 采样仪器。 4 非接触式通信方式 系统结构紧凑 ， 数据 存储量大 ， 读写速度快 ， 系统功耗低 ， 可靠性高 ， 可在 有油污、 灰尘、 沉砂的恶劣环境 中稳定工作 ， 能承受 一 定 程度 的冲击 。 5 系统维护简便 仪器、 电源等组 件更换 方便 。 1 ． 2系统应 用条件 适应油管尺寸 7 3 ． 0 2 5 ～1 0 1 ． 6 0 0 mm 2 ～4英 寸 最 大工作 井深 2 5 0 0 m 最大井 斜角 3 O 。 气液 比 2 5 0 m。 ／ m。 产液量 3 O 0 m。 ／ d 工作温度 一2 5 ～9 O℃ 2 系统方案设计 2 ． 1 机 械结构 该系统由井下柱塞和地面配套设备构成。其中， 井下柱塞由打捞头、 仪器工作筒、 柱塞本体和旁通 阀 组成 如图 1所示 。柱塞本体外表面的环形 凹槽用 来清除井筒内的砂、 蜡 、 垢等物质， 上下分别有螺旋形 的流道结构 ， 其作用是在柱塞上升并举升液体时， 借 助螺旋形结构产生局部的湍流， 可 以提高携液能力， 避免液体滑脱。柱塞本体内部有过流通道 ， 旁通阀位 于柱塞本体的最下方， 在柱塞下行时可加快下落速 度。仪器工作筒为井下仪器的载体 ， 由工作筒本体、 柱塞监测子系统、 声波信号发射器、 工作筒天线、 弹 簧 、 压帽和密封圈组成。工作筒本体外表 面有进液 第 4 1卷第 5期 童征 ， 等 柱塞 气举 天然 气井 用在线监 测系统设 计 孔 ， 为压力传感器提供测量样本。工作筒本体外表面 有环形工作筒通信天线 ， 可以与地面防喷管内的筒形 天线进行数据交换。弹簧和压帽的组合对仪器进行 限位和缓冲减震， 避免柱塞撞击损坏内部仪器。 1 一打捞头 ； 2 一仪器工作筒 ； 3 一柱塞本体 ； 4 一旁通阀 ； 5 一弹簧 ； 6 一 压帽 ； 7 一柱 塞监 测子 系统 ； 8 一工作筒本 体 ； 9 一密封圈 ； 1 O 一声波信号发射器 ； 1 1 一 工作 筒天线 图 1 柱塞工具和仪器工作筒结构 工作时， 安装仪器工作筒的柱塞工具被投入井 中 ； 柱塞下行时， 旁通阀处于打开状态 ， 柱塞至井底 后 ， 旁通阀被关闭； 同时， 仪器工作筒 内的传 感器启 动并进行数据采集和记录； 测量作业完成后 ， 打开气 井， 柱塞携带记录数据 的仪器工作筒上行返 回地面。 地面配套设备主要在防喷管 内， 在 防喷管帽的 下方有过渡接头 。井 口通信天线为圆环形 ， 焊接在 过渡接头的内壁中， 天线与 R F I D读写器模块相连。 防喷管 内还配有用于监测柱塞运行状态和井筒动液 面的声波发射器和接收器。 2 ． 2 控 制 系统 该系统 由地面和井下柱塞 2个监测 子系统组 成 ， 采用 RF I D作为柱塞与地面之间的通信和数据 传输方式 ， 而采用声波测量技术对柱塞在油管 内的 运行状态进行跟踪 。R F I D是一种使用射频通信实 现的非接触式 自动识别和通信 的技术 ， 其工作原理 是利用射频信号通过空 间耦合 电磁感应或电磁传 播 对 目标对象进行识别跟踪 或与 目标对象进行信 息交换 。它具有存储容量大、 抗干扰能力强、 数据可 加密等优点[ 5 ] 。 2 ． 2 ． 1 柱塞监测子系统 柱塞监测子系统包括各类传感器、 柱塞控制器 MC U 、 RF I D电子标签芯片 、 RF I D工作筒 天线、 声波信号发射器 、 电源、 系统时钟和编码模块等 如 图 2 所示 。在井 口， 电子标签芯片将井筒生产数据 传给地面监测子系统 ， 并接收地面监测子系统的指 令 ， 将其传至柱塞控制器。柱塞控 制器选用 At me l 公司的 AT me g a 8 L， 该控制器基于 R I S C架构， 工作 电压范围 2 ． 7 ～5 ． 5 V， 时钟频率范围 O ～8 MHz ， 在 4 MHz 运行时电流仅 3 ． 6 mA， 而且具有灵活 的高 级语言开发环境 ， 便 于程序开发和维护 。R F I D 电 子标签选用 Mi c r o c h i p公 司的 I D S系列产品， 采用 有源类型芯片 ， 在数据传输模式下工作电流最高为 2 0 0 v A， 具有很低 的功耗 ， 适合在 电池供 电的井下 仪器中使用 。电子标签芯片与柱塞控制器、 外设 压 力 、 温度传感器等设备 的电气连接如图 3 所示。在 需 要 时 ， 也 可将柱 塞工 具从井 内取 出 ， 使 用地 面上位 机通过数据线下载信息或向其输人控制指令 。 其 他 输入设备 井下 传感器 声波发射器 地面监测子系统l l R F I D电子标签 工作筒天线 图 2 柱塞监测子 系统原理 需要发射声波脉冲时 ， 柱塞控制器通过 D／ A模 块将所需的波形数据转成模拟信号， 经过功率放大 和匹配后由声波发射器 向地面发射声波脉冲。声波 发射器采用 P Z T压电陶瓷作为电一 声换能器 的核心 部件[ 7 ] 。其他参数如下 柱塞用锂离子 电源额定 电 压 3 ． 6 V， 压力传感器最高测量值 2 O ． 7 MP a 3 0 0 0 p s i ， 存储器容量 5 1 2 K， 最小采样 间隔 5 S ， 最大采 样间隔 2 5 mi n 。R F I D电子标签采用主动式工作方 式 ， 最大传输距 离 5 m， 信道带宽 2 0 0 k Hz ， 最大发 射功率 4 w。传输声波频率最高为 1 k Hz 。 图 3 柱塞控制器与电子标 签连接框 图 圈夏 囡匿 圈园 石 油矿 场 机械 2 l 2年 5 月 2 ． 2 ． 2地 面 监 测 子 系 统 地 面监测 子 系统 主要 由地 面控 制 器 MC U 、 I ／ 接 口、 数字信号处理模块 DS P 、 RF I D读写模块、 存储模 块 、 系 统 时 钟 、 地 面 系统 电 源 、 R F I D 环 形 天 线 、 地 面上 位机 、 地 面传 感 器 、 地 面 声波 信 号 发射 器 和接 收器 等组成 ， 如 图 4所 示 。地 面监 测 子 系统 的 主要 控制设 备 为地面 开关 阀和放气 阀。地面 声波发 生器 使用 气枪 ， 采用 压力 1 2 MP a的氮 气瓶 。 也 可使 用 其他压 力源 ， 例如 套管气 。 地向开关阀l l 放气阀l l环形天线 网 4地 面监 测 子 系统 原 理 地 面 I 位 机 系 统 电 源 地面 监测子 系 统 中 的数 字 信号 处 理模 块 如 图 5所示 对接 收到 的声波 脉 冲信 号进 行前 置 放 大 、 检 波滤 波 、 模 数转 换 、 采 样频 率 变 换 等处 理 ， 再 传 至 地 面控 制器 ， 求 出柱塞 及井筒 的各 项运 行参数 。 包括 柱 塞 在油 管 内的深 度 、 上 下行 速 度 、 上下行 加 速 度 、 落 至 井底 的时 间 、 进 入 动 液 面 的时 间 、 动 液 面 的位 置 、 液 柱 的 高 度 等 。 D S P 芯 片 采 用T I 公 司 的 TMS 3 2 0 I F系列 ， 供 电电 压 3 ． 3 V， 速度 4 0 MI P S ， 1 0 b i t A／ D转换 器 转 换时 间 5 0 0 n s 。系统 与上位 机通 信 采 用 US B协 议 。相 对 于 R S 2 3 2 ， US B技 术 具有 传输速 度 高 、 内置 电源 、 即插 即用 等优点 。为 了 实现 US B和并行 I ／ O 之 间 的协议 转 换 ， 采 用 F TD I 公 司的 F T 系列 芯 片 。E E P R OM 用来 存 储 柱 塞 运 行状 态等 数据 ， 防止 系统掉 电时丢失 。 J 打 波发射器 l 】 转换模块 H r M 3 2 0 1 I X x l 仿真接 ] 模块 声波接收器 I I 地面控制器 M c L 系统 电源 图 5 数字信号处理模块 原理 2 ． 3系统 工作 原理 当柱 塞 被 防 喷管 捕 捉后 ， 内部 的 R F I D 电 子 标 签芯片开始工作。地面子系统中的读写器模块通过 井 口环形 天线 产生 电磁 场 。R F I D 电子 标 签芯 片检 测 到读 写器 的读 写 请求 后 。 通 过 工 作 筒天 线 主 动发 送 某一频 率 的信号 ， 读 写器 接收 到该信 号后 ， 将 其解 码 并发送 至相 关模 块 进行 处 理 ， 这 样柱 塞 前 一 工作 周 期 内测量并 记 录的生产 动态数 据被发 送至地 面监 测子系统， 同时读写器将控制指令传给柱塞。传输 完毕 后， 柱 塞子 系统 自动 转 为休 眠 状 态， 以降低 能耗 。 系统采 用“ 油 管接箍 脉 冲监 测法 ” 对柱 塞运行 参 数和 动液 面实施 监测 ， 主要 靠 地 面监 测 子 系统 的 声 波接 收 器 被 动 地 “ 听 ” 井 下 信 号 的 变 化 如 图 6所 示 。柱 塞在井 口防喷管 内 ， 首先地 面 监测子 系统通 过 R F I D读 写模块 对柱 塞监测 子 系统进 行初 始 化操 作 ， R F I D 电子标 签芯 片将 指 令传 至柱 塞 控 制器 ． 柱 塞控制 器启动 相应模 块 。地 面监 测子 系统开 始对 柱 塞的初 始运行 状态 包 括 当前 位 置 、 速 度 等 进 行 校 准并记 录 。初 始化操 作 完成后 ． 地面开 关 阀打开 。 柱 塞工具 开始下 行 。当柱 塞 经过 油 管 的接 箍 位 置 时 。 声波 信号发 生瞬 时 的波 动 ， 该 波动 通 过 油 管管 体 向 上传输 被地 面监测 子 系统捕 获 ， 经 系 统 处 理 后 在 地 面 上位 机 可显 示 出 l组 跳 变 的 波 形 。油 管 接 箍 之 间的距 离 是 已 知 的 ， 通 过 记 录 跳 变 的数 量 就 可 以 计 算 出柱 塞 的深 度 。柱 塞 在进 入 液 柱 前 后 的 脉 冲 信 号会 有 显 著 不 同 ， 通 过 识 别 信 号 的 差 异 可 判 断 液 面 的位 置 。柱 塞 在 上 行 阶 段 的 工 作 原 理 与 下 行 阶段 相 同 。 通 过该 系统可 有 效掌 握 柱 塞 的运行 状 态 。 并 向 系统发 出相 应的控 制 指 令 。 例 如 调整 开 井或 关 井 时 间 、 调 节柱 塞在井 筒 内的运行速 度等 ． 以优 化系统 的 生产参 数 。 提高运 行效率 。如 果柱塞 上行速 度过快 ， 可通 过短 暂 关 闭 地 面 开 关 阀 使 得 柱 塞 上 行 速 度 下 降 。如果 柱塞上 行 速度 过 慢 。 通 过 短暂 打 开 放气 阀 使 得柱塞 上部 的压 力下 降 ， 从 而 增 大柱 塞 两端 的压 差 ， 柱塞 的上行 速度 可加快 。 除 了 油管 接箍 脉 冲监 测 法 以外 ． 系统 也 可使 用 连续监测 法 其 中一 种方式 是 ， 开 启柱 塞监测 子 系统 内的声 波发射 器 向地 面 主动 发 射 声波 脉 冲 ， 地 面 根 据波速 和传播 时 间来 确定 柱 塞 运 行状 态 ； 另一 种 方 式类似抽 油机 井测 动 液 面 的方 法 ， 开 启地 面声 波 发 射器进行 连 续监 测 一 。如 果 井 筒 内有 泡 沫 段 ， 该 方 法会 带来很 大误差 ． 因此 需 要 与 油管 接 箍 脉 冲监 测 法结合 应用 。 一m 写 块 二 理 一 圜 团 圈 匿 一控 制 器 M c l二 一 圈园 一 第 4 1卷第 5期 童征 ， 等 柱塞 气举 天然气井 用在线监测系统设 计 4 7 图 6 油管接箍脉冲监测法流程 3 结论 1 针对传统技术 的问题， 开发出用 于柱塞气 举 井 的在线 监测 系 统 ， 集 成 有 传 感 器 的柱 塞 在 油 管 内运行 时 自动完 成 测量 作 业 ， 停 留在 井 口时 与地 面 进 行数 据交 换 。 2 系 统 提 供 了更 直 接 的参 数 采 集 与 测 量 手 段 ， 集成了声波监测系统 ， 可对柱塞的运行状态和动 液 面变化 进行 有效 的跟 踪 ， 为 气 井 生产 动 态 的优 化 和 自动化生产管理提供了重要 的手段。 参考文献 E l l 陈晓明， 丁亮 ， 王正才． 柱塞气 举技术 在低 压高油 气 比井 中的应用 分 析[ J ] ． 石 油矿 场 机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 3 79 83 ． E 2 1 杨 志， 廖云虎 ， 左锋 ， 等． 组合油管柱接力式 柱塞气 F 3 ] E 4 3 E s ] I- 6 ] [ 7 ] E 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