樊麗麗

（中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 武漢430035）

引 言

油田進(jìn)入開發(fā)中后期以后，油井含水率逐漸上升，井下管、桿柱的結(jié)垢與腐蝕狀況愈加嚴(yán)重；同時(shí)，一些油井因油稠、結(jié)蠟等原因，生產(chǎn)不穩(wěn)定，作業(yè)頻繁。解決這些問題的方法是向井中投加各種化學(xué)藥劑，達(dá)到防腐、防垢、緩蝕、防蠟、降粘的目的。

目前，常用的加藥方式有井口加藥和井下固體加藥。井口加藥方式存在著藥液浪費(fèi)嚴(yán)重，不能連續(xù)發(fā)揮藥效，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大等不足之處。為了解決這些問題，國內(nèi)先后研制了固體緩蝕劑、固體防垢劑、固體防蠟劑等新型產(chǎn)品。固體藥劑是在液體藥劑的基礎(chǔ)上制成的，被投加到井下后會慢慢溶解釋放，在實(shí)際應(yīng)用中因速度不好控制，效果并不是很理想，難以達(dá)到長效的目的。因此，探討油井防腐、緩蝕、防臘、降粘的加藥工藝非常重要。

研究井下自動(dòng)定量加藥裝置，讓其根據(jù)現(xiàn)場情況自動(dòng)、定量、長期、穩(wěn)定釋放液態(tài)化學(xué)藥劑，實(shí)現(xiàn)最佳加藥效果，具有一定的實(shí)踐意義。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

井下自動(dòng)定量加藥裝置與管柱的配接方式為，在抽油泵的篩管下連接多根（根據(jù)總加藥量確定）裝滿藥品的油管，在藥液管下部連接加藥裝置（圖1）。

下井前，通過撥碼開關(guān)設(shè)定加藥裝置的工作參數(shù)，裝置隨生產(chǎn)管柱下井后，電機(jī)在微處理器控制下，按預(yù)先設(shè)定的工作參數(shù)定時(shí)啟動(dòng)電機(jī)工作，帶動(dòng)微型柱塞泵將藥液噴射到套管內(nèi)。

圖1 管柱連接圖

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下自動(dòng)定量加藥裝置被設(shè)計(jì)成一工具短節(jié)，其外徑與油管接箍相同，可以直接接在篩管下面，隨生產(chǎn)管柱下井。加藥裝置核心部分為一采用電路控制的微型柱塞泵（圖2），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由控制電路、電機(jī)、活塞桿、凸輪、連動(dòng)桿等組成。

圖2 微型柱塞泵結(jié)構(gòu)圖

微型柱塞泵電路板上有微處理芯片，可根據(jù)油井井況需要設(shè)定電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間間隔及每次的工作時(shí)間。電機(jī)工作時(shí)，帶動(dòng)連動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)，連動(dòng)桿同時(shí)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪再帶動(dòng)活塞桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，將藥液噴入油套環(huán)型空間一次，當(dāng)要求的藥量加夠時(shí)，電機(jī)停止工作，等待下次加藥的時(shí)間到來，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量、連續(xù)加藥。電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，微型柱塞泵排出的藥液為2mL。在藥液管的上端有連通孔與套管連通，當(dāng)藥液排出后，套管內(nèi)的液體會補(bǔ)充進(jìn)藥液管內(nèi)，這樣能保證藥液管內(nèi)的壓力與套管的壓力平衡，有利于藥液的排出，減少電機(jī)負(fù)載。另外，為保證加藥裝置在整個(gè)有效工作周期內(nèi)密封可靠，密封形式采用多級密封與動(dòng)密封相結(jié)合的方式。

1.3 電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）控制電路設(shè)計(jì)（圖3）

從圖3中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過撥碼開關(guān)設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)，控制電機(jī)間歇工作，從而控制柱塞泵有規(guī)律地釋放藥液。

圖3 控制電路框

2）軟件設(shè)計(jì)

加藥裝置通電后，二極管間歇閃爍提示進(jìn)行開關(guān)設(shè)置，若二極管閃爍三次后停止閃爍則表示開關(guān)設(shè)置成功，接著系統(tǒng)休眠一天，以后按設(shè)置間隔控制電機(jī)動(dòng)作。施工時(shí)需要更改設(shè)置時(shí)，可將開關(guān)全部置1，則系統(tǒng)從頭開始執(zhí)行。若工作過程中發(fā)生意外，則重新上電后直接進(jìn)入自動(dòng)加藥階段。

1.4 加藥裝置井下工作可靠性設(shè)計(jì)

井下自動(dòng)定量加藥裝置是在數(shù)千米以下的油井深處工作的，不僅要具備抗高壓的能力，而且要在高壓環(huán)境下可靠地準(zhǔn)確動(dòng)作，因此，在儀器設(shè)計(jì)方面需要采取一些保障措施。

1）耐壓強(qiáng)度保障。從加藥裝置的整體結(jié)構(gòu)來看，耐壓較為薄弱的地方是電路筒，其內(nèi)部為一些電子元器件，可視為“腹腔”，需具備較高的抗壓強(qiáng)度。儀器外徑D＝89mm，管子選用35CrMo材料，管子壁厚δ＝7mm，經(jīng)計(jì)算管子抗擠毀的外壓力為60.3MPa，耐壓強(qiáng)度能夠滿足儀器在井下3 000km的使用要求。

2）藥液隔離及平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。加藥裝置上部的連通孔與套管相通，以保證加藥裝置工作環(huán)境的壓力平衡。隨著藥液的排出，為防止藥液管中的藥液被井液稀釋，而將一種膠質(zhì)隨動(dòng)隔離液放置在藥液的上部，以此來隔離藥液和井液。這種密封方式不僅密封效果好、隨動(dòng)性強(qiáng)，而且能夠?qū)⒕聣毫髦了幰汗苤?，保持加藥過程中壓力平衡，降低加藥裝置運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷。

3）密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用多級密封與動(dòng)密封相結(jié)合的方式，保證了加藥裝置在井下高壓環(huán)境下的可靠密封。

4）控制電路設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)以低功耗、高可靠性為設(shè)計(jì)原則，將微電子技術(shù)應(yīng)用于井下加藥過程的自動(dòng)控制，一次設(shè)定、自動(dòng)完成整個(gè)加藥過程。加藥裝置的自動(dòng)控制體現(xiàn)在其控制電路及控制軟件的設(shè)計(jì)上。其中，控制電路又以微處理器（單片機(jī)）為核心，微處理器在軟件的支持下“自動(dòng)地”實(shí)現(xiàn)各種功能。本系統(tǒng)選用了軍品級的PIC單片機(jī)，具有低成本、低功耗、高性能、易使用，以及I／O的靈活性等特點(diǎn)，極大地方便了整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

整個(gè)控制電路采用國產(chǎn)高溫鋰電池供電，單節(jié)容量達(dá)到19Ah，按照最大運(yùn)行功率5W，同時(shí)考慮到高溫下電池放電容量60% 以及控制電路的消耗，電機(jī)30min工作一次，每次工作30s計(jì)算，電池可在井下工作500d以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足使用要求。

5）控制軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)除了要考慮各種控制功能的實(shí)現(xiàn)外，還要考慮如何進(jìn)一步降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗，如何保證該系統(tǒng)長期可靠地工作，如何保證該系統(tǒng)在死機(jī)或復(fù)位等意外情況下不至于崩潰、控制不至于混亂，等等。加藥裝置長期在井下工作，但真正全速運(yùn)行的時(shí)間很短，大部分時(shí)間系統(tǒng)都處在休眠狀態(tài)；因此，充分利用各種手段降低休眠電流是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際調(diào)試結(jié)果，程序設(shè)計(jì)時(shí)主要采用了以下方法：①用“中斷”代替“查詢”，用“宏”代替“子程序”；②盡量減少CPU的運(yùn)算量；③讓I／O模塊間歇運(yùn)行。通過對軟件細(xì)節(jié)的精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化，系統(tǒng)休眠電流從30uA降到10 uA以下，功耗只為原來的1／3，大大提高了加藥裝置的工作壽命。

2 施工工藝

2.1 工作參數(shù)設(shè)置

在加藥裝置下井前，要進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)置。首先根據(jù)油井產(chǎn)量，計(jì)算總的加藥量，確定裝藥液的油管根數(shù)、柱塞泵啟動(dòng)間隔、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等，再根據(jù)這些工作參數(shù)，通過撥碼開關(guān)，正確設(shè)置加藥裝置的運(yùn)行參數(shù)。

2.2 管柱連接

加藥裝置與管柱的連接如上文圖1。在抽油泵的篩管下連接多根（根據(jù)總加藥量確定）裝滿藥品的油管，加藥裝置接在藥液管下部，管柱下井后，加藥裝置延時(shí)一天開始工作。

3 技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

1）將微電子控制技術(shù)應(yīng)用于井下加藥，實(shí)現(xiàn)加藥過程的自動(dòng)控制。

2）井下自動(dòng)定量加藥裝置外徑與油管接箍相同，可以直接接在篩管下面，隨生產(chǎn)管柱下井，可長期穩(wěn)定地在井下工作，藥劑直接釋放到井下，能均勻、穩(wěn)定、持久地發(fā)揮作用。

3）具有多種工作模式，可根據(jù)油井產(chǎn)量，進(jìn)行加藥量的靈活設(shè)置。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

井下自動(dòng)定量加藥裝置的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下：最大工作壓力為30MPa；最高工作溫度為85℃；井下工作時(shí)間為400d；外形尺寸為Ф89mm×900mm；加藥間隔為30min；單次加藥量為2，4，6，12，16，24mL。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

截至2014年10月，井下自動(dòng)定量加藥裝置已應(yīng)用于國內(nèi)各油田20余口井，有效地延長了油井的檢泵周期。列出部分井的施工效果（表1）。其XX油礦T8－107井加藥效果良好，該井檢泵周期由施工前60d提高至580d，收到了很好的加藥效果。

表1 部分應(yīng)用井施工效果

從T8－107井施工前、后一段時(shí)間的產(chǎn)液量和生產(chǎn)時(shí)間曲線可以看出（圖4），在采用井下自動(dòng)定量加藥裝置加藥之前，該井每隔一周人工井口需要加阻垢分散劑8kg，檢泵周期僅為60d左右，采用加藥裝置后，可以正常生產(chǎn)1.5a以上，實(shí)現(xiàn)了井下定時(shí)、定量加藥，有效地減少管柱的結(jié)垢及腐蝕，提高了檢泵周期。

圖4 T8－107井施工前后生產(chǎn)曲線

5 結(jié)論

井下自動(dòng)定量加藥裝置的研制實(shí)現(xiàn)了井下加藥的定時(shí)、定量、長期、穩(wěn)定投加，達(dá)到了防腐、防垢、緩蝕、防蠟、降粘的目的，延長了油井檢泵周期，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。這些表明，本裝置的推廣應(yīng)用可以帶來較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

［1］范鳳英.以油井壓力水為動(dòng)力的自動(dòng)加藥裝置［J］.石油機(jī)械，2002，33（07）：37－38.

［2］陳富昌.論井下液體連續(xù)加藥裝置的研制［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2008（09）：380－381.

［3］張淑卿.油井清蠟用智能點(diǎn)滴加液裝置［J］.石油機(jī)械，2008，36（03）：58－59.

［4］李學(xué)海.PIC單片機(jī)原理［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：141－158.

［5］王新純.井下作業(yè)施工工藝技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005：171－175.