新型水力柱塞泵研发与应用

葛利俊，刘学文，屈东海

（渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

随着煤层气钻井技术进步和采矿区地理条件限制，定向井和水平井在煤层气井的应用规模逐渐扩大，其中大斜度的定向井、羽状多分支水平井开发技术是近年来国际煤层气领域应用的一种新技术，逐步成为煤层气勘探开发的主要井型。

水力柱塞泵排采系统，以高压水作为排采动力，可有效地解决有杆举升方式存在的偏磨的弊端，为煤层气大斜度定向井的连续排采提供新的生产方式。控制系统基于PLC 技术的自动化实现煤层气井的智能排采功能。

1 新型水力柱塞泵介绍

主要介绍新型水力柱塞泵的设备组成、工作原理及关键技术、地下泵组结构、地上控制系统等内容。

水力柱塞泵是一种柱塞式无杆排水采气系统，是一种同心管排采设备。动力液经过地面柱塞泵增压，通过换向电磁阀控制，通过反复交替注入中心管或者油管与中心管环空空间，驱动地下泵组的活动部件反复运动，井下产出液经油管与中心管环空空间举升到地面。排水过程中，套管与油管环空水压下降，从而气体解析释放经由套管与油管环空空间排出地面。控制系统电机带动地面三柱塞注水泵运转，控制核心部件为PLC，由特定程序控制换向机构将注水泵增压后的动力液反复交替注入中心管或者油管与中心管环空空间，从而实现地下泵组抽吸排液动作。

1.1 设备组成

水力活塞泵系统主要由地面控制系统和地下泵组两大部分组成。地面设备主要包括控制系统、三活塞注水泵、水箱、电机、换向机构、流量计、过滤器及地面管线等组成。地下泵组包括中心管座封结构、双通道主体、固定部件、活动部件、尾部接箍、外管等，地下泵组以下一般还会增加气锚、长度不等的筛管及沉沙尾管，用于防止井下大颗粒砂、煤粉等进入地下泵组，造成卡泵、地面管线阀门关闭不严等故障。

1.2 设备工作原理

其工作时，控制系统驱动三柱塞注水泵电机，带动注水泵将动力液增压，通过电磁换向阀循环控制动力液注入中心管和油管与中心油管环空空间轮换推动，实现井下泵组活动部分的反复交替运动。此工作原理需要解决的关键技术由地下泵组及地上控制系统两方面构成：

（1）地下泵组：①地下抽油泵组在腐蚀环境中，疲劳断裂的可能性大，所以需要采取特殊工艺和材料配方，解决抽油泵抗腐蚀性能的技术难题；②由于煤层气井下含煤粉等杂质，长时间工作下产生垢块，解决游动阀副和固定阀副漏失及卡泵等问题，成为该产品的技术难点。

（2）地上控制系统：①设备在高频次下频繁换向，地面注水泵及相关连接管路容易发生渗漏问题，解决此问题，成为保证控制系统运行稳定性、使用寿命的技术难点；②由于换向阀使用频率极高，保证换向阀在如此高的换向频率、并伴随设备振动的工作环境下，稳定、高效的运行是该产品的技术重点；③开发高效、精准的智能化控制程序，是保证设备运行及满足用户需求的关键技术问题。

由此衍生的新型水力柱塞泵具有以下技术创新点：

（1）地下泵组：①解决偏磨影响，适应于大斜度甚至水平井的无杆抽油泵产品；②研制带自洗井功能的水力柱塞泵，解决泵组卡泵、漏失的问题；③采用特殊材料及加工工艺，保证地下泵组的密封性、耐磨、抗腐蚀性等。

（2）地上控制系统：①研制新型换向机构，解决频繁换向的渗漏、磨损、使用寿命短等问题；②根据水力柱塞泵的工作原理及实际排采需要，自主研发控制程序，实现稳定、高效、精准控制；③采用软、硬高压管配合连接、高压应力点结构加强的方法，解决注水泵及高压连接管路的渗漏问题。

1.3 地下泵组结构

中心管注压时（深色箭头）：在电磁换向阀组切换至活动部件上行流程时，控制系统驱动三柱塞注水泵电机，带动注水泵将水箱内进水口流至柱塞泵头的动力液增压后，通过中心油管注入地下泵组，动力液通过双通道主体的特殊通道进入至抽油泵内部环形空间，对抽油泵活动部位产生向上推力，活动部分上行，此时游动阀会因为压力变化而关闭，将井下泵上腔内混合液通过中心管排至地面，从而达到上行排液的目的。同时活动部位上行过程中，由于抽油泵腔体体积变大，压力减小，泵下端固定阀会打开并完成吸液过程。地层产出液通过过滤后进入水箱，多余产出液则溢流至地面积水池。

油管与中心管环空空间注压时（最深色剪头）：在电磁换向阀组切换至活动部件下行流程后，动力液通过中心管与油管环空空间注入，动力液通过双通道主体的特殊通道进入至抽油泵上泵筒内部空间，对抽油泵活动部位产生向下推力，活动部分下行，此时活动部分与固定部分中间腔室体积减小、压力增大游动阀开启，从而实现将液体由活动部件腔体排到上泵筒内部空间。泵腔液体进入中心管与油管环空空间与动力液形成混合液。

上冲程过程，液体通过双通道主体的侧通道排到中心管与油管环空空间（浅色箭头）。下冲程过程，液体通过双通道主体的侧通道排到中心管。

地下泵组具有自洗井功能，在洗井时，高压动力液持续注入环形空间内，活动部分上行至上止点，注入的高压动力液清洗地下泵组游动阀。洗井过程中，井下泵组位于上止点，泵筒静止不排液。

（1）固定部分结构设计。固定部分采用下柱塞和拉管连接。下柱塞为双固定阀罩设计，即在柱塞两端各安装一个固定阀罩，只要其中一个能正常使用，泵整体就能正常工作，起到双保险的作用，并且下游动阀设计强制闭合弹簧装置。

（2）活动部分结构设计。活动部分采用上柱塞和下泵筒连接。上柱塞为单闭式阀罩带强制闭合弹簧设计，并在顶部安装减振弹簧装置，避免上冲程过盈和洗井过程造成的剧烈撞击。

（3）上泵筒正悬挂。抽油泵的双通道主体通过变扣接箍与上泵筒连接（泵筒正悬挂）。上泵筒和活动部分上柱塞；活动部分下泵筒和固定部分下柱塞形成两个密封抽汲系统，实现抽油泵上冲程的井底吸液和顶部排液过程。

（4）自洗井功能设计。由于产出液中包含煤粉和其他杂质，游动阀长期使用后，阀球与阀座的密封面会附着较多黏性杂质致使游动阀密封不严甚至失效。为解决这一问题，设计了针对游动阀的自洗井功能。当需要洗井作业时，只需向中心管注入足够压力，使抽油泵活动部位运行至上死点，此时下泵筒末端的槽孔将运动到活动部分与固定部分中间腔体空间位置，实现内部腔体与中心管连通，从而达到清洗游动阀的洗井目的。由于活动部位顶部安装减振弹簧装置，所以油管环空注压洗井时，降低上柱塞与泵顶部发生碰撞的撞击力。

（5）中心管与泵密封连接设计。中心管与泵体的密封连接采用皮碗坐封结构设计，密封性能好，提高抽油泵与中心管的密封性能。

（6）阀副配套使用特殊材料。在长期使用中发生凡尔漏失的现象，其原因为以下两点：①由于在水井中，阀球失去缓冲，冲击力增强，在多次的冲击中造成阀座正常密封面扩大，破坏密封面的圆整度，导致密封面关闭不严，使水液反复在球座缝隙中冲涮至阀座密封面刺漏；②在高冲次的工作制度下，阀球的落座速度增大，即增强阀球撞击阀座的冲击力度，长期使用中也会造成阀座正常密封面扩大，破坏密封面的圆整度，导致密封面关闭不严。采用特殊材质阀座，这两种合金材料阀副比普通不锈钢阀副的硬度高，抗冲击能力强，提高使用寿命。

图1 地下泵组工作过程

1.4 控制系统设计

程序控制层主要由PLC 监控中心、I/O 等组成，以性能较稳定的西门子S7-1200 型PLC 为控制核心，当控制单元接收到触摸屏发送的指令后，程序运算控制并完成相应的输出变化量。控制系统采用STEP 7 和组态王对系统进行组态、编程，并通过人机交互界面下发控制信号。现场采集执行层主要由井下压力计采集端、套压变送器、地面仪表采集端、变频器传输系统组成，通过上RS485 与PLC 通信，实现监控中心对现场各个控制点的调节和监控。当系统出现液位故障、变频器故障、电机故障、温度故障和超压故障时，PLC 立即停机并锁定故障，等待人为排除。

通过PLC 梯形图编程，构建井底流压与变频器闭环控制，实现煤层气井的智能排采软件设计。它以控制排采电机变频器的频率为中心，以控制井底流压为核心，根据气井的产气、产水规律和井底流压变化规律，控制系统按照设定降液速度控制注水泵的转速和液动换向水阀的换向频率，调节井下无杆管式泵的排量。

通过监测系统采集井底流压变化情况，系统可按人工预先设置井底流压的变化速度调整冲次。通过采用自适应PID 控制作为智能排采降压的核心算法，根据井底压力计实测值和井底流压预期降低值做偏差，自动调整变频器的参数，自动改变电机的运转速率，控制井底流压的变化，实现对动液面的准确控制。控制流程为：设定值→智能排采控制器→水力管式泵冲次→排水量→流压下降速度→控制器，形成整体的闭环控制。

换向阀则按设置冲次的时间或换向压力值进行换向，从而控制地面高压动力液在换向水阀的作用下从高压注水泵的两出液口交替注入管柱内，实现自动化排采。

梳理活塞泵主回路控制原理如图2 所示，二次回路控制原理如图3 所示。

图2 主回路控制原理

图3 二次回路控制原理

2 新型设备与现有设备对比分析

2.1 新型水力柱塞泵现场使用情况

（1）设备能够实现在产水量（0.2～18）m3/d 范围变化的井况下连续稳定运行。

（2）设备能够满足降压范围在（0.01～0.2）MPa/d 的工作制度要求。

（3）设备与现有自动化系统同步对接，能现场显示并上传设备启停状态、井底流压、电流、驱动系统压力、产水量、频率等数据，具有远程启停、调节工作制度的功能等技术要求。

（4）控制程序稳定准确、智能化程度高；能够在不同冲次下自适应调整。

（5）电磁换向阀换向精准，能够在高压、高频率、高振动、液体高腐蚀的工作环境中运行稳定。

（6）地下泵组运行稳定，未出现卡泵、漏失等问题，综合泵效达到85%以上。

（7）设备在煤层气L 形水平井稳定运行180 d 以上，排采时率达到98.5%以上。

2.2 新型水力柱塞泵与现有设备对比

煤层气井现有设备出现的地上控制系统换向阀漏失严重、控制系统程序智能化程度低、设备整体品控差、维修故障率高；地下泵组漏失严重、泵效低下、卡泵腐蚀严重、检泵作业次数多等诸多问题，相比之下，新型水力柱塞泵设备优势明显，主要有以下8 方面特点：

（1）地上控制系统创新性的采用进口电磁换向阀，代替传统的液压换向机构，具有精准快速、承压力强、无渗漏、体积小、寿命长、维护方便、节约成本、便于自动控制等优点，现场工业化试验6 个月运行良好、稳定，能够很好的满足煤层气井排采需要。

（2）地下泵组泵筒采用镀硬铬处理，柱塞外表面采用合金粉喷焊技术。具有硬度高、耐磨损、镀层致密、耐腐蚀、使用寿命长等特点。

（3）地下泵组内部部件全部采用不锈钢材料加工，具有更好的抗腐蚀性、抗冲击性能。

（4）地下泵组在固定阀和游动阀部位采取弹簧强制闭合技术，缩短阀球闭合时间并减少阀球起跳冲击力，实现减少漏失的目的。

（5）地下泵组柱塞上、下部位均设计有防撞、减振装置，减少超冲程带来的硬性冲击，提高抽油泵运行的稳定性。

（6）系统通过程序控制及地下泵组特殊结构，可实现超低压换向，有效的解决了管道剧烈振动、管道疲劳渗漏、管道气蚀等难题，保障系统稳定运行，延长地上控制系统注水泵及油管、中心管的使用寿命。

（7）系统实现冲程、冲次智能化自学习功能，能够准确迅速的根据现场境况及排采制度的要求，制定合理的排采冲程、冲次。

（8）系统可实现远程数据传输及控制，并可以实现固定冲次下的自适应调节，将有效冲程自动调整到最合理的状态，最高有效冲程可达到4.3 m，泵充满度达到90%以上。

2.3 控制系统主要组成设备和参数

设备和参数包括：①额定功率：18.5 kW；②最大冲次：4.8 次；③外形尺寸：2000 mm×1450 mm×1900 mm；④三柱塞泵：额定流量4.2 m3/h，出口压力12 MPa；⑤变频电机：额定功率18.5 kW，额定转速：1000 r/min；防护等级IP 54；调速范围：5～100 Hz；绝缘等级F。

3 市场应用情况

近年来，国外水驱无杆抽油泵技术发展较快，尤其是为了满足各种高难度油井采油的需要，通过不断提高热处理工艺水平、不但大幅提高抽油泵的各项性能指标，而且研究开发与应用许多新型抽油泵，增加抽油泵的适应性，扩大抽油泵使用范围，延长抽油泵的寿命周期，取得较好的社会效益和经济效益。其中以水力射流泵和水力柱塞泵为代表：

（1）水力射流泵是利用射流原理将注入井内的高压动力液的能量传递给井下产液的无杆水力采油装置。其缺点有两方面：①必须有较高的吸入压力，使射流泵的应用受到限制；②射流泵泵效较低，所需要的输入功率比水力柱塞泵高。

（2）水力柱塞泵是将动力液高压势能转变为往复运动的机械能，使井下原油举升到地面的一种泵。由马达和泵通过空心管相连组成，液马达和泵有一个或两个。按结构形式分为双作用泵、单作用泵、双泵端泵和双液马达泵。相比较下水力柱塞泵更适合煤层气区块的使用要求，其管理方便、节能环保、整体费用低的特点更受客户青睐。

目前，国内也有部分公司设计研发水力柱塞泵，并在新疆、吉林、大港、煤层气等油田实现小规模应用。但是这些产品价格昂贵，质量参差不齐，并没有实现大量使用。

4 结束语

系列化新型水力柱塞泵的研发与应用，能满足不同排液量井况的开采需求，减少检泵作业次数，自由调整冲程冲次并可完成自洗井功能，使抽油泵产品处于国内的领先水平。通过水力柱塞泵的优化设计研究，有效减少抽油泵砂卡、腐蚀问题发生，延长检泵周期。提高抽油泵产品的市场占有率，具有很好的推广应用前景。