氣動智能間歇控制裝置及其應用

喬義明 劉世娟 呂占芯

摘 要：氣井生產后期需轉為間歇生產模式，考慮目前井口工況環境，用電受限，采用太陽能板、預埋電瓶供電方式，研發了一種新型氣動遠程間歇控制裝置，采用套壓為動力，實現裝置的開啟關閉、智能調節、遠程控制，滿足中、高壓不同運行壓力條件下手動、自動以及時間間歇和壓力間歇四種模式的氣井開關。介紹了裝置的結構原理和使用要求，根據現場應用情況，裝置運行操作方便，穩定可靠，能夠滿足生產管理要求，提高氣井自動化管理水平，大幅降低人力、物力。

關鍵詞：間歇生產;控制裝置; 智能調節;遠程控制

1.概述

隨著氣田的規模開發，氣井產能逐步下降，產量低不能完全滿足生產需求，只能通過間歇生產達到攜液、復產的目的，研究表明，間歇開采也有助于提高氣井采出程度[1，2]，已成為氣井生產后期必不可少的穩產、增產措施。

目前現場工況：

1.1人工生產模式

間歇井的生產和高壓開井，都需要人工操作，工作量大，且高壓開井，溫度驟降，極易凍堵，破壞管線和設備，安全風險較高;

同時低產井、積液井數量較多，人工不能對所有井及時開展間歇措施，影響產能。

1.2智能間歇生產模式

采用智能化的間歇生產裝置，實現定時、定壓模式下的自動間歇生產，節省大量人力、物力，達到穩產、增產的目的。

該裝置采用大陽能、電瓶作為供電系統，在天氣環境等影響下，供電系統不穩定，在陰雨天、冬季等光照不足的情況下，供電不足，裝置不能運行，造成生產延誤，影響產能。

而氣動智能間歇控制裝置采用套壓氣作為動力源，實現裝置的運行，只需提供很小的功率為電控及傳輸系統供電即可，即使在連續的陰雨天也可以長時間的運行。

2 氣動智能間歇控制裝置結構原理

2.1結構組成

●GPRS模塊、高精度壓力傳感器、后臺軟件組成物聯網數據采集遠傳、控制系統;

●氣動薄膜閥、控制器、過濾減壓機構、太陽能電源、電池等組成自動間開生產系統;

●后臺系統，實時優化，提高生產時率。

2.2工作原理

該裝置采用氣動方式，具有高低壓緊急截斷保護、開度調節、智能控流調壓功能，實現中高壓開井及間歇生產。

裝置開啟時，電磁閥組打開，套壓氣經過濾器減壓后，通過電磁閥組、機械高低壓機構，進入氣動執行器下腔式，推動薄膜帶動閥桿、閥芯緩慢向上運動，并壓縮彈簧，閥門開啟。

開閥過程中，控制器實時監測下游壓力，當下游壓力小于設定值下限時，打開電磁閥1，向膜室下腔供氣，供氣壓力上升，閥門開度增大;當下游壓力介于設定值下限與設定值上限時，關閉電磁閥1，停止向膜室下腔供氣，閥門開度保持;當下游壓力大于設定值上限時，關閉電磁閥1，電磁閥2泄壓，閥門開度減小，如此往復循環，直到正常開井。

當在開度保持時，下游壓力降至設定值下限時，供氣壓力已經達到設定值上限，表示閥門開度達到最大。

關閥時，電磁閥1關閉，電磁閥2打開排空通道，膜室氣體流經控制器，進入電磁閥2排入大氣，且在彈簧恢復力的作用下，閥桿帶動閥芯向下運動，閥門關閉。

2.3高低壓保護功能

●電控超欠壓保護

當傳感器檢測到下游壓力達到超欠壓保護設定值時，控制器關閉電磁閥1，電磁閥2打開排空通道，膜室氣體流經控制器，進入電磁閥2排入大氣，且在彈簧恢復力的作用下，閥桿帶動閥芯向下運動，閥門關閉。

●機械超欠壓保護

當下游壓力達到機械超欠壓保護設定值時，機械保護機構觸發關閉供氣通道，打開排空通道，使得閥門關閉。

3. 智能間歇生產模式

該裝置的遠程智能開關，能夠和井口采集系統相匹配，實現遠程控制、智能化生產。

試驗井普遍采用井下節流、中低壓集輸工藝【3】，在開井作業時，必須迅速降低井口的油壓，且確保地面集輸管道系統運行壓力不超過管道設計運行壓力。在氣田中低壓集輸工藝技術條件下，遠程智能自動開關井的實施，必須要符合人工現場開關井的步驟，才可以確保遠程開關井過程裝置平穩運行和安全可靠。需通過實時監測井口油壓、智能間歇控制裝置后的地面管線系統壓力、以及井口流量大小，及時把采集到的井口運行參數傳送至智能控制系統，系統根據反饋的信息，來控制氣動執行器的進氣、排氣，對閥門開度大小進行實時的調節，從而確保在開井過程中地面管線系統不超壓，真正實現中高壓氣井的遠程智能自動開關井作業。

根據現場生產工藝，設置四種模式實現低產氣井中高壓間歇生產。為手動模式、自動模式、時間間歇模式、壓力間歇模式。四種模式滿足了不同低產氣井智能遠程間歇開關井的需要，對于壓力恢復較快的低產井，可以選用壓力間歇模式進行間歇生產，對于壓力恢復較慢的低產井，可以選用時間間歇模式進行間歇生產，同時也可以進行自動模式間歇生產，以及現場手動模式開、關井，滿足了低產井、中高壓開井的需求。

3.1壓力間歇模式

●確保井口所有設備運行正常的條件下，調節到“壓力間歇”模式，設置開閥壓力、關閥壓力，然后關閉閥門;

●控制系統自動檢測上下游壓力，待上游壓力升高到設定的開閥壓力值后，閥門執行開閥程序，閥門開啟;

●待管線生產壓力降低至設定的關閥壓值后，閥門自動關閉。

3.2時間間歇模式

●確保井口所有設備運行正常的條件下，調節到“時間間歇”模式，設置開閥時刻、開啟時間、間隔時間即可，然后關閉閥門;

●控制系統自動檢測，待到達設定值開閥時刻后，閥門執行開閥程序，閥門開啟。

●控制系統檢測完成開啟時間，閥門自動關閉。

●待系統檢測到間隔時間后，繼續循環開關閥命令。

4.耗電量

●待機功率

測試待機功率為2W。

●電磁閥組功率

電磁閥組功率為8W（瞬時通電）。

該裝置總功率為10W，遠小于市場同類電控驅動的裝置功率（約50W）。

5.現場應用

氣動智能間歇控制裝置選取在某氣田，采用井下節流的中高壓低產氣井進行試驗。

5.1間歇生產模式

●井1：管壓為1.3-1.45MPa，油壓最高至11.7MPa，介質溫度為0-30℃。井口正常穩定運行后，產氣量在0-800m3/h（標況）之間變動，每天井的產氣量在0 m3/d-5000 m3/d。該井氣量小，含水，符合低產氣井試驗要求。下圖為數據曲線圖。

●井2：管壓為0.9-1.1MPa，油壓最高至13.2MPa，介質溫度為0-30℃。井口正常穩定運行后，產氣量在0-1100m3/h（標況）之間變動，每天井的產氣量在0 m3/d-6500 m3/d。該井氣量小，含水，符合低產氣井試驗要求。下圖為數據曲線圖。

從圖3、圖4中可以看出，裝置剛開啟的時候，上游壓力較高，壓力下降緩慢，下游壓力較低，壓力增長也較慢。隨著試驗過程的持續，閥的開度逐漸增大，上游壓力下降明顯，下游壓力也持續上升，當升至某一值時（為設定值，根據管線設計壓力、高壓保戶值來設定），就不在上升，隨著上游壓力的持續下降，下游壓力也從峰值慢慢下降，最后上下游壓力持平，調節閥開度開至最大，壓力降至管壓，達到正常平穩生產。

5.2功率測試

該裝置采用套壓氣驅動，主要為待機、電磁閥組用電，電磁閥采用脈沖式的，開關瞬時通電，耗電量特別小。現場用功率器測試峰值為10.5W。

裝置在現場試驗時，安裝一塊容量為20Ah充滿電的電瓶，未佩戴太陽能板，裝置每天開關2次，持續運行20天。

給裝置佩戴一塊30W的太陽能板來為電瓶充電，適合連續陰雨天和光照不足的地區連續使用。

6.經濟效益

以試驗單井操作成本估算，開關間隔為5天，全年60次，人員及車輛費按2萬元計算。采用智能化間歇生產后，單井改造費用按5萬元計算，兩年半可回收成本。還可提高氣井產量，也減少頻繁上井，經濟效益和社會效益顯著。

7、結語

氣動智能間歇控制裝置與其他間歇系統相比，采用套壓氣為動力，減少用電量，適合在連續陰雨天及光照不足的地方使用。且具有雙重高低壓保護功能，滿足氣井工藝生產管理要求，適用于中高壓低產氣井間歇生產，提高作業效率;實現高壓開井，大幅降低操作成本。達到氣井后期的穩產、增產，增加經濟效益，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]顧岱鴻 低滲氣田采氣工藝理論研究 中國地質大學（北京） 博士論文，2007

[2]鄧雄等.低滲產水氣井間歇開采制度研究.石油天然氣學報 2010，32（6）

[3]梁平，王天祥. 天然氣集輸技術[M]. 北京：石油工業出版社，2008

[4]陸培文. 實用閥門設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2002

[5] 李瑜，鐘謹瑞.國內外井口安全的現狀及基本方法[J].天然氣工業，2008

[6] 中國石油天然氣總公司編. 氣田地面工程設計[M]. 山東：石油大學出版社，1995

作者簡介：

喬義明，男，工程師，西安海智機電設備有限公司。

（西安海智機電設備有限公司，陜西 西安 710016）