智能仿真開關井裝置研究及應用

李澤亮，馬騫，劉炳森，彭清明，賀吉慶，王小勇

中國石油長慶油田蘇里格南作業分公司（陜西 西安 710018）

截至2020 年8 月，蘇里格南作業分公司作業二區累計投產氣井310 口，日均開井180 口，平均單井產量 1.44×104m3/d，平均累產 1 641×104m3。區內部分氣井已進入低產積液階段，積液井主要依靠壓恢措施實現增產。同時氣井隨生產時間延長產能逐步降低、遠井帶供給范圍受限和積液量增加，壓力恢復效果逐漸變差。且區內生產氣井以88.9 mm（3.5"）套管作為生產管柱自噴生產，無環空大生產管柱氣井臨界攜液流量較高，氣井積液早。由于人工開關井的局限性，壓恢措施不能根據生產動態進行及時有效的實施，為提高氣井排水和生產效率，降低員工勞動強度，以現有井口設備為主，增加動力傳動機構與遠程控制設備，實現傳動機構與井口針閥聯動，模擬人工現場開關井作業。

1 智能仿真開關井裝置機械結構

常用電動閥門執行器通過遠端控制信號與閥門動作位置反饋信號之間的偏差，由執行器控制單元進行邏輯判斷，控制電動機正轉或反轉，驅動執行機構輸出位移（直線位移、角位移），實現閥門開關調節[1-2]，智能仿真開關井裝置是一種類電動執行器裝置，其機械結構設計直接決定了裝置的核心功能以及能夠達到的性能指標[3-4]。

1.1 機械傳動原理

由電機輸入動力，通過電機齒輪帶動推力軸承及扭矩限制器旋轉，通過連接叉帶動花鍵軸旋轉（扭矩限制器通過槽輪與連接叉連動），通過花鍵軸帶動小齒輪，由小齒輪傳動至針閥閥桿齒輪，從而驅動針閥閥桿旋轉實現閥門開關，如圖1所示。

圖1 主傳動系統結構示意圖

1.2 電功率計算

使用直流無刷電機并采用高傳動比來實現裝置運行，以克服24 V 弱電作動力電源的困難[5-6]，主要規格參數見表1。

表1 智能仿真開關井裝置規格型號及參數

根據式（1）分別計算各型號裝置電機功率：

式中：P為電機功率，kW；T為輸出力矩，N·m；n為電機額定轉速，r/min；η為傳動效率；i為傳動比。

ACJK-01 型功率約85 W，額定電流3.5 A；ACJK-02 型功率約60 W，額定電流2.5 A。選取低轉速、大扭矩、高傳動比的ACJK-02 型配套傳動裝置進行測試。

1.3 裝置總裝及測試

將驅動電機、離合裝置、齒輪傳動裝置、角位傳感器、智能控制器以及防爆裝置外殼組裝為主控傳動部分，將主傳動齒輪與針閥閥桿連接，使用裝置固定螺栓與針閥連接固定，通過齒輪傳動裝置驅動針閥動作，并通過井口RTU 接入24 V 直流電源及RS485信號（圖2）。

圖2 裝置總裝結構圖

總裝完成后，2018 年3 月4 日首次在井口進行現場測試實驗，實驗井號SN0024-14，產品型號ACJK，環境溫度14 ℃，測試結果見表2。

現場測得其可以使用（24±2）V 直流電源工作，電機啟動時的最大工作電流為1.8 A，能夠克服14MPa以下的背壓打開針閥。

表2 現場總裝測試結果

2 智能仿真開關井裝置控制系統

裝置的控制系統決定了執行器的智能化程度[7-8]，主程序是整個控制系統的核心，主要完成系統初始化、自我檢測、工作模式選擇、調用電機控制程序、調用系統保護程序和參數設置程序等[9-10]。裝置系統軟件主要涉及：系統初始化、系統保護、電機控制、串口通信、數據讀取、人機交互和控制模式7個方面內容，如圖3所示。

智能仿真開關井裝置自動系統框架搭建時在控制模式下增添了自定義模式，以方便在使用過程中根據現場氣井管理模式進行相應調整。

圖3 系統軟件框圖

2.1 電機控制程序設計

隨著可編程序控制器的廣泛應用，PLC 已普遍用于電動機的運行控制[11]，智能仿真開關井裝置采用PLC 對原有的繼電接觸控制系統進行改造和設計新的控制系統，電機控制系統設計如圖4所示。

圖4 電機控制總流程

智能仿真開關井裝置電機通過位置編碼器與給定信號的比較控制電機執行正轉、反轉及停機命令。同時電機控制程序受三級仿真系統保護程序約束。

2.2 安全保護機制

2.2.1 過流、過載保護

為防止電機負載過大或線路電流過高造成的電機及線路故障，在控制器中通過對電機電流進行限值設定，防止電流超過額定值[12-13]。主控內容：

1）給定電流閾值，現場設置為3 A，電流超過閾值后控制器停止驅動電機。

2）給定電流過大停止驅動，距下次驅動時間間隔現場設置為20 s，當單次電機電流超閾值后設定時間，再次嘗試啟動電機。

3）給定電機電流超閾值后重啟次數，現場設置為3次，即嘗試重啟3次后停機報錯。

2.2.2 扭矩保護

為防止機械損壞，避免停機損失，采用推力軸承結合彈簧負荷式過載保護裝置（圖5）。在機器負載震動，超載或機械故障而致所需扭力超過設定值時，以滑動方式限制傳動系統間的扭力傳動，而于超載情形消失后自動嚙合，不需再設定。

圖5 裝置離合部分及扭矩保護部分結構示意圖

扭力限制器以槽輪作為中心構件，由彈簧負荷式摩擦表面夾緊，以螺帽螺栓調整彈簧力，即預設限制器的滑動扭力。由負荷條件及強度設計決定滑動扭力的預設值，裝置電路部分存在電機過流保護設置，因此將扭力限制器作為二級保護措施，即限制器滑動扭力設定為電機額定扭力的1.1～1.5倍。

根據圖5，扭矩限制器安裝在傳動部分一級減速及二級減速裝置之間，根據過流保護設定（限流為3 A），通過式（2）可得，其最大工作功率為72 W。

式中：Pmax為最大工作功率，kW；U額定為額定電壓，V；Imax為保護電流，A。

再通過式（1）可得對應結構的扭矩限定值，保護電流設定下的電機最大轉矩為0.67 N·m，對應的一級減速后最高工作扭矩為42.7 N·m，二級減速后最高工作扭矩為298.9 N·m，因此將扭矩限制器的滑動扭力設置為50～60 N·m，該設置下裝置的滑動扭矩約為350～420 N·m。

2.2.3 壓力、瞬時保護

為防止電機動作過快，高產氣井井口中壓管線超壓以及井口針閥發生節流凍堵的情況，為適應不同井口產氣量的氣井開井操作，在控制器中通過對井口流量計瞬時流量、壓變壓力參數進行旁聽并限值設定。主控內容：

1）給定壓力閾值，現場設置為5.2 MPa，閥門關閥時（開度為0），當旁聽值超過閾值后控制器將停止啟動電機，當旁聽值低于閾值情況下可以啟動電機。

2）給定壓力、瞬時閾值，現場設置為5.2 MPa、3 000 m3/h，閥門開閥時（開度不為0），當旁聽壓力、瞬時值超過閾值后控制器將反轉電機關閥，至旁聽壓力及瞬時值低于閾值后繼續執行開閥命令。

3 仿真受力分析及磨損檢測

智能仿真開關井裝置需要配合井口設備運行，而高頻次的開關針閥勢必加速針閥的磨損，因此需要對應力集中點以及薄弱部件進行磨損檢測。

3.1 密封圈受力分析

閥桿和盤根之間是鋸齒形螺紋傳動，盤根固定不動，大齒輪帶動閥桿轉動，實現閥桿軸向移動。閥桿中間裝有骨架密封圈（桿密封），由壓環和鎖緊環限制軸向運動，實現閥門開啟和閉合時的密封。此時密封圈主要承受與閥桿過盈配合的預緊力、氣體壓力和骨架彈簧的張力（圖6）。

圖6 針閥結構原理示意圖

3.2 桿密封接觸應力仿真

桿密封的材質為石墨填充改性聚四氟乙烯，其彈性模量 1 000 MPa，泊松比 0.3，閥桿為410 鋼，其彈性模量200 GPa，泊松比0.3，根據閥桿和密封圈的工作狀態可將仿真模型簡化，如圖7所示。

圖7 桿密封接觸應力仿真簡化模型

1）桿密封接觸應力仿真有限元模型：將簡化后的三維模型導入ANSYS，如圖8 所示。接觸類型選擇frictional，摩擦系數0.17，計算方法選用增廣拉格朗日法。

圖8 桿密封接觸應力仿真有限元模型

2）網格劃分：對接觸區域網格進行細化，網格大小1 mm，劃分節點數43 443個，單元數23 271個，如圖9所示。

圖9 桿密封接觸應力網格模型

3）接觸應力云圖：桿密封內徑為30.26 mm，閥桿直徑31.7 mm，由于閥桿硬度大，磨損主要發生在桿密封上，當桿密封由30.25 mm 內徑磨損到與閥桿直徑31.7 mm 相同時則桿密封失效。為了精確仿真密封圈的接觸應力，沿徑向每隔0.08 mm 的磨損量計算一次桿密封接觸應力，由結果可得不同內徑下桿密封接觸應力，其統計如表3所示。

表3 不同內徑桿密封接觸應力

3.3 桿密封磨損壽命計算

從密封圈的磨損情況判斷，屬于粘著磨損，根據Archard 磨損模型式（3）可計算得出密封圈壽命[14-15]。

結合式（4）至（7），可得：

式中：V為磨損體積，m3；F為接觸應力，N；L為切向滑移距離，m；H為布氏硬度，N/m（2使用PTFE，取7.48 N/m2）；h為磨損深度，m；S為閥桿行程，m；A為接觸面積，m2；P為接觸應力，Pa；K為磨損系數，0.25×10-6；t為磨損時間，s。

通過式（8）計算針閥閥桿與桿密封接觸應力及磨損時間。

將各階段磨損時間累加，閥桿密封件內徑由30.26 mm 磨損至31.7 mm（即閥桿直徑）總耗時為471.46 h。智能仿真開關井裝置單次開關閥門時間約為15 min，按照每日開關動作2 次，閥桿密封使用時間為943天。

4 智能仿真開關井裝置應用效果

4.1 氣井智能控制系統

針對無環空套管井及速度管柱氣井的工藝特征，需要開發控制原理更加簡單且能夠根據氣井生產情況進行自動優化調整的生產制度。

通過對已設計的5種控制模式的數據采集點位要求、硬件配置需求、人工參與程度及運行管理方式進行對比（表4），套壓微升目前在不增加現場監測設備條件下的最優智能生產制度。

4.2 智能仿真開關井裝置應用效果

4.2.1 氣井精細管理

智能仿真開關井裝置根據氣井井況制定對應控制模式，實時監測氣井壓力恢復及瞬時流量，避免長時間積液生產，有效緩解氣井積液水淹，改善氣井生產動態，提高壓恢措施效率。

典型井生產動態分析：SN0015-02 井于2016 年9月29日投產，累產1 117.69×104m3，平均日產0.84×104m3，投產初期日產氣量 1.65×104m3，2017 年 3 月平均日產量降至0.51×104m3，氣井受積液影響間歇生產。

2020 年1 月13 日，安裝智能仿真開關井裝置，前一個壓恢周期平均日產0.49×104m3，安裝完成后應用了4 種生產模式，其中定時階段2 及套壓微升模式（定壓、定微升）較安裝前日產有所提升，增幅8%、4%（表5）。

定時階段2在運行一個壓恢周期后因生產動態發生變化后生產制度不匹配逐漸積液，需要人工參與進行制度調整。

套壓微升模式下氣井的積液情況減輕，且不需人為參與調整。

表4 各控制模式應用情況分析對比

表5 SN0015-02各階段生產動態對比

蘇南定制模式（定壓、定瞬時）雖然通過井口瞬時控制氣井關井，在氣井存在積液情況下縮短開井時間，維持氣井油套壓差穩定，但由于生產動態波動較大，整個階段平均日產較低。

因此套壓微升模式目前為最合適SN0015-02井的生產制度。

4.2.2 生產運行管理

1）降低人員勞動強度。區內已安裝55 臺智能仿真開關井裝置，每月氣井壓恢頻次提高近1 500次，最大限度發揮了壓恢措施功效。2019 年冬季運行期間，作業二區開關井1 374 井次，其中自動開關井546 井次，占比39.7%，大幅提高生產效率，降低員工勞動強度以及車輛行駛帶來的交通風險及其引發的外協糾紛。

2）快速產量調節。結合井叢供電系統運行情況以及進入井叢的難易程度，對頻繁間歇井、外協問題井、井叢饋電井、道路偏遠井進行裝置布控。目前安裝的55 口井已形成26×104m3的快速調產能力，能夠在1 h內完成調產任務。

5 結論

1）裝置現場測得其可以使用（24±2）V直流電源工作，電機啟動時的最大工作電流為1.8 A，能夠克服14 MPa以下的背壓打開針閥。

2）為適應現場氣井產生工況所制定的自定義控制模塊，形成了3 級保護機制：過流保護（3 A）、扭矩保護（彈簧負荷式50～60 N·m）、壓力瞬時保護（5.2 MPa、3 000 m3/h高限邏輯參與電機控制）。

3）結合智能仿真開關井裝置及井口針閥的機械傳動原理進行受力分析，針對閥桿密封圈與閥桿過盈配合的預緊力、氣體壓力和骨架彈簧的張力，使用ANSYS Workbench 對針閥閥桿及桿密封接觸面應力情況建模分析，根據Archard 磨損模型以0.08 mm 的間隔磨損量計算出密封使用時長為943天。

4）結合氣井生產動態對在用的5種控制模式的優劣進行了詳細對比，闡明了套壓微升模式為目前最優的生產模式；通過在用55套智能仿真開關井裝置在生產運行管理上的整體協調，降低了現場人員39.7%的開井關井頻次，同時形成近26×104m3的快速調產能力。