智能調節型針閥的研制及現場應用

劉金超，王 璐，豆彬龍，龐磊磊，柴崇軍

（西安海智機電設備有限公司，陜西西安 710018）

0 引言

隨著蘇里格氣田氣井數量的逐年攀升，氣井的日常開、關井作業量逐年增多，特別是間歇式產氣井的增加，開、關井工作量明顯增大，同時集氣站、天然氣處理廠的停產檢修，也會導致大批量的氣井同時需要關井和開井操作。采用傳統的派工作人員上井手動操作調節針閥，來實現開、關井的作業方式，顯得尤為費事，既耗費人力、物力，又耗費時間，不符合目前氣田數字化建設的需要，不便于井場后期遠程調產和無人值守的數字化建設需求。

因此，需要一種可以實現遠程高壓模擬人工開關井的設備，以減少時間、人員和物力的投入，方便氣田的數字化生產作業管理。

1 整體結構設計

智能調節型針閥系統主要由智能井口管理單元、電動執行機構、可調節式針閥、太陽能供電系統組成。通過智能井口管理單元將采集上來的油壓、套壓、流量、截斷閥開關狀態等相關數據進行分析判斷，模擬人工開、關井的操作流程，實現遠程智能高壓開、關井的功能。控制器上預留與電臺通信的接口，將井口數據和閥位信息上傳到上位機平臺。

2 主要功能特點及技術參數

2.1 主要功能特點

（1）開井流程：當智能井口管理單元接收到由上位機發來的開井命令時，電動執行器執行開閥命令，同時判斷井口外輸管線壓力，當外輸壓力達到設定范圍后，則閥門暫停，隨后根據下游壓力值，逐漸調節閥門開度，實現井口模擬人工開井過程。

（2）關井流程：當智能井口管理單元接收到由上位機發來的關井命令時，電動執行器執行關閥命令，關閉調節閥，直到調節閥完全關到位為止，實現井口的模擬人工關井過程。

（3）智能判斷關井流程：當智能井口管理單元判斷到井口管線壓力超出范圍后，則自動發起緊急關井命令，同步發送關井命令給電動執行控制器，實現井口自動緊急關井過程。

（4）電動控制方式和機械控制方式：有就地按鍵控制及遠程通信控制等多種控制方式，保證閥體操作的靈活性，在掉電或緊急情況下也可以通過機械手輪操作來實現對節流閥的開、關以及開度的調節。

（5）兩種閥位狀態顯示，設備除了電子閥位顯示外，還設計有機械閥位指示功能，保證在掉電或緊急情況下可以通過機械指針準確判斷節流閥的開、關位置。

2.2 智能控制特點

通過預留的遠傳RS-485 通信接口，實現標準MODBUSRTU 通信協議，其智能控制主要是通過“通信ID”“設定壓力”“上限壓力”以及“下限壓力”等參數對閥門進行自動控制。

在開井過程中，根據閥后壓力自動PID 調節閥門開度，實現平穩緩慢開井的過程，當閥門實現全開或全關之后則退出PID調節作用。同時設備的高/低壓保護機制一直生效（圖1、圖2）。

圖1 定壓實現控制邏輯

圖2 高/低壓保護邏輯

2.3 技術參數

智能調節型針閥系統的主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

3 室內功能測試及現場應用

3.1 室內功能測試

（1）實現“自動判斷”“高壓”平穩開、關井功能。

（2）具有電氣控制和手動機械操控兩種方式。

（3）機械、電氣雙閥位狀態顯示功能。

（4）自帶智能井口控制單元，可獨立完成現場各項數據采集與操作。

（5）產品具有故障自檢功能。

（6）產品耐高壓，閥芯為硬質合金材料，抗腐蝕。

（7）具備防水、防沙功能。

3.2 現場應用

智能調節型針閥既可以現場手動和自動控制，也可以遠程人工和自動控制，實現了智能全自動控制（圖3）。

圖3 遠程控制示意

（1）現場測試。根據現場井況設置上下游壓力，控制系統根據壓力值自動調節閥門開度大小，智能調節型針閥動作靈活可靠視為正常，連續響應3 次視為合格。

（2）遠程測試：①通過遠控平臺輸入智能調節型針閥開度百分比，智能調節型針閥作出正確響應視為正常，連續響應3 次視為合格；②遠程控制調試前，必須確保數據傳輸系統已調試完畢。

3.3 高壓自動開井測試

首先進行關井，待壓力達到一定值后，將智能調節型針閥調試到自動狀態，智能調節型針閥會根據上下游壓力自動調節閥門開度，在保證下游管線不超壓的情況下，隨著上游壓力的降低閥門開度會逐漸增大，起到節流減壓作用，實現自動高壓開井功能（圖4）。

圖4 某井開井曲線

圖4 中的曲線為某2 井的一個開井過程，可見該井上游壓力最大為5.13 MPa，隨著下游壓力的上升，上游壓力逐漸下降，閥門的開度也隨之增大，整個開閥過程用時約4 min，平穩過渡，效果理想（圖5）。

圖5 安裝現場

4 結論

智能調節型針閥主要用于解決“井下節流、中低壓集輸”工藝氣田高壓氣井的遠程開、關井作業及低滲氣田高壓間歇氣井的生產管理等技術難題，著力提升氣田的管理水平和管理效率。

智能調節型針閥通過采集上、下游壓力值來控制閥門開度，在確保下游管線安全壓力值內調節閥門開度大小，解決遠程或現場自動高壓開關井問題，也適用于間歇式產氣井的自動化生產管理。另外集成有智能井口管理功能，減少了數字化井口數據維護的工作量，降低了井口工作人員手動高壓開井的操作風險，從而進一步完善了氣田數字化管理應用中閥門的種類，對拓寬新的氣田數字化設備，具有一定的應用價值。同時提高天然氣井的利用率，節約生產運行成本，經濟效益明顯。