氣動(dòng)智能間歇控制裝置及其應(yīng)用

喬義明 劉世娟 呂占芯

摘 要：氣井生產(chǎn)后期需轉(zhuǎn)為間歇生產(chǎn)模式，考慮目前井口工況環(huán)境，用電受限，采用太陽能板、預(yù)埋電瓶供電方式，研發(fā)了一種新型氣動(dòng)遠(yuǎn)程間歇控制裝置，采用套壓為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)裝置的開啟關(guān)閉、智能調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程控制，滿足中、高壓不同運(yùn)行壓力條件下手動(dòng)、自動(dòng)以及時(shí)間間歇和壓力間歇四種模式的氣井開關(guān)。介紹了裝置的結(jié)構(gòu)原理和使用要求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，裝置運(yùn)行操作方便，穩(wěn)定可靠，能夠滿足生產(chǎn)管理要求，提高氣井自動(dòng)化管理水平，大幅降低人力、物力。

關(guān)鍵詞：間歇生產(chǎn);控制裝置; 智能調(diào)節(jié);遠(yuǎn)程控制

1.概述

隨著氣田的規(guī)模開發(fā)，氣井產(chǎn)能逐步下降，產(chǎn)量低不能完全滿足生產(chǎn)需求，只能通過間歇生產(chǎn)達(dá)到攜液、復(fù)產(chǎn)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(chǎn)后期必不可少的穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)措施。

目前現(xiàn)場(chǎng)工況：

1.1人工生產(chǎn)模式

間歇井的生產(chǎn)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(shè)備，安全風(fēng)險(xiǎn)較高;

同時(shí)低產(chǎn)井、積液井?dāng)?shù)量較多，人工不能對(duì)所有井及時(shí)開展間歇措施，影響產(chǎn)能。

1.2智能間歇生產(chǎn)模式

采用智能化的間歇生產(chǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定壓模式下的自動(dòng)間歇生產(chǎn)，節(jié)省大量人力、物力，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的目的。

該裝置采用大陽能、電瓶作為供電系統(tǒng)，在天氣環(huán)境等影響下，供電系統(tǒng)不穩(wěn)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(yùn)行，造成生產(chǎn)延誤，影響產(chǎn)能。

而氣動(dòng)智能間歇控制裝置采用套壓氣作為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)裝置的運(yùn)行，只需提供很小的功率為電控及傳輸系統(tǒng)供電即可，即使在連續(xù)的陰雨天也可以長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。

2 氣動(dòng)智能間歇控制裝置結(jié)構(gòu)原理

2.1結(jié)構(gòu)組成

●GPRS模塊、高精度壓力傳感器、后臺(tái)軟件組成物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳、控制系統(tǒng);

●氣動(dòng)薄膜閥、控制器、過濾減壓機(jī)構(gòu)、太陽能電源、電池等組成自動(dòng)間開生產(chǎn)系統(tǒng);

●后臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)優(yōu)化，提高生產(chǎn)時(shí)率。

2.2工作原理

該裝置采用氣動(dòng)方式，具有高低壓緊急截?cái)啾Ｗo(hù)、開度調(diào)節(jié)、智能控流調(diào)壓功能，實(shí)現(xiàn)中高壓開井及間歇生產(chǎn)。

裝置開啟時(shí)，電磁閥組打開，套壓氣經(jīng)過濾器減壓后，通過電磁閥組、機(jī)械高低壓機(jī)構(gòu)，進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行器下腔式，推動(dòng)薄膜帶動(dòng)閥桿、閥芯緩慢向上運(yùn)動(dòng)，并壓縮彈簧，閥門開啟。

開閥過程中，控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下游壓力，當(dāng)下游壓力小于設(shè)定值下限時(shí)，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(dāng)下游壓力介于設(shè)定值下限與設(shè)定值上限時(shí)，關(guān)閉電磁閥1，停止向膜室下腔供氣，閥門開度保持;當(dāng)下游壓力大于設(shè)定值上限時(shí)，關(guān)閉電磁閥1，電磁閥2泄壓，閥門開度減小，如此往復(fù)循環(huán)，直到正常開井。

當(dāng)在開度保持時(shí)，下游壓力降至設(shè)定值下限時(shí)，供氣壓力已經(jīng)達(dá)到設(shè)定值上限，表示閥門開度達(dá)到最大。

關(guān)閥時(shí)，電磁閥1關(guān)閉，電磁閥2打開排空通道，膜室氣體流經(jīng)控制器，進(jìn)入電磁閥2排入大氣，且在彈簧恢復(fù)力的作用下，閥桿帶動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，閥門關(guān)閉。

2.3高低壓保護(hù)功能

●電控超欠壓保護(hù)

當(dāng)傳感器檢測(cè)到下游壓力達(dá)到超欠壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，控制器關(guān)閉電磁閥1，電磁閥2打開排空通道，膜室氣體流經(jīng)控制器，進(jìn)入電磁閥2排入大氣，且在彈簧恢復(fù)力的作用下，閥桿帶動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，閥門關(guān)閉。

●機(jī)械超欠壓保護(hù)

當(dāng)下游壓力達(dá)到機(jī)械超欠壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，機(jī)械保護(hù)機(jī)構(gòu)觸發(fā)關(guān)閉供氣通道，打開排空通道，使得閥門關(guān)閉。

3. 智能間歇生產(chǎn)模式

該裝置的遠(yuǎn)程智能開關(guān)，能夠和井口采集系統(tǒng)相匹配，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、智能化生產(chǎn)。

試驗(yàn)井普遍采用井下節(jié)流、中低壓集輸工藝【3】，在開井作業(yè)時(shí)，必須迅速降低井口的油壓，且確保地面集輸管道系統(tǒng)運(yùn)行壓力不超過管道設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力。在氣田中低壓集輸工藝技術(shù)條件下，遠(yuǎn)程智能自動(dòng)開關(guān)井的實(shí)施，必須要符合人工現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)井的步驟，才可以確保遠(yuǎn)程開關(guān)井過程裝置平穩(wěn)運(yùn)行和安全可靠。需通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井口油壓、智能間歇控制裝置后的地面管線系統(tǒng)壓力、以及井口流量大小，及時(shí)把采集到的井口運(yùn)行參數(shù)傳送至智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)反饋的信息，來控制氣動(dòng)執(zhí)行器的進(jìn)氣、排氣，對(duì)閥門開度大小進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，從而確保在開井過程中地面管線系統(tǒng)不超壓，真正實(shí)現(xiàn)中高壓氣井的遠(yuǎn)程智能自動(dòng)開關(guān)井作業(yè)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝，設(shè)置四種模式實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)氣井中高壓間歇生產(chǎn)。為手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、時(shí)間間歇模式、壓力間歇模式。四種模式滿足了不同低產(chǎn)氣井智能遠(yuǎn)程間歇開關(guān)井的需要，對(duì)于壓力恢復(fù)較快的低產(chǎn)井，可以選用壓力間歇模式進(jìn)行間歇生產(chǎn)，對(duì)于壓力恢復(fù)較慢的低產(chǎn)井，可以選用時(shí)間間歇模式進(jìn)行間歇生產(chǎn)，同時(shí)也可以進(jìn)行自動(dòng)模式間歇生產(chǎn)，以及現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)模式開、關(guān)井，滿足了低產(chǎn)井、中高壓開井的需求。

3.1壓力間歇模式

●確保井口所有設(shè)備運(yùn)行正常的條件下，調(diào)節(jié)到“壓力間歇”模式，設(shè)置開閥壓力、關(guān)閥壓力，然后關(guān)閉閥門;

●控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)上下游壓力，待上游壓力升高到設(shè)定的開閥壓力值后，閥門執(zhí)行開閥程序，閥門開啟;

●待管線生產(chǎn)壓力降低至設(shè)定的關(guān)閥壓值后，閥門自動(dòng)關(guān)閉。

3.2時(shí)間間歇模式

●確保井口所有設(shè)備運(yùn)行正常的條件下，調(diào)節(jié)到“時(shí)間間歇”模式，設(shè)置開閥時(shí)刻、開啟時(shí)間、間隔時(shí)間即可，然后關(guān)閉閥門;

●控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)，待到達(dá)設(shè)定值開閥時(shí)刻后，閥門執(zhí)行開閥程序，閥門開啟。

●控制系統(tǒng)檢測(cè)完成開啟時(shí)間，閥門自動(dòng)關(guān)閉。

●待系統(tǒng)檢測(cè)到間隔時(shí)間后，繼續(xù)循環(huán)開關(guān)閥命令。

4.耗電量

●待機(jī)功率

測(cè)試待機(jī)功率為2W。

●電磁閥組功率

電磁閥組功率為8W（瞬時(shí)通電）。

該裝置總功率為10W，遠(yuǎn)小于市場(chǎng)同類電控驅(qū)動(dòng)的裝置功率（約50W）。

5.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

氣動(dòng)智能間歇控制裝置選取在某氣田，采用井下節(jié)流的中高壓低產(chǎn)氣井進(jìn)行試驗(yàn)。

5.1間歇生產(chǎn)模式

●井1：管壓為1.3-1.45MPa，油壓最高至11.7MPa，介質(zhì)溫度為0-30℃。井口正常穩(wěn)定運(yùn)行后，產(chǎn)氣量在0-800m3/h（標(biāo)況）之間變動(dòng)，每天井的產(chǎn)氣量在0 m3/d-5000 m3/d。該井氣量小，含水，符合低產(chǎn)氣井試驗(yàn)要求。下圖為數(shù)據(jù)曲線圖。

●井2：管壓為0.9-1.1MPa，油壓最高至13.2MPa，介質(zhì)溫度為0-30℃。井口正常穩(wěn)定運(yùn)行后，產(chǎn)氣量在0-1100m3/h（標(biāo)況）之間變動(dòng)，每天井的產(chǎn)氣量在0 m3/d-6500 m3/d。該井氣量小，含水，符合低產(chǎn)氣井試驗(yàn)要求。下圖為數(shù)據(jù)曲線圖。

從圖3、圖4中可以看出，裝置剛開啟的時(shí)候，上游壓力較高，壓力下降緩慢，下游壓力較低，壓力增長(zhǎng)也較慢。隨著試驗(yàn)過程的持續(xù)，閥的開度逐漸增大，上游壓力下降明顯，下游壓力也持續(xù)上升，當(dāng)升至某一值時(shí)（為設(shè)定值，根據(jù)管線設(shè)計(jì)壓力、高壓保戶值來設(shè)定），就不在上升，隨著上游壓力的持續(xù)下降，下游壓力也從峰值慢慢下降，最后上下游壓力持平，調(diào)節(jié)閥開度開至最大，壓力降至管壓，達(dá)到正常平穩(wěn)生產(chǎn)。

5.2功率測(cè)試

該裝置采用套壓氣驅(qū)動(dòng)，主要為待機(jī)、電磁閥組用電，電磁閥采用脈沖式的，開關(guān)瞬時(shí)通電，耗電量特別小?，F(xiàn)場(chǎng)用功率器測(cè)試峰值為10.5W。

裝置在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，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(guān)2次，持續(xù)運(yùn)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(xù)陰雨天和光照不足的地區(qū)連續(xù)使用。

6.經(jīng)濟(jì)效益

以試驗(yàn)單井操作成本估算，開關(guān)間隔為5天，全年60次，人員及車輛費(fèi)按2萬元計(jì)算。采用智能化間歇生產(chǎn)后，單井改造費(fèi)用按5萬元計(jì)算，兩年半可回收成本。還可提高氣井產(chǎn)量，也減少頻繁上井，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

7、結(jié)語

氣動(dòng)智能間歇控制裝置與其他間歇系統(tǒng)相比，采用套壓氣為動(dòng)力，減少用電量，適合在連續(xù)陰雨天及光照不足的地方使用。且具有雙重高低壓保護(hù)功能，滿足氣井工藝生產(chǎn)管理要求，適用于中高壓低產(chǎn)氣井間歇生產(chǎn)，提高作業(yè)效率;實(shí)現(xiàn)高壓開井，大幅降低操作成本。達(dá)到氣井后期的穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)，增加經(jīng)濟(jì)效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：

喬義明，男，工程師，西安海智機(jī)電設(shè)備有限公司。

（西安海智機(jī)電設(shè)備有限公司，陜西 西安 710016）