陳曉剛 苗成 何蕾 王敏 薛崗 鄭欣 楊光 張昀
1西安長(zhǎng)慶科技工程有限公司
2長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠
長(zhǎng)慶神木氣田屬低滲透儲(chǔ)層,氣井壓力下降快,產(chǎn)量遞減幅度大,穩(wěn)產(chǎn)階段短,恢復(fù)程度低,氣井產(chǎn)水,甚至積液較為嚴(yán)重。為此,通過(guò)控制氣井壓降速率,采用間歇生產(chǎn),對(duì)積液井采取排水采氣措施,延長(zhǎng)氣井自然穩(wěn)產(chǎn)期,提高外圍低滲儲(chǔ)量動(dòng)用程度[1-3],以避免由于人員安排不及時(shí)、錯(cuò)失最佳開(kāi)關(guān)井時(shí)間而導(dǎo)致壓力下降快及產(chǎn)量遞減幅度大的問(wèn)題[4]。
神木氣田采用“井下節(jié)流、井間串接、井口緊急截?cái)唷⒅械蛪杭瘹狻钡募敼に嚹J?,地面采氣管線設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa,開(kāi)關(guān)井作業(yè)需要在井口進(jìn)行。隨著氣田開(kāi)發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,氣井?dāng)?shù)量迅速增長(zhǎng),井場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度大已嚴(yán)重影響其他工作有序進(jìn)行。目前,氣井井口地面管線安裝了高低壓緊急截?cái)嚅y,截?cái)嚅y后為中壓管線。由于截?cái)嚅y不具備遠(yuǎn)程調(diào)壓功能,當(dāng)?shù)孛婀芫€壓力超出截?cái)嚅y設(shè)定的高壓保護(hù)壓力(3.8 MPa)后截?cái)嚅y緊急切斷,截?cái)嚅y的恢復(fù)只能依靠人工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。
為了充分利用氣井產(chǎn)能,實(shí)現(xiàn)安全、高效、遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)井,降低現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率及數(shù)字化管理水平[5-9],2019 年在神木氣田開(kāi)展了井口閥門遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)井技術(shù)攻關(guān)。
目前,神木氣田投產(chǎn)氣井865口,井均日產(chǎn)量0.84×104m3,液氣比0.47×10-4。其中自然連續(xù)生產(chǎn)井288 口,占?xì)饩倲?shù)的33.5%;措施連續(xù)生產(chǎn)井(速度管柱、柱塞等)165 口,占?xì)饩倲?shù)的20.8%;泡排+間歇?dú)饩嫌?jì)412口,占?xì)饩倲?shù)的47.6%。自然連續(xù)和措施連續(xù)生產(chǎn)井開(kāi)關(guān)井的周期比較長(zhǎng),一般為3~6個(gè)月,甚至更長(zhǎng)時(shí)間,因此措施連續(xù)生產(chǎn)井基本無(wú)需井口作業(yè)。間歇?dú)饩贫嗣鞔_的氣井開(kāi)關(guān)井制度,需要按照該制度定期開(kāi)關(guān)井作業(yè)。泡排氣井一般通過(guò)油管加注泡排劑,有時(shí)也從油套環(huán)空加注,在加注泡排劑時(shí)需要關(guān)井,加注30~60 min后開(kāi)井生產(chǎn)。
從上述數(shù)據(jù)可以看出,間歇和泡排措施井?dāng)?shù)合計(jì)占?xì)饩倲?shù)的47.6%,合計(jì)產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率為43.6%,是神木氣田重要的產(chǎn)量組成部分,而這部分產(chǎn)氣量需要進(jìn)行大量開(kāi)關(guān)井作業(yè)才能實(shí)現(xiàn)。神木氣田全年開(kāi)關(guān)井工作量為92 749井次,間歇和泡排開(kāi)關(guān)井工作量合計(jì)為91 620井次(停產(chǎn)檢修等非計(jì)劃開(kāi)關(guān)井作業(yè)未統(tǒng)計(jì)在內(nèi)),具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。
1.2.1 控制原理
目前,神木氣田遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)井采取的方式是在井口安裝具有緊急切斷功能的電磁閥,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān),也可以作為氣井井口的高低壓保護(hù)裝置。
表1 神木氣田氣井生產(chǎn)類型及開(kāi)關(guān)井工作量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of gas well production type and its startup&shut down workload in Shenmu Gas Field
氣井井口電磁閥主要由閥體、閥蓋、主閥芯、壓力彈簧和電磁頭組成[10]。電磁閥是用電磁效應(yīng)控制閥門開(kāi)關(guān)的,控制方式由繼電器執(zhí)行。這樣,電磁閥可以配合不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制,其控制的精度和靈活性都能保證,電磁閥本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格也低,比調(diào)節(jié)閥等其他各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)更易于安裝維護(hù)。電磁閥響應(yīng)時(shí)間可以短至幾毫秒至幾十毫秒之內(nèi),由于自成回路,比其他自控閥反應(yīng)更靈敏;電磁閥線圈功耗低,只有在觸發(fā)的時(shí)候才動(dòng)作,并自動(dòng)保持閥位,平時(shí)不耗電。電磁閥壓力傳感器采集節(jié)流閥前壓力值,通過(guò)控制軟件比對(duì),當(dāng)壓力高于用戶設(shè)定的高限值(3.8 MPa)或低于用戶設(shè)定的低限值(0.6 MPa)時(shí),輸出點(diǎn)D01 觸發(fā),電磁頭閉合線圈得電,電磁閥關(guān)閉。
1.2.2 局限性
(1)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電磁閥由于閥體為兩位式閥門,閥芯只能處于兩個(gè)極限位置(全開(kāi)和全關(guān)),閥門開(kāi)度沒(méi)有中間狀態(tài),調(diào)節(jié)精度還受到一定限制。目前,神木氣田氣井平均套壓為7.8 MPa,尚有相當(dāng)一部分氣井無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)井,需要在井口進(jìn)行人工開(kāi)井作業(yè),或者現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開(kāi)啟電磁閥。
安裝電磁閥的氣井中套壓小于3.8 MPa 的低壓氣井可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān),無(wú)需到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。當(dāng)氣井套壓大于3.8 MPa 時(shí),通過(guò)關(guān)井復(fù)壓,因在開(kāi)井瞬間釋放出了大量從近井地帶流入并聚集在井底的天然氣,可能導(dǎo)致油壓超過(guò)電磁閥高壓保護(hù)壓力,從而使電磁閥啟動(dòng)高壓保護(hù)功能,尚未全開(kāi)就自行關(guān)閉。氣井套壓越高,關(guān)井復(fù)壓后電磁閥開(kāi)啟越困難。
(2)氣質(zhì)潔凈度。電磁閥對(duì)介質(zhì)潔凈度有較高要求,含顆粒狀的介質(zhì)不適用。由于該閥安裝于氣井井口,神木氣田的天然氣在站內(nèi)設(shè)置分離器進(jìn)行初步分離,脫除各類機(jī)械雜質(zhì)和大于5 μm 的液滴,而井口產(chǎn)出的天然氣未經(jīng)分離,通常含有較多的雜質(zhì)(壓裂砂、井筒巖屑等),長(zhǎng)期開(kāi)關(guān)容易造成密封面失效或者閥體堵塞,維護(hù)工作量大[11]。
神木氣田井口電磁閥由于閥門介質(zhì)機(jī)械雜質(zhì)多、井場(chǎng)饋電、無(wú)線通信信號(hào)較弱等因素導(dǎo)致部分閥門遠(yuǎn)程控制率較低。通過(guò)開(kāi)展閥體專項(xiàng)維護(hù)、供電系統(tǒng)擴(kuò)容、補(bǔ)充無(wú)線傳輸方式,較好地提升了井口截?cái)嚅y運(yùn)行效果,而對(duì)于套壓較高的氣井,遠(yuǎn)控成功率并沒(méi)有明顯改善。在應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)的傳輸不穩(wěn)定導(dǎo)致的數(shù)據(jù)飄移和跳變也會(huì)導(dǎo)致電磁閥無(wú)法正常開(kāi)啟,影響氣井生產(chǎn)。
神木氣田電磁閥遠(yuǎn)程控制運(yùn)行現(xiàn)狀具體情況見(jiàn)表2。
表2 神木氣田電磁閥遠(yuǎn)程控制運(yùn)行現(xiàn)狀Tab.2 Running status of solenoid valve remote control in Shenmu Gas Field
高壓氣井主要是由于井筒積液或者氣井尚有較高的產(chǎn)能所致。通過(guò)核產(chǎn)發(fā)現(xiàn),神木氣田泡排+間歇?dú)饩?12口)中尚有較高生產(chǎn)能力的氣井比例在65%以上(273口),這部分氣井在關(guān)井恢復(fù)壓力一段時(shí)間后,油管壓力上升較快,造成電磁閥無(wú)法正常遠(yuǎn)程開(kāi)啟[12]。本次試驗(yàn)的目的是針對(duì)氣井套壓大于3.8 MPa 的間歇、泡排氣井,解決由于井口參數(shù)變化不穩(wěn)定造成的無(wú)法正常開(kāi)井的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)地遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)井作業(yè)。技術(shù)人員通過(guò)遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)井、分析參數(shù)、修改開(kāi)井制度,最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控氣井生產(chǎn)狀態(tài),制定最佳的開(kāi)關(guān)井生產(chǎn)制度,降低井口開(kāi)關(guān)井工作量,提升了氣田數(shù)字化管理水平。
設(shè)計(jì)思路:①開(kāi)關(guān)井控制系統(tǒng)將井口油壓、套壓、節(jié)流后壓力、流量計(jì)和高低壓緊急截?cái)嚅y等相關(guān)信號(hào)采集處理[13];②模擬人工開(kāi)關(guān)井過(guò)程,閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)可控,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)井;③閥門獨(dú)立供電,以太陽(yáng)能板+蓄電池為動(dòng)力來(lái)源,降低井場(chǎng)用電能耗;④井口數(shù)據(jù)通信采用有線傳輸方式,主要采用兩線制RS485 接口和標(biāo)準(zhǔn)的Modbus for RTU協(xié)議,從而盡可能地減少井口的線纜鋪設(shè)及設(shè)備功耗[14];⑤依托神木氣田L(fēng)TE230 電臺(tái)自建網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳,避免傳輸及控制受到運(yùn)營(yíng)商信號(hào)的限制[15]。氣井遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)閥門及井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖1。
圖1 氣井遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)閥門及井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas well remote pressure control start-up and shut-domn valve and data acquisition site
電動(dòng)閥門由閥門和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,可分為兩部分,上半部分為執(zhí)行機(jī)構(gòu),下半部分為閥門。用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制閥門,執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以接收運(yùn)行人員或自動(dòng)裝置的命令,遠(yuǎn)程截?cái)嗷蛘{(diào)節(jié)管道中的介質(zhì)流量,電動(dòng)機(jī)構(gòu)和閥門本身都是獨(dú)立的部件。
閥芯可以分開(kāi)度調(diào)節(jié),每開(kāi)一次0.05%,回落一次1%,且可以固定保持在某一開(kāi)度。采集閥前油管壓力pt、套管壓力pc、閥后的管壓pa及流量等參數(shù),并連鎖高低壓緊急截?cái)嚅y,對(duì)采集的參數(shù)進(jìn)行判斷、對(duì)比和計(jì)算,通過(guò)控制閥門開(kāi)度來(lái)控制流通面積變化,進(jìn)而控制pa的變化。整個(gè)開(kāi)井過(guò)程中保證管壓始終控制在緊急截?cái)嚅y設(shè)定的超壓保護(hù)壓力以下,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)地遠(yuǎn)程控壓開(kāi)井[16-18]。
閥門動(dòng)作判斷依據(jù)為:當(dāng)pa介于pbx和pbs之間時(shí),判斷為開(kāi)井;當(dāng)pa≤0.95ps時(shí),執(zhí)行開(kāi)井動(dòng)作;當(dāng)0.95ps<pa≤1.1ps時(shí),閥門停止動(dòng)作,等待10 s 后進(jìn)行下一次判斷;當(dāng)pa>1.1ps時(shí),閥門回落;pa≥pbs,立即關(guān)井;當(dāng)pt≤ps時(shí),快速開(kāi)井。其中:pa為地面管線壓力,即管壓,MPa;ps為設(shè)定壓力,一般為85%~90%pbs,MPa;pt為油管壓力,MPa;pc為套管壓力,MPa;pbs為外輸管道緊急截?cái)嚅y設(shè)定的超壓保護(hù)壓力,MPa;pbx為外輸管道緊急截?cái)嚅y設(shè)定的欠壓保護(hù)壓力,MPa。
氣井遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)井程序流程框圖見(jiàn)圖2。
圖2 氣井遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)井程序流程框圖Fig.2 Flow block diagram of remote pressure control start-up and shut-down well program
普通針閥受創(chuàng)面比球閥小,流道腔室較小,存在節(jié)流效應(yīng);球閥具有直通型流道流動(dòng)性好的性能,也可用于改變流體流向、調(diào)節(jié)流體流量,但由于密封面較大,有受損概率高的缺點(diǎn);截止閥不具備調(diào)節(jié)功能,只能全開(kāi)全關(guān)。神木氣田常用的井口調(diào)節(jié)閥主要為針閥,球閥和截止閥由于結(jié)構(gòu)及功能上的缺陷,未在氣田井口使用。
球閥和針閥種類較多,每種閥門根據(jù)密封面的不同又可以分為不同的結(jié)構(gòu)類型,現(xiàn)場(chǎng)共調(diào)研3種閥門:①L 型針閥,具有錐形閥芯、L 型流道、受介質(zhì)沖刷量較小、密封性好、固體顆粒不易存留、流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn);②V 型球閥,采用環(huán)形面+半球密封,閥體具有自清洗功能,轉(zhuǎn)動(dòng)不與閥座接觸,扭矩小,直通型流道流動(dòng)性好;③L型球閥,密封性特點(diǎn)與球閥基本相同,流動(dòng)性比普通球閥更好,更便于流量調(diào)節(jié)。
L型結(jié)構(gòu)可以有效避免低溫節(jié)流凍堵以及閥體損傷密封性能;而V型結(jié)構(gòu)具有扭矩小的特點(diǎn),且其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不利于機(jī)械雜質(zhì)的殘留和聚集,對(duì)密封面的損傷小。由于天然氣井壓力高,且閥門必須保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定使用,本次試驗(yàn)分別選取了L型針閥和V型球閥進(jìn)行試驗(yàn)(表3)。
表3 閥門性能對(duì)比Tab.3 Performance comparison of valves
本次計(jì)劃開(kāi)展10 口氣井的試驗(yàn),選井的范圍為泡排和間歇生產(chǎn)中套壓相對(duì)較高的部分氣井。選取1~2口投產(chǎn)時(shí)間較短的氣井,檢驗(yàn)閥門在較高套壓條件下(pc≥15 MPa)是否能正常開(kāi)啟氣井,并選取1~2口低套壓氣井做比對(duì),全部氣井均未安裝電磁閥,以提升氣井遠(yuǎn)程控制比例。
試驗(yàn)選井共計(jì)10口,其中7口氣井安裝電動(dòng)針閥(泡排6口,間歇1口)、3口氣井安裝電動(dòng)球閥(泡排1 口,間歇2 口)。經(jīng)計(jì)算,試驗(yàn)井累計(jì)年開(kāi)關(guān)井工作量為2 051井次,平均套壓9.8 MPa,套壓超過(guò)15 MPa的氣井共3口,全部為泡排氣井。
試驗(yàn)井為神-X 站的雙-1 井,已安裝井下節(jié)流器,配產(chǎn)1.2×104m3/d,開(kāi)閥前油壓11.76 MPa,閥后壓力3.56 MPa,開(kāi)閥壓力設(shè)定3.8 MPa,高壓保護(hù)壓力4.5 MPa,低壓保護(hù)壓力0.5 MPa。測(cè)試結(jié)果表明:該井閥門前后壓差較大,閥門開(kāi)啟用時(shí)約31 min,PID 調(diào)節(jié)過(guò)程滿足開(kāi)井需求,未發(fā)生超過(guò)截?cái)嚅y高壓保護(hù)壓力自動(dòng)關(guān)井的情況,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控壓開(kāi)井,氣井平均增產(chǎn)0.15×104m3/d(圖3)。
試驗(yàn)井為神-X 站的雙-2 井,已安裝井下節(jié)流器,配產(chǎn)0.2×104m3/d,開(kāi)閥前油壓3.12 MPa,閥后壓力1.78 MPa,開(kāi)閥壓力設(shè)定2.5 MPa,高壓保護(hù)壓力4.5 MPa,低壓保護(hù)壓力0.5 MPa。測(cè)試結(jié)果表明:該井閥門前后壓差較小,閥門開(kāi)啟僅用時(shí)約5 min,PID調(diào)節(jié)過(guò)程滿足開(kāi)井需求,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控壓開(kāi)井,氣井平均增產(chǎn)0.10×104m3/d(圖4)。
圖3 電動(dòng)L型針閥遠(yuǎn)程控壓開(kāi)井曲線Fig.3 Remote pressure control well start-up curve of electric L-type needle valve
圖4 電動(dòng)V型球閥遠(yuǎn)程控壓開(kāi)井曲線Fig.4 Remote pressure control well start-up curve of electric V-type ball valve
根據(jù)10 口氣井的試驗(yàn)情況,兩種電動(dòng)閥都可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)井,開(kāi)關(guān)井的時(shí)間一般由氣井油套壓大小決定,即油壓pc大小而定,pc越大開(kāi)關(guān)井時(shí)間約長(zhǎng),pc越小開(kāi)關(guān)井時(shí)間越短。電動(dòng)L型針閥最大試驗(yàn)關(guān)井壓力為14.5 MPa,電動(dòng)V型球閥最大試驗(yàn)關(guān)井壓力為12.1 MPa,都可以實(shí)現(xiàn)pt遠(yuǎn)高于pbs時(shí)(pt-pbs≥10 MPa)的遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)井。
超壓保護(hù)功能方面,電動(dòng)L型針閥關(guān)閥依靠彈簧復(fù)位,時(shí)間約5~6 s,基本可以滿足保護(hù)需求,電動(dòng)V型球閥閥門關(guān)閉時(shí)間約15 s,超壓保護(hù)功能正常,但無(wú)法滿足快速截?cái)鄽饩诘臅r(shí)間要求,欠壓保護(hù)功能均未測(cè)試。兩種閥門的綜合對(duì)比見(jiàn)表4。其中電動(dòng)L 型針閥便于密封,能有效減少閥芯磨損,閥門開(kāi)關(guān)迅速,但耗電量較大;而電動(dòng)V型球閥較針閥扭矩小,易操作,供電電壓較小,但開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng),緊急截?cái)噍^慢。
表4 兩種閥門的綜合對(duì)比Tab.4 Comprehensive comparison of two kinds of valve
10 口試驗(yàn)氣井全年累計(jì)開(kāi)關(guān)井2 051 次,單口氣井井口改造投資9 萬(wàn)元(設(shè)備8 萬(wàn)元,安裝及人工費(fèi)用1萬(wàn)元)。按單次開(kāi)關(guān)井費(fèi)用120元計(jì)算,天然氣價(jià)按1元/m3(標(biāo)況)計(jì)算,氣井全年開(kāi)井生產(chǎn)350 d,開(kāi)井時(shí)率40%,井均增產(chǎn)1 350×104m3/d。技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)如下:①設(shè)備改造投資90 萬(wàn)元;②增產(chǎn)氣量創(chuàng)收189 萬(wàn)元,節(jié)約人工費(fèi)用24.61 萬(wàn)元;③安裝當(dāng)年技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益123.61萬(wàn)元;④安裝后每年技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益(不計(jì)算氣量遞減)213.61萬(wàn)元。
(1)對(duì)神木氣田未安裝電磁閥的氣井進(jìn)行了改造,用具有遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)功能的針閥、球閥替換井口原有針閥,并將閥后機(jī)械式壓力表更換為壓力變送器,由閥門主控單元采集數(shù)據(jù),與井口RTU 的RS485總線進(jìn)行通信。通過(guò)選取采用泡排、間歇制度生產(chǎn)的10 口氣井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),兩種閥門均可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控壓開(kāi)關(guān)井、高壓保護(hù)、遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)等三大功能,還可以實(shí)現(xiàn)大壓差氣井(Δp=pt-pbs≥10 MPa)的控壓開(kāi)關(guān)井,既可滿足氣田安全生產(chǎn)的需求,又達(dá)到了試驗(yàn)的目的。
(2)兩種電動(dòng)閥門依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)閥體動(dòng)作,在試驗(yàn)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)未發(fā)生饋電現(xiàn)象,閥門在緊急狀態(tài)下的關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng),需要配合高低壓緊急截?cái)嚅y使用。該閥門適用范圍較廣,適用在神木氣田不含硫化氫、中低壓集氣工藝模式、日照條件較好的環(huán)境中應(yīng)用。
(3)通過(guò)試驗(yàn),將傳統(tǒng)的井口開(kāi)關(guān)井作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌厥疫h(yuǎn)程操作的方式,在增產(chǎn)氣量和節(jié)約人工操作成本兩方面創(chuàng)效213.61萬(wàn)元,達(dá)到降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度、提升作業(yè)效率的目的,具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益,具有在神木氣田推廣應(yīng)用的價(jià)值。