新型氣井智能間歇生產(chǎn)控制裝置及其應(yīng)用

范 旭，夏凱旋，趙有龍，韋 濤，喬義明，顧岱鴻

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津300045；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）教育部氣體能源工程研究中心，北京100000）

1 概述

隨著氣田的規(guī)模開發(fā)，氣井產(chǎn)能逐步下降，低產(chǎn)氣井由于產(chǎn)量低不能完全滿足生產(chǎn)的要求。而間歇開關(guān)井是一種依靠氣井自身能量恢復(fù)而達(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。目前間歇方式主要為人工間歇，但對(duì)于致密氣田，低產(chǎn)井、產(chǎn)水井井?dāng)?shù)較多，人工開關(guān)井工作量大，難以及時(shí)高效的開展間歇措施。此外，很多井關(guān)井壓力恢復(fù)后，壓力大于目前所用緊急截?cái)嘌b置的超壓保護(hù)值（一般最大設(shè)置為5MPa），需人為手動(dòng)調(diào)節(jié)井樹上的針形調(diào)節(jié)閥減壓開井，壓力越高，需要開井時(shí)間越長(zhǎng)，且易導(dǎo)致管線凍堵，大大降低了間歇控制的效率。

智能間歇控制裝置是一種針對(duì)中高壓低產(chǎn)氣井遠(yuǎn)程間歇生產(chǎn)及高壓開井而研發(fā)的新產(chǎn)品。涵蓋緊急截?cái)嘌b置的所有功能，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)跟蹤井口運(yùn)行壓力的變化，進(jìn)行智能調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程操作開關(guān)等功能，實(shí)現(xiàn)油壓大于等于5MPa 井的遠(yuǎn)程間歇生產(chǎn)及高壓開井功能。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能滿足整個(gè)氣井的全生命周期的生產(chǎn)管理要求，顯著降低了氣田操作成本。

2 智能間歇控制裝置結(jié)構(gòu)原理

圖1 智能間歇控制裝置結(jié)構(gòu)

該裝置具有超欠壓緊急截?cái)?、開度調(diào)節(jié)、智能減壓功能，實(shí)現(xiàn)高壓開井、間歇生產(chǎn)管理。

裝置采用智能型控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)上、下游管線壓力，實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)開啟和關(guān)閉。能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)單井前期、中期、后期全生命周期生產(chǎn)的要求。

裝置的關(guān)斷與開度調(diào)節(jié)分為兩個(gè)機(jī)構(gòu)，關(guān)斷采用球閥（軟密封）形式，智能調(diào)節(jié)單元采用滑閥（硬密封）形式[4-5]。

裝置開啟時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，開啟球閥；當(dāng)高壓介質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)智能調(diào)節(jié)減壓?jiǎn)卧ＷC輸出介質(zhì)壓力在安全設(shè)置范圍內(nèi)（小于等于4.5MPa），該單元是通過(guò)傳動(dòng)帶動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)通道的開度，智能控制系統(tǒng)根據(jù)裝置下游管線的實(shí)時(shí)壓力來(lái)進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，確保在安全工作范圍內(nèi)，保護(hù)下游設(shè)備及管線。

裝置關(guān)閉時(shí)，人為（電控或手動(dòng)關(guān)）或自動(dòng)（超欠壓保護(hù)）觸發(fā)自鎖機(jī)構(gòu)解鎖，球閥瞬間關(guān)斷，使得介質(zhì)不能流通，然后調(diào)節(jié)單元關(guān)閉。

在管線正常生產(chǎn)時(shí)，可通過(guò)遠(yuǎn)程控制單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制開啟和關(guān)閉。當(dāng)管線壓力出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)電控或者機(jī)械超、欠壓控制單元自動(dòng)實(shí)施緊急截?cái)嗪途偷乇Ｗo(hù)。

3 氣井中、高壓工況下的智能開關(guān)

該裝置的遠(yuǎn)程智能開關(guān)，能夠和井口采集輸系統(tǒng)相匹配，達(dá)到上游中、高壓天然氣平穩(wěn)的輸送至下游低壓外輸管線。充分考慮了中、高壓氣體進(jìn)入不同壓力等級(jí)系統(tǒng)出現(xiàn)的超壓風(fēng)險(xiǎn)，以及高壓氣體經(jīng)過(guò)節(jié)流減壓過(guò)程引起的沖擊和降溫。

由于試驗(yàn)井普遍采用井下節(jié)流、中低壓集輸工藝[3]，因此氣井的開井作業(yè)必須保證在迅速降低井口油壓的同時(shí)，確保地面集輸管道系統(tǒng)運(yùn)行壓力不超過(guò)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(guò)程裝置平穩(wěn)運(yùn)行和安全可靠。其根本要求是，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井口油壓、智能間歇控制裝置后地面管線系統(tǒng)壓力、以及井口流量大小，及時(shí)把采集到的井口各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)輸送至智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)反饋的信息對(duì)閥門開度進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，從而確保在開井過(guò)程中地面管線系統(tǒng)不超壓，真正實(shí)現(xiàn)高壓氣井的遠(yuǎn)程智能自動(dòng)開關(guān)井作業(yè)。

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，裝置通過(guò)四種模式實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)氣井高壓間歇應(yīng)用。四種模式分別為：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（集氣站控制中心遠(yuǎn)程控制）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 壓力間歇現(xiàn)場(chǎng)操作步驟

（1）在確保井口所有設(shè)備運(yùn)行正常的前提下，將閥門調(diào)整至“壓力間歇”模式，設(shè)置間歇開關(guān)壓力范圍（例如10.9MPa 開閥，1.0MPa 關(guān)閥），然后關(guān)閉閥門。

（2）智能控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)上下游壓力，待上游壓力升高到設(shè)定值后，閥門執(zhí)行開閥程序，閥門開啟。

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

圖2 壓力間歇開閥運(yùn)行狀態(tài)

3.2 時(shí)間間歇現(xiàn)場(chǎng)操作步驟

（1）在確保井口所有設(shè)備運(yùn)行正常的前提下，將閥門調(diào)整至“時(shí)間間歇”模式，設(shè)置間歇開關(guān)時(shí)間范圍（開啟2小時(shí)，開啟時(shí)間間隔1 小時(shí)），然后關(guān)閉閥門。

（2）智能控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)，待到達(dá)時(shí)間設(shè)定值后，閥門執(zhí)行開閥程序，閥門開啟。

（3）待智能控制系統(tǒng)檢測(cè)開啟已達(dá)到2 小時(shí)，閥門自動(dòng)關(guān)閉。

圖3 時(shí)間間歇開閥運(yùn)行狀態(tài)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

智能間歇控制裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取在某氣田低產(chǎn)氣井進(jìn)行。

4.1 某50-49 井

該井管壓為0.94-1.05MPa，油壓最高至10.9MPa，介質(zhì)溫度為0-30℃。井口正常穩(wěn)定運(yùn)行后，產(chǎn)氣量在0-600m3/h（標(biāo)況）之間變動(dòng)，每天井的產(chǎn)氣量在0m3/d-4200m3/d。該井氣量小，含水，符合低產(chǎn)氣井試驗(yàn)要求。在11 月25 日到11 月27 日的高壓開井減壓數(shù)據(jù)如表1 所示。

從圖4、圖5 中可以看出，智能間歇控制裝置剛開啟的時(shí)候，上游壓力比較高，壓力下降比較緩慢，下游壓力比較低，壓力增長(zhǎng)也較慢。隨著試驗(yàn)過(guò)程的持續(xù)，智能間歇閥的開度逐漸增大，上游壓力逐漸下降明顯，下游壓力也持續(xù)上升，當(dāng)升至某一值時(shí)（此值可以設(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。

表1 高壓氣井（50-49）開井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 50-59 井壓力與時(shí)間曲線圖

圖5 50-59 井時(shí)間與開度曲線圖

4.2 某50-46 井

該井每天間歇生產(chǎn)2 次，每次生產(chǎn)9 小時(shí)，產(chǎn)量5420m3/d。不間歇生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)量1800m3/d。隨著近井地層水排出，復(fù)壓時(shí)間縮短，生產(chǎn)時(shí)間從6 小時(shí)增加到9 小時(shí)。

4.3 某23-30 井

某23-30 井間歇生產(chǎn)后產(chǎn)氣量從6200m3/d 增加到9700m3/d，增產(chǎn)率為56%，間歇生產(chǎn)效果顯著。

圖6 某50-46 井油套壓及日產(chǎn)量曲線圖

圖7 某23-30 井間歇開井產(chǎn)量變化

5 效益分析

以實(shí)驗(yàn)井區(qū)間歇開井操作成本估算，該作業(yè)區(qū)現(xiàn)有100 口間歇井，開關(guān)間隔平均為10 天，每年人工開關(guān)的直接費(fèi)用（僅考慮人工及車輛費(fèi)用）約為100 萬(wàn)元。采用智能間歇后，單井升級(jí)費(fèi)用按平均2.15 萬(wàn)元計(jì)算，兩年左右可回收改造成本。此外在提高氣井采氣量同時(shí)，也大大減少了頻繁上井對(duì)環(huán)境的影響，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

6 結(jié)束語(yǔ)

智能間歇裝置與其他間歇系統(tǒng)相比，其結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便，解決了關(guān)閥時(shí)的氣體排空問(wèn)題，且具有雙重超欠壓保護(hù)功能（機(jī)械及電控），滿足氣井前、中、后期的生產(chǎn)管理，適用于中高壓不同運(yùn)行壓力條件下間歇開關(guān)井生產(chǎn)（定時(shí)、定壓模式），提高作業(yè)效率及氣井自動(dòng)化管理水平，大幅降低操作成本，增加氣井后期采出程度，經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有廣泛的應(yīng)用前景。