氣井遠程控壓開關(guān)技術(shù)在神木氣田的探索與試驗*

陳曉剛 苗成 何蕾 王敏 薛崗 鄭欣 楊光 張昀

1西安長慶科技工程有限公司

2長慶油田分公司第二采氣廠

長慶神木氣田屬低滲透儲層，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，甚至積液較為嚴重。為此，通過控制氣井壓降速率，采用間歇生產(chǎn)，對積液井采取排水采氣措施，延長氣井自然穩(wěn)產(chǎn)期，提高外圍低滲儲量動用程度[1-3]，以避免由于人員安排不及時、錯失最佳開關(guān)井時間而導(dǎo)致壓力下降快及產(chǎn)量遞減幅度大的問題[4]。

神木氣田采用“井下節(jié)流、井間串接、井口緊急截斷、中低壓集氣”的集輸工藝模式，地面采氣管線設(shè)計壓力6.3 MPa，開關(guān)井作業(yè)需要在井口進行。隨著氣田開發(fā)規(guī)模的不斷擴大，氣井數(shù)量迅速增長，井場勞動強度大已嚴重影響其他工作有序進行。目前，氣井井口地面管線安裝了高低壓緊急截斷閥，截斷閥后為中壓管線。由于截斷閥不具備遠程調(diào)壓功能，當?shù)孛婀芫€壓力超出截斷閥設(shè)定的高壓保護壓力（3.8 MPa）后截斷閥緊急切斷，截斷閥的恢復(fù)只能依靠人工現(xiàn)場進行。

為了充分利用氣井產(chǎn)能，實現(xiàn)安全、高效、遠程開關(guān)井，降低現(xiàn)場勞動強度，提高生產(chǎn)效率及數(shù)字化管理水平[5-9]，2019 年在神木氣田開展了井口閥門遠程控壓開關(guān)井技術(shù)攻關(guān)。

1 氣井現(xiàn)狀

1.1 氣井開關(guān)井工作量

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，占氣井總數(shù)的33.5%；措施連續(xù)生產(chǎn)井（速度管柱、柱塞等）165 口，占氣井總數(shù)的20.8%；泡排+間歇氣井合計412口，占氣井總數(shù)的47.6%。自然連續(xù)和措施連續(xù)生產(chǎn)井開關(guān)井的周期比較長，一般為3～6個月，甚至更長時間，因此措施連續(xù)生產(chǎn)井基本無需井口作業(yè)。間歇氣井制定了明確的氣井開關(guān)井制度，需要按照該制度定期開關(guān)井作業(yè)。泡排氣井一般通過油管加注泡排劑，有時也從油套環(huán)空加注，在加注泡排劑時需要關(guān)井，加注30～60 min后開井生產(chǎn)。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，間歇和泡排措施井數(shù)合計占氣井總數(shù)的47.6%，合計產(chǎn)氣貢獻率為43.6%，是神木氣田重要的產(chǎn)量組成部分，而這部分產(chǎn)氣量需要進行大量開關(guān)井作業(yè)才能實現(xiàn)。神木氣田全年開關(guān)井工作量為92 749井次，間歇和泡排開關(guān)井工作量合計為91 620井次（停產(chǎn)檢修等非計劃開關(guān)井作業(yè)未統(tǒng)計在內(nèi)），具體數(shù)據(jù)詳見表1。

1.2 遠程開關(guān)井控制

1.2.1 控制原理

目前，神木氣田遠程開關(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，可實現(xiàn)遠程開關(guān)，也可以作為氣井井口的高低壓保護裝置。

表1 神木氣田氣井生產(chǎn)類型及開關(guān)井工作量統(tǒng)計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實現(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)簡單，價格也低，比調(diào)節(jié)閥等其他各種執(zhí)行機構(gòu)更易于安裝維護。電磁閥響應(yīng)時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)的時候才動作，并自動保持閥位，平時不耗電。電磁閥壓力傳感器采集節(jié)流閥前壓力值，通過控制軟件比對，當壓力高于用戶設(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，輸出點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，閥芯只能處于兩個極限位置（全開和全關(guān)），閥門開度沒有中間狀態(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，尚有相當一部分氣井無法實現(xiàn)遠程控壓開關(guān)井，需要在井口進行人工開井作業(yè)，或者現(xiàn)場手動開啟電磁閥。

安裝電磁閥的氣井中套壓小于3.8 MPa 的低壓氣井可以實現(xiàn)遠程開關(guān)，無需到現(xiàn)場作業(yè)。當氣井套壓大于3.8 MPa 時，通過關(guān)井復(fù)壓，因在開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)致油壓超過電磁閥高壓保護壓力，從而使電磁閥啟動高壓保護功能，尚未全開就自行關(guān)閉。氣井套壓越高，關(guān)井復(fù)壓后電磁閥開啟越困難。

（2）氣質(zhì)潔凈度。電磁閥對介質(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)置分離器進行初步分離，脫除各類機械雜質(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），長期開關(guān)容易造成密封面失效或者閥體堵塞，維護工作量大[11]。

1.3 遠程控制運行情況

神木氣田井口電磁閥由于閥門介質(zhì)機械雜質(zhì)多、井場饋電、無線通信信號較弱等因素導(dǎo)致部分閥門遠程控制率較低。通過開展閥體專項維護、供電系統(tǒng)擴容、補充無線傳輸方式，較好地提升了井口截斷閥運行效果，而對于套壓較高的氣井，遠控成功率并沒有明顯改善。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)飄移和跳變也會導(dǎo)致電磁閥無法正常開啟，影響氣井生產(chǎn)。

神木氣田電磁閥遠程控制運行現(xiàn)狀具體情況見表2。

表2 神木氣田電磁閥遠程控制運行現(xiàn)狀Tab.2 Running status of solenoid valve remote control in Shenmu Gas Field

2 氣井井口遠程控壓開關(guān)技術(shù)

2.1 試驗設(shè)計思路

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。通過核產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，神木氣田泡排+間歇氣井（412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)壓力一段時間后，油管壓力上升較快，造成電磁閥無法正常遠程開啟[12]。本次試驗的目的是針對氣井套壓大于3.8 MPa 的間歇、泡排氣井，解決由于井口參數(shù)變化不穩(wěn)定造成的無法正常開井的問題，實現(xiàn)安全平穩(wěn)地遠程控壓開關(guān)井作業(yè)。技術(shù)人員通過遠程控壓開關(guān)井、分析參數(shù)、修改開井制度，最終實現(xiàn)實時監(jiān)控氣井生產(chǎn)狀態(tài)，制定最佳的開關(guān)井生產(chǎn)制度，降低井口開關(guān)井工作量，提升了氣田數(shù)字化管理水平。

設(shè)計思路：①開關(guān)井控制系統(tǒng)將井口油壓、套壓、節(jié)流后壓力、流量計和高低壓緊急截斷閥等相關(guān)信號采集處理[13]；②模擬人工開關(guān)井過程，閥門開度調(diào)節(jié)可控，實現(xiàn)遠程控壓開關(guān)井；③閥門獨立供電，以太陽能板+蓄電池為動力來源，降低井場用電能耗；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 接口和標準的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LTE230 電臺自建網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，避免傳輸及控制受到運營商信號的限制[15]。氣井遠程控壓開關(guān)閥門及井場數(shù)據(jù)采集點示意圖見圖1。

圖1 氣井遠程控壓開關(guān)閥門及井場數(shù)據(jù)采集點示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas well remote pressure control start-up and shut-domn valve and data acquisition site

2.2 遠程控壓開井技術(shù)原理

電動閥門由閥門和電動執(zhí)行機構(gòu)組成，可分為兩部分，上半部分為執(zhí)行機構(gòu)，下半部分為閥門。用電動執(zhí)行機構(gòu)來控制閥門，執(zhí)行機構(gòu)可以接收運行人員或自動裝置的命令，遠程截斷或調(diào)節(jié)管道中的介質(zhì)流量，電動機構(gòu)和閥門本身都是獨立的部件。

閥芯可以分開度調(diào)節(jié)，每開一次0.05%，回落一次1%，且可以固定保持在某一開度。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斷閥，對采集的參數(shù)進行判斷、對比和計算，通過控制閥門開度來控制流通面積變化，進而控制pa的變化。整個開井過程中保證管壓始終控制在緊急截斷閥設(shè)定的超壓保護壓力以下，實現(xiàn)平穩(wěn)地遠程控壓開井[16-18]。

閥門動作判斷依據(jù)為：當pa介于pbx和pbs之間時，判斷為開井；當pa≤0.95ps時，執(zhí)行開井動作；當0.95ps＜pa≤1.1ps時，閥門停止動作，等待10 s 后進行下一次判斷；當pa＞1.1ps時，閥門回落；pa≥pbs，立即關(guān)井；當pt≤ps時，快速開井。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為外輸管道緊急截斷閥設(shè)定的超壓保護壓力，MPa；pbx為外輸管道緊急截斷閥設(shè)定的欠壓保護壓力，MPa。

氣井遠程控壓開關(guān)井程序流程框圖見圖2。

圖2 氣井遠程控壓開關(guān)井程序流程框圖Fig.2 Flow block diagram of remote pressure control start-up and shut-down well program

3 井口遠程控壓開關(guān)井試驗

3.1 閥門選型

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；截止閥不具備調(diào)節(jié)功能，只能全開全關(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、流動性好等優(yōu)點；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)動不與閥座接觸，扭矩小，直通型流道流動性好；③L型球閥，密封性特點與球閥基本相同，流動性比普通球閥更好，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，且其結(jié)構(gòu)特點不利于機械雜質(zhì)的殘留和聚集，對密封面的損傷小。由于天然氣井壓力高，且閥門必須保證長時間穩(wěn)定使用，本次試驗分別選取了L型針閥和V型球閥進行試驗（表3）。

表3 閥門性能對比Tab.3 Performance comparison of valves

3.2 試驗選井

本次計劃開展10 口氣井的試驗，選井的范圍為泡排和間歇生產(chǎn)中套壓相對較高的部分氣井。選取1～2口投產(chǎn)時間較短的氣井，檢驗閥門在較高套壓條件下（pc≥15 MPa）是否能正常開啟氣井，并選取1～2口低套壓氣井做比對，全部氣井均未安裝電磁閥，以提升氣井遠程控制比例。

試驗選井共計10口，其中7口氣井安裝電動針閥（泡排6口，間歇1口）、3口氣井安裝電動球閥（泡排1 口，間歇2 口）。經(jīng)計算，試驗井累計年開關(guān)井工作量為2 051井次，平均套壓9.8 MPa，套壓超過15 MPa的氣井共3口，全部為泡排氣井。

4 應(yīng)用效果評價

4.1 電動L型針閥

試驗井為神-X 站的雙-1 井，已安裝井下節(jié)流器，配產(chǎn)1.2×104m3/d，開閥前油壓11.76 MPa，閥后壓力3.56 MPa，開閥壓力設(shè)定3.8 MPa，高壓保護壓力4.5 MPa，低壓保護壓力0.5 MPa。測試結(jié)果表明：該井閥門前后壓差較大，閥門開啟用時約31 min，PID 調(diào)節(jié)過程滿足開井需求，未發(fā)生超過截斷閥高壓保護壓力自動關(guān)井的情況，實現(xiàn)了遠程控壓開井，氣井平均增產(chǎn)0.15×104m3/d（圖3）。

4.2 電動V型球閥

試驗井為神-X 站的雙-2 井，已安裝井下節(jié)流器，配產(chǎn)0.2×104m3/d，開閥前油壓3.12 MPa，閥后壓力1.78 MPa，開閥壓力設(shè)定2.5 MPa，高壓保護壓力4.5 MPa，低壓保護壓力0.5 MPa。測試結(jié)果表明：該井閥門前后壓差較小，閥門開啟僅用時約5 min，PID調(diào)節(jié)過程滿足開井需求，實現(xiàn)了遠程控壓開井，氣井平均增產(chǎn)0.10×104m3/d（圖4）。

圖3 電動L型針閥遠程控壓開井曲線Fig.3 Remote pressure control well start-up curve of electric L-type needle valve

圖4 電動V型球閥遠程控壓開井曲線Fig.4 Remote pressure control well start-up curve of electric V-type ball valve

4.3 綜合對比

根據(jù)10 口氣井的試驗情況，兩種電動閥都可以實現(xiàn)遠程控壓開關(guān)井，開關(guān)井的時間一般由氣井油套壓大小決定，即油壓pc大小而定，pc越大開關(guān)井時間約長，pc越小開關(guān)井時間越短。電動L型針閥最大試驗關(guān)井壓力為14.5 MPa，電動V型球閥最大試驗關(guān)井壓力為12.1 MPa，都可以實現(xiàn)pt遠高于pbs時（pt-pbs≥10 MPa）的遠程控壓開關(guān)井。

超壓保護功能方面，電動L型針閥關(guān)閥依靠彈簧復(fù)位，時間約5～6 s，基本可以滿足保護需求，電動V型球閥閥門關(guān)閉時間約15 s，超壓保護功能正常，但無法滿足快速截斷氣井井口的時間要求，欠壓保護功能均未測試。兩種閥門的綜合對比見表4。其中電動L 型針閥便于密封，能有效減少閥芯磨損，閥門開關(guān)迅速，但耗電量較大；而電動V型球閥較針閥扭矩小，易操作，供電電壓較小，但開關(guān)時間較長，緊急截斷較慢。

表4 兩種閥門的綜合對比Tab.4 Comprehensive comparison of two kinds of valve

4.4 技術(shù)經(jīng)濟評價

10 口試驗氣井全年累計開關(guān)井2 051 次，單口氣井井口改造投資9 萬元（設(shè)備8 萬元，安裝及人工費用1萬元）。按單次開關(guān)井費用120元計算，天然氣價按1元/m3（標況）計算，氣井全年開井生產(chǎn)350 d，開井時率40%，井均增產(chǎn)1 350×104m3/d。技術(shù)經(jīng)濟評價如下：①設(shè)備改造投資90 萬元；②增產(chǎn)氣量創(chuàng)收189 萬元，節(jié)約人工費用24.61 萬元；③安裝當年技術(shù)經(jīng)濟效益123.61萬元；④安裝后每年技術(shù)經(jīng)濟效益（不計算氣量遞減）213.61萬元。

5 結(jié)論及認識

（1）對神木氣田未安裝電磁閥的氣井進行了改造，用具有遠程開關(guān)功能的針閥、球閥替換井口原有針閥，并將閥后機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總線進行通信。通過選取采用泡排、間歇制度生產(chǎn)的10 口氣井進行現(xiàn)場試驗，兩種閥門均可以實現(xiàn)遠程控壓開關(guān)井、高壓保護、遠程設(shè)置參數(shù)等三大功能，還可以實現(xiàn)大壓差氣井（Δp=pt-pbs≥10 MPa）的控壓開關(guān)井，既可滿足氣田安全生產(chǎn)的需求，又達到了試驗的目的。

（2）兩種電動閥門依靠電動機驅(qū)動閥體動作，在試驗過程中電動機未發(fā)生饋電現(xiàn)象，閥門在緊急狀態(tài)下的關(guān)閉時間較長，需要配合高低壓緊急截斷閥使用。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）通過試驗，將傳統(tǒng)的井口開關(guān)井作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌厥疫h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213.61萬元，達到降低員工勞動強度、提升作業(yè)效率的目的，具有良好的經(jīng)濟、社會效益，具有在神木氣田推廣應(yīng)用的價值。