智能仿真開關(guān)井裝置研究及應用

李澤亮，馬騫，劉炳森，彭清明，賀吉慶，王小勇

中國石油長慶油田蘇里格南作業(yè)分公司（陜西 西安 710018）

截至2020 年8 月，蘇里格南作業(yè)分公司作業(yè)二區(qū)累計投產(chǎn)氣井310 口，日均開井180 口，平均單井產(chǎn)量 1.44×104m3/d，平均累產(chǎn) 1 641×104m3。區(qū)內(nèi)部分氣井已進入低產(chǎn)積液階段，積液井主要依靠壓恢措施實現(xiàn)增產(chǎn)。同時氣井隨生產(chǎn)時間延長產(chǎn)能逐步降低、遠井帶供給范圍受限和積液量增加，壓力恢復效果逐漸變差。且區(qū)內(nèi)生產(chǎn)氣井以88.9 mm（3.5"）套管作為生產(chǎn)管柱自噴生產(chǎn)，無環(huán)空大生產(chǎn)管柱氣井臨界攜液流量較高，氣井積液早。由于人工開關(guān)井的局限性，壓恢措施不能根據(jù)生產(chǎn)動態(tài)進行及時有效的實施，為提高氣井排水和生產(chǎn)效率，降低員工勞動強度，以現(xiàn)有井口設(shè)備為主，增加動力傳動機構(gòu)與遠程控制設(shè)備，實現(xiàn)傳動機構(gòu)與井口針閥聯(lián)動，模擬人工現(xiàn)場開關(guān)井作業(yè)。

1 智能仿真開關(guān)井裝置機械結(jié)構(gòu)

常用電動閥門執(zhí)行器通過遠端控制信號與閥門動作位置反饋信號之間的偏差，由執(zhí)行器控制單元進行邏輯判斷，控制電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)輸出位移（直線位移、角位移），實現(xiàn)閥門開關(guān)調(diào)節(jié)[1-2]，智能仿真開關(guān)井裝置是一種類電動執(zhí)行器裝置，其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計直接決定了裝置的核心功能以及能夠達到的性能指標[3-4]。

1.1 機械傳動原理

由電機輸入動力，通過電機齒輪帶動推力軸承及扭矩限制器旋轉(zhuǎn)，通過連接叉帶動花鍵軸旋轉(zhuǎn)（扭矩限制器通過槽輪與連接叉連動），通過花鍵軸帶動小齒輪，由小齒輪傳動至針閥閥桿齒輪，從而驅(qū)動針閥閥桿旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)閥門開關(guān)，如圖1所示。

圖1 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電功率計算

使用直流無刷電機并采用高傳動比來實現(xiàn)裝置運行，以克服24 V 弱電作動力電源的困難[5-6]，主要規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 智能仿真開關(guān)井裝置規(guī)格型號及參數(shù)

根據(jù)式（1）分別計算各型號裝置電機功率：

式中：P為電機功率，kW；T為輸出力矩，N·m；n為電機額定轉(zhuǎn)速，r/min；η為傳動效率；i為傳動比。

ACJK-01 型功率約85 W，額定電流3.5 A；ACJK-02 型功率約60 W，額定電流2.5 A。選取低轉(zhuǎn)速、大扭矩、高傳動比的ACJK-02 型配套傳動裝置進行測試。

1.3 裝置總裝及測試

將驅(qū)動電機、離合裝置、齒輪傳動裝置、角位傳感器、智能控制器以及防爆裝置外殼組裝為主控傳動部分，將主傳動齒輪與針閥閥桿連接，使用裝置固定螺栓與針閥連接固定，通過齒輪傳動裝置驅(qū)動針閥動作，并通過井口RTU 接入24 V 直流電源及RS485信號（圖2）。

圖2 裝置總裝結(jié)構(gòu)圖

總裝完成后，2018 年3 月4 日首次在井口進行現(xiàn)場測試實驗，實驗井號SN0024-14，產(chǎn)品型號ACJK，環(huán)境溫度14 ℃，測試結(jié)果見表2。

現(xiàn)場測得其可以使用（24±2）V 直流電源工作，電機啟動時的最大工作電流為1.8 A，能夠克服14MPa以下的背壓打開針閥。

表2 現(xiàn)場總裝測試結(jié)果

2 智能仿真開關(guān)井裝置控制系統(tǒng)

裝置的控制系統(tǒng)決定了執(zhí)行器的智能化程度[7-8]，主程序是整個控制系統(tǒng)的核心，主要完成系統(tǒng)初始化、自我檢測、工作模式選擇、調(diào)用電機控制程序、調(diào)用系統(tǒng)保護程序和參數(shù)設(shè)置程序等[9-10]。裝置系統(tǒng)軟件主要涉及：系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)保護、電機控制、串口通信、數(shù)據(jù)讀取、人機交互和控制模式7個方面內(nèi)容，如圖3所示。

智能仿真開關(guān)井裝置自動系統(tǒng)框架搭建時在控制模式下增添了自定義模式，以方便在使用過程中根據(jù)現(xiàn)場氣井管理模式進行相應調(diào)整。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖

2.1 電機控制程序設(shè)計

隨著可編程序控制器的廣泛應用，PLC 已普遍用于電動機的運行控制[11]，智能仿真開關(guān)井裝置采用PLC 對原有的繼電接觸控制系統(tǒng)進行改造和設(shè)計新的控制系統(tǒng)，電機控制系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示。

圖4 電機控制總流程

智能仿真開關(guān)井裝置電機通過位置編碼器與給定信號的比較控制電機執(zhí)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停機命令。同時電機控制程序受三級仿真系統(tǒng)保護程序約束。

2.2 安全保護機制

2.2.1 過流、過載保護

為防止電機負載過大或線路電流過高造成的電機及線路故障，在控制器中通過對電機電流進行限值設(shè)定，防止電流超過額定值[12-13]。主控內(nèi)容：

1）給定電流閾值，現(xiàn)場設(shè)置為3 A，電流超過閾值后控制器停止驅(qū)動電機。

2）給定電流過大停止驅(qū)動，距下次驅(qū)動時間間隔現(xiàn)場設(shè)置為20 s，當單次電機電流超閾值后設(shè)定時間，再次嘗試啟動電機。

3）給定電機電流超閾值后重啟次數(shù)，現(xiàn)場設(shè)置為3次，即嘗試重啟3次后停機報錯。

2.2.2 扭矩保護

為防止機械損壞，避免停機損失，采用推力軸承結(jié)合彈簧負荷式過載保護裝置（圖5）。在機器負載震動，超載或機械故障而致所需扭力超過設(shè)定值時，以滑動方式限制傳動系統(tǒng)間的扭力傳動，而于超載情形消失后自動嚙合，不需再設(shè)定。

圖5 裝置離合部分及扭矩保護部分結(jié)構(gòu)示意圖

扭力限制器以槽輪作為中心構(gòu)件，由彈簧負荷式摩擦表面夾緊，以螺帽螺栓調(diào)整彈簧力，即預設(shè)限制器的滑動扭力。由負荷條件及強度設(shè)計決定滑動扭力的預設(shè)值，裝置電路部分存在電機過流保護設(shè)置，因此將扭力限制器作為二級保護措施，即限制器滑動扭力設(shè)定為電機額定扭力的1.1～1.5倍。

根據(jù)圖5，扭矩限制器安裝在傳動部分一級減速及二級減速裝置之間，根據(jù)過流保護設(shè)定（限流為3 A），通過式（2）可得，其最大工作功率為72 W。

式中：Pmax為最大工作功率，kW；U額定為額定電壓，V；Imax為保護電流，A。

再通過式（1）可得對應結(jié)構(gòu)的扭矩限定值，保護電流設(shè)定下的電機最大轉(zhuǎn)矩為0.67 N·m，對應的一級減速后最高工作扭矩為42.7 N·m，二級減速后最高工作扭矩為298.9 N·m，因此將扭矩限制器的滑動扭力設(shè)置為50～60 N·m，該設(shè)置下裝置的滑動扭矩約為350～420 N·m。

2.2.3 壓力、瞬時保護

為防止電機動作過快，高產(chǎn)氣井井口中壓管線超壓以及井口針閥發(fā)生節(jié)流凍堵的情況，為適應不同井口產(chǎn)氣量的氣井開井操作，在控制器中通過對井口流量計瞬時流量、壓變壓力參數(shù)進行旁聽并限值設(shè)定。主控內(nèi)容：

1）給定壓力閾值，現(xiàn)場設(shè)置為5.2 MPa，閥門關(guān)閥時（開度為0），當旁聽值超過閾值后控制器將停止啟動電機，當旁聽值低于閾值情況下可以啟動電機。

2）給定壓力、瞬時閾值，現(xiàn)場設(shè)置為5.2 MPa、3 000 m3/h，閥門開閥時（開度不為0），當旁聽壓力、瞬時值超過閾值后控制器將反轉(zhuǎn)電機關(guān)閥，至旁聽壓力及瞬時值低于閾值后繼續(xù)執(zhí)行開閥命令。

3 仿真受力分析及磨損檢測

智能仿真開關(guān)井裝置需要配合井口設(shè)備運行，而高頻次的開關(guān)針閥勢必加速針閥的磨損，因此需要對應力集中點以及薄弱部件進行磨損檢測。

3.1 密封圈受力分析

閥桿和盤根之間是鋸齒形螺紋傳動，盤根固定不動，大齒輪帶動閥桿轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)閥桿軸向移動。閥桿中間裝有骨架密封圈（桿密封），由壓環(huán)和鎖緊環(huán)限制軸向運動，實現(xiàn)閥門開啟和閉合時的密封。此時密封圈主要承受與閥桿過盈配合的預緊力、氣體壓力和骨架彈簧的張力（圖6）。

圖6 針閥結(jié)構(gòu)原理示意圖

3.2 桿密封接觸應力仿真

桿密封的材質(zhì)為石墨填充改性聚四氟乙烯，其彈性模量 1 000 MPa，泊松比 0.3，閥桿為410 鋼，其彈性模量200 GPa，泊松比0.3，根據(jù)閥桿和密封圈的工作狀態(tài)可將仿真模型簡化，如圖7所示。

圖7 桿密封接觸應力仿真簡化模型

1）桿密封接觸應力仿真有限元模型：將簡化后的三維模型導入ANSYS，如圖8 所示。接觸類型選擇frictional，摩擦系數(shù)0.17，計算方法選用增廣拉格朗日法。

圖8 桿密封接觸應力仿真有限元模型

2）網(wǎng)格劃分：對接觸區(qū)域網(wǎng)格進行細化，網(wǎng)格大小1 mm，劃分節(jié)點數(shù)43 443個，單元數(shù)23 271個，如圖9所示。

圖9 桿密封接觸應力網(wǎng)格模型

3）接觸應力云圖：桿密封內(nèi)徑為30.26 mm，閥桿直徑31.7 mm，由于閥桿硬度大，磨損主要發(fā)生在桿密封上，當桿密封由30.25 mm 內(nèi)徑磨損到與閥桿直徑31.7 mm 相同時則桿密封失效。為了精確仿真密封圈的接觸應力，沿徑向每隔0.08 mm 的磨損量計算一次桿密封接觸應力，由結(jié)果可得不同內(nèi)徑下桿密封接觸應力，其統(tǒng)計如表3所示。

表3 不同內(nèi)徑桿密封接觸應力

3.3 桿密封磨損壽命計算

從密封圈的磨損情況判斷，屬于粘著磨損，根據(jù)Archard 磨損模型式（3）可計算得出密封圈壽命[14-15]。

結(jié)合式（4）至（7），可得：

式中：V為磨損體積，m3；F為接觸應力，N；L為切向滑移距離，m；H為布氏硬度，N/m（2使用PTFE，取7.48 N/m2）；h為磨損深度，m；S為閥桿行程，m；A為接觸面積，m2；P為接觸應力，Pa；K為磨損系數(shù)，0.25×10-6；t為磨損時間，s。

通過式（8）計算針閥閥桿與桿密封接觸應力及磨損時間。

將各階段磨損時間累加，閥桿密封件內(nèi)徑由30.26 mm 磨損至31.7 mm（即閥桿直徑）總耗時為471.46 h。智能仿真開關(guān)井裝置單次開關(guān)閥門時間約為15 min，按照每日開關(guān)動作2 次，閥桿密封使用時間為943天。

4 智能仿真開關(guān)井裝置應用效果

4.1 氣井智能控制系統(tǒng)

針對無環(huán)空套管井及速度管柱氣井的工藝特征，需要開發(fā)控制原理更加簡單且能夠根據(jù)氣井生產(chǎn)情況進行自動優(yōu)化調(diào)整的生產(chǎn)制度。

通過對已設(shè)計的5種控制模式的數(shù)據(jù)采集點位要求、硬件配置需求、人工參與程度及運行管理方式進行對比（表4），套壓微升目前在不增加現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備條件下的最優(yōu)智能生產(chǎn)制度。

4.2 智能仿真開關(guān)井裝置應用效果

4.2.1 氣井精細管理

智能仿真開關(guān)井裝置根據(jù)氣井井況制定對應控制模式，實時監(jiān)測氣井壓力恢復及瞬時流量，避免長時間積液生產(chǎn)，有效緩解氣井積液水淹，改善氣井生產(chǎn)動態(tài)，提高壓恢措施效率。

典型井生產(chǎn)動態(tài)分析：SN0015-02 井于2016 年9月29日投產(chǎn)，累產(chǎn)1 117.69×104m3，平均日產(chǎn)0.84×104m3，投產(chǎn)初期日產(chǎn)氣量 1.65×104m3，2017 年 3 月平均日產(chǎn)量降至0.51×104m3，氣井受積液影響間歇生產(chǎn)。

2020 年1 月13 日，安裝智能仿真開關(guān)井裝置，前一個壓恢周期平均日產(chǎn)0.49×104m3，安裝完成后應用了4 種生產(chǎn)模式，其中定時階段2 及套壓微升模式（定壓、定微升）較安裝前日產(chǎn)有所提升，增幅8%、4%（表5）。

定時階段2在運行一個壓恢周期后因生產(chǎn)動態(tài)發(fā)生變化后生產(chǎn)制度不匹配逐漸積液，需要人工參與進行制度調(diào)整。

套壓微升模式下氣井的積液情況減輕，且不需人為參與調(diào)整。

表4 各控制模式應用情況分析對比

表5 SN0015-02各階段生產(chǎn)動態(tài)對比

蘇南定制模式（定壓、定瞬時）雖然通過井口瞬時控制氣井關(guān)井，在氣井存在積液情況下縮短開井時間，維持氣井油套壓差穩(wěn)定，但由于生產(chǎn)動態(tài)波動較大，整個階段平均日產(chǎn)較低。

因此套壓微升模式目前為最合適SN0015-02井的生產(chǎn)制度。

4.2.2 生產(chǎn)運行管理

1）降低人員勞動強度。區(qū)內(nèi)已安裝55 臺智能仿真開關(guān)井裝置，每月氣井壓恢頻次提高近1 500次，最大限度發(fā)揮了壓恢措施功效。2019 年冬季運行期間，作業(yè)二區(qū)開關(guān)井1 374 井次，其中自動開關(guān)井546 井次，占比39.7%，大幅提高生產(chǎn)效率，降低員工勞動強度以及車輛行駛帶來的交通風險及其引發(fā)的外協(xié)糾紛。

2）快速產(chǎn)量調(diào)節(jié)。結(jié)合井叢供電系統(tǒng)運行情況以及進入井叢的難易程度，對頻繁間歇井、外協(xié)問題井、井叢饋電井、道路偏遠井進行裝置布控。目前安裝的55 口井已形成26×104m3的快速調(diào)產(chǎn)能力，能夠在1 h內(nèi)完成調(diào)產(chǎn)任務(wù)。

5 結(jié)論

1）裝置現(xiàn)場測得其可以使用（24±2）V直流電源工作，電機啟動時的最大工作電流為1.8 A，能夠克服14 MPa以下的背壓打開針閥。

2）為適應現(xiàn)場氣井產(chǎn)生工況所制定的自定義控制模塊，形成了3 級保護機制：過流保護（3 A）、扭矩保護（彈簧負荷式50～60 N·m）、壓力瞬時保護（5.2 MPa、3 000 m3/h高限邏輯參與電機控制）。

3）結(jié)合智能仿真開關(guān)井裝置及井口針閥的機械傳動原理進行受力分析，針對閥桿密封圈與閥桿過盈配合的預緊力、氣體壓力和骨架彈簧的張力，使用ANSYS Workbench 對針閥閥桿及桿密封接觸面應力情況建模分析，根據(jù)Archard 磨損模型以0.08 mm 的間隔磨損量計算出密封使用時長為943天。

4）結(jié)合氣井生產(chǎn)動態(tài)對在用的5種控制模式的優(yōu)劣進行了詳細對比，闡明了套壓微升模式為目前最優(yōu)的生產(chǎn)模式；通過在用55套智能仿真開關(guān)井裝置在生產(chǎn)運行管理上的整體協(xié)調(diào)，降低了現(xiàn)場人員39.7%的開井關(guān)井頻次，同時形成近26×104m3的快速調(diào)產(chǎn)能力。