天然氣井井口遠程智能開關技術(shù)

楊婧翌，蘇 容，李曉方，楊 杰，杜 艷，張雄兵

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

隨著氣田開發(fā)年限的增長，氣田單井數(shù)量逐年攀升，且氣井分布不均，點多面廣，傳統(tǒng)模式下主要依靠人工進行現(xiàn)場開關井操作，存在以下四點問題：（1）高壓天然氣井的開井作業(yè)需要長時間駐守，開井時間較長，且人工開井難以精確控制針閥開度[1]；（2）中、低壓天然氣井對間歇生產(chǎn)制度精準執(zhí)行要求較高，及時開關井對氣井產(chǎn)能的發(fā)揮起著至關重要的作用，傳統(tǒng)人工開關井模式工作量大、人力成本較高、氣井管理效率低下[2]；（3）隨著低產(chǎn)低效井和間歇生產(chǎn)井逐年增多，開關井作業(yè)將會越來越頻繁[3]；（4）集氣站停產(chǎn)檢修期間需要大規(guī)模對氣井進行開關井作業(yè)程序，繁重的開關井操作任務與作業(yè)區(qū)人力資源短缺形成制約氣田開發(fā)的矛盾之一。

因此，有必要對傳統(tǒng)人工開關井模式進行優(yōu)化和改進，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)滿足氣井全生命周期生產(chǎn)需要的遠程智能開關井功能[4-6]，既緩解了員工勞動強度，減少現(xiàn)場人為操作環(huán)節(jié)，提升控制速度和控制精度，提高工作效率，又確保了生產(chǎn)運行過程的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，加快蘇里格氣田數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，提高井口智能化應用水平。

1 遠程智能開關井系統(tǒng)工作原理

遠程智能開關井系統(tǒng)由控制器、傳動系統(tǒng)、遠程智能開關井裝置組成。通過測量、調(diào)節(jié)輸出流量，達到穩(wěn)定管線壓力的目的。具有定壓開井、高低壓自保護及間歇井智能管理功能，控制系統(tǒng)見圖1。

圖1 遠程智能開關井控制系統(tǒng)

正常工作情況下，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控套壓、油壓、管壓和流量計的參數(shù)，系統(tǒng)將控制器采集到的壓力信號和已經(jīng)設定的壓力信號進行運算、對比，根據(jù)運算、對比后的數(shù)據(jù)形成控制信號，遠程智能開關井裝置按照系統(tǒng)的控制信號自動改變閥門開度，從而實現(xiàn)對流量、壓力等工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)、控制，實現(xiàn)仿人工開關井作業(yè)[7-10]；設定高低壓保護值可實現(xiàn)緊急截斷功能，當氣井生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常情況時，會自動發(fā)出報警，并在15 s內(nèi)完成快速截斷，從而確保下游管輸系統(tǒng)的安全[11-16]。

2 遠程智能開關井系統(tǒng)組成

遠程智能開關井系統(tǒng)由智能井口控制器、閥門開度控制傳感器、緊急截斷閥、油套壓變送器、管壓變送器、流量計等設備組成。分為五個主要模塊：控制模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)節(jié)模塊、人機交互模塊。

2.1 控制模塊

控制器作為本系統(tǒng)的核心部分，具有數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸及自動控制的功能。持續(xù)采集井口壓力、溫度、流量、閥門開度等數(shù)據(jù)，同時，不斷對比管壓與設定開井壓力的差值，若差值較大，則調(diào)節(jié)閥內(nèi)節(jié)流件開度，使管壓始終保持在設定開井壓力±0.20 MPa 范圍內(nèi)，實現(xiàn)遠程智能開井。

控制器選用8 路模擬量輸入、4 路模擬量輸出、8路數(shù)字量輸入、8 路數(shù)字量輸出，支持所有標準的Modbus 設備聯(lián)機通訊，支持RS485、RS232 接口的PLC，滿足井口數(shù)據(jù)采集及調(diào)控需求。

2.2 通訊模塊

現(xiàn)場控制器通過RS485 通訊協(xié)議采集閥門開度、井口壓力、井口流量等數(shù)據(jù)，再通過4G 通信模塊、4G APN 專用網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳至上位監(jiān)控系統(tǒng)（圖2）。

圖2 信號傳輸示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

油套壓變送器、管壓變送器、流量計所監(jiān)測的壓力、流量瞬時信號作為開關井過程中系統(tǒng)狀態(tài)的判斷依據(jù)，該系統(tǒng)通過采集采氣樹上原有壓力檢測傳感器，如閥后管線壓力、管線流量，通過通訊模塊將數(shù)據(jù)傳至上位機，并根據(jù)油、套管實時壓力設定自動開井和關井壓力，實現(xiàn)井口自動開關。

2.4 調(diào)節(jié)模塊

調(diào)節(jié)模塊為遠程智能開關井裝置。裝置采用球形結(jié)構(gòu)，能夠按照系統(tǒng)的控制信號自動改變閥內(nèi)節(jié)流件開口的大小，即改變節(jié)流件和密封件間的流通面積，從而實現(xiàn)對介質(zhì)流量、壓力等工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)、控制。

2.5 人機交互模塊

人機交互模塊分為現(xiàn)場人機交互模塊控制和遠程人機交互模塊控制，現(xiàn)場可通過觸摸式顯示屏進行現(xiàn)場開關井控制，點擊開井/關井，遠程智能開關井裝置自動開井，觸摸屏上會顯示開關井過程中及完成后的壓力、閥門開度、開關井時間閥門開度等參數(shù)。

通過搭建的智能化物聯(lián)網(wǎng)平臺可在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心進行遠程開關井控制，讀取井場所有設備信息，如油壓、套壓等參數(shù)。平臺上分顯示界面、遠程操作界面、參數(shù)設置界面及報警界面等界面，能夠系統(tǒng)的展現(xiàn)出氣井井口的實時運行狀況。

3 試驗效果分析

3.1 試驗井概況

2021 年6 月到2021 年10 月，在某區(qū)塊某氣井開展試驗，該井于2018 年投產(chǎn)，關井套壓最高21.32 MPa，關井油壓恢復較快，符合試驗要求。現(xiàn)場拆除試驗井原有手動針閥，改裝遠程智能開關井裝置。

3.2 試驗內(nèi)容概述

主要開展了以下5 項試驗：

3.2.1 現(xiàn)場手動開關井試驗 轉(zhuǎn)動手動搖柄進行手動開關井作業(yè)，確保開井過程下游管線不超壓，記錄油套壓、管壓、流量、閥門開度，確保平穩(wěn)關井。

3.2.2 現(xiàn)場自動開關井試驗 通過現(xiàn)場人機交互模塊設定開井壓力，進行現(xiàn)場自動開關井試驗，確保開井過程下游管線不超壓，記錄油套壓、管壓、流量、閥門開度，確保平穩(wěn)關井。

3.2.3 遠程智能開關井試驗 在距離試驗井約30 km的中控室進行遠程開關井試驗，通過中控室人機交互界面設定開井壓力，進行遠程智能開井作業(yè)，確保開井過程下游管線不超壓，記錄油套壓、管壓、流量、閥門開度，確保平穩(wěn)關井。

3.2.4 緊急截斷功能試驗 通過現(xiàn)場或中控室人機交互界面設定壓力保護上限、下限，進行緊急截斷功能試驗。

3.2.5 定時開關井功能試驗 通過現(xiàn)場或中控室人機交互界面設定開關井間隔時間，進行定時開關井功能試驗。

3.3 試驗效果分析

3.3.1 現(xiàn)場手動開關井試驗效果分析 運用遠程智能開關井裝置對某氣井開展了現(xiàn)場手動開關井試驗，通過轉(zhuǎn)動裝置手動搖柄進行手動開關井作業(yè)，現(xiàn)場開關井操作平穩(wěn)。與傳統(tǒng)針閥相比，該裝置具有省力、操作簡單、閥門開度可視等特點。

3.3.2 現(xiàn)場自動開關井試驗效果分析 通過現(xiàn)場觸摸屏對某氣井開展現(xiàn)場自動開關井試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。通過現(xiàn)場觸摸屏設定開井壓力3.50 MPa，高壓保護4.40 MPa，低壓保護0.30 MPa，進行現(xiàn)場自動開井試驗。開井命令下發(fā)后閥門瞬間動作，用時50 min 左右可順利自動完成開井作業(yè)。

表1 現(xiàn)場自動開井試驗數(shù)據(jù)

取現(xiàn)場自動開井試驗1 數(shù)據(jù)進行分析，油壓從17.37 MPa 緩慢降至3.82 MPa，閥門開度平穩(wěn)增加，井場下游管線未超壓，管線壓力始終保持在設定開井壓力3.50±0.20 MPa 范圍內(nèi)，最高達到3.51 MPa，開井過程平穩(wěn)。開井溫度最低-25 ℃，因開井時間較短，氣井未出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象。開井后，通過現(xiàn)場觸摸屏開展關井作業(yè)試驗，關井作業(yè)命令下發(fā)后，閥門瞬間進行關閥動作，迅速自動完成關井作業(yè)。

3.3.3 遠程智能開關井試驗效果分析 在距離試驗氣井約30 km 的作業(yè)區(qū)監(jiān)控室，對某氣井進行遠程自動開關井，其中6 次試驗數(shù)據(jù)見表2。通過監(jiān)控室監(jiān)控界面設定開井壓力3.50 MPa，高壓保護4.40 MPa，低壓保護0.30 MPa，進行遠程智能開關井試驗。開井命令下發(fā)后5 s 閥門動作，用時50 min 左右可順利自動完成開井作業(yè)。

表2 遠程智能開井試驗數(shù)據(jù)

取開井試驗1 數(shù)據(jù)進行分析，套壓17.37 MPa，油壓17.28 MPa，管壓2.92 MPa，油壓從17.28 MPa 緩慢降至3.27 MPa，閥門開度平穩(wěn)增加，井場下游管線未超壓，管線壓力始終保持在設定開井壓力3.50±0.20 MPa范圍內(nèi)，最高達到3.48 MPa，開井過程平穩(wěn)。氣井溫度最低-28 ℃，因開井時間較短，氣井未出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象。

開井試驗完成后，通過監(jiān)控室監(jiān)控界面開展關井作業(yè)試驗，關井作業(yè)命令下發(fā)后，閥門瞬間進行關閥動作，迅速完成關井作業(yè)。

3.3.4 緊急截斷功能試驗效果分析 現(xiàn)場自動開井試驗完成后，管線壓力保持2.91 MPa，在現(xiàn)場觸摸屏更改壓力保護上限、下限，進行緊急截斷功能試驗。

3.3.4.1 高壓保護測試 修改壓力上限為1.00 MPa，管線壓力高于設置的壓力上限，壓力異常報警，閥門能夠?qū)崿F(xiàn)快速自動關閉。

3.3.4.2 低壓保護測試 修改壓力下限為3.50 MPa，管線壓力高于設置的壓力下限，壓力異常報警，閥門能夠?qū)崿F(xiàn)快速自動關閉。

3.3.5 定時開關井功能試驗效果分析 在人機交互界面可設置開關井時間，實現(xiàn)間歇井智能管理。設定開井時間1 h、關井時間1 h，設定開井壓力3.50 MPa，閥門開度達到100%后，保持開井狀態(tài)，開井1 h 后自動關井，關井1 h 后自動開井。

4 經(jīng)濟與社會效益評價

4.1 建設成本

現(xiàn)井口使用緊急截斷閥、電磁閥單價約6 萬元，后期為實現(xiàn)智能間開，加裝薄膜閥，單價約6.5 萬元，建設成本約12.5 萬元。遠程智能開關井裝置，單價約7.9萬元，若建設初期安裝，可節(jié)約建設成本約4.6 萬元。

4.2 生產(chǎn)成本

現(xiàn)場井口未安裝遠程智能開關井裝置時，需安裝緊急截斷閥及薄膜閥，每臺緊急截斷閥、薄膜閥維護費0.5 萬元/年，一年維護費1 萬元；氣井生產(chǎn)中后期按照優(yōu)化開關井生產(chǎn)制度進行間歇生產(chǎn)，現(xiàn)場井口未安裝遠程智能開關井裝置時，需人工進行現(xiàn)場開關井作業(yè)，人工及車輛費用按每天500 元計算，一年人工及車輛費用預計18.25 萬元，生產(chǎn)成本預計19.25 萬元。

現(xiàn)場安裝遠程智能開關井裝置，每臺維護費0.5萬元/年，若建設初期安裝，實現(xiàn)緊急截斷閥、薄膜閥、針閥三閥合一，每年可節(jié)約維護成本0.5 萬元；氣井生產(chǎn)中后期按照優(yōu)化開關井生產(chǎn)制度進行間歇生產(chǎn)，安裝遠程智能開關井裝置后，不需要人工進行現(xiàn)場開關井作業(yè)，預計每年可節(jié)約人工車輛費用18.25 萬元，預計節(jié)約生產(chǎn)成本18.75 萬元。

4.3 增產(chǎn)收益

安裝遠程智能開關井裝置的氣井生產(chǎn)中后期輔助氣井增產(chǎn)，按照日均增產(chǎn)氣量550 立方米、天然氣價格0.8 元/立方米計算，預計每年可獲收益16.06 萬元。

綜上分析，安裝遠程智能開關井系統(tǒng)在單井建設時期節(jié)約建設成本4.6 萬元，在中后期運行過程中可以降低生產(chǎn)成本，預計降本18.75 萬元；后期輔助氣井生產(chǎn)，增產(chǎn)收益可達16.06 萬元，實現(xiàn)單井降本增效39.41 萬元。

5 結(jié)論及建議

遠程智能開關井技術(shù)不僅可以實現(xiàn)現(xiàn)場手動、自動遠程開關井功能，而且可以實現(xiàn)多壓力等級的遠程智能開關井功能，實現(xiàn)間歇井智能管理功能，緊急截斷功能，滿足氣井全生命周期的生產(chǎn)要求，能有效解決傳統(tǒng)人工開關井方式存在的問題，實現(xiàn)氣井井口的精細化管理，提高井口智能化應用水平，降低員工勞動強度，提高生產(chǎn)效率。同時，在新井建設時期安裝，可以節(jié)約生產(chǎn)成本、建設成本，具有較好的經(jīng)濟及社會效益。建議后期繼續(xù)在不同工況的氣井進行試驗，擴大試驗數(shù)量和規(guī)模，為該技術(shù)的持續(xù)改進和廣泛應用提供更多數(shù)據(jù)依據(jù)和支持。