智能調(diào)節(jié)型針閥的研制及現(xiàn)場應(yīng)用

劉金超，王 璐，豆彬龍，龐磊磊，柴崇軍

（西安海智機電設(shè)備有限公司，陜西西安 710018）

0 引言

隨著蘇里格氣田氣井?dāng)?shù)量的逐年攀升，氣井的日常開、關(guān)井作業(yè)量逐年增多，特別是間歇式產(chǎn)氣井的增加，開、關(guān)井工作量明顯增大，同時集氣站、天然氣處理廠的停產(chǎn)檢修，也會導(dǎo)致大批量的氣井同時需要關(guān)井和開井操作。采用傳統(tǒng)的派工作人員上井手動操作調(diào)節(jié)針閥，來實現(xiàn)開、關(guān)井的作業(yè)方式，顯得尤為費事，既耗費人力、物力，又耗費時間，不符合目前氣田數(shù)字化建設(shè)的需要，不便于井場后期遠程調(diào)產(chǎn)和無人值守的數(shù)字化建設(shè)需求。

因此，需要一種可以實現(xiàn)遠程高壓模擬人工開關(guān)井的設(shè)備，以減少時間、人員和物力的投入，方便氣田的數(shù)字化生產(chǎn)作業(yè)管理。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能調(diào)節(jié)型針閥系統(tǒng)主要由智能井口管理單元、電動執(zhí)行機構(gòu)、可調(diào)節(jié)式針閥、太陽能供電系統(tǒng)組成。通過智能井口管理單元將采集上來的油壓、套壓、流量、截斷閥開關(guān)狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析判斷，模擬人工開、關(guān)井的操作流程，實現(xiàn)遠程智能高壓開、關(guān)井的功能?？刂破魃项A(yù)留與電臺通信的接口，將井口數(shù)據(jù)和閥位信息上傳到上位機平臺。

2 主要功能特點及技術(shù)參數(shù)

2.1 主要功能特點

（1）開井流程：當(dāng)智能井口管理單元接收到由上位機發(fā)來的開井命令時，電動執(zhí)行器執(zhí)行開閥命令，同時判斷井口外輸管線壓力，當(dāng)外輸壓力達到設(shè)定范圍后，則閥門暫停，隨后根據(jù)下游壓力值，逐漸調(diào)節(jié)閥門開度，實現(xiàn)井口模擬人工開井過程。

（2）關(guān)井流程：當(dāng)智能井口管理單元接收到由上位機發(fā)來的關(guān)井命令時，電動執(zhí)行器執(zhí)行關(guān)閥命令，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，直到調(diào)節(jié)閥完全關(guān)到位為止，實現(xiàn)井口的模擬人工關(guān)井過程。

（3）智能判斷關(guān)井流程：當(dāng)智能井口管理單元判斷到井口管線壓力超出范圍后，則自動發(fā)起緊急關(guān)井命令，同步發(fā)送關(guān)井命令給電動執(zhí)行控制器，實現(xiàn)井口自動緊急關(guān)井過程。

（4）電動控制方式和機械控制方式：有就地按鍵控制及遠程通信控制等多種控制方式，保證閥體操作的靈活性，在掉電或緊急情況下也可以通過機械手輪操作來實現(xiàn)對節(jié)流閥的開、關(guān)以及開度的調(diào)節(jié)。

（5）兩種閥位狀態(tài)顯示，設(shè)備除了電子閥位顯示外，還設(shè)計有機械閥位指示功能，保證在掉電或緊急情況下可以通過機械指針準(zhǔn)確判斷節(jié)流閥的開、關(guān)位置。

2.2 智能控制特點

通過預(yù)留的遠傳RS-485 通信接口，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)MODBUSRTU 通信協(xié)議，其智能控制主要是通過“通信ID”“設(shè)定壓力”“上限壓力”以及“下限壓力”等參數(shù)對閥門進行自動控制。

在開井過程中，根據(jù)閥后壓力自動PID 調(diào)節(jié)閥門開度，實現(xiàn)平穩(wěn)緩慢開井的過程，當(dāng)閥門實現(xiàn)全開或全關(guān)之后則退出PID調(diào)節(jié)作用。同時設(shè)備的高/低壓保護機制一直生效（圖1、圖2）。

圖1 定壓實現(xiàn)控制邏輯

圖2 高/低壓保護邏輯

2.3 技術(shù)參數(shù)

智能調(diào)節(jié)型針閥系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 室內(nèi)功能測試及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 室內(nèi)功能測試

（1）實現(xiàn)“自動判斷”“高壓”平穩(wěn)開、關(guān)井功能。

（2）具有電氣控制和手動機械操控兩種方式。

（3）機械、電氣雙閥位狀態(tài)顯示功能。

（4）自帶智能井口控制單元，可獨立完成現(xiàn)場各項數(shù)據(jù)采集與操作。

（5）產(chǎn)品具有故障自檢功能。

（6）產(chǎn)品耐高壓，閥芯為硬質(zhì)合金材料，抗腐蝕。

（7）具備防水、防沙功能。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

智能調(diào)節(jié)型針閥既可以現(xiàn)場手動和自動控制，也可以遠程人工和自動控制，實現(xiàn)了智能全自動控制（圖3）。

圖3 遠程控制示意

（1）現(xiàn)場測試。根據(jù)現(xiàn)場井況設(shè)置上下游壓力，控制系統(tǒng)根據(jù)壓力值自動調(diào)節(jié)閥門開度大小，智能調(diào)節(jié)型針閥動作靈活可靠視為正常，連續(xù)響應(yīng)3 次視為合格。

（2）遠程測試：①通過遠控平臺輸入智能調(diào)節(jié)型針閥開度百分比，智能調(diào)節(jié)型針閥作出正確響應(yīng)視為正常，連續(xù)響應(yīng)3 次視為合格；②遠程控制調(diào)試前，必須確保數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已調(diào)試完畢。

3.3 高壓自動開井測試

首先進行關(guān)井，待壓力達到一定值后，將智能調(diào)節(jié)型針閥調(diào)試到自動狀態(tài)，智能調(diào)節(jié)型針閥會根據(jù)上下游壓力自動調(diào)節(jié)閥門開度，在保證下游管線不超壓的情況下，隨著上游壓力的降低閥門開度會逐漸增大，起到節(jié)流減壓作用，實現(xiàn)自動高壓開井功能（圖4）。

圖4 某井開井曲線

圖4 中的曲線為某2 井的一個開井過程，可見該井上游壓力最大為5.13 MPa，隨著下游壓力的上升，上游壓力逐漸下降，閥門的開度也隨之增大，整個開閥過程用時約4 min，平穩(wěn)過渡，效果理想（圖5）。

圖5 安裝現(xiàn)場

4 結(jié)論

智能調(diào)節(jié)型針閥主要用于解決“井下節(jié)流、中低壓集輸”工藝氣田高壓氣井的遠程開、關(guān)井作業(yè)及低滲氣田高壓間歇氣井的生產(chǎn)管理等技術(shù)難題，著力提升氣田的管理水平和管理效率。

智能調(diào)節(jié)型針閥通過采集上、下游壓力值來控制閥門開度，在確保下游管線安全壓力值內(nèi)調(diào)節(jié)閥門開度大小，解決遠程或現(xiàn)場自動高壓開關(guān)井問題，也適用于間歇式產(chǎn)氣井的自動化生產(chǎn)管理。另外集成有智能井口管理功能，減少了數(shù)字化井口數(shù)據(jù)維護的工作量，降低了井口工作人員手動高壓開井的操作風(fēng)險，從而進一步完善了氣田數(shù)字化管理應(yīng)用中閥門的種類，對拓寬新的氣田數(shù)字化設(shè)備，具有一定的應(yīng)用價值。同時提高天然氣井的利用率，節(jié)約生產(chǎn)運行成本，經(jīng)濟效益明顯。