气井远程控压开关技术在神木气田的探索与试验*

陈晓刚 苗成 何蕾 王敏 薛岗 郑欣 杨光 张昀

1西安长庆科技工程有限公司

2长庆油田分公司第二采气厂

长庆神木气田属低渗透储层，气井压力下降快，产量递减幅度大，稳产阶段短，恢复程度低，气井产水，甚至积液较为严重。为此，通过控制气井压降速率，采用间歇生产，对积液井采取排水采气措施，延长气井自然稳产期，提高外围低渗储量动用程度[1-3]，以避免由于人员安排不及时、错失最佳开关井时间而导致压力下降快及产量递减幅度大的问题[4]。

神木气田采用“井下节流、井间串接、井口紧急截断、中低压集气”的集输工艺模式，地面采气管线设计压力6.3 MPa，开关井作业需要在井口进行。随着气田开发规模的不断扩大，气井数量迅速增长，井场劳动强度大已严重影响其他工作有序进行。目前，气井井口地面管线安装了高低压紧急截断阀，截断阀后为中压管线。由于截断阀不具备远程调压功能，当地面管线压力超出截断阀设定的高压保护压力（3.8 MPa）后截断阀紧急切断，截断阀的恢复只能依靠人工现场进行。

为了充分利用气井产能，实现安全、高效、远程开关井，降低现场劳动强度，提高生产效率及数字化管理水平[5-9]，2019 年在神木气田开展了井口阀门远程控压开关井技术攻关。

1 气井现状

1.1 气井开关井工作量

目前，神木气田投产气井865口，井均日产量0.84×104m3，液气比0.47×10-4。其中自然连续生产井288 口，占气井总数的33.5%；措施连续生产井（速度管柱、柱塞等）165 口，占气井总数的20.8%；泡排+间歇气井合计412口，占气井总数的47.6%。自然连续和措施连续生产井开关井的周期比较长，一般为3～6个月，甚至更长时间，因此措施连续生产井基本无需井口作业。间歇气井制定了明确的气井开关井制度，需要按照该制度定期开关井作业。泡排气井一般通过油管加注泡排剂，有时也从油套环空加注，在加注泡排剂时需要关井，加注30～60 min后开井生产。

从上述数据可以看出，间歇和泡排措施井数合计占气井总数的47.6%，合计产气贡献率为43.6%，是神木气田重要的产量组成部分，而这部分产气量需要进行大量开关井作业才能实现。神木气田全年开关井工作量为92 749井次，间歇和泡排开关井工作量合计为91 620井次（停产检修等非计划开关井作业未统计在内），具体数据详见表1。

1.2 远程开关井控制

1.2.1 控制原理

目前，神木气田远程开关井采取的方式是在井口安装具有紧急切断功能的电磁阀，可实现远程开关，也可以作为气井井口的高低压保护装置。

表1 神木气田气井生产类型及开关井工作量统计Tab.1 Statistics of gas well production type and its startup&shut down workload in Shenmu Gas Field

气井井口电磁阀主要由阀体、阀盖、主阀芯、压力弹簧和电磁头组成[10]。电磁阀是用电磁效应控制阀门开关的，控制方式由继电器执行。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，其控制的精度和灵活性都能保证，电磁阀本身结构简单，价格也低，比调节阀等其他各种执行机构更易于安装维护。电磁阀响应时间可以短至几毫秒至几十毫秒之内，由于自成回路，比其他自控阀反应更灵敏；电磁阀线圈功耗低，只有在触发的时候才动作，并自动保持阀位，平时不耗电。电磁阀压力传感器采集节流阀前压力值，通过控制软件比对，当压力高于用户设定的高限值（3.8 MPa）或低于用户设定的低限值（0.6 MPa）时，输出点D01 触发，电磁头闭合线圈得电，电磁阀关闭。

1.2.2 局限性

（1）开关状态。电磁阀由于阀体为两位式阀门，阀芯只能处于两个极限位置（全开和全关），阀门开度没有中间状态，调节精度还受到一定限制。目前，神木气田气井平均套压为7.8 MPa，尚有相当一部分气井无法实现远程控压开关井，需要在井口进行人工开井作业，或者现场手动开启电磁阀。

安装电磁阀的气井中套压小于3.8 MPa 的低压气井可以实现远程开关，无需到现场作业。当气井套压大于3.8 MPa 时，通过关井复压，因在开井瞬间释放出了大量从近井地带流入并聚集在井底的天然气，可能导致油压超过电磁阀高压保护压力，从而使电磁阀启动高压保护功能，尚未全开就自行关闭。气井套压越高，关井复压后电磁阀开启越困难。

（2）气质洁净度。电磁阀对介质洁净度有较高要求，含颗粒状的介质不适用。由于该阀安装于气井井口，神木气田的天然气在站内设置分离器进行初步分离，脱除各类机械杂质和大于5 μm 的液滴，而井口产出的天然气未经分离，通常含有较多的杂质（压裂砂、井筒岩屑等），长期开关容易造成密封面失效或者阀体堵塞，维护工作量大[11]。

1.3 远程控制运行情况

神木气田井口电磁阀由于阀门介质机械杂质多、井场馈电、无线通信信号较弱等因素导致部分阀门远程控制率较低。通过开展阀体专项维护、供电系统扩容、补充无线传输方式，较好地提升了井口截断阀运行效果，而对于套压较高的气井，远控成功率并没有明显改善。在应用中还发现，数据的传输不稳定导致的数据飘移和跳变也会导致电磁阀无法正常开启，影响气井生产。

神木气田电磁阀远程控制运行现状具体情况见表2。

表2 神木气田电磁阀远程控制运行现状Tab.2 Running status of solenoid valve remote control in Shenmu Gas Field

2 气井井口远程控压开关技术

2.1 试验设计思路

高压气井主要是由于井筒积液或者气井尚有较高的产能所致。通过核产发现，神木气田泡排+间歇气井（412口）中尚有较高生产能力的气井比例在65%以上（273口），这部分气井在关井恢复压力一段时间后，油管压力上升较快，造成电磁阀无法正常远程开启[12]。本次试验的目的是针对气井套压大于3.8 MPa 的间歇、泡排气井，解决由于井口参数变化不稳定造成的无法正常开井的问题，实现安全平稳地远程控压开关井作业。技术人员通过远程控压开关井、分析参数、修改开井制度，最终实现实时监控气井生产状态，制定最佳的开关井生产制度，降低井口开关井工作量，提升了气田数字化管理水平。

设计思路：①开关井控制系统将井口油压、套压、节流后压力、流量计和高低压紧急截断阀等相关信号采集处理[13]；②模拟人工开关井过程，阀门开度调节可控，实现远程控压开关井；③阀门独立供电，以太阳能板+蓄电池为动力来源，降低井场用电能耗；④井口数据通信采用有线传输方式，主要采用两线制RS485 接口和标准的Modbus for RTU协议，从而尽可能地减少井口的线缆铺设及设备功耗[14]；⑤依托神木气田LTE230 电台自建网络实现数据上传，避免传输及控制受到运营商信号的限制[15]。气井远程控压开关阀门及井场数据采集点示意图见图1。

图1 气井远程控压开关阀门及井场数据采集点示意图Fig.1 Schematic diagram of gas well remote pressure control start-up and shut-domn valve and data acquisition site

2.2 远程控压开井技术原理

电动阀门由阀门和电动执行机构组成，可分为两部分，上半部分为执行机构，下半部分为阀门。用电动执行机构来控制阀门，执行机构可以接收运行人员或自动装置的命令，远程截断或调节管道中的介质流量，电动机构和阀门本身都是独立的部件。

阀芯可以分开度调节，每开一次0.05%，回落一次1%，且可以固定保持在某一开度。采集阀前油管压力pt、套管压力pc、阀后的管压pa及流量等参数，并连锁高低压紧急截断阀，对采集的参数进行判断、对比和计算，通过控制阀门开度来控制流通面积变化，进而控制pa的变化。整个开井过程中保证管压始终控制在紧急截断阀设定的超压保护压力以下，实现平稳地远程控压开井[16-18]。

阀门动作判断依据为：当pa介于pbx和pbs之间时，判断为开井；当pa≤0.95ps时，执行开井动作；当0.95ps＜pa≤1.1ps时，阀门停止动作，等待10 s 后进行下一次判断；当pa＞1.1ps时，阀门回落；pa≥pbs，立即关井；当pt≤ps时，快速开井。其中：pa为地面管线压力，即管压，MPa；ps为设定压力，一般为85%～90%pbs，MPa；pt为油管压力，MPa；pc为套管压力，MPa；pbs为外输管道紧急截断阀设定的超压保护压力，MPa；pbx为外输管道紧急截断阀设定的欠压保护压力，MPa。

气井远程控压开关井程序流程框图见图2。

图2 气井远程控压开关井程序流程框图Fig.2 Flow block diagram of remote pressure control start-up and shut-down well program

3 井口远程控压开关井试验

3.1 阀门选型

普通针阀受创面比球阀小，流道腔室较小，存在节流效应；球阀具有直通型流道流动性好的性能，也可用于改变流体流向、调节流体流量，但由于密封面较大，有受损概率高的缺点；截止阀不具备调节功能，只能全开全关。神木气田常用的井口调节阀主要为针阀，球阀和截止阀由于结构及功能上的缺陷，未在气田井口使用。

球阀和针阀种类较多，每种阀门根据密封面的不同又可以分为不同的结构类型，现场共调研3种阀门：①L 型针阀，具有锥形阀芯、L 型流道、受介质冲刷量较小、密封性好、固体颗粒不易存留、流动性好等优点；②V 型球阀，采用环形面+半球密封，阀体具有自清洗功能，转动不与阀座接触，扭矩小，直通型流道流动性好；③L型球阀，密封性特点与球阀基本相同，流动性比普通球阀更好，更便于流量调节。

L型结构可以有效避免低温节流冻堵以及阀体损伤密封性能；而V型结构具有扭矩小的特点，且其结构特点不利于机械杂质的残留和聚集，对密封面的损伤小。由于天然气井压力高，且阀门必须保证长时间稳定使用，本次试验分别选取了L型针阀和V型球阀进行试验（表3）。

表3 阀门性能对比Tab.3 Performance comparison of valves

3.2 试验选井

本次计划开展10 口气井的试验，选井的范围为泡排和间歇生产中套压相对较高的部分气井。选取1～2口投产时间较短的气井，检验阀门在较高套压条件下（pc≥15 MPa）是否能正常开启气井，并选取1～2口低套压气井做比对，全部气井均未安装电磁阀，以提升气井远程控制比例。

试验选井共计10口，其中7口气井安装电动针阀（泡排6口，间歇1口）、3口气井安装电动球阀（泡排1 口，间歇2 口）。经计算，试验井累计年开关井工作量为2 051井次，平均套压9.8 MPa，套压超过15 MPa的气井共3口，全部为泡排气井。

4 应用效果评价

4.1 电动L型针阀

试验井为神-X 站的双-1 井，已安装井下节流器，配产1.2×104m3/d，开阀前油压11.76 MPa，阀后压力3.56 MPa，开阀压力设定3.8 MPa，高压保护压力4.5 MPa，低压保护压力0.5 MPa。测试结果表明：该井阀门前后压差较大，阀门开启用时约31 min，PID 调节过程满足开井需求，未发生超过截断阀高压保护压力自动关井的情况，实现了远程控压开井，气井平均增产0.15×104m3/d（图3）。

4.2 电动V型球阀

试验井为神-X 站的双-2 井，已安装井下节流器，配产0.2×104m3/d，开阀前油压3.12 MPa，阀后压力1.78 MPa，开阀压力设定2.5 MPa，高压保护压力4.5 MPa，低压保护压力0.5 MPa。测试结果表明：该井阀门前后压差较小，阀门开启仅用时约5 min，PID调节过程满足开井需求，实现了远程控压开井，气井平均增产0.10×104m3/d（图4）。

图3 电动L型针阀远程控压开井曲线Fig.3 Remote pressure control well start-up curve of electric L-type needle valve

图4 电动V型球阀远程控压开井曲线Fig.4 Remote pressure control well start-up curve of electric V-type ball valve

4.3 综合对比

根据10 口气井的试验情况，两种电动阀都可以实现远程控压开关井，开关井的时间一般由气井油套压大小决定，即油压pc大小而定，pc越大开关井时间约长，pc越小开关井时间越短。电动L型针阀最大试验关井压力为14.5 MPa，电动V型球阀最大试验关井压力为12.1 MPa，都可以实现pt远高于pbs时（pt-pbs≥10 MPa）的远程控压开关井。

超压保护功能方面，电动L型针阀关阀依靠弹簧复位，时间约5～6 s，基本可以满足保护需求，电动V型球阀阀门关闭时间约15 s，超压保护功能正常，但无法满足快速截断气井井口的时间要求，欠压保护功能均未测试。两种阀门的综合对比见表4。其中电动L 型针阀便于密封，能有效减少阀芯磨损，阀门开关迅速，但耗电量较大；而电动V型球阀较针阀扭矩小，易操作，供电电压较小，但开关时间较长，紧急截断较慢。

表4 两种阀门的综合对比Tab.4 Comprehensive comparison of two kinds of valve

4.4 技术经济评价

10 口试验气井全年累计开关井2 051 次，单口气井井口改造投资9 万元（设备8 万元，安装及人工费用1万元）。按单次开关井费用120元计算，天然气价按1元/m3（标况）计算，气井全年开井生产350 d，开井时率40%，井均增产1 350×104m3/d。技术经济评价如下：①设备改造投资90 万元；②增产气量创收189 万元，节约人工费用24.61 万元；③安装当年技术经济效益123.61万元；④安装后每年技术经济效益（不计算气量递减）213.61万元。

5 结论及认识

（1）对神木气田未安装电磁阀的气井进行了改造，用具有远程开关功能的针阀、球阀替换井口原有针阀，并将阀后机械式压力表更换为压力变送器，由阀门主控单元采集数据，与井口RTU 的RS485总线进行通信。通过选取采用泡排、间歇制度生产的10 口气井进行现场试验，两种阀门均可以实现远程控压开关井、高压保护、远程设置参数等三大功能，还可以实现大压差气井（Δp=pt-pbs≥10 MPa）的控压开关井，既可满足气田安全生产的需求，又达到了试验的目的。

（2）两种电动阀门依靠电动机驱动阀体动作，在试验过程中电动机未发生馈电现象，阀门在紧急状态下的关闭时间较长，需要配合高低压紧急截断阀使用。该阀门适用范围较广，适用在神木气田不含硫化氢、中低压集气工艺模式、日照条件较好的环境中应用。

（3）通过试验，将传统的井口开关井作业转变为中控室远程操作的方式，在增产气量和节约人工操作成本两方面创效213.61万元，达到降低员工劳动强度、提升作业效率的目的，具有良好的经济、社会效益，具有在神木气田推广应用的价值。