天然气井井口远程智能开关技术

杨婧翌，苏 容，李晓方，杨 杰，杜 艳，张雄兵

（中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗 017300）

随着气田开发年限的增长，气田单井数量逐年攀升，且气井分布不均，点多面广，传统模式下主要依靠人工进行现场开关井操作，存在以下四点问题：（1）高压天然气井的开井作业需要长时间驻守，开井时间较长，且人工开井难以精确控制针阀开度[1]；（2）中、低压天然气井对间歇生产制度精准执行要求较高，及时开关井对气井产能的发挥起着至关重要的作用，传统人工开关井模式工作量大、人力成本较高、气井管理效率低下[2]；（3）随着低产低效井和间歇生产井逐年增多，开关井作业将会越来越频繁[3]；（4）集气站停产检修期间需要大规模对气井进行开关井作业程序，繁重的开关井操作任务与作业区人力资源短缺形成制约气田开发的矛盾之一。

因此，有必要对传统人工开关井模式进行优化和改进，充分利用物联网技术，实现满足气井全生命周期生产需要的远程智能开关井功能[4-6]，既缓解了员工劳动强度，减少现场人为操作环节，提升控制速度和控制精度，提高工作效率，又确保了生产运行过程的安全性、稳定性和可靠性，加快苏里格气田数字化转型升级，提高井口智能化应用水平。

1 远程智能开关井系统工作原理

远程智能开关井系统由控制器、传动系统、远程智能开关井装置组成。通过测量、调节输出流量，达到稳定管线压力的目的。具有定压开井、高低压自保护及间歇井智能管理功能，控制系统见图1。

图1 远程智能开关井控制系统

正常工作情况下，系统持续监控套压、油压、管压和流量计的参数，系统将控制器采集到的压力信号和已经设定的压力信号进行运算、对比，根据运算、对比后的数据形成控制信号，远程智能开关井装置按照系统的控制信号自动改变阀门开度，从而实现对流量、压力等工艺参数的调节、控制，实现仿人工开关井作业[7-10]；设定高低压保护值可实现紧急截断功能，当气井生产过程中出现异常情况时，会自动发出报警，并在15 s内完成快速截断，从而确保下游管输系统的安全[11-16]。

2 远程智能开关井系统组成

远程智能开关井系统由智能井口控制器、阀门开度控制传感器、紧急截断阀、油套压变送器、管压变送器、流量计等设备组成。分为五个主要模块：控制模块、通讯模块、数据采集模块、调节模块、人机交互模块。

2.1 控制模块

控制器作为本系统的核心部分，具有数据采集、处理、传输及自动控制的功能。持续采集井口压力、温度、流量、阀门开度等数据，同时，不断对比管压与设定开井压力的差值，若差值较大，则调节阀内节流件开度，使管压始终保持在设定开井压力±0.20 MPa 范围内，实现远程智能开井。

控制器选用8 路模拟量输入、4 路模拟量输出、8路数字量输入、8 路数字量输出，支持所有标准的Modbus 设备联机通讯，支持RS485、RS232 接口的PLC，满足井口数据采集及调控需求。

2.2 通讯模块

现场控制器通过RS485 通讯协议采集阀门开度、井口压力、井口流量等数据，再通过4G 通信模块、4G APN 专用网络将数据传至上位监控系统（图2）。

图2 信号传输示意图

2.3 数据采集模块

油套压变送器、管压变送器、流量计所监测的压力、流量瞬时信号作为开关井过程中系统状态的判断依据，该系统通过采集采气树上原有压力检测传感器，如阀后管线压力、管线流量，通过通讯模块将数据传至上位机，并根据油、套管实时压力设定自动开井和关井压力，实现井口自动开关。

2.4 调节模块

调节模块为远程智能开关井装置。装置采用球形结构，能够按照系统的控制信号自动改变阀内节流件开口的大小，即改变节流件和密封件间的流通面积，从而实现对介质流量、压力等工艺参数的调节、控制。

2.5 人机交互模块

人机交互模块分为现场人机交互模块控制和远程人机交互模块控制，现场可通过触摸式显示屏进行现场开关井控制，点击开井/关井，远程智能开关井装置自动开井，触摸屏上会显示开关井过程中及完成后的压力、阀门开度、开关井时间阀门开度等参数。

通过搭建的智能化物联网平台可在作业区监控中心进行远程开关井控制，读取井场所有设备信息，如油压、套压等参数。平台上分显示界面、远程操作界面、参数设置界面及报警界面等界面，能够系统的展现出气井井口的实时运行状况。

3 试验效果分析

3.1 试验井概况

2021 年6 月到2021 年10 月，在某区块某气井开展试验，该井于2018 年投产，关井套压最高21.32 MPa，关井油压恢复较快，符合试验要求。现场拆除试验井原有手动针阀，改装远程智能开关井装置。

3.2 试验内容概述

主要开展了以下5 项试验：

3.2.1 现场手动开关井试验 转动手动摇柄进行手动开关井作业，确保开井过程下游管线不超压，记录油套压、管压、流量、阀门开度，确保平稳关井。

3.2.2 现场自动开关井试验 通过现场人机交互模块设定开井压力，进行现场自动开关井试验，确保开井过程下游管线不超压，记录油套压、管压、流量、阀门开度，确保平稳关井。

3.2.3 远程智能开关井试验 在距离试验井约30 km的中控室进行远程开关井试验，通过中控室人机交互界面设定开井压力，进行远程智能开井作业，确保开井过程下游管线不超压，记录油套压、管压、流量、阀门开度，确保平稳关井。

3.2.4 紧急截断功能试验 通过现场或中控室人机交互界面设定压力保护上限、下限，进行紧急截断功能试验。

3.2.5 定时开关井功能试验 通过现场或中控室人机交互界面设定开关井间隔时间，进行定时开关井功能试验。

3.3 试验效果分析

3.3.1 现场手动开关井试验效果分析 运用远程智能开关井装置对某气井开展了现场手动开关井试验，通过转动装置手动摇柄进行手动开关井作业，现场开关井操作平稳。与传统针阀相比，该装置具有省力、操作简单、阀门开度可视等特点。

3.3.2 现场自动开关井试验效果分析 通过现场触摸屏对某气井开展现场自动开关井试验，试验数据见表1。通过现场触摸屏设定开井压力3.50 MPa，高压保护4.40 MPa，低压保护0.30 MPa，进行现场自动开井试验。开井命令下发后阀门瞬间动作，用时50 min 左右可顺利自动完成开井作业。

表1 现场自动开井试验数据

取现场自动开井试验1 数据进行分析，油压从17.37 MPa 缓慢降至3.82 MPa，阀门开度平稳增加，井场下游管线未超压，管线压力始终保持在设定开井压力3.50±0.20 MPa 范围内，最高达到3.51 MPa，开井过程平稳。开井温度最低-25 ℃，因开井时间较短，气井未出现冻堵现象。开井后，通过现场触摸屏开展关井作业试验，关井作业命令下发后，阀门瞬间进行关阀动作，迅速自动完成关井作业。

3.3.3 远程智能开关井试验效果分析 在距离试验气井约30 km 的作业区监控室，对某气井进行远程自动开关井，其中6 次试验数据见表2。通过监控室监控界面设定开井压力3.50 MPa，高压保护4.40 MPa，低压保护0.30 MPa，进行远程智能开关井试验。开井命令下发后5 s 阀门动作，用时50 min 左右可顺利自动完成开井作业。

表2 远程智能开井试验数据

取开井试验1 数据进行分析，套压17.37 MPa，油压17.28 MPa，管压2.92 MPa，油压从17.28 MPa 缓慢降至3.27 MPa，阀门开度平稳增加，井场下游管线未超压，管线压力始终保持在设定开井压力3.50±0.20 MPa范围内，最高达到3.48 MPa，开井过程平稳。气井温度最低-28 ℃，因开井时间较短，气井未出现冻堵现象。

开井试验完成后，通过监控室监控界面开展关井作业试验，关井作业命令下发后，阀门瞬间进行关阀动作，迅速完成关井作业。

3.3.4 紧急截断功能试验效果分析 现场自动开井试验完成后，管线压力保持2.91 MPa，在现场触摸屏更改压力保护上限、下限，进行紧急截断功能试验。

3.3.4.1 高压保护测试 修改压力上限为1.00 MPa，管线压力高于设置的压力上限，压力异常报警，阀门能够实现快速自动关闭。

3.3.4.2 低压保护测试 修改压力下限为3.50 MPa，管线压力高于设置的压力下限，压力异常报警，阀门能够实现快速自动关闭。

3.3.5 定时开关井功能试验效果分析 在人机交互界面可设置开关井时间，实现间歇井智能管理。设定开井时间1 h、关井时间1 h，设定开井压力3.50 MPa，阀门开度达到100%后，保持开井状态，开井1 h 后自动关井，关井1 h 后自动开井。

4 经济与社会效益评价

4.1 建设成本

现井口使用紧急截断阀、电磁阀单价约6 万元，后期为实现智能间开，加装薄膜阀，单价约6.5 万元，建设成本约12.5 万元。远程智能开关井装置，单价约7.9万元，若建设初期安装，可节约建设成本约4.6 万元。

4.2 生产成本

现场井口未安装远程智能开关井装置时，需安装紧急截断阀及薄膜阀，每台紧急截断阀、薄膜阀维护费0.5 万元/年，一年维护费1 万元；气井生产中后期按照优化开关井生产制度进行间歇生产，现场井口未安装远程智能开关井装置时，需人工进行现场开关井作业，人工及车辆费用按每天500 元计算，一年人工及车辆费用预计18.25 万元，生产成本预计19.25 万元。

现场安装远程智能开关井装置，每台维护费0.5万元/年，若建设初期安装，实现紧急截断阀、薄膜阀、针阀三阀合一，每年可节约维护成本0.5 万元；气井生产中后期按照优化开关井生产制度进行间歇生产，安装远程智能开关井装置后，不需要人工进行现场开关井作业，预计每年可节约人工车辆费用18.25 万元，预计节约生产成本18.75 万元。

4.3 增产收益

安装远程智能开关井装置的气井生产中后期辅助气井增产，按照日均增产气量550 立方米、天然气价格0.8 元/立方米计算，预计每年可获收益16.06 万元。

综上分析，安装远程智能开关井系统在单井建设时期节约建设成本4.6 万元，在中后期运行过程中可以降低生产成本，预计降本18.75 万元；后期辅助气井生产，增产收益可达16.06 万元，实现单井降本增效39.41 万元。

5 结论及建议

远程智能开关井技术不仅可以实现现场手动、自动远程开关井功能，而且可以实现多压力等级的远程智能开关井功能，实现间歇井智能管理功能，紧急截断功能，满足气井全生命周期的生产要求，能有效解决传统人工开关井方式存在的问题，实现气井井口的精细化管理，提高井口智能化应用水平，降低员工劳动强度，提高生产效率。同时，在新井建设时期安装，可以节约生产成本、建设成本，具有较好的经济及社会效益。建议后期继续在不同工况的气井进行试验，扩大试验数量和规模，为该技术的持续改进和广泛应用提供更多数据依据和支持。