間開氣井智能化管理系統的研究與應用

古純勇 ，熊婉曦，李志寬，楊立，李靜

（中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦，四川遂寧629000）

目前川中油氣礦共有間開氣井61口，其中含硫氣井9口、非含硫氣井52口，月產氣量655萬方。間開氣井主要存在以下幾個方面的不適應性：①存在一定的安全風險：“點多、線長、面廣”，員工往返開關井存在交通及現場操作安全風險；②人工成本高，綜合效益低：61口間開氣井，平均日耗時間58小時，參與開、關井人數28人，日均占用工作時間的五分之一；③生產制度不合理：每口井開井生產時間及恢復壓力等各不相同，人工開關井無法滿足及時操作，導致了間開井產能得不到充分發揮；④氣井生產變化不能及時調整：依賴人工操作，氣井的工況變化基本靠操作人員的經驗判斷，無法實現精細化調整生產[1]-[2]。

因此，通過工藝信息化升級改造，開展間開氣井智能管理系統技術研究，對于降低員工工作強度和管理難度、節省生產運行成本、增加氣井產量具有重要意義。

1 智能化管理系統總體架構

將生產數據接入開發的智能管理系統，在系統中對數據進行集中處理，通過邏輯算法遠程控制開關井，實現間開井的提質增效。智能間開控制技術總體架構分為感知層、物聯層、數據層、應用層四個層級（圖1）。

圖1 總體架構圖

（1）感知層：主要是通過儀器儀表采集和識別油壓、套壓、輸壓、生產流速、氣體泄漏等參數。

（2）物聯層：主要是將采集的參數信息通過網絡進行傳輸。

（3）數據層：主要是將參數數據進行儲存，并按照算法對數據集中處理。

（4）應用層：主要是將通過算法后的數據轉化為實際應用，與現場結合，達到應用要求。

智能化管理系統主要實現三個方面的內容：

（1）多參數采集器對各項參數如油壓、套壓、輸壓、產氣量等實時采集，并通過有線網絡傳輸到主控器，再由主控器通過無線網絡傳輸到遠程管理系統；

（2）主控器實現數據初步分析、上傳以及與云服務器端數據交互，獲得該氣井的生產狀況并根據實時情況調整開度，執行相應指令。

（3）遠端智能管理軟件分析產地數據，調整氣井運行模式，異常報警并記錄，控制參數設置，繪制氣井油套壓、產氣、產水、生流速的歷史曲線。

2 智能控制閥

通過對比智能流量調節器、氣動薄膜閥、電動針閥三種控制閥的參數和功能（表1）。智能流量調節器集成了井口油套輸壓、井口流速、可燃氣體泄漏監測等傳感器，可實現千分度的調節精度，結構設計可靠，擁有部分基礎控制模式，并支持二次開發，能滿足智能間開技術的感知、計算、決策、執行要求。

智能流量調節器結構（圖2）：主要由驅動模塊、流量調節模塊、閥座三大部分構成。驅動模塊主要提供流量調節動力；流量調節模塊主要實現流體通道面積改變，通過改變流體通過面積的大小來動態調整流量；閥座主要用于設備安裝。

圖2 智能流量調節器結構圖

智能流量調節器工作原理：當智能流量調節器接收到調大開度指令后，驅動模塊中的驅動電機正轉帶動流量調節閥桿上移，隨著閥桿上移，流道通流面積增加，智能流量調節器開度調大；反之，智能流量調節器開度調小。

3 智能化管理系統設計

3.1 物聯方案

設備傳感器通過物聯網連接云平臺，壓力傳感器用于測量油壓、套壓、輸壓；溫度、濕度傳感器測量氣井環境參數；氣體傳感器測量氣井的甲烷含量以及其他氣體；磁傳感器用于測量產氣量，根據其輸出信號計算氣井的產氣量。各傳感器與調節閥以及主控之間通過Modbus協議進行通訊，實時讀取設備狀態，并可以將數據下載到設備的控制器中。當主控收到數據或者請求，通過4G網絡與物聯網平臺通訊，從而實現設備物聯網連接云平臺[3]，示意圖如圖3所示。

圖3 物聯方案示意圖

3.2 智能流量調節器硬件電路設計

根據對調節閥的要求，在硬件電路設計中，選用STM32F407芯片作為控制器展開電路設計，其總體框架如圖4所示。電源模塊增加了防反接、防雷擊、防靜電的功能，時鐘模塊為單片機提供時鐘脈沖信號，同時單片機能控制時鐘電路產生不同頻率的脈沖信號。ADC數模轉換器將傳感器采集的輸出的信號轉換為數字數據存放在存儲器中。電機帶動閥門進行開、關井動作以及開度調節。核心控制器采用STM32系列的STM32407單片機[4]，可以采用C語言、匯編語言等指令進行控制，具有32位計算精度，計算能力更強、計算速度更快。下位機通訊模塊采用RS485差分傳輸，傳輸速率較高且支持多點通信，最多允許連接128個收發器。

圖4 硬件電路設計框圖

3.3 智能開關運行模式

根據氣井調研情況，研究制定了智能時間開關模式、智能多開度模式、智能定壓調節模式、智能臨界攜液流速控制模式等四種運行模式。在不同的氣井生產狀況下會自動匹配最為合適的運行模式，其目的也是將氣井產能實現最大發揮[5]。

（1）智能時間開關模式（圖5）：系統通過輸入續流生產時長、關井復壓時長、執行等待時長三個參數自動進行開關井循環；

圖5 智能時間開關模式

（2）智能多開度模式（圖6）：系統最多可設置6個開度梯度，開度由低到高調整調節器；

圖6 智能多開度模式

（3）智能定壓調節模式（圖7）：以井口油壓與輸壓關系為條件，調節器自動調整保證井口油壓在設置的范圍內；

圖7 智能定壓調節模式

（4）智能臨界攜液流速控制模式（圖8）：以氣井流速高于臨界攜液流速為條件，調節器自動調整保證氣井流速在設置的范圍內。

圖8 智能臨界攜液流速控制模式

3.4 軟件平臺

智能間開管理系統主要由生產情況總覽、生產狀態、數據查詢、生產日報、遠程控制五大部分組成，實現氣井生產狀態實時監控，氣井生產數據查詢，自動生成生產報表，氣井遠程控制等功能，實現間開井生產過程智能化、精細化管理，減少老井生產成本。

（1）總覽：主要顯示總井數、開井數、關井數、異常井數、總產量、日產量、異常報警記錄、各井開關井時間等數據

（2）生產狀態：主要顯示單井實時生產數據及數據推移、閥門開關狀態、調節器開度顯示、單井開關井運行模式以及單井相關資料；

（3）數據查詢：主要顯示開關井記錄、關鍵參數、生成油套壓、生產流速、產水、產氣等歷史曲線圖；

（4）生產日報：自動生成日數據、單井日數據曲線圖及當天操作記錄；

（5）遠程控制：顯示當前運行模式，可對運行模式參數進行調整及設置新的運行模式。

4 應用效果

目前智能化管理系統已在在XX作業區實施應用，共安裝了5口井，最直接的改變是由原來現場操作變為遠程操作，大大的降低了操作人員勞動強度。同時智能化管理系統建立了智能開關井制度，相比原來人工開關制度，解決了生產調節受限于時間地點等問題，以小時為單位進行調節，大大增長了氣井的生產時間，也能實時監測氣井的生產狀態。

通過實施智能化管理系統前后對比，較原來可調減操作人員1人，年節約生產成本14萬元，生產制度優化后5口井月產氣量增加28.48萬方，單井提產31%-104%，預計年增加收益480萬元。

表2 人工開關與智能開關制度對比表

5 結論

間開氣井智能化管理系統經現場應用證明了技術和理論是適應間開氣井生產實際的。通過五種智能控制模式精細的刻畫了所有間開井的生產特征，通過遠程控制，減少了人工開、關井，單口井節約工時1小時/天，通過生產制度優化，提高了氣井產量，單井提產31%-104%，為間開氣井無人值守管理奠定了信息化基礎，具有良好的推廣應用前景。