智能仿真开关井装置研究及应用

2021-03-16李泽亮马骞刘炳森彭清明贺吉庆王小勇

石油工业技术监督 2021年2期

李泽亮，马骞，刘炳森，彭清明，贺吉庆，王小勇

中国石油长庆油田苏里格南作业分公司（陕西西安 710018）

截至2020 年8 月，苏里格南作业分公司作业二区累计投产气井310 口，日均开井180 口，平均单井产量 1.44×104m3/d，平均累产 1 641×104m3。区内部分气井已进入低产积液阶段，积液井主要依靠压恢措施实现增产。同时气井随生产时间延长产能逐步降低、远井带供给范围受限和积液量增加，压力恢复效果逐渐变差。且区内生产气井以88.9 mm（3.5"）套管作为生产管柱自喷生产，无环空大生产管柱气井临界携液流量较高，气井积液早。由于人工开关井的局限性，压恢措施不能根据生产动态进行及时有效的实施，为提高气井排水和生产效率，降低员工劳动强度，以现有井口设备为主，增加动力传动机构与远程控制设备，实现传动机构与井口针阀联动，模拟人工现场开关井作业。

1 智能仿真开关井装置机械结构

常用电动阀门执行器通过远端控制信号与阀门动作位置反馈信号之间的偏差，由执行器控制单元进行逻辑判断，控制电动机正转或反转，驱动执行机构输出位移（直线位移、角位移），实现阀门开关调节[1-2]，智能仿真开关井装置是一种类电动执行器装置，其机械结构设计直接决定了装置的核心功能以及能够达到的性能指标[3-4]。

1.1 机械传动原理

由电机输入动力，通过电机齿轮带动推力轴承及扭矩限制器旋转，通过连接叉带动花键轴旋转（扭矩限制器通过槽轮与连接叉连动），通过花键轴带动小齿轮，由小齿轮传动至针阀阀杆齿轮，从而驱动针阀阀杆旋转实现阀门开关，如图1所示。

图1 主传动系统结构示意图

1.2 电功率计算

使用直流无刷电机并采用高传动比来实现装置运行，以克服24 V 弱电作动力电源的困难[5-6]，主要规格参数见表1。

表1 智能仿真开关井装置规格型号及参数

根据式（1）分别计算各型号装置电机功率：

式中：P为电机功率，kW；T为输出力矩，N·m；n为电机额定转速，r/min；η为传动效率；i为传动比。

ACJK-01 型功率约85 W，额定电流3.5 A；ACJK-02 型功率约60 W，额定电流2.5 A。选取低转速、大扭矩、高传动比的ACJK-02 型配套传动装置进行测试。

1.3 装置总装及测试

将驱动电机、离合装置、齿轮传动装置、角位传感器、智能控制器以及防爆装置外壳组装为主控传动部分，将主传动齿轮与针阀阀杆连接，使用装置固定螺栓与针阀连接固定，通过齿轮传动装置驱动针阀动作，并通过井口RTU 接入24 V 直流电源及RS485信号（图2）。

图2 装置总装结构图

总装完成后，2018 年3 月4 日首次在井口进行现场测试实验，实验井号SN0024-14，产品型号ACJK，环境温度14 ℃，测试结果见表2。

现场测得其可以使用（24±2）V 直流电源工作，电机启动时的最大工作电流为1.8 A，能够克服14MPa以下的背压打开针阀。

表2 现场总装测试结果

2 智能仿真开关井装置控制系统

装置的控制系统决定了执行器的智能化程度[7-8]，主程序是整个控制系统的核心，主要完成系统初始化、自我检测、工作模式选择、调用电机控制程序、调用系统保护程序和参数设置程序等[9-10]。装置系统软件主要涉及：系统初始化、系统保护、电机控制、串口通信、数据读取、人机交互和控制模式7个方面内容，如图3所示。

智能仿真开关井装置自动系统框架搭建时在控制模式下增添了自定义模式，以方便在使用过程中根据现场气井管理模式进行相应调整。

图3 系统软件框图

2.1 电机控制程序设计

随着可编程序控制器的广泛应用，PLC 已普遍用于电动机的运行控制[11]，智能仿真开关井装置采用PLC 对原有的继电接触控制系统进行改造和设计新的控制系统，电机控制系统设计如图4所示。

图4 电机控制总流程

智能仿真开关井装置电机通过位置编码器与给定信号的比较控制电机执行正转、反转及停机命令。同时电机控制程序受三级仿真系统保护程序约束。

2.2 安全保护机制

2.2.1 过流、过载保护

为防止电机负载过大或线路电流过高造成的电机及线路故障，在控制器中通过对电机电流进行限值设定，防止电流超过额定值[12-13]。主控内容：

1）给定电流阈值，现场设置为3 A，电流超过阈值后控制器停止驱动电机。

2）给定电流过大停止驱动，距下次驱动时间间隔现场设置为20 s，当单次电机电流超阈值后设定时间，再次尝试启动电机。

3）给定电机电流超阈值后重启次数，现场设置为3次，即尝试重启3次后停机报错。

2.2.2 扭矩保护

为防止机械损坏，避免停机损失，采用推力轴承结合弹簧负荷式过载保护装置（图5）。在机器负载震动，超载或机械故障而致所需扭力超过设定值时，以滑动方式限制传动系统间的扭力传动，而于超载情形消失后自动啮合，不需再设定。

图5 装置离合部分及扭矩保护部分结构示意图

扭力限制器以槽轮作为中心构件，由弹簧负荷式摩擦表面夹紧，以螺帽螺栓调整弹簧力，即预设限制器的滑动扭力。由负荷条件及强度设计决定滑动扭力的预设值，装置电路部分存在电机过流保护设置，因此将扭力限制器作为二级保护措施，即限制器滑动扭力设定为电机额定扭力的1.1～1.5倍。

根据图5，扭矩限制器安装在传动部分一级减速及二级减速装置之间，根据过流保护设定（限流为3 A），通过式（2）可得，其最大工作功率为72 W。

式中：Pmax为最大工作功率，kW；U额定为额定电压，V；Imax为保护电流，A。

再通过式（1）可得对应结构的扭矩限定值，保护电流设定下的电机最大转矩为0.67 N·m，对应的一级减速后最高工作扭矩为42.7 N·m，二级减速后最高工作扭矩为298.9 N·m，因此将扭矩限制器的滑动扭力设置为50～60 N·m，该设置下装置的滑动扭矩约为350～420 N·m。

2.2.3 压力、瞬时保护

为防止电机动作过快，高产气井井口中压管线超压以及井口针阀发生节流冻堵的情况，为适应不同井口产气量的气井开井操作，在控制器中通过对井口流量计瞬时流量、压变压力参数进行旁听并限值设定。主控内容：

1）给定压力阈值，现场设置为5.2 MPa，阀门关阀时（开度为0），当旁听值超过阈值后控制器将停止启动电机，当旁听值低于阈值情况下可以启动电机。

2）给定压力、瞬时阈值，现场设置为5.2 MPa、3 000 m3/h，阀门开阀时（开度不为0），当旁听压力、瞬时值超过阈值后控制器将反转电机关阀，至旁听压力及瞬时值低于阈值后继续执行开阀命令。

3 仿真受力分析及磨损检测

智能仿真开关井装置需要配合井口设备运行，而高频次的开关针阀势必加速针阀的磨损，因此需要对应力集中点以及薄弱部件进行磨损检测。

3.1 密封圈受力分析

阀杆和盘根之间是锯齿形螺纹传动，盘根固定不动，大齿轮带动阀杆转动，实现阀杆轴向移动。阀杆中间装有骨架密封圈（杆密封），由压环和锁紧环限制轴向运动，实现阀门开启和闭合时的密封。此时密封圈主要承受与阀杆过盈配合的预紧力、气体压力和骨架弹簧的张力（图6）。

图6 针阀结构原理示意图

3.2 杆密封接触应力仿真

杆密封的材质为石墨填充改性聚四氟乙烯，其弹性模量 1 000 MPa，泊松比 0.3，阀杆为410 钢，其弹性模量200 GPa，泊松比0.3，根据阀杆和密封圈的工作状态可将仿真模型简化，如图7所示。

图7 杆密封接触应力仿真简化模型

1）杆密封接触应力仿真有限元模型：将简化后的三维模型导入ANSYS，如图8 所示。接触类型选择frictional，摩擦系数0.17，计算方法选用增广拉格朗日法。

图8 杆密封接触应力仿真有限元模型

2）网格划分：对接触区域网格进行细化，网格大小1 mm，划分节点数43 443个，单元数23 271个，如图9所示。

图9 杆密封接触应力网格模型

3）接触应力云图：杆密封内径为30.26 mm，阀杆直径31.7 mm，由于阀杆硬度大，磨损主要发生在杆密封上，当杆密封由30.25 mm 内径磨损到与阀杆直径31.7 mm 相同时则杆密封失效。为了精确仿真密封圈的接触应力，沿径向每隔0.08 mm 的磨损量计算一次杆密封接触应力，由结果可得不同内径下杆密封接触应力，其统计如表3所示。

表3 不同内径杆密封接触应力

3.3 杆密封磨损寿命计算

从密封圈的磨损情况判断，属于粘着磨损，根据Archard 磨损模型式（3）可计算得出密封圈寿命[14-15]。

结合式（4）至（7），可得：

式中：V为磨损体积，m3；F为接触应力，N；L为切向滑移距离，m；H为布氏硬度，N/m（2使用PTFE，取7.48 N/m2）；h为磨损深度，m；S为阀杆行程，m；A为接触面积，m2；P为接触应力，Pa；K为磨损系数，0.25×10-6；t为磨损时间，s。

通过式（8）计算针阀阀杆与杆密封接触应力及磨损时间。

将各阶段磨损时间累加，阀杆密封件内径由30.26 mm 磨损至31.7 mm（即阀杆直径）总耗时为471.46 h。智能仿真开关井装置单次开关阀门时间约为15 min，按照每日开关动作2 次，阀杆密封使用时间为943天。

4 智能仿真开关井装置应用效果

4.1 气井智能控制系统

针对无环空套管井及速度管柱气井的工艺特征，需要开发控制原理更加简单且能够根据气井生产情况进行自动优化调整的生产制度。

通过对已设计的5种控制模式的数据采集点位要求、硬件配置需求、人工参与程度及运行管理方式进行对比（表4），套压微升目前在不增加现场监测设备条件下的最优智能生产制度。

4.2 智能仿真开关井装置应用效果

4.2.1 气井精细管理

智能仿真开关井装置根据气井井况制定对应控制模式，实时监测气井压力恢复及瞬时流量，避免长时间积液生产，有效缓解气井积液水淹，改善气井生产动态，提高压恢措施效率。

典型井生产动态分析：SN0015-02 井于2016 年9月29日投产，累产1 117.69×104m3，平均日产0.84×104m3，投产初期日产气量 1.65×104m3，2017 年 3 月平均日产量降至0.51×104m3，气井受积液影响间歇生产。

2020 年1 月13 日，安装智能仿真开关井装置，前一个压恢周期平均日产0.49×104m3，安装完成后应用了4 种生产模式，其中定时阶段2 及套压微升模式（定压、定微升）较安装前日产有所提升，增幅8%、4%（表5）。

定时阶段2在运行一个压恢周期后因生产动态发生变化后生产制度不匹配逐渐积液，需要人工参与进行制度调整。

套压微升模式下气井的积液情况减轻，且不需人为参与调整。

表4 各控制模式应用情况分析对比

表5 SN0015-02各阶段生产动态对比

苏南定制模式（定压、定瞬时）虽然通过井口瞬时控制气井关井，在气井存在积液情况下缩短开井时间，维持气井油套压差稳定，但由于生产动态波动较大，整个阶段平均日产较低。

因此套压微升模式目前为最合适SN0015-02井的生产制度。

4.2.2 生产运行管理

1）降低人员劳动强度。区内已安装55 台智能仿真开关井装置，每月气井压恢频次提高近1 500次，最大限度发挥了压恢措施功效。2019 年冬季运行期间，作业二区开关井1 374 井次，其中自动开关井546 井次，占比39.7%，大幅提高生产效率，降低员工劳动强度以及车辆行驶带来的交通风险及其引发的外协纠纷。

2）快速产量调节。结合井丛供电系统运行情况以及进入井丛的难易程度，对频繁间歇井、外协问题井、井丛馈电井、道路偏远井进行装置布控。目前安装的55 口井已形成26×104m3的快速调产能力，能够在1 h内完成调产任务。