一種天然氣井下智能節流系統及工藝方法
2023-10-05 22:57:19
一種天然氣井下智能節流系統及工藝方法
【專利摘要】一種天然氣井下智能節流系統及工藝方法，屬於天然氣開採【技術領域】。包括井上機構、井下機構和連接元器件，其中，連接元器件將井上機構和井下機構連接以實現二者之間的通訊；井上機構主要包括工控機、溫度壓力解調儀、運動控制卡、電源以及工控機上的控制軟體部分；井下機構包括智能式節流裝置和能夠監測節流前後溫度和壓力的傳感器，智能式節流裝置包括電機、減速器、聯軸器、傳動轉換機構、閥杆、節流閥座和閥芯，節流閥座通過螺紋扣與油管連接，油管一體化成型；本發明根據井下的實際環境，由地面上的控制系統來調節井下節流嘴與節流閥座之間的流通面積，進而能夠實現遠程自動或半自動化節流降壓的目的，從而實現了氣井的最優化生產。
【專利說明】一種天然氣井下智能節流系統及工藝方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種天然氣井下智能節流系統及工藝方法，屬於天然氣開採【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來，天然氣井下節流工藝的成熟運用，推動了井下節流器的發展。如何根據井下多變的壓力溫度等環境狀況，研究出能夠實時調節井下節流參數，達到節流降壓穩產目的的天然氣井下智能節流系統已經變得越來越重要。
[0003]在國外，關於井下節流系統的研究已經比較成熟，並且多趨於自動化。國外智能井下流量控制系統主要的設計思路是根據油井優化開採系統分析井下的各種數據，發出指令通過液壓或電氣模式實現遙控井下節流裝置(開合式節流閥或者可調式節流閥)的遠程控制，從而控制井下流體的流量和流動特性，同時結合油藏數值模擬和優化算法等相關技術來優化油井生產。然而在國內，智能井下工具的研究還剛剛起步，在應用方面也只是引進國外智能完井的部分技術，井下智能流量控制裝備也幾乎沒有相關的應用。
[0004]在國內現有的天然氣開採中，普遍使用的是帶有節流嘴的活動式和固定式井下節流器，這些節流器都是純機械式的。目前投入應用的多為卡瓦式井下節流器，預置工作筒式(人工投入式)井下節流器。純機械式的節流器在氣井生產中主要有兩大劣勢:第一是傳統的節流器無法實時獲取井下壓力、溫度等相關生產資料，很難及時獲知節流器的攜液效果如何、滑脫量是多少等情況；這樣，井下的生產和安全狀況無法直接得到及時反映，也就無法及時制定下一步措施，對氣井的穩定產生嚴重的影響。第二是傳統的井下節流器無法實時調節節流器嘴徑的大小，必須通過關井和採取繩索作業更換不同尺寸的油嘴來實現不同等級的節流功能，以致無法及時調整氣井的產量，影響生產進度，增大作業風險。
【發明內容】
[0005]為了克服現有技術的不足，本發明提供一種天然氣井下智能節流系統及工藝方法。
[0006]本智能節流系統，是依據流體節流理論，採用計算機、自動控制、信號處理、機電一體化等相關理論和技術研發一套能夠實現智能節流工藝技術的硬體支撐系統。主要包括智能式節流裝置和電氣控制系統兩大部分；研究的目標主要體現在兩個方面，第一是能夠在地面通過遠程控制節流器的方式實現井下流體的開斷和生產，第二是通過直讀壓力和溫度傳感器能夠實現對井下壓力、溫度進行錄取和實時監測。該系統能夠根據井下的實際生產環境，實時自動或半自動調節節流閥的節流直徑，改變其配合的通流面積，來達到節流降壓的目的。
[0007]一種天然氣井下智能節流的工藝方法，含有以下步驟；
[0008]連接元器件將井上機構和井下機構連接以實現二者之間的通訊；節流閥座通過螺紋扣與油管連接，與油管一體化成型，閥芯具有圓錐型前端並能夠在節流閥座中前後運動以控制節流閥座開度，從而實現對油管中天然氣壓力的調節；工控機通過接收由井下傳感器監測的溫度與壓力數據值，然後進行分析、處理、顯示以及儲存；根據控制軟體的具體算法，輸出相應的控制數據傳遞給運動控制卡，再經過電機驅動器對信號的處理，控制相應的電機工作；電機輸出的動力通過減速器、傳動轉換機構，驅動錐形閥芯產生豎直方向位移，改變閥芯同與其配合的閥座之間的通流面積，達到節流降壓的目的；節流後的數據也能實時通過溫度壓力監測系統反饋到工控機的控制軟體界面中顯示出來。
[0009]本發明的優點是本發明利用傳感技術對井下的壓力和溫度進行實時測量，連續不斷地向作業者提供井底運行壓力、溫度狀況，可以實時有效的做出數據趨勢分析。同時，根據井下的實際環境，由地面上的控制系統來調節井下節流嘴與節流閥座之間的流通面積，進而能夠實現遠程自動或半自動化節流降壓的目的，從而實現了氣井的最優化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]當結合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更好地理解本發明以及容易得知其中許多伴隨的優點，但此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定，如圖其中:
[0011]圖1為本發明的方塊結構示意圖。
[0012]圖2 (a)為本發明的結構示意圖。
[0013]圖2 (b)為本發明的結構示意圖。
[0014]圖2 (C)為本發明的結構示意圖。
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
【具體實施方式】
[0016]顯然，本領域技術人員基於本發明的宗旨所做的許多修改和變化屬於本發明的保護範圍。
[0017]實施例1:如圖1、圖2 (a)、圖2 (b)、圖2 (C)所示，
[0018]一種天然氣井下智能節流系統，因此，現場亟需一種便於調節的井下節流系統在不關井作業的情況下能實時調節節流器的嘴徑大小，從而滿足生產調整的需求，以達到提升井下節流技術的水平。
[0019]圖1示出了根據本發明的天然氣井下智能節流系統的一個示例性實施例的結構框圖；圖2 (a)示出了根據本發明的天然氣井下智能節流系統的一個示例性實施例的井下機構的結構示意圖；圖2 (b)示出了圖2 Ca)的井下機構的可調節流機構的節流閥座和閥芯的裝配示意圖；圖2 (C)示出了根據本發明的天然氣井下智能節流系統的一個示例性實施例的可調節流機構的結構示意圖。
[0020]該裝置在西南油氣田公司採氣工程研究院設計並組裝，符合密封和溫度的工作要求。下面，將參照附圖來詳細說明本發明的一個示例性實施例。
[0021]圖1示出了根據本發明的天然氣井下智能節流系統的一個示例性實施例的結構框圖。如圖1所示，在本示例性實施例中，天然氣井下智能節流系統主要分為井上機構和井下機構以及它們之間的連接元器件。井上機構主要由光纖溫度、壓力解調裝置、電機驅動、運動控制卡、通訊接口、工控機等組成；壓力溫度解調裝置通過數據線連接通訊接口和溫度傳感器和壓力傳感器，通訊接口和運動控制卡連接工控機，工控機連接控制軟體系統，電機驅動器連接運動控制卡和電機，電機連接減速器，減速器連接絲槓，絲槓連接執行機構，電源連接電機和電機驅動器。
[0022]油管7的內腔的結構:絲槓端密封筒2連接連接座3，連接座3的另一端連接電機端密封筒4，電機端密封筒4的另一端連接電纜穿越密封座5 ；
[0023]油管7的一端連接第一傳感器託筒1，油管7的另一端連接第二傳感器託筒6。
[0024]其中工控機主要接收由井下傳感器監測的溫度與壓力數據值，然後分析、處理、顯示和儲存。根據控制軟體的具體算法，針對井下實時環境輸出相應的控制脈衝信號傳遞給運動控制卡，再經過電機驅動器對信號的處理，控制電機相應動作。電機輸出的動力通過減速器和傳動機構將旋轉運動轉為直線運動，驅動錐形閥芯產生豎直方向位移，改變閥芯同與其配合的閥座之間的通流面積，達到降壓穩壓穩產的目的。
[0025]圖2(a)示出了根據本發明的天然氣井下智能節流系統的一個示例性實施例的井下機構的結構示意圖。圖2 (b)示出了圖2 (a)的井下機構的可調節流機構的節流閥座和閥芯的裝配示意圖。圖2 (C)示出了根據本發明的天然氣井下智能節流系統的一個示例性實施例的可調節流機構的結構示意圖。
[0026]如圖2 (b)所示，可調節流機構的節流閥座8和閥芯9組成一個可調式錐閥，並能夠通過調節閥芯9的位移，來改變其與閥座8間的通流面積，從而調節經過油管7的天然氣的壓力。具體來講，節流閥閥座8與油管(B卩，天然氣管道)做成一體。閥芯9的前端為錐面，閥芯9的後端可以具有螺紋，以方便與閥杆進行連接，從而接受動力以進行前後運動。同時，由於閥芯9具有可更換性，針對不同的氣井，便可只需要更換閥芯9，這大大增大了整體系統的通用性。
[0027]如圖2(c)所示，在本示例性實施例中，可調節流機構包括閥杆10、閥杆連接筒11、軸承座12、絲槓螺母聯接座13、絲槓螺母聯接蓋14、絲槓15、聯軸器16和電機與減速機集成機構17。
[0028]閥杆10連接閥杆連接筒11，閥杆連接筒11的另一端連接軸承座12，軸承座12的另一端連接絲槓15，絲槓15通過絲槓螺母聯接座13和絲槓螺母聯接蓋14支撐，絲槓15的另一端連接聯軸器16，聯軸器16的另一端連接電機與減速機集成機構17。
[0029]具體來講，電機與減速機集成機構17是由電機和與其配套的減速器的集成的，當接受到井上工控機發出的信號後，電機就啟動並旋轉相應的角度。減速器通過聯軸器16與絲槓15聯接。絲槓螺母聯接座13內設置有與絲槓相配合的絲槓螺母。絲槓螺母聯接蓋14固緊絲槓螺母。軸承座12設置為與絲槓螺母聯接蓋14相配合的形式，並通過徑向螺紋固定於天然氣管道上。這樣，通過絲槓螺母聯接座13、絲槓螺母聯接蓋14、絲槓15的配合，固定螺母在圓周方向的運動，只產生沿油管軸向方向(即，閥杆長度方向)的位移。閥杆聯接筒11用於聯接閥杆10，同時通過螺紋聯接在絲槓螺母聯接座13上以傳遞動力，從而閥杆10能夠沿油管軸向方向做直線運動。閥杆10與圖2 (b)中的閥芯9以螺紋相連，從而把動力傳遞到閥芯9，以調節相應的節流參數，從而執行節流操作。這樣電機運轉產生的動力通過中間一系列的零部件傳遞將最終傳遞給節流閥芯，產生相應方向的位移，改變流通面積，得到出口處系統所要求的壓力。
[0030]本發明可以採用以下方式來使用。將智能節流系統的執行機構即節流裝置安裝在油管的合適部位，控制系統即工控機安裝於井上，同時通過布置在油管壁外的光纖電纜進行通訊。節流裝置主要由電機、減速器、傳動轉換機構以及可調式錐閥結構組成。其節流機理主要是基於調節閥杆在相應方向的位移，來改變與閥座間配合的通流面積。同時基於錐形節流閥的設計原理，可以得到不同產量以及不同節流入口出口壓力下的相應節流直徑值。這樣根據井下實際工況，計算得到相應的直徑，再根據設計的結構轉變成流體流動方向的距離位移。井上工控機裡面安裝有相應的系統控制軟體進行數據的顯示、分析，同時提供控制命令的人機接口。在井下的節流入口前端安裝壓力與溫度傳感器，監測節流前的相應值；在節流出口的合適位置處同樣安裝壓力與溫度傳感器，監測節流後的相應值。井下傳感器將監測到的井下實時溫度壓力通過光纖電纜，經過解調裝置以及通訊接口，傳輸給井上的工控機。井上工控機內置了相應的數據處理程序，將接收到的數據進行分析、處理、顯示以及存儲。工控機同時能將命令控制以脈衝形式傳給電機，通過電機及相應的動力傳遞機構帶動閥杆移動到合適的位置，從而得到相應的通流面積，在出口處得到系統所需要的出口壓力。出口處的傳感器再將調節後的壓力數據實時反饋給工控機，這樣就形成了相應的閉環控制系統，實現節流參數的精準控制。井下參數的處理和顯示以及電機的控制命令信息等相關任務都是通過工控機裡的系統控制軟體以界面接口的形式呈獻給系統操作人員，為合理地安排生產提供支撐。
[0031]如上所述，對本發明的實施例進行了詳細地說明，但是只要實質上沒有脫離本發明的發明點及效果可以有很多的變形，這對本領域的技術人員來說是顯而易見的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種天然氣井下智能節流系統，其特徵在於；包括井上機構、井下機構和連接元器件，其中，連接元器件將井上機構和井下機構連接以實現二者之間的通訊；井上機構主要包括工控機、溫度壓力解調儀、運動控制卡、電源以及工控機上的控制軟體部分；井下機構包括智能式節流裝置和能夠監測節流前後溫度和壓力的傳感器，智能式節流裝置包括電機、減速器、聯軸器、傳動轉換機構、閥杆、節流閥座和閥芯，節流閥座通過螺紋扣與油管連接，也可與油管一體化成型； 井下機構的可調節流機構包括閥杆、閥杆連接筒、軸承座、絲槓螺母聯接座、絲槓螺母聯接蓋、絲槓、聯軸器和電機與減速機集成機構； 閥杆連接筒連接閥杆，閥杆連接筒的另一端連接軸承座，軸承座的另一端連接絲槓，絲槓通過絲槓螺母聯接座和絲槓螺母聯接蓋支撐，絲槓的另一端連接聯軸器，聯軸器的另一端連接電機與減速機集成機構。
2.一種天然氣井下智能節流的工藝方法，其特徵在於含有以下步驟；連接元器件將井上機構和井下機構連接以實現二者之間的通訊；節流閥座通過螺紋扣與油管連接，與油管一體化成型，閥芯具有圓錐型前端並能夠在節流閥座中前後運動以控制節流閥座開度，從而實現對油管中天然氣壓力的調節；工控機通過接收由井下傳感器監測的溫度與壓力數據值，然後進行分析、處理、顯示以及儲存；根據控制軟體的具體算法，輸出相應的控制數據傳遞給運動控制卡，再經過電機驅動器對信號的處理，控制相應的電機工作；電機輸出的動力通過減速器、傳動轉換機構，驅動錐形閥芯產生豎直方向位移，改變閥芯同與其配合的閥座之間的通流面積，達到節流降壓的目的；節流後的數據也能實時通過溫度壓力監測系統反饋到工控機的控制軟體界面中顯示出來。
3.根據權利要求2所述的一種天然氣井下智能節流的工藝方法，其特徵在於含有以下步驟；工控機主要接收由井下傳感器監測的溫度與壓力數據值，然後分析、處理、顯示和儲存；根據控制軟體的具體算法，針對井下實時環境輸出相應的控制脈衝信號傳遞給運動控制卡，再經過電機驅動器對信號的處理，控制電機相應動作；電機輸出的動力通過減速器和傳動機構將旋轉運動轉為直線運動，驅動錐形閥芯產生豎直方向位移，改變閥芯同與其配合的閥座之間的通流面積，達到降壓穩壓穩產的目的； 可調節流機構的節流閥座和閥芯組成一個可調式錐閥，並能夠通過調節閥芯的位移，來改變其與閥座間的通流面積，從而調節經過油管的天然氣的壓力； 電機與減速機集成機構是由電機和與其配套的減速器的集成的，當接受到井上工控機發出的信號後，電機就啟動並旋轉相應的角度；減速器通過聯軸器與絲槓聯接；絲槓螺母聯接座內設置有與絲槓相配合的絲槓螺母；絲槓螺母聯接蓋固緊絲槓螺母；軸承座設置為與絲槓螺母聯接蓋相配合的形式，並通過徑向螺紋固定於天然氣管道上；這樣，通過絲槓螺母聯接座、絲槓螺母聯接蓋、絲槓的配合，固定螺母在圓周方向的運動，只產生沿油管軸向方向(即，閥杆長度方向)的位移；閥杆聯接筒用於聯接閥杆，同時通過螺紋聯接在絲槓螺母聯接座上以傳遞動力，從而閥杆能夠沿油管軸向方向做直線運動；閥杆與閥芯以螺紋相連，從而把動力傳遞到閥芯，以調節相應的節流參數，從而執行節流操作；這樣電機運轉產生的動力通過中間一系列的零部件傳遞將最終傳遞給節流閥芯，產生相應方向的位移，改變流通面積，得到出口處系統所要求的壓力。
4.根據權利要求2或3所述的一種天然氣井下智能節流的工藝方法，其特徵在於將智能節流系統的執行機構即節流裝置安裝在油管的合適部位，控制系統即工控機安裝於井上，同時通過布置在油管壁外的光纖電纜進行通訊；節流裝置主要由電機、減速器、傳動轉換機構以及可調式錐閥結構組成；基於調節閥杆在相應方向的位移，來改變與閥座間配合的通流面積；基於錐形節流閥的得到不同產量以及不同節流入口出口壓力下的相應節流直徑值；這樣根據井下實際工況，計算得到相應的直徑，再根據設計的結構轉變成流體流動方向的距離位移；井上工控機裡面安裝有相應的系統控制軟體進行數據的顯示、分析，同時提供控制命令的人機接口 ；在井下的節流入口前端安裝壓力與溫度傳感器，監測節流前的相應值；在節流出口的合適位置處同樣安裝壓力與溫度傳感器，監測節流後的相應值；井下傳感器將監測到的井下實時溫度壓力通過光纖電纜，經過解調裝置以及通訊接口，傳輸給井上的工控機；井上工控機內置了相應的數據處理程序，將接收到的數據進行分析、處理、顯示以及存儲；工控機同時能將命令控制以脈衝形式傳給電機，通過電機及相應的動力傳遞機構帶動閥杆移動到合適的位置，從而得到相應的通流面積，在出口處得到系統所需要的出口壓力；出口處的傳感器再將調節後的壓力數據實時反饋給工控機，這樣就形成了相應的閉環控制系統，實現節流參數的精準控制；井下參數的處理和顯示以及電機的控制命令信息等相關任務都是通過工控機裡的系統控制軟體以界面接口的形式呈獻給系統操作人員，為合理地安排生產提供支撐。
【文檔編號】E21B43/12GK104343426SQ201310333143
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月2日 優先權日:2013年8月2日
【發明者】馬發明, 何明格, 林麗君, 楊雲山 申請人:中國石油天然氣股份有限公司