CN104790924A - 石油天然气井口产量远程调控装置及方法 - Google Patents

石油天然气井口产量远程调控装置及方法 Download PDF

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刘华敏
汪宏金
王振兴
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Abstract

本发明涉及天然气远程调控技术领域，具体公开一种石油天然气井口产量远程调控装置及方法，该装置包括远程终端设备及与其通信联系的PLC控制单元，其特征在于，还包括与PLC控制单元电性连接的电动执行机构、与电动执行机构连接设置的节流阀，以及设于节流阀与PLC控制单元之间的数据采集器和数据处理器；所述节流阀上部设有一固定座，电动执行机构连接固定于该固定座上端面上，该固定座中间竖直方向开有通孔，一连接轴穿过该通孔且上部与电动执行机构相连接，下部与节流阀的阀杆相连接。本发明可以实现高压高产气井天然气产量远程安全调控，从而实现气井无人值守。

Description

石油天然气井口产量远程调控装置及方法
技术领域
本发明涉及天然气远程调控技术领域，尤其涉及一种适用于高压天然气井产量远程调控装置，以及利用该装置进行远程调控的方法。
背景技术
页岩气(shale gas)是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，与“煤层气”、“致密气”同属一类。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。页岩气很早就已经被人们所认知，但采集比传统天然气困难，随着资源能源日益匮乏，作为传统天然气的有益补充，人们逐渐意识到页岩气的重要性。
涪陵页岩气开发气井属高压高产气井，天然气产量30×104m3/d，井口压力40MPa，气井数量多，现有采气工人少，现场气井以无人值守方式进行管理。而目前国内天然气自动调节装置仅限于4.0MPa以下天然气输气流程，尚无针对高压气井的天然气远程调控装置，天然气产量远程调控成了制约涪陵页岩气开发无人值守管理的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种石油天然气井口产量远程调控装置及方法，以实现高压高产气井天然气产量远程安全调控，从而实现气井无人值守。
为实现上述目的，本发明提供了一种天然气产量远程调控装置，其包括：远程终端设备及与其通信联系的PLC控制单元，还包括与PLC控制单元电性连接的电动执行机构、与电动执行机构连接设置的节流阀，以及设于节流阀与PLC控制单元之间的数据采集器和数据处理器；所述节流阀上部设有一固定座，电动执行机构连接固定于该固定座上端面上，该固定座中间竖直方向开有通孔，一连接轴穿过该通孔且上部与电动执行机构相连接，下部与节流阀的阀杆相连接。
本发明中，所述远程终端设备用于远程设置控制参数、实时流量监控与故障报警，该远程设置控制参数包括目标流量、步进行程、步进间隔时间，以及阀位开度。
具体的，所述PLC控制单元用于通过采集数据与控制参数来计算电动执行机构的输出量。
进一步地，所述PLC控制单元与电动执行机构之间电性连接有一输出器，该输出器用于通过输出量来调节控制节流阀的阀门开度。
特别的，所述电动执行机构采用多回转电动执行器，该多回转电动执行器内设有减速机构、西门子AIO模块、模拟量安全栅、浪涌保护器、断路器，以及传感器。
优选的，所述节流阀可以采用阀套孔径为30mm，阀针底端角度为20度的针型节流阀。
所述数据采集器用于通过PLC控制单元采集天然气井口数据，该数据采集器包括设于节流阀后端的压力传感器与流量计。
所述数据处理器内包括有滤波器，以用于对数据采集器所采集数据的滤波处理。
进一步地，本发明还提供一种利用所述的天然气产量远程调控装置进行远程调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置节流阀后端数据采集器的目标值范围，输出给PLC控制单元；
将由PLC控制单元接收到的经数据处理器处理后的数据通过程序计算后，得出的实际流量值与预先设定的目标值范围进行比对，然后做出逻辑判断；
PLC控制单元发出在目标值范围内的变量值给电动执行机构；
电动执行机构对节流阀开度进行调节，从而实现天然气井产量的远程调节。
特别的，本发明采用闭环与开环共存控制方式，所述闭环控制通过实时采集数据与设置参数计算出节流阀阀位开度的增量来实现，所述开环控制是通过设置节流阀阀门的固定开度目标值来实现。
本发明的石油天然气井口产量远程调控装置及方法，其结构紧凑、操作方便、灵活以及维修容易、安全可靠，且具有远程自动调控、远程监督、远程报警等功能，实现了产量调节从人工调节到自动调节的转变，实现了产量调节自动化与无人值守；同时，其调节常量的精度较高，每天的产量误差低于1％；再者，由于其电动执行器波动小，因此降低了电动执行机构的动作频率，提高了电动执行器的使用寿命与可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明天然气产量远程调控装置一种具体实施例的结构示意图；
图2为本发明中利用天然气产量远程调控装置进行远程调控的线路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，本发明提供一种天然气产量远程调控装置，其包括：远程终端设备10及与其通信联系的PLC控制单元20，还包括与PLC控制单元20电性连接的电动执行机构30、与电动执行机构30连接设置的节流阀40，以及设于节流阀40与PLC控制单元20之间的数据采集器50和数据处理器60；所述节流阀40上部设有一固定座42，电动执行机构30连接固定于该固定座42上端面上，该固定座42中间竖直方向开有通孔，一连接轴44穿过该通孔且上部与电动执行机构30相连接，下部与节流阀40的阀杆相连接。具体的，所述固定座42可以通过螺纹连接固定于节流阀40上部，电动执行机构30可以用螺栓46连接固定于固定座43上端面。本发明的天然气产量远程调控装置结构紧凑、操作方便、灵活以及维修容易、安全可靠。当天然气井口产出的高压天然气，经过本发明的天然气产量远程调控装置自动调控到目标产量后，输送到后端设备及输气管线，其产量的自动调控是通过采集的实时数据与控制参数得到电动执行机构30的控制量来调节节流阀40的开度实现产量的调控，并且在远程终端设备10设置实时的流量监控与报警功能，以实现井口产量调控无人值守。
本发明中，所述远程终端设备10用于远程设置控制参数、实时流量监控与故障报警，该远程终端设备10内设有控制参数设置程序。在本发明具体实施例中，该远程设置控制参数包括目标流量、步进行程、步进间隔时间，以及阀位开度。
具体的，所述PLC控制单元20用于通过采集数据与控制参数来计算电动执行机构30的输出量。作为本发明的一种优选实施例，所述PLC控制单元20与电动执行机构30之间电性连接有一输出器22，该输出器22用于通过输出量来调节控制节流阀40的阀门开度。优选的，本发明中的阀位开度的增量控制采用步进方式，并能实现步进行程、步进间隔时间的设置。
特别的，本发明中所述的电动执行机构30采用智能型非侵入式调节型，其优选采用多回转电动执行器。进一步地，本发明还通过在多回转电动执行器内增加减速机构(未图示)的设置，可以起到降低电动执行器的运转速度，从而减小电动执行器的步进值的目的，从而将电动执行器的步进值从1％降低到0.2％，天然气产量调节步进值从6万方/天减小到1.1万方/天。作为本发明的一种具体实施例，所述多回转电动执行器内不仅设有减速机构，其内部还包括有西门子AIO模块、模拟量安全栅、浪涌保护器、断路器，以及传感器(未图示)等部件。通过上述设置，使得本发明中的电动执行器波动教小，降低了电动执行机构30的动作频率，提高了电动执行器的使用寿命与可靠性。
本发明中的节流阀40与电动执行机构30连接，电动执行机构30阀位步进值为2‰，通过PLC程序控制节流阀开度实现天然气井产量远程调节。该节流阀40设置有限位保护、过力矩保护、正反向联锁保护，防冷凝的加热保护和控制回路过载及短路保护，相位自动校正能力。同时，通过相关计算，优选节流阀40的阀套孔径和阀针角度，从而提高节流阀40的调节精度。在本发明具体实施例中，节流阀40采用针型节流阀，并将阀套孔径从45mm减小到30mm，将阀针底端角度从26度减小到20度，可以在一定程度上提高天然气产量的调节精度。
本发明中，所述数据采集器50用于通过PLC控制单元20采集天然气井口数据，该数据采集器50包括设于节流阀40后端的压力传感器与流量计(未图示)。数据处理器60内包括有滤波器(未图示)，以用于对数据采集器50所采集数据的滤波处理。通过数据采集器50采集的流量数据，经过数据处理器60进行滤波处理，输出给PLC控制单元20，再与远程终端设备10设置的目标量值进行信号效验与对比，然后做出逻辑判断，计算出电动执行机构30的增量，发出4-20mA的变量值给电动执行机构30，执行调节功能，从而实现高压高产气井天然气产量的远程调节。
进一步地，本发明还提供一种利用所述的天然气产量远程调控装置进行远程调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a，设置节流阀40后端数据采集器50的目标值范围，输出给PLC控制单元20。作为本发明的一种具体实施例，设置节流阀40后端作为数据采集器50的压力传感器与流量计测量的目标值范围为4-20mA，输出给PLC控制单元20。本发明优选采用流量信号调节控制，压力信号作为辅助调节控制。当实际流量与目标流量一致，而节流阀出口压力在目标值范围内时，只执行流量信号调节控制。当实际流量与目标流量一致而节流阀压力高于压力目标值时，此时优先采用压力调节控制，或同时采用压力与流量调节控制。
步骤b，将由PLC控制单元20接收到的经数据处理器60处理后的数据通过程序计算后，得出的实际流量值与预先设定的目标值范围进行比对，然后做出逻辑判断。在本发明具体实施例中，由PLC控制单元20接收回来的压力与流量信号值通过程序计算后与预先设定好的压力与流量控制目标值，进行信号效验与对比，然后做出逻辑判断。
步骤c，PLC控制单元20发出在目标值范围内的变量值给电动执行机构30。具体的，PLC控制单元20发出4-20mA的变量值给电动执行机构30。
步骤d，电动执行机构30对节流阀40开度进行调节，从而实现天然气井产量的远程调节。本发明采用步进行程控制电动执行机构的增量，步进行程可以根据井口不同的压力、产量来设置合理的步进值与步进间隔时间。
特别的，本发明采用闭环与开环共存控制方式，所述闭环控制通过实时采集数据与设置参数计算出节流阀40阀位开度的增量来实现，所述开环控制是通过设置节流阀40阀门的固定开度目标值来实现。再者，本发明优先采用流量信号调节控制，压力信号作为辅助调节控制。当实际流量与目标流量一致，而节流阀40出口压力在目标值范围内时，只执行流量信号调节控制。当实际流量与目标流量一致而节流阀压力高于压力目标值时，此时优先采用压力调节控制，或同时采用压力与流量调节控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气产量远程调控装置，包括远程终端设备及与其通信联系的PLC控制单元，其特征在于，还包括与PLC控制单元电性连接的电动执行机构、与电动执行机构连接设置的节流阀，以及设于节流阀与PLC控制单元之间的数据采集器和数据处理器；所述节流阀上部设有一固定座，电动执行机构连接固定于该固定座上端面上，该固定座中间竖直方向开有通孔，一连接轴穿过该通孔且上部与电动执行机构相连接，下部与节流阀的阀杆相连接。
2.如权利要求1所述的天然气产量远程调控装置，其特征在于，所述远程终端设备用于远程设置控制参数、实时流量监控与故障报警，该远程设置控制参数包括目标流量、步进行程、步进间隔时间，以及阀位开度。
3.如权利要求1所述的天然气产量远程调控装置，其特征在于，所述PLC控制单元用于通过采集数据与控制参数来计算电动执行机构的输出量。
4.如权利要求3所述的天然气产量远程调控装置，其特征在于，所述PLC控制单元与电动执行机构之间电性连接有一输出器，该输出器用于通过输出量来调节控制节流阀的阀门开度。
5.如权利要求1所述的天然气产量远程调控装置，其特征在于，所述电动执行机构采用多回转电动执行器，该多回转电动执行器内设有减速机构、西门子AIO模块、模拟量安全栅、浪涌保护器、断路器，以及传感器。
6.如权利要求1所述的天然气产量远程调控装置，其特征在于，所述节流阀采用阀套孔径为30mm，阀针底端角度为20度的针型节流阀。
7.如权利要求1所述的天然气产量远程调控装置，其特征在于，所述数据采集器用于通过PLC控制单元采集天然气井口数据，该数据采集器包括设于节流阀后端的压力传感器与流量计。
8.如权利要求1所述的天然气产量远程调控装置，其特征在于，所述数据处理器内包括有滤波器，以用于对数据采集器所采集数据的滤波处理。
9.利用如权利要求1-8任一项所述的天然气产量远程调控装置进行远程调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置节流阀后端数据采集器的目标值范围，输出给PLC控制单元；
将由PLC控制单元接收到的经数据处理器处理后的数据通过程序计算后，得出的实际流量值与预先设定的目标值范围进行比对，然后做出逻辑判断；
PLC控制单元发出在目标值范围内的变量值给电动执行机构；
电动执行机构对节流阀开度进行调节，从而实现天然气井产量的远程调节。
10.如权利要求9所述的天然气产量远程调控装置进行远程调控的方法，其特征在于，采用闭环与开环共存控制方式，所述闭环控制通过实时采集数据与设置参数计算出节流阀阀位开度的增量来实现，所述开环控制是通过设置节流阀阀门的固定开度目标值来实现。
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