CN107806334A - 一种全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，包括采气树和控制装置，采气树设置有套压信号采集装置、油压信号采集装置、流量信号采集装置和调节截止复合阀，调节截止复合阀连接有电动执行器，各个信号采集模块之间全部采用独立太阳能供电和无线信号传输，实现所有模块物理上相互独立安装，实现信号传输零布线，另外，本发明采用新结构的防冻高压差零泄漏的调节截止复合阀，在阀门关断后气体零泄漏，不会使调节截止复合阀和附近的管道产生天然气水合物冻堵现象，能够提高采气的效率，而且，本发明采用新结构的大推力电动执行器，使步进电机失电情况下推力螺杆的推力仍然能够保持，在无执行动作时步进电机无需一直通电工作，可以大大减少电动执行器的电力消耗。

Description

一种全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气 系统

技术领域

本发明涉及一种天然气气井开采中的间歇开关井控制和自动排水采气装置，属于油气田开采技术领域。

背景技术

按照天然气的生成机理，天然气生成过程中，形成天然气的同时会产生相应的水，也就是说，天然气和水是共生共存的，在天然气井开采初期，气体会随着气井自喷而产出地面，随着开采周期的延长和地质储层内的水汽比变化及储层毛细通道内的含水率变化，气体被不断地采出，相应的水被逐步地积存在储层内，慢慢形成天然气井内的积液情况越来越严重，最终造成由于井筒内的积液高度升高而停喷。

在水气混和流动中，气体的最大携液量是有一定限制的，并不会随着气体的流速增加而增加。由于天然气井开采初期一般都追求大产量，此时由于气体的最大携液量是一定的，所以采出的气体并没有把储层内的水一起携带出来，长此以往随着气体被开采，储层内的部分水被留在了储层内，最后逐步形成了天然气井积液，导致气井少喷或者停喷，大大影响气井后期开采产量。

现行的开采工艺中，当气井出现由于积液少喷或者停喷时，一般都是关井复压，等待油管的压力升高后再开井生产，这就是常规的人工开关井间歇控制，在关井复压后，开井也是根据经验判断油压和外输压的压差来开井生产，由于无法判断何时开井可以达到气体在最大携液流速下的开井时机和流量控制，所以无法有效及时地排出更多的水，慢慢地会形成储层中的积液因为无法及时有效地排出，会越来越多积存在储层内造成气井的产量越来越低，最终无法开采而停产，所以，如何有效地利用采出的气体携带出更多的积液，是采气工艺中亟待解决的问题。

另外，含水天然气有一个重要的物理特性，其在一定的压力和温度下会形成天然气水合物，俗称可燃冰。在天然气开采过程中，由于井口的天然气含有相当的水分，对井口的天然气进行节流/调压控制时会在调节阀两端形成压差，气体的膨胀会吸收大量的热量，形成局部低温，形成可燃冰而产生冻堵调节阀和附近的管道，另外，使用调节阀作为管路的启闭阀门时，由于传统的调节阀无法实现关闭时的零泄漏（调节阀标准允许有5%以内的泄露量），也很容易形成可燃冰导致阀门和管道的冻堵（为了解决这一问题，目前的做法是采用在采气树上设置专门的解冻小孔，采用高压泵往解冻小孔内注入乙醇化冰）。

现有天然气井口附近都没有任何电源提供，现行的采气树调节阀由于受到结构和原理的限制，调节阀是通过4-20ma信号的有线控制来实现调节阀的启闭和开度控制，遇到冻堵时执行器无法工作而卡死，一般无法做到全压差节流控制，也就是说无法达到阀门耐压级的压差下工作，而且在阀门制造时就决定了最高工作压差，无法随着工况的变化来调整。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种安装简单，可靠性高，不会出现冻堵现象，能够实现气体携液量最大化的全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，包括采气树和控制装置，所述采气树设置有套压信号采集装置、油压信号采集装置、流量信号采集装置和调节截止复合阀，所述调节截止复合阀连接有电动执行器，所述电动执行器连接有供电机构；所述套压信号采集装置包括套压太阳能供电装置和与所述套压太阳能供电装置电连接的套压变送器及套压无线发射模块；所述油压信号采集装置包括油压太阳能供电装置和与所述油压太阳能供电装置电连接的油压变送器及油压无线发射模块；所述流量信号采集装置包括流量太阳能供电装置和与所述流量太阳能供电装置电连接的压差变送器及流量无线发射模块；所述供电机构包括主太阳能供电装置和与所述主太阳能供电装置电连接的电池箱，所述电动执行器与所述电池箱电连接；所述控制装置包括无线收发模块和GPRS模块，所述无线收发模块与套压无线发射模块、油压无线发射模块和流量无线发射模块无线通信组成无线局域网络；所述控制装置由所述主太阳能供电装置提供工作电源。

所述套压信号采集装置包括三通管高压接头，所述三通管高压接头的一端接采气树的考克，一端接所述套压变送器，另一端接采气树自带的压力变送器。

所述电池箱包括蓄电池，所述蓄电池连接有充放电保护模块。

所述调节截止复合阀包括阀体和阀盖，所述阀体设置有阀腔、进气道和出气道，所述阀腔内安装有笼套，所述笼套内安装有可轴向移动的阀芯，所述阀芯连接有伸出所述阀盖外的推力阀杆；所述笼套的侧壁设置有与所述进气道连通的进气孔，所述笼套的前端设置有与所述出气道连通的出气孔，所述阀芯的前端安装有阀芯密封圈以实现关闭时的零泄漏，所述阀芯密封圈的直径大于所述出气孔的直径。

所述阀芯设置有导压气道，所述导压气道的一端位于所述进气孔的前侧，另一端位于所述进气孔的后侧。

所述阀芯的侧壁与所述笼套之间设置有套芯密封圈，所述套芯密封圈位于所述进气孔的后侧。

所述笼套的前端和所述阀腔之间安装有前腔套密封圈，所述笼套的侧壁和阀腔之间安装有后腔套密封圈，所述后腔套密封圈位于所述进气孔的后侧。

所述电动执行器包括外壳，所述外壳的一端安装有连接支架，另一端安装有防爆筒，所述防爆筒内安装有步进电机，所述外壳内通过双轴承安装有传动螺母，所述传动螺母内安装有螺纹啮合的推力螺杆，所述推力螺杆的一端伸入所述连接支架；所述步进电机通过减速器与所述传动螺母连接；所述调节截止复合阀和电动执行器组装后，所述推力阀杆的一端伸入所述连接支架内与所述推力螺杆对接。

所述推力阀杆上设置有位置指示片，所述连接支架内设置有位置指示牌、前位置传感器和后位置传感器。

所述步进电机的轴的末端伸出所述防爆筒外，并在所述步进电机的轴的末端安装有带位置指示表的手轮。

本发明的有益效果是：

1、本发明的各个信号采集模块之间全部采用独立太阳能供电和无线信号传输，实现所有模块物理上相互独立安装，实现信号传输零布线，安装简单，可靠性高，控制装置采用GPRS模块或RTU与油田的内网或互联网上的后台通讯，能够自动/远程控制，实现气体携液量最大化，满足气井开采工艺中的各种控制要求。

2、本发明的调节截止复合阀配合大推力电动执行器可以实现防冻高压差零泄漏，冰堵时执行器推拉力足以压碎阀门内的结冰物，能够完全替代现有采气树上的传统的节流针阀，在阀门关断后气体零泄漏，关断情况下不会使调节截止复合阀和附近的管道产生天然气水合物冻堵现象，能够提高采气的效率，无需注醇解冻作业。

3、本发明采用新结构的大推力电动执行器，使步进电机失电情况下推力螺杆的推力仍然能够保持，在无执行动作时步进电机无需一直通电工作，可以大大减少电动执行器的电力消耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是套压信号采集装置结构示意图；

图3是流量信号采集装置结构示意图；

图4是调节截止复合阀和电动执行器组合体的结构示意图；

图5是调节截止复合阀的剖视图；

图6是图5的局部放大图；

图7是电动执行器的剖视图。

具体实施方式

参照图1至图7，一种全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，包括采气树和控制装置，所述采气树设置有套压信号采集装置1、油压信号采集装置2、流量信号采集装置3和调节截止复合阀4，所述调节截止复合阀4连接有电动执行器5，所述电动执行器5连接有供电机构；所述套压信号采集装置1包括套压太阳能供电装置10（各太阳能供电装置主要为太阳能板和位于太阳能板内的小型蓄电池及充放电保护电路）和与所述套压太阳能供电装置10电连接的套压变送器11及套压无线发射模块12；所述油压信号采集装置2包括油压太阳能供电装置20和与所述油压太阳能供电装置20电连接的油压变送器21及油压无线发射模块22；所述流量信号采集装置3包括流量太阳能供电装置30和与所述流量太阳能供电装置30电连接的压差变送器31及流量无线发射模块32；所述供电机构包括主太阳能供电装置6和与所述主太阳能供电装置6电连接的电池箱60（电池箱60埋地安装，主太阳能供电装置的支撑杆和电池箱为一体），所述电池箱60包括蓄电池61（铅酸蓄电池或者低温锂电池），所述蓄电池61连接有充放电保护模块62，所述电动执行器5与所述电池箱60电连接；所述控制装置包括无线收发模块70和GPRS模块71，所述控制装置由所述主太阳能供电装置30提供工作电源。

所述无线收发模块70与套压无线发射模块12、油压无线发射模块22和流量无线发射模块32无线通信组成无线局域网络短距离无线传输信号，各个信号采集模块之间全部采用独立太阳能供电和无线信号传输，实现所有模块物理上相互独立安装，实现信号传输零布线。控制装置采用GPRS模块与互联网上的后台通讯，也可以用标准的RTU和油田的内网通讯。控制装置的软件参数，可以通过GPRS模块实现远程更新和设置，还能在有网络的场合用电脑、平板电脑或手机等终端来实时监控（需要安装对应的监控端）。

系统的控制模式可以为自动/远程，自动方式下可以根据油压、套压、流量信号按照控制装置内的控制软件来完成对电动执行器的开启、关闭和调节截止复合阀的开度控制。当气井的油压不足时调节截止复合阀关闭，气井关井憋压恢复，当油压压力升高至控制软件设定的阈值时，调节截止复合阀缓缓打开，气井开始生产，通过流量计采集的流量信号，通过控制软件来控制调节截止复合阀的开度，以确保井筒内的气体流速在最大携液量范围内，同样也可以实现按照软件预定的套压、油压条件通过调节截止复合阀的启闭实现对气井的间歇控制，实现气体携液量最大化，满足气井开采工艺中的各种控制要求。

远程模式下有两种模式，一种是用RS485传输方式通过油田的RTU和油田的数字化控制网络实现调节截止复合阀的开启、关闭和开度控制，另一种是通过GPRS模块（手机通信网络）在后台实现调节截止复合阀的开启、关闭和开度控制。

所述套压信号采集装置1包括三通管高压接头13，所述三通管高压接头13的一端接采气树的考克14（压力表开关），一端接所述套压变送器11，另一端接采气树自带的压力变送器15（压力变送器15为采气树上的原有设备）。

所述调节截止复合阀4包括阀体400和阀盖401，阀体400和阀盖401之间通过螺丝固定，所述阀体400设置有阀腔、进气道403和出气道404，所述阀腔内安装有笼套405，所述笼套405内安装有可轴向移动的阀芯406，所述阀芯406连接有伸出所述阀盖401外的推力阀杆407，推力阀杆407和阀盖401之间安装有起密封和支撑作用的填充物415；所述笼套405的侧壁设置有与所述进气道403连通的进气孔408，所述笼套405的前端设置有与所述出气道404连通的出气孔409，所述阀芯406的前端端面安装有高强度的阀芯密封圈410（在阀芯的前端端面设置有凹槽，阀芯密封圈镶嵌在凹槽内），所述阀芯密封圈410的直径大于所述出气孔409的直径。笼套和阀芯之间通过推力阀杆的轴向力实现对冰堵的水合物形成剪切破碎功能，当需要阀门关闭时，通过推力阀杆前端的高强度的阀芯密封圈410和笼套405端面压紧密封，实现阀门关闭后的零泄漏功能。

所述阀芯406设置有导压气道411，所述导压气道411的一端位于所述进气孔408的前侧，另一端位于所述进气孔408的后侧，导压气道使阀芯406两侧等压，减少阀门开启及关闭的推拉力。

所述阀芯406的侧壁与所述笼套405之间设置有高强度的套芯密封圈412，所述套芯密封圈412位于所述进气孔408的后侧。所述笼套405的前端和所述阀腔之间安装有高强度的前腔套密封圈413，所述笼套405的侧壁和阀腔之间安装有高强度的后腔套密封圈414，所述后腔套密封圈414位于所述进气孔408的后侧，提高调节截止复合阀的密封性。

本发明采用新结构的防冻高压差零泄漏调节截止复合阀代替采气树上的传统的节流针阀，在阀门关断后气体零泄漏，不会使调节截止复合阀和附近的管道产生天然气水合物冻堵现象，能够提高采气的效率。

所述电动执行器5包括外壳500，所述外壳500的一端安装有连接支架501，另一端安装有防爆筒502，所述防爆筒502内安装有步进电机503（步进电机设置有无线通信模块），所述外壳500内通过双轴承504（两只轴承）安装有传动螺母505，所述传动螺母505内安装有螺纹啮合的推力螺杆506，所述推力螺杆506的一端伸入所述连接支架501；所述步进电机503通过减速器507与所述传动螺母505连接（传动螺母安装在螺母驱动盘512内，减速器与螺母驱动盘连接）；所述调节截止复合阀4和电动执行器5组装后，所述推力阀杆407的一端伸入所述连接支架501内与所述推力螺杆506对接。

所述推力阀杆407上设置有位置指示片408，所述连接支架501内设置有位置指示牌508、前位置传感器509和后位置传感器510，可以为控制系统提供开启、关闭及开度调节。

所述步进电机503的轴的末端伸出所述防爆筒502外，并在所述步进电机503的轴的末端安装有带位置指示表的手轮511，也可以采用手动方式控制调节的开启、关闭及开度。

本发明采用新结构的大推力电动执行器，由于传动螺母的自锁特性，即使传动螺母的扭矩消失，推力也会继续保持，同时，传动螺母的支撑采用双轴承支承结构以减小传动螺母机构的运动间隙，使步进电机503失电情况下推力螺杆的推力保持，可以大大减少电动执行器的电力消耗，在无执行动作时步进电机无需一直通电工作。

以上的实施方式不能限定本发明创造的保护范围，专业技术领域的人员在不脱离本发明创造整体构思的情况下，所做的均等修饰与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。

Claims (10)

1.一种全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，包括采气树和控制装置，其特征在于所述采气树设置有套压信号采集装置（1）、油压信号采集装置（2）、流量信号采集装置（3）和调节截止复合阀（4），所述调节截止复合阀（4）连接有电动执行器（5），所述电动执行器（5）连接有供电机构；所述套压信号采集装置（1）包括套压太阳能供电装置（10）和与所述套压太阳能供电装置（10）电连接的套压变送器（11）及套压无线发射模块（12）；所述油压信号采集装置（2）包括油压太阳能供电装置（20）和与所述油压太阳能供电装置（20）电连接的油压变送器（21）及油压无线发射模块（22）；所述流量信号采集装置（3）包括流量太阳能供电装置（30）和与所述流量太阳能供电装置（30）电连接的压差变送器（31）及流量无线发射模块（32）；所述供电机构包括主太阳能供电装置（6）和与所述主太阳能供电装置（6）电连接的电池箱（60），所述电动执行器（5）与所述电池箱（60）电连接；所述控制装置包括无线收发模块（70）和GPRS模块（71）；所述无线收发模块（70）与套压无线发射模块（12）、油压无线发射模块（22）和流量无线发射模块（32）无线通信组成无线局域网络；所述控制装置由所述主太阳能供电装置（30）提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，其特征在于所述套压信号采集装置（1）包括三通管高压接头（13），所述三通管高压接头（13）的一端接采气树的考克（14），一端接所述套压变送器（11），另一端接采气树自带的压力变送器（15）。

3.根据权利要求1所述的全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，其特征在于所述电池箱（60）包括蓄电池（61），所述蓄电池（61）连接有充放电保护模块（62）。

4.根据权利要求1所述的全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，其特征在于所述调节截止复合阀（4）包括阀体（400）和阀盖（401），所述阀体（400）设置有阀腔、进气道（403）和出气道（404），所述阀腔内安装有笼套（405），所述笼套（405）内安装有可轴向移动的阀芯（406），所述阀芯（406）连接有伸出所述阀盖（401）外的推力阀杆（407）；所述笼套（405）的侧壁设置有与所述进气道（403）连通的进气孔（408），所述笼套（405）的前端设置有与所述出气道（404）连通的出气孔（409），所述阀芯（406）的前端安装有阀芯密封圈（410）以实现关闭时的零泄漏，所述阀芯密封圈（410）的直径大于所述出气孔（409）的直径。

5.根据权利要求4所述的全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，其特征在于所述阀芯（406）设置有导压气道（411），所述导压气道（411）的一端位于所述进气孔（408）的前侧，另一端位于所述进气孔（408）的后侧。

6.根据权利要求4所述的全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，其特征在于所述阀芯（406）的侧壁与所述笼套（405）之间设置有套芯密封圈（412），所述套芯密封圈（412）位于所述进气孔（408）的后侧。

7.根据权利要求4所述的全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，其特征在于所述笼套（405）的前端和所述阀腔之间安装有前腔套密封圈（413），所述笼套（405）的侧壁和阀腔之间安装有后腔套密封圈（414），所述后腔套密封圈（414）位于所述进气孔（408）的后侧。

8.根据权利要求4所述的全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，其特征在于所述电动执行器（5）包括外壳（500），所述外壳（500）的一端安装有连接支架（501），另一端安装有防爆筒（502），所述防爆筒（502）内安装有步进电机（503），所述外壳（500）内通过双轴承（504）安装有传动螺母（505），所述传动螺母（505）内安装有螺纹啮合的推力螺杆（506），所述推力螺杆（506）的一端伸入所述连接支架（501）内；所述步进电机（503）通过减速器（507）与所述传动螺母（505）连接；所述调节截止复合阀（4）和电动执行器（5）组装后，所述推力阀杆（407）的一端伸入所述连接支架（501）内与所述推力螺杆（506）对接。

9.根据权利要求8所述的全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，其特征在于所述推力阀杆（407）上设置有位置指示片（408），所述连接支架（501）内设置有位置指示牌（508）、前位置传感器（509）和后位置传感器（510）。

10.根据权利要求8所述的全无线集成式电动防冻调节截止复合阀间开智能采气系统，其特征在于所述步进电机（503）的轴的末端伸出所述防爆筒（502）外，并在所述步进电机（503）的轴的末端安装有带位置指示表的手轮（511）。