CN115685910A - 一种天然气气井智能生产控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气气井智能生产控制装置，包括智能控制单元、显示及操作单元、执行器单元、阀体单元和注醇控制单元，其中，智能控制单元用于采集智能生产控制装置前后的介质压力、温度和流量数据，并形成符合气井生产规律的生产制度及应对不同冻堵程度的控制策略；显示及操作单元用于显示工作参数及运行状态，并在异常工况下进行手动开关井操作；执行器单元用于驱动阀体单元的阀杆沿轴向方向移动，以使阀门打开或关闭；注醇控制单元用于根据应对不同冻堵程度的策略向阀体单元的过流通道内注入醇类物质以消除过流通道的堵塞。本发明实现气井生产的智能化控制、智能预警处置，并采取有效控制策略缓解冻堵趋势，提高生产效率。

Description

一种天然气气井智能生产控制装置

技术领域

本发明属于油气田开采技术领域，具体涉及一种天然气气井智能生产控制装置。

背景技术

天然气井的产量会随着储层开发过程、开采策略、运行制度、季节性用气变化等因素进行调整，同时也会由于气井间歇生产、生产安全保护、设备停产检修等原因进行开关井操作，特别是应对天然气水合物冻堵、控制柱塞工具进行携液产气等复杂操作，仅仅依靠人工经验判断操作已经显得力所不及，而且伴随气井数量逐年增加，气井的日常开、关井、气量调整作业量逐年增多，采用传统方式人工手动操作针阀不仅工作量剧增、生产效率低下，也存在一定的人员安全隐患，不符合目前油气田数字化、智能化建设需求。

结合目前天然气的开采要求，现有开采模式中存在如下问题：(1)气井生产管理方法受气藏物性影响巨大，欲使气井持续稳产、增产，必须在气井的全生命周期进行精细化管理，需要根据气井的动态监测数据实时调整生产制度，具备变速调节、快速开关、数据监测、安全预警、分布控制、稳定可靠的智能控制阀是解决气井智能化管理的先决条件。(2)气井生命周期内的精细化管理，要求控制阀具有宽调节范围、高调节精度、可控调节速度、以及快速开关特性和高硬度、耐冲蚀、防腐性好的特点，而目前现场使用的手动针阀、气动阀、电动阀等都不具备上述性能要求。(3)气井在冬季生产过程中，天然气经过井口针阀由于温度迅速降低极易形成天然气水合物，造成节流部位冻堵，严重影响冬季生产。(4)现有气井生产控制模式经过自动化、数字化改造后，普遍采用集中采集集中控制的方式实现生产管理，虽然在一定程度上提高了自动化水平，减少了人工参与工作量，但缺乏对动态生产数据的分析挖掘，不能有效利用生产数据实现稳产、增产的目的，且存在可靠性差、建设维护成本高的问题。

目前，气井生产地面开关井控制普遍采用的方法有：(1)手动针阀与紧急截止阀的组合应用，主要通过人工开井的方式现场操作实现生产控制。工作过程通过人工控制手动针阀开度，依靠操作人员经验判断实现开关井操作。紧急情况下，超出预设压力通过触发紧急截止阀关闭生产管线。(2)气动薄膜阀的应用，采用气动薄膜阀代替手动针阀的操作，可通过远程指令控制实现远程开关井操作。(3)电动控制阀的应用，采用电动控制阀代替手动针阀或气动薄膜阀，具有一定的调节特性，可通过远程指令控制实现远程开关井操作。

现有的气井控制方法存在如下缺点：(1)手动针阀调节特性较差，通过操作人员经验判断进行开关井操作，对于高套压气井的开井操作常常导致紧急截止阀动作，且需要人工现场操作，开井效率低、工作量大、存在较大安全隐患。(2)气动薄膜阀通过远程进行开关井操作，依然存在调节特性差，控压能力不足的缺点，且需要利用套管气经过分离、过滤、调压后引入气动薄膜阀，现场安装较为复杂，安装维护成本较大。(3)电动控制阀具备一定的调节控压能力，长期使用仍然存在关井不严，存在一定渗漏量的缺点。

目前气井生产现场应用的上述控制方法，需要人工现场操作或远程操作，无法根据井况变化进行气井生产智能优化控制实现气井稳产、增产，判断并解决“冻堵”、安全预警等问题，且长期使用存在防腐耐磨性差、寿命短等诸多问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种天然气气井智能生产控制装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种天然气气井智能生产控制装置，包括智能控制单元、显示及操作单元、执行器单元、阀体单元和注醇控制单元，其中，

所述智能控制单元用于采集所述天然气气井智能生产控制装置前后的介质压力、温度和流量数据，并通过数据分析形成符合气井生产规律的生产制度以及应对不同冻堵程度的控制策略；

所述显示及操作单元用于显示所述天然气气井智能生产控制装置的工作参数及运行状态，并在异常工况下进行手动开关井操作；

所述阀体单元包括阀本体、阀杆、阀芯、阀座、进气口和出气口，其中，所述阀杆的第一端安装所述阀芯，所述阀杆的第二端连接所述执行器单元，所述执行器单元用于驱动所述阀杆沿轴向方向移动，以使所述阀芯和所述阀座分离或密封连接，从而使得所述进气口与所述出气口之间连通或断开；

所述注醇控制单元安装在所述阀体单元上，用于根据所述应对不同冻堵程度的策略向所述阀体单元的过流通道内注入醇类物质以消除所述过流通道的堵塞。

在本发明的一个实施例中，所述智能控制单元包括信号采集模块、电源及通信模块以及控制模块，其中，

所述信号采集模块用于采集套管压力、阀前压力、阀后压力、阀前温度、阀后温度和生产管线流量数据信息；

所述电源及通信模块用于为整个装置提供电源并且实现数据及控制指令上传下发；

所述控制模块的内部集成有生产模型算法和水合物形成趋势识别及控制算法，所述生产模型算法能够通过对所采集的数据信息进行处理分析，形成符合气井生产规律的生产制度；所述水合物形成趋势识别及控制算法能够通过对所采集的数据信息与冻堵生成条件进行分析比对，给出应对不同冻堵程度的控制策略。

在本发明的一个实施例中，所述生产模型算法包括开井策略和关井策略，其中，

所述开井策略由油压恢复曲线判定，当油压恢复至第一预定压力或到达压力恢复曲线的拐点时进行开井，所述油压恢复曲线由关井后采集的阀前压力形成；

所述关井策略由油压下降曲线判定，当油压下降至第二预定压力或达到产气量下限值时进行关井操作，所述油压下降曲线由开井后采集的阀前压力形成。

在本发明的一个实施例中，所述注醇单元包括注醇杯、液压活塞缸、连锁机构和连接通道，其中，所述注醇杯用于存放具有消除天然气水合物的醇类物质；所述液压活塞缸连接在所述注醇杯的下端并通过所述连锁机构与所述阀杆连接，所述连接通道连接在所述液压活塞缸的下端且能够连通所述液压活塞缸与所述阀体单元的过流通道，用于向所述阀体单元的过流通道内注入醇类物质以消除所述过流通道由于产生天然气水合物而形成的堵塞；

所述注醇单元还包括三通控制阀，所述三通控制阀设置在所述连接通道上且电连接所述控制模块，用于在所述控制模块的控制下允许所述醇类物质从所述液压活塞缸流向所述阀体单元的过流通道。

在本发明的一个实施例中，所述水合物形成趋势识别及控制算法具体用于：

根据采集的阀后温度和阀后压力进行判断，当达到天然气水合物生成条件时，依据采集的气体流量数据进行所述阀体单元开度控制，当阀门开度达到100％且通过所述阀体单元的流量减小至计量下限时，启动所述注醇控制单元的三通控制阀，将醇类物质注入所述阀体单元的过流通道；当通过所述阀体单元的流量恢复至固定流量时，控制所述三通控制阀动作，使得醇类物质停止注入所述阀体单元的过流通道。

在本发明的一个实施例中，所述生产模型算法还用于：分析比对判断所述信号采集模块采集的阀后压力信号，当所述阀后压力信号超出预设的压力阈值，控制所述执行器单元中的电机组件提高运行速度关闭所述阀体单元的阀门，并发送安全报警信号；所述水合物形成趋势识别及控制算法还用于：在识别出现冻堵趋势时，控制所述执行器单元中的电机组件降低运行速度、增大推力反复动作，同时控制所述注醇控制单元中的三通控制阀动作，使得所述阀杆带动所述液压活塞缸将所述注醇杯内醇类物质注入阀体，在推力及醇类物质的双重作用下实现冻堵工况下的冻堵破除。

在本发明的一个实施例中，所述显示及操作单元包括显示输入模块和手动操作模块，其中，

所述显示输入模块用于显示所述天然气气井智能生产控制装置的工作参数及运行状态，并用于对运行参数进行设置；所述手动操作模块用于实现异常工况下的手动开关井操作。

在本发明的一个实施例中，所述执行器单元包括壳体、电机及减速模块、接线盒和支架连接模块，其中，

所述电机及减速模块设置在所述壳体内部，用于产生力矩推力并驱动所述阀体单元中的所述阀杆沿轴向方向移动；

所述接线盒设置在所述壳体的外表面，用于为提供电气接口；

所述支架连接模块用于将所述壳体连接至所述阀体单元的上表面。

在本发明的一个实施例中，所述阀体单元还包括压盖、阀笼、入口连接法兰、出口连接法兰、阀前一体式温度压力传感器和阀后一体式温度压力传感器，其中，

所述压盖固定连接在所述阀本体的上端，且所述阀杆穿过所述压盖延伸至所述阀本体内部；所述阀笼套设在所述阀杆外部且位于所述阀座上方；

所述入口连接法兰密封连接在所述进气口，所述出口连接法兰密封连接在所述出气口；

所述阀前一体式温度压力传感器安装在所述入口连接法兰上，所述阀后一体式温度压力传感器安装在所述出口连接法兰，所述阀前一体式温度压力传感器和所述阀后一体式温度压力传感器分别通过接线盒连接至所述智能控制单元。

在本发明的一个实施例中，所述信号采集模块、所述电源及通信模块以及所述控制模块均设置在所述壳体的内部，所述显示输入模块和所述手动操作模块设置在所述壳体的外表面上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的天然气气井智能生产控制装置设置有生产模型算法，通过采集套压、成趋势识别及控制算法，通过采集阀前温度压力、阀后温度压力参数，判断识别天然气水合物形成趋势，并采取有效控制策略缓解“冻堵”趋势，提高生产效率。

2、本发明的天然气气井智能生产控制装置设置通过增加注醇组件，实现节流“冻延长智能控制装置使用寿命。

3、本发明的天然气气井智能生产控制装置具有调节特性好、可调速、大力矩的特点，从而适应在气井全生命周期内实现开井控压、精细调节气量、紧急关断、大力矩解堵，集调节阀、开关阀、紧急截止阀于一体，实现“三阀合一”；可安装于采气树井口，有效解决目前气井间歇生产中需要人工频繁开关井的问题，以及生产过程中阀后压力或流量调节的问题，具有超限、欠压情况下紧急快速关断的保护功能。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种天然气气井智能生产控制装置的模块图；

图2是本发明实施例提供的一种天然气气井智能生产控制装置的具体结构示意图。

附图标记说明：

1-智能控制单元；101-信号采集模块；102-电源及通信模块；103-控制模块；2-显示及操作单元；201-显示输入模块；202-手动操作模块；3-执行器单元；301-壳体；302-电机及减速模块；303-接线盒；304-支架连接模块；

4-阀体单元；401-阀本体；402-阀杆；403-阀芯；404-阀座；405-进气口；406-出气口；407-压盖；408-阀笼；409-入口连接法兰；410-出口连接法兰；411-阀前一体式温度压力传感器；412-阀后一体式温度压力传感器；5-注醇控制单元；501-注醇杯；502-液压活塞缸；503-连锁机构；504-连接通道；505-三通控制阀。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种天然气气井智能生产控制装置进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本实施例的天然气气井智能生产控制装置可实现智能生产模型控制、智能防冻堵模型控制、变速调节控压、快速开关、数据监测和安全预警。

请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种天然气气井智能生产控制装置的模块图；图2是本发明实施例提供的一种天然气气井智能生产控制装置的具体结构示意图。该天然气气井智能生产控制装置包括智能控制单元1、显示及操作单元2、执行器单元3、阀体单元4和注醇控制单元5，其中，智能控制单元1用于采集智能生产控制装置前后的介质压力、温度和流量数据，并通过数据分析形成符合气井生产规律的生产制度以及应对不同冻堵程度的控制策略，这里所述的压力、温度和流量数据信息包括套管压力、阀前压力、阀后压力、阀前温度、阀后温度、生产管线流量数据；显示及操作单元2用于显示天然气气井智能生产控制装置的工作参数及运行状态，并在异常工况下进行手动开关井操作，所述工作参数及运行状态包括套管压力、阀前压力、阀后压力、阀前温度、阀后温度、生产管线流量及阀门开度；阀体单元4包括阀本体401、阀杆402、阀芯403、阀座404、进气口405和出气口406，其中，阀芯403设置在阀杆402的第一端，阀杆402的第二端连接执行器单元3，执行器单元3用于驱动阀体单元4中的阀杆403沿轴向方向移动，以使阀芯403和阀座404分离或密封连接，从而使得进气口405与出气口406之间连通或断开；注醇控制单元5用于根据应对不同冻堵程度的策略向阀体单元4的过流通道内注入醇类物质以消除过流通道的堵塞。

进一步地，智能控制单元1包括信号采集模块101、电源及通信模块102以及控制模块103，其中，信号采集模块101由压力变送器、温度变送器、流量传感器组成，用于采集套管压力、阀前压力、阀后压力、阀前温度、阀后温度和生产管线流量数据信息；电源及通信模块102由电源控制器、发电模块、储能模块和通信模块组成，用于为整个装置提供电源并提供通讯接口以实现数据及控制指令上传下发，可连接井场网络设备，用于远程数据平台监控；控制模块103的内部集成有生产模型算法和水合物形成趋势识别及控制算法，生产模型算法能够通过对所采集的数据信息进行处理分析，形成符合气井生产规律的生产制度；水合物形成趋势识别及控制算法能够通过对所采集的数据信息与冻堵生成条件进行分析比对，给出应对不同冻堵程度的策略。

在本实施例中，所述生产模型算法包括开井策略和关井策略，其中，开井策略由油压恢复曲线判定，当油压恢复至第一预定压力或到达压力恢复曲线的拐点时进行开井；关井策略由油压下降曲线判定，当油压下降至第二预定压力或达到产气量下限值时进行关井操作。所述开井策略由油压恢复曲线判定，当油压恢复至地层压力70％及以上或到达压力恢复曲线拐点时进行开井，开井方法为设置生产管线安全压力为压力上限进行控压开井；所述关井策略由油压下降曲线判定，当油压下降至生产管线压力120％以内或达到产气量下限值时进行关井操作。

需要说明的是，油压恢复曲线是通过关井后采集的阀前压力形成的数据曲线。当前的压力恢复数据与历史恢复曲线对比，可以判定气井油压恢复百分比。油压下降曲线是开井后采集的阀前压力数据形成的数据曲线。当前的压力数据与生成管线压力对比，可以判定气井油压与生产管线压力的比例。

进一步地，本实施例的注醇控制单元5包括注醇杯501、液压活塞缸502、连锁机构503和连接通道504，其中，注醇杯501用于存放具有消除天然气水合物的醇类物质；液压活塞缸502连接在注醇杯501的下端并通过连锁机构503与阀杆403连接，连接通道504连接在液压活塞缸502的下端且能够连通液压活塞缸502与阀体单元4的过流通道。

注醇控制单元5还包括三通控制阀505，三通控制阀505设置在连接通道504上且电连接智能控制单元1，具体地电连接控制模块103，三通控制阀505能够依据所述水合物形成趋势识别及控制算法的结果产生的控制信号控制其联通注醇杯501或断开联通打开或关闭，以向阀体单元4的过流通道注入醇类物质或停止注入。阀杆402上下动作可带动液压活塞缸502动作，将注醇杯501内醇类物质经过三通控制阀505注入至阀本体内部。

连锁机构503是连接液压活塞缸502与阀杆402的机械连接件，实现液压活塞缸502与阀杆402的同步动作。需要说明的是，注醇单元5注入的醇类物质是生成天然气水合物的抑制剂，只要醇类物质液体进入过流通道，与气体接触，就可以避免天然气水合物形成，并且消除已经生成的天然气水合物，从而消除过流通道的堵塞。

进一步地，本实施例的水合物形成趋势识别及控制算法用于：根据采集的阀后温度和阀后压力进行判断，当达到天然气水合物生成条件时，依据采集的气体流量数据进行固定流量阀门开度控制，当阀门开度达到100％且通过所述阀体单元的流量减小至计量下限时，启动注醇控制单元5的三通控制阀505，将醇类物质注入阀体单元的过流通道；当通过所述阀体单元的流量恢复至固定流量时，控制三通控制阀505动作，使得醇类物质停止注入阀体单元4的过流通道。需要说明的是，天然气井安装有气体流量计，是在阀后的生产管线上安装的。

此外，所述生产模型算法还用于：分析比对判断所述信号采集模块101采集的阀后压力信号，当所述阀后压力信号超出预设的压力阈值，控制所述执行器单元3中的电机组件提高运行速度以关闭所述阀体单元4的过流通道，并发送安全报警信号；所述水合物形成趋势识别及控制算法还用于在识别出现冻堵趋势时，控制所述执行器单元3中的电机组件降低运行速度、增大推力反复动作，同时控制注醇控制单元5中的三通控制阀动作，使得阀杆402带动液压活塞缸502将注醇杯501内醇类物质注入阀体，在推力及醇类物质的双重作用下实现冻堵工况下的冻堵破除。

进一步地，显示及操作单元2包括显示输入模块201和手动操作模块202，其中，显示输入模块201用于显示所述天然气气井智能生产控制装置的工作参数及运行状态，并可用于对运行参数进行设置；手动操作模块202用于实现异常工况下的手动开关井操作，其中，所述运行参数包括工作模式设置(定时模式、定压模式、定流量模式)、通讯参数、安全阈值参数和显示参数。

执行器单元3包括壳体301、电机及减速模块302、接线盒303和支架连接模块304，其中，电机及减速模块302设置在壳体301内部，用于产生力矩推力并驱动阀体单元4中的阀杆403沿轴向方向移动；接线盒303设置在壳体301的外表面，用于为提供电气接口；支架连接模块304用于将壳体301连接至阀体单元4的上表面。

本实施例的电机及减速模块302采用永磁无刷直流电机驱动，输出推力可以达到8000N以上，可控制电机转速200r/min到2000r/min内任意调节，执行器行程范围为30mm及以上，也就是说，电机及减速模块302可以驱动阀杆403沿轴向方向移动的行程为30mm及以上。可以通过电机组件调节电机转速以实现变速调节和快速开关，快速模式下可完成快速开关井以及触发安全预警后的紧急操作，慢速模式下实现精细调节和冻堵工况下的大力矩破除冻堵。

进一步地，信号采集模块101、电源及通信模块102以及控制模块103均设置在壳体301的内部，显示输入模块201和手动操作模块202设置在壳体301的外表面上。外壳301为智能控制单元1与电机及减速模块302的外部防护罩，并且是显示及操作单元2和接线盒303的固定位置。电机及减速模块303是为执行器单元3提供动力的机构，通过减速实现输出调速、变力矩。接线盒303为外部供电、外部通讯、各传感器(包括阀前一体式温度压力传感器、阀后一体式温度压力传感器和套压传感器)和流量计提供电气接口。

进一步地，本实施例的阀体单元4还包括压盖407、阀笼408、入口连接法兰409、出口连接法兰410、阀前一体式温度压力传感器411和阀后一体式温度压力传感器412，其中，压盖407固定连接在阀本体402的上端，且阀杆402穿过压盖407延伸至阀本体402内部；阀笼408套设在阀杆402外部且位于阀座408上方；入口连接法兰409密封连接在进气口405，出口连接法兰410密封连接在出气口406；阀前一体式温度压力传感器411安装在入口连接法兰409上的边缘处，检测阀前介质温度压力值，阀后一体式温度压力传感器412安装在出口连接法兰410的边缘处，检测阀后介质温度压力值，阀前一体式温度压力传感器411和阀后一体式温度压力传感器412分别通过接线盒303连接至智能控制单元1。

具体地，阀前一体式温度压力传感器411能够监测阀前生产管线实时介质压力和温度；阀后一体式温度压力传感器412能够监测阀后生产管线实时介质压力和温度。

信号采集模块101采集阀前一体式温度压力传感器411、阀后一体式温度压力传感器412以及采气树安装的套管压力变送器、生产管线安装的流量计数据。控制模块103能够依据采集的数据通过大数据分析识别气井类型、生产模型，从而制定符合气井生产规律的控制模型，通过执行器单元3控制阀杆402行程，从而实现开关井、流量压力调节。

在本实施例中，压盖407与阀本体401通过螺栓连接，并通过密封件实现密封。阀杆402位于压盖407、阀本体401、阀笼408中心，与阀芯403通过螺纹或销钉方式连接。阀芯403为圆锥形结构。阀座404位于阀本体401内部，阀笼408的正下方，并且与阀杆402和阀芯403同轴安装。

压盖407为实现阀杆402动密封的机构，作用为通过压盖407压紧密封件与阀杆402的间隙，从而实现动密封。压盖407通过阀笼408将压紧力传递至阀座404，压紧阀座404与阀本体401的结合面，阀座与阀本体401间设置有密封件，从而使阀座404与阀本体401密封。阀芯403与阀杆402连接，阀杆402的上下行程变化会改变阀芯403与阀座404之间的间隙，从而实现阀体单元内部过流通到的过流面积的调节以及过流通道的开关。

在本实施例中，所述阀芯403、阀座404、阀笼408均采用防腐耐磨材料碳化钨或以金属材料为基体进行碳化钨涂层处理，HRC硬度大于70，实现阀芯、阀座、阀笼的高硬度、耐腐蚀、耐冲蚀。阀芯403的有效行程范围为30mm及以上。

本实施例的天然气气井智能生产控制装置的具体过程如下：

在实际采气过程中，入口连接法兰409连接进气管道，出口连接法兰连接出气管道，通过天然气气井智能生产控制装置上安装的各传感器和流量计实时采集套管压力、阀前压力、阀后压力、阀前温度、阀后温度、生产管线流量及阀门开度并传输至智能控制单元1，智能控制单元1中的控制模块103内部集成有生产模型算法和水合物形成趋势识别及控制算法，生产模型算法能够通过对所采集的数据信息进行处理分析，形成符合气井生产规律的生产制度；水合物形成趋势识别及控制算法能够通过对所采集的数据信息与冻堵生成条件进行分析比对，给出应对不同冻堵程度的策略。随后，控制模块103根据所生成的生产制度控制电机及减速模块302驱动阀杆403运动，从而实现开井和关井操作；以及根据应对不同冻堵程度的策略控制注醇控制单元5的三通控制阀进行注醇或停止注醇。

本发明实施例的天然气气井智能生产控制装置设置有生产模型算法，通过采集套压、阀前温度压力、阀后温度压力参数，判断识别气井类型、生产模型，从而制定符合气井生产规律的控制模型，实现气井生产的智能化控制、智能预警处置；设置有水合物形成趋势识别及控制算法，通过采集阀前温度压力、阀后温度压力参数，判断识别天然气水合物形成趋势，并采取有效控制策略缓解“冻堵”趋势，提高生产效率。

本发明实施例的天然气气井智能生产控制装置设置通过增加注醇组件，实现节流“冻堵”部位的“解堵”，从而彻底解决由于天然气水合物形成的过流通道堵塞问题；通过对节流部件采用特殊材料或处理工艺，实现阀芯、阀座、阀笼等长期耐腐耐磨，延长智能控制装置使用寿命。

本发明实施例的天然气气井智能生产控制装置具有调节特性好、可调速、大力矩的特点，从而适应在气井全生命周期内实现开井控压、精细调节气量、紧急关断、大力矩解堵，集调节阀、开关阀、紧急截止阀于一体，实现“三阀合一”；可安装于采气树井口，有效解决目前气井间歇生产中需要人工频繁开关井的问题，以及生产过程中阀后压力或流量调节的问题，具有超限、欠压情况下紧急快速关断的保护功能。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，本发明所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种天然气气井智能生产控制装置，其特征在于，包括智能控制单元(1)、显示及操作单元(2)、执行器单元(3)、阀体单元(4)和注醇控制单元(5)，其中，

所述智能控制单元(1)用于采集所述天然气气井智能生产控制装置前后的介质压力、温度和流量数据，并通过数据分析形成符合气井生产规律的生产制度及应对不同冻堵程度的控制策略；

所述显示及操作单元(2)用于显示所述天然气气井智能生产控制装置的工作参数及运行状态，并在异常工况下进行手动开关井操作；

所述阀体单元(4)包括阀本体(401)、阀杆(402)、阀芯(403)、阀座(404)、进气口(405)和出气口(406)，其中，所述阀杆(402)的第一端安装所述阀芯(403)，所述阀杆(402)的第二端连接所述执行器单元(3)，所述执行器单元(3)用于驱动所述阀杆(403)沿轴向方向移动，以使所述阀芯(403)和所述阀座(404)分离或密封连接，从而使得所述进气口(405)与所述出气口(406)之间连通或断开；

所述注醇控制单元(5)安装在所述阀体单元(4)上，用于根据所述应对不同冻堵程度的策略向所述阀体单元(4)的过流通道内注入醇类物质以消除所述过流通道由于产生天然气水合物而形成的堵塞。

2.根据权利要求1所述的天然气气井智能生产控制装置，其特征在于，所述智能控制单元(1)包括信号采集模块(101)、电源及通信模块(102)以及控制模块(103)，其中，

所述信号采集模块(101)用于采集套管压力、阀前压力、阀后压力、阀前温度、阀后温度和生产管线流量数据信息；

所述电源及通信模块(102)用于为整个装置提供电源并且实现数据及控制指令上传下发；

所述控制模块(103)的内部集成有生产模型算法和水合物形成趋势识别及控制算法，所述生产模型算法能够通过对所采集的数据信息进行处理分析，形成符合气井生产规律的生产制度；所述水合物形成趋势识别及控制算法能够通过对所采集的数据信息与冻堵生成条件进行分析比对，给出应对不同冻堵程度的控制策略。

3.根据权利要求2所述的天然气气井智能生产控制装置，其特征在于，所述生产模型算法包括开井策略和关井策略，其中，

所述开井策略由油压恢复曲线判定，当油压恢复至第一预定压力或到达压力恢复曲线的拐点时进行开井，所述油压恢复曲线由关井后采集的阀前压力形成；

所述关井策略由油压下降曲线判定，当油压下降至第二预定压力或达到产气量下限值时进行关井操作，所述油压下降曲线由开井后采集的阀前压力形成。

4.根据权利要求2所述的天然气气井智能生产控制装置，其特征在于，所述注醇单元(5)包括注醇杯(501)、液压活塞缸(502)、连锁机构(503)和连接通道(504)，其中，所述注醇杯(501)用于存放具有消除天然气水合物的醇类物质；所述液压活塞缸(502)连接在所述注醇杯(501)的下端并通过所述连锁机构(503)与所述阀杆(403)连接，所述连接通道(504)连接在所述液压活塞缸(502)的下端且能够连通所述液压活塞缸(502)与所述阀体单元(4)的过流通道，用于向所述阀体单元(4)的过流通道内注入醇类物质以消除所述过流通道由于产生天然气水合物而形成的堵塞；

所述注醇单元(5)还包括三通控制阀(505)，所述三通控制阀(505)设置在所述连接通道(504)上且电连接所述控制模块(103)，用于在所述控制模块(103)的控制下允许所述醇类物质从所述液压活塞缸(502)流向所述阀体单元(4)的过流通道。

5.根据权利要求4所述的天然气气井智能生产控制装置，其特征在于，所述水合物形成趋势识别及控制算法具体用于：

根据采集的阀后温度和阀后压力进行判断，当达到天然气水合物生成条件时，依据采集的气体流量数据进行所述阀体单元(4)开度控制，当阀门开度达到100％且通过所述阀体单元(4)的流量减小至计量下限时，启动所述注醇控制单元(5)的三通控制阀(505)，将醇类物质注入所述阀体单元(4)的过流通道；当通过所述阀体单元(4)的流量恢复至固定流量时，控制所述三通控制阀(505)动作，使得醇类物质停止注入所述阀体单元(4)的过流通道。

6.根据权利要求5所述的天然气气井智能生产控制装置，其特征在于，所述生产模型算法还用于：分析比对判断所述信号采集模块(101)采集的阀后压力信号，当所述阀后压力信号超出预设的压力阈值，控制所述执行器单元(3)中的电机组件提高运行速度关闭所述阀体单元(4)的过流通道，并发送安全报警信号；所述水合物形成趋势识别及控制算法还用于：在识别出现冻堵趋势时，控制所述执行器单元(3)中的电机组件降低运行速度、增大推力反复动作，同时控制所述注醇控制单元(5)中的三通控制阀动作(505)，使得所述阀杆(402)带动所述液压活塞缸(502)将所述注醇杯(501)内醇类物质注入阀体，在推力及醇类物质的双重作用下实现冻堵工况下的冻堵破除。

7.根据权利要求1所述的天然气气井智能生产控制装置，其特征在于，所述显示及操作单元(2)包括显示输入模块(201)和手动操作模块(202)，其中，

所述显示输入模块(201)用于显示所述天然气气井智能生产控制装置的工作参数及运行状态，并用于对运行参数进行设置；所述手动操作模块(202)用于实现异常工况下的手动开关井操作。

8.根据权利要求7所述的天然气气井智能生产控制装置，其特征在于，所述执行器单元(3)包括壳体(301)、电机及减速模块(302)、接线盒(303)和支架连接模块(304)，其中，

所述电机及减速模块(302)设置在所述壳体(301)内部，用于产生力矩推力并驱动所述阀体单元(4)中的所述阀杆(403)沿轴向方向移动；

所述接线盒(303)设置在所述壳体(301)的外表面，用于为提供电气接口；

所述支架连接模块(304)用于将所述壳体(301)连接至所述阀体单元(4)的上表面。

9.根据权利要求8所述的天然气气井智能生产控制装置，其特征在于，所述阀体单元(4)还包括压盖(407)、阀笼(408)、入口连接法兰(409)、出口连接法兰(410)、阀前一体式温度压力传感器(411)和阀后一体式温度压力传感器(412)，其中，

所述压盖(407)固定连接在所述阀本体(402)的上端，且所述阀杆(402)穿过所述压盖(407)延伸至所述阀本体(402)内部；所述阀笼(408)套设在所述阀杆(402)外部且位于所述阀座(408)上方；

所述入口连接法兰(409)密封连接在所述进气口(405)，所述出口连接法兰(410)密封连接在所述出气口(406)；

所述阀前一体式温度压力传感器(411)安装在所述入口连接法兰(409)上，所述阀后一体式温度压力传感器(412)安装在所述出口连接法兰(410)，所述阀前一体式温度压力传感器(411)和所述阀后一体式温度压力传感器(412)分别通过接线盒(303)连接至所述智能控制单元(1)。

10.根据权利要求7所述的天然气气井智能生产控制装置，其特征在于，所述信号采集模块(101)、所述电源及通信模块(102)以及所述控制模块(103)均设置在所述壳体(301)的内部，所述显示输入模块(201)和所述手动操作模块(202)设置在所述壳体(301)的外表面上。

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