CN116446829A - 一种基于流量的井口安全自动控制集成系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于流量的井口安全自动控制集成系统，包括生产室、设在生产室内并将生产室内的空间分为生产空间和操作空间的封隔器、设在生产室内且位于操作空间的油管悬挂器、第一端与油管悬挂器连接，第二端穿过封隔器后伸入到生产空间内的操作管道、设在操作空间内的绳式收放电机组、与绳式收放电机组的绳索连接且位于生产空间的探测球、设在探测球上的气压传感器和激光测距传感器、设在操作管道内的第一压力传感器以及控制器。本申请公开的基于流量的井口安全自动控制集成系统，通过主动式的检测方式来判断天然气井的管道是否发生堵塞并通过增压以及瞬排方式对堵塞点进行疏通，用以保证生产过程的正常进行。

Description

一种基于流量的井口安全自动控制集成系统

技术领域

本申请涉及工业自动化技术领域，尤其是涉及一种基于流量的井口安全自动控制集成系统。

背景技术

近年来越来越大的天然气需求导致天然气井的开采数量大幅增长，同时对天然气井开采的安全性和高效性提出更高的要求。天然气井出砂问题会严重影响生产过程的正常进行，严重时还会造成井口堵塞甚至停产，针对于该问题，目前使用的方法多为依靠人工放喷排砂，可以在一定程度上解决或减轻天然气井井筒的砂堵状况，但是人工操作的排砂时间把握不准确，导致现有的天然气井解堵方法效率较低、效果较差。

另外也有通过预测方式来辅助人工操作的排砂方式，但是考虑到水合物的产生及外部温度影响，预测的难度也偏大，因为水合物的产生过程受到气化温度和环境温度影响，掺杂的黏土和沉淀等也会影响水合物生成。

发明内容

本申请提供一种基于流量的井口安全自动控制集成系统，通过主动式的检测方式来判断天然气井的管道是否发生堵塞并通过增压以及瞬排方式对堵塞点进行疏通，用以保证生产过程的正常进行。

本申请的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

本申请提供了一种基于流量的井口安全自动控制集成系统，包括：

生产室；

封隔器，设在生产室内，封隔器将生产室内的空间分为生产空间和操作空间；

油管悬挂器，设在生产室内且位于操作空间；

操作管道，第一端与油管悬挂器连接，第二端穿过封隔器后伸入到生产空间内；

绳式收放电机组，设在操作空间内；

探测球，与绳式收放电机组的绳索连接且位于生产空间；

气压传感器和激光测距传感器，均设在探测球上；

第一压力传感器，设在操作管道内，绳式收放电机组的绳索抵接在第一压力传感器上；以及

控制器，与绳式收放电机组、气压传感器、激光测距传感器和第一压力传感器电连接；

其中，探测球的直径大于操作管道的内径且小于生产室的内径。

在本申请的一种可能的实现方式中，还包括：

第二压力传感器，设在生产室上且位于操作空间内；以及

气压调节单元，与操作空间连通；

其中，第二压力传感器和气压调节单元均与控制器电连接。

在本申请的一种可能的实现方式中，气压调节单元使用惰性气体调节操作空间的压力。

在本申请的一种可能的实现方式中，绳式收放电机组的绳索穿过第一压力传感器上的导向孔。

在本申请的一种可能的实现方式中，探测球内设有空腔；

气压传感器和激光测距传感器均位于空腔内。

在本申请的一种可能的实现方式中，气压传感器的数量为一个，气压传感器位于探测球的底部。

在本申请的一种可能的实现方式中，激光测距传感器的数量为多个并围绕绳式收放电机组的绳索均匀设置；

激光测距传感器的检测端朝向生产室的侧壁。

在本申请的一种可能的实现方式中，还包括与生产室连接的离心筛分装置和与离心筛分装置的输入端连接的控制阀；

控制阀与生产室连接并与生产空间连通。

在本申请的一种可能的实现方式中，离心筛分装置包括：

离心桶，输入端与控制阀连接；

沉淀箱，与离心桶的固体输出端连接；以及

气体管道，与离心桶的气体输出端连接。

整体而言，本申请提供的一种基于流量的井口安全自动控制集成系统，使用主动式的压力及距离综合判定方式来确定天然气井内是否出现了堵塞情况，发生堵塞情况时，通过增压以及瞬排方式对堵塞点进行疏通，这种方式避免了人工操作的繁琐步骤和基于历史数据判断的不准确性，能够保证生产过程的正常进行。

附图说明

图1是本申请提供的一种井口安全自动控制集成系统的结构性示意图。

图2是本申请提供的一种探测球内部的结构性示意图。

图3是本申请提供的一种第一压力传感器的结构性示意图。

图4是本申请提供的一种绳式收放电机组的绳索处于紧绷状态时的示意图。

图5是本申请提供的一种绳式收放电机组的绳索处于松弛状态时的示意图。

图6是本申请提供的一种未发生堵塞时气压传感器的检测数据变化过程示意图。

图7是本申请提供的一种发生堵塞时气压传感器的检测数据变化过程示意图。

图8是本申请提供的一种激光测距传感器检测过程的原理性示意图。

图9是本申请提供的另一种井口安全自动控制集成系统的结构性示意图。

图10是本申请提供的一种离心筛分装置的结构性示意图。

图中，11、生产室，12、封隔器，13、油管悬挂器，14、操作管道，21、绳式收放电机组，22、探测球，23、气压传感器，24、激光测距传感器，31、第一压力传感器，32、第二压力传感器，33、气压调节单元，41、离心桶，42、沉淀箱，43、气体管道，121、生产空间，122、操作空间，221、空腔，311、导向孔，4、离心筛分装置，5、控制阀，6、控制器。

实施方式

以下结合附图，对本申请中的技术方案作进一步详细说明。

本申请公开了一种基于流量的井口安全自动控制集成系统，系统由生产室11、封隔器12、油管悬挂器13、操作管道14、绳式收放电机组21、探测球22、气压传感器23、激光测距传感器24、第一压力传感器31和控制器6等组成。请参阅图1，生产室11安装在天然气井口处，生产室11的一端为封闭端，另一端为开放端，生产室11的开放端插入到天然气井口内，封闭端位于天然气井口所在地面以上。

封隔器12位于生产室11内，将生产室11内的空间分为生产空间121和操作空间122两个部分，以地面为参考，生产空间121位于操作空间122的下方。油管悬挂器13安装在生产室11内且位于操作空间122内，油管悬挂器13的作用是固定位于生产室11内的操作管道14。

操作管道14的第一端与油管悬挂器13连接，第二端穿过封隔器12后伸入到生产空间121内，用于连通生产空间121和操作空间122。

绳式收放电机组21安装在操作空间122内，绳式收放电机组21的绳索与位于生产空间121内的探测球22连接，能够带动探测球22在竖直方向上移动。请参阅图2，探测球22上安装有气压传感器23和激光测距传感器24，气压传感器23的作用是检测生产空间121内的气体压力，激光测距传感器24的作用是检测激光测距传感器24所在位置与生产室11内壁或者井壁之间的距离。

应理解，气压传感器23的检测端需要伸出到探测球22外，气压传感器23的检测端与探测球22上伸出孔之间的缝隙使用胶水填充封堵。

对于激光测距传感器24，其检测端的前方需要使用具有透光性的材料块进行封堵，该料块使用胶水粘接在探测球22上，目的是隔绝激光测距传感器24与探测球22外部环境的直接接触。

还应理解，气压传感器23和激光测距传感器24使用的通讯线缆，从探测球22伸出后与绳式收放电机组21的绳索绑扎在一起，通讯线缆伸出处的通孔同样使用胶水填充封堵。

请参阅图1和图3，操作管道14内还安装有一个第一压力传感器31，绳式收放电机组21的绳索抵接在第一压力传感器31上。第一压力传感器31的作用是检测绳式收放电机组21的绳索上的拉力。

应理解，绳式收放电机组21的绳索两端分别与绳式收放电机组21和探测球22连接，探测球22的重力施加在绳式收放电机组21的绳索上时，绳式收放电机组21的绳索会对第一压力传感器31施加一个压力，该压力可以反应绳式收放电机组21的绳索上的拉力。

对比图4和图5，当探测球22无法继续下探时，绳式收放电机组21的绳索会由紧绷状态转为松弛状态，此时第一压力传感器31检测到的压力值会减小。当第一压力传感器31反馈的压力值减小时，说明探测球22无法继续下探。

控制器6与绳式收放电机组21、气压传感器23、激光测距传感器24和第一压力传感器31电连接，用以完成对生产室11内或者天然气井内的堵塞情况检测，并通过增压以及瞬排方式对堵塞点进行疏通，用以保证生产过程的正常进行。

具体过程如下：

绳式收放电机组21按照设定的频率启动，例如每天一次或者每两天一次，绳式收放电机组21启动后，探测球22开始向远离操作管道14的方向移动，操作管道14位于生产空间121内的一端由封闭端转为开放端。

探测球22向远离操作管道14的方向移动时，气压传感器23和激光测距传感器24同时启动，气压传感器23检测探测球22周围环境中的气体压力，激光测距传感器24检测探测球22与生产室11内壁或者天然气井内壁之间的距离。

气压传感器23的检测数据和激光测距传感器24的检测数据同时发送给控制器6进行判断，控制器同时参考探测球22的移动距离数据，探测球22的移动距离数据由绳式收放电机组21提供。

对于探测球22的尺寸，需要探测球22的直径大于操作管道14的内径且小于生产室11的内径，用以保证探测球22既能够将操作管道14位于生产空间121内的一端封闭，还能够在生产室11和天然气井内顺序移动。

举例说明，探测球22的最大移动距离是S1，在探测球22的移动距离达到S1之前的移动过程中，气压传感器23和激光测距传感器24同时采集数据，如果在最大移动距离S1之间的这段距离中出现气压传感器23的检测数据和激光测距传感器24的检测数据中的至少一个小于气压极值时，说明此时的天然气井发生了堵塞情况。

正常情况时，气压传感器23的检测数据如图6所示。

发生堵塞时，气压传感器23的检测数据如图7所示。

应理解，当出现堵塞情况时，堵塞处的流通面积会减小，此处的气流速度会加快，相应的气体压力也会增加。当探测球22向靠近堵塞处的方向移动时，其反馈的气压值会变大。

此时激光测距传感器24反馈的距离值会减小，甚至会出现探测球22无法继续下探的情况，因为堵塞处提供的通道面积无法使探测球22穿过，该情况由第一压力传感器31进行反馈。

当探测球22能够顺利到达最大移动距离S1处时，对于该段移动距离上的堵塞情况通过气压传感器23的检测数据和激光测距传感器24的检测数据进行综合判断。具体的过程是：

请参阅图8，气压传感器23的检测数据能够反馈出哪些地方可能出现了堵塞，而激光测距传感器24的检测数据能够反馈气压传感器23的检测数据是否准确和堵塞的实际情况。例如在没有堵塞时激光测距传感器24的检测数据是D1，发生堵塞时激光测距传感器24的检测数据是D2（D2＜D1），根据D2和D1的差值情况判断是否需要使用增压以及瞬排方式对堵塞点进行疏通。

使用增压以及瞬排方式对堵塞点进行疏通的过程如下：

关闭生产室11与气罐连接管道上的阀门，此时生产室11内的气压会持续上升，该气压值由探测球22上的气压传感器23进行检测。在一些可能的实现方式中，生产室11与气罐连接管道上的阀门与控制器6电连接。

当气压传感器23的检测值达到设定值时，生产室11与气罐连接管道上的阀门打开或者旁支管道上的阀门打开，此时天然气井内的气压会迅速下降，天然气井内的混合物（天然气、水合物、杂质等）的移动速度会增加，借助于该过程产生的冲力，能够将堵塞处的附着物去除，并将这些附着物从天然气井内推出。

还需要说明的是，天然气井内的混合物需要经过分离后才能够送入到正常的天然气处理工序中进行处理，然后再输送至用户处。

在一些例子中，请参阅图9，增加了第二压力传感器32和气压调节单元33，第二压力传感器32安装在生产室11上且位于操作空间122内，气压调节单元33与操作空间122连通，第二压力传感器32的作用是检测操作空间122内的气体压力并将检测数据发送给控制器6。

第二压力传感器32和气压调节单元33均与控制器6电连接，控制器6会根据第二压力传感器32的反馈数据使用气压调节单元33来调整操作空间122内的气体压力，使操作空间122内的气压大于生产空间121内的气压。

应理解，当操作管道14位于生产空间121内的一端由封闭状态转为开放状态时，生产空间121会与操作空间122连通，这会导致天然气井的产出物进入到操作空间122内。

第二压力传感器32和气压调节单元33正是为了解决该问题，第二压力传感器32的作用是监测操作空间122内的气压，而气压调节单元33的作用是将调节气压用的气体注入到操作空间122内，使操作空间122内的气压大于生产空间121内的气压。

在一些可能的实现方式中，气压调节单元33由气罐和压缩机组成，压缩机的输入端与气罐连接，输出端与生产室11连接并与操作空间122连通。

在一些可能的实现方式中，气压调节单元33使用惰性气体调节操作空间122的压力。

在一些可能的实现方式中，第二压力传感器32和气压调节单元33始终处于工作状态，用以保证操作空间122内的气压始终大于生产空间121内的气压，避免天然气渗入到操作空间122内。

在一些例子中，请参阅图3，绳式收放电机组21的绳索穿过第一压力传感器31上的导向孔311，导向孔311的作用是避免绳式收放电机组21的绳索由紧绷状态转为松弛状态时与第一压力传感器31脱离接触。

在一些例子中，请参阅图2，探测球22内设有空腔221，气压传感器23和激光测距传感器24均位于空腔221内。空腔221的作用是使气压传感器23和激光测距传感器24的主体部分均位于探测球22内部，有助于延长气压传感器23和激光测距传感器24的使用寿命。

在一些可能的实现方式中，气压传感器23的数量为一个，气压传感器23位于探测球22的底部，位于该处可以使气压传感器23的检测数据更加灵敏。

在一些可能的实现方式中，激光测距传感器24的数量为多个并围绕绳式收放电机组21的绳索均匀设置，同时激光测距传感器24的检测端朝向生产室11的侧壁。

多个激光测距传感器24能够在一个位置处得到多个距离值，这些距离值互相参考，能够反向推导出该处的堵塞情况。具体的方式就是对多个距离值进行均值计算。

应理解，天然气井堵塞处并不均匀，因此难以使用一个数值进行判断，因为该数值既可能是天然气井堵塞处的一个最大值，也也能是一个最小值，也可能是位于最大值和最小值之间的一个任意数值。

当在一个位置处能够得到同时得到多个距离值时，可以使用均值计算的方式进行推测。同时还要考虑到探测球22在检测过程中的不稳定状态，均值计算的方式能够提高判断的准确率。

对于探测球22，需要同时使用重量和形状进行保证，提高探测球22的重量能够降低探测球22在检测过程中的晃动程度；探测球22的形状选用纺锤形，同样可以降低探测球22在检测过程中的晃动程度。

在一些例子中，请参阅图9，增加了与生产室11连接的离心筛分装置4和与离心筛分装置4的输入端连接的控制阀5，控制阀5与生产室11连接并与生产空间121连通，用于离心筛分装置4与生产空间121的连通状态。

前文中提到，当气压传感器23的检测值达到设定值时，生产室11与气罐连接管道上的阀门打开或者旁支管道上的阀门打开，此处选择将控制阀5打开，生产室11的混合物会通过控制阀5进入到离心筛分装置4内进行分离，混合物中的固态物被分离出来，天然气进入到正常的处理工序进行处理。

请参阅图10，离心筛分装置4由离心桶41、沉淀箱42和气体管道43等组成，离心桶41的输入端与控制阀5连接，离心桶41的固体输出端与沉淀箱42连接，离心桶41的气体输出端与气体管道43连接。

生产室11的混合物进入到离心桶41内后，在离心力的作用下，混合物中的固态物质和液态物质与离心桶41的内壁接触并做螺旋运动，同时在重力的作用下从离心桶41的固体输出端流出，从离心桶41的固体输出端流出的固态物质和液态物质进入到沉淀箱42内暂存。混合物的天然气从气体输出端流入到气体管道43，然后通过气体管道43流入到正常的处理工序进行处理。

控制阀5的关闭通过固定时间或者气压传感器23的监测值达到一个设定数值后结束。

应理解，前文中提到的控制器6，可以使用可编程逻辑控制器，例如PLC或者DCS，前文中提到的信号传递以及自动化控制涉及到的接线方式属于现有技术，此处不再赘述。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于流量的井口安全自动控制集成系统，其特征在于，包括：

生产室（11）；

封隔器（12），设在生产室（11）内，封隔器（12）将生产室（11）内的空间分为生产空间（121）和操作空间（122）；

油管悬挂器（13），设在生产室（11）内且位于操作空间（122）；

操作管道（14），第一端与油管悬挂器（13）连接，第二端穿过封隔器（12）后伸入到生产空间（121）内；

绳式收放电机组（21），设在操作空间（122）内；

探测球（22），与绳式收放电机组（21）的绳索连接且位于生产空间（121）；

气压传感器（23）和激光测距传感器（24），均设在探测球（22）上；

第一压力传感器（31），设在操作管道（14）内，绳式收放电机组（21）的绳索抵接在第一压力传感器（31）上；以及

控制器（6），与绳式收放电机组（21）、气压传感器（23）、激光测距传感器（24）和第一压力传感器（31）电连接；

其中，探测球（22）的直径大于操作管道（14）的内径且小于生产室（11）的内径。

2.根据权利要求1所述的基于流量的井口安全自动控制集成系统，其特征在于，还包括：

第二压力传感器（32），设在生产室（11）上且位于操作空间（122）内；以及

气压调节单元（33），与操作空间（122）连通；

其中，第二压力传感器（32）和气压调节单元（33）均与控制器（6）电连接。

3.根据权利要求2所述的基于流量的井口安全自动控制集成系统，其特征在于，气压调节单元（33）使用惰性气体调节操作空间（122）的压力。

4.根据权利要求1所述的基于流量的井口安全自动控制集成系统，其特征在于，绳式收放电机组（21）的绳索穿过第一压力传感器（31）上的导向孔（311）。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的基于流量的井口安全自动控制集成系统，其特征在于，探测球（22）内设有空腔（221）；

气压传感器（23）和激光测距传感器（24）均位于空腔（221）内。

6.根据权利要求5所述的基于流量的井口安全自动控制集成系统，其特征在于，气压传感器（23）的数量为一个，气压传感器（23）位于探测球（22）的底部。

7.根据权利要求5所述的基于流量的井口安全自动控制集成系统，其特征在于，激光测距传感器（24）的数量为多个并围绕绳式收放电机组（21）的绳索均匀设置；

激光测距传感器（24）的检测端朝向生产室（11）的侧壁。

8.根据权利要求1所述的基于流量的井口安全自动控制集成系统，其特征在于，还包括与生产室（11）连接的离心筛分装置（4）和与离心筛分装置（4）的输入端连接的控制阀（5）；

控制阀（5）与生产室（11）连接并与生产空间（121）连通。

9.根据权利要求8所述的基于流量的井口安全自动控制集成系统，其特征在于，离心筛分装置（4）包括：

离心桶（41），输入端与控制阀（5）连接；

沉淀箱（42），与离心桶（41）的固体输出端连接；以及

气体管道（43），与离心桶（41）的气体输出端连接。