CN219061598U - 一种天然气气井生产控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种天然气气井生产控制装置，包括控制单元、显示及操作单元、执行器单元、阀体单元和注醇单元，其中，控制单元用于采集生产控制装置前后的介质压力、温度和流量数据并根据采集的压力和流量数据控制执行器单元和注醇器单元的运行；显示及操作单元用于显示天然气气井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；注醇单元用于向阀体单元的过流通道内注入醇类物质以消除过流通道由于产生天然气水合物而形成的堵塞。

Description

一种天然气气井生产控制装置

技术领域

本实用新型属于油气田开采技术领域，具体涉及一种天然气气井生产控制装置。

背景技术

我国北方气田当冬季地温低于0℃时，相当一部分产水井，低配产携液能力差的井在低温和高压的相互作用下，易形成水合物，造成单井管线冻堵；同一个干管上的井产液多但携液能力普遍较差时，会导致干管冻堵，极大影响了气井的产量、开采时率，降低采气效率。

水合物是在高压低温情况下由天然气主要组分和游离水形成的笼形结构的冰状晶体，为非化学计量型固态化合物，外观类似松散的冰或致密的雪，因其外观像冰一样且遇火即可燃烧。其生成的必要条件为：气体处于水汽的饱和或者过饱和状态并存在游离水；有足够高的压力和足够低的温度。

天然气水合物冻堵已经是影响气井试气、采气、连续生产的主要因素，而且延长了施工进度、增加了施工成本和施工风险。根据水合物的形成条件，在开井施工后，井内流体在井筒内及地面试气流程中高速流动，井筒及地面流程压力随之降低，使得井内流体经过节流后温度急剧降低，极易在井筒或地面流程中发生水合物冻堵，而这一问题在环境气温低的冬季尤为明显。

目前，国内冬季生产预防冻堵的主要措施有：井口做伴热保温、外输管线增加埋深以及夜间进行预注醇。利用电能或气井气源燃烧产生热能进行管线伴热保温，主要弊端体现在：气井多数地处偏远地区，无电网供电，无法依靠太阳能或风力发电提供长期、大功率、稳定的电能供应且设备、施工成本巨大，经济性差；利用气源燃烧产生热能增加了防爆区域高温设备产生的安全风险。

另一种预防冻堵的夜间预注醇主要是利用车载注醇装置将甲醇注入相应的冻堵段，以达到防冻解冻的目的。而井口注醇车的注醇弊端在于：对于较远路程和易冻堵的末端井，往往需要较长的时间到达现场，不利于冻堵初期的迅速解堵，且有时因道路问题给工作造成诸多不便。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种天然气气井生产控制装置。本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本实用新型提供了一种天然气气井生产控制装置，包括控制单元、显示及操作单元、执行器单元、阀体单元和注醇单元，其中，

所述控制单元用于采集生产控制装置前后的介质压力、温度和流量数据并根据采集的压力和流量数据控制所述执行器单元和所述注醇单元的运行；

所述显示及操作单元用于显示所述天然气气井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。

在本实用新型的一个实施例中，所述控制单元包括信号采集模块、电源及通信模块和控制模块，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；

所述控制模块能够根据获取的压力、温度和流量数据控制所述阀体单元和所述注醇单元的打开和闭合。

在本实用新型的一个实施例中，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。

在本实用新型的一个实施例中，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。

在本实用新型的一个实施例中，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控制单元。

在本实用新型的一个实施例中，所述注醇单元还包括单向阀，所述单向阀设置在所述连接通道上，仅允许流体从所述液压活塞缸流向所述阀体单元的过流通道。

在本实用新型的一个实施例中，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。

在本实用新型的一个实施例中，所述电机及减速模块采用永磁无刷直流电机驱动。

在本实用新型的一个实施例中，所述阀芯、所述阀座和所述阀笼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。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的天然气气井生产控制装置，利用设置在阀体单元上的注醇单元，可以在出现冻堵趋势前进行预注醇，有效的减少注醇量；缩短了预防冻堵措施的响应时间，保证了气井的连续稳定生产；避免人工现场操作工作量大、安全风险大，措施不及时的问题；省去了注醇泵、连接管线、控制阀等复杂设备，实现了生产控制与注醇控制的一体化设计；有效的减少了生产材料设备投入、人工投入，实现节能降耗；注醇单元与执行机构的连锁结构一体化设计，实现了小型化设计，减少了井口设备的复杂程度，提高了控制稳定性和安全性。

以下将结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种天然气气井生产控制装置的具体结构示意图。

附图标记说明：

1-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-注醇单元；501-注醇杯；502-液压活塞缸；503-连锁机构；504-连接通道；505-单向阀。

具体实施方式

为了进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型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，对依据本实用新型提出的一种天然气气井生产控制装置进行详细说明。

有关本实用新型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，可对本实用新型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，并非用来对本实用新型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。

请参见图1，图1是本实用新型实施例提供的一种天然气气井生产控制装置的具体结构示意图。该天然气气井生产控制装置包括控制单元1、显示及操作单元2、执行器单元3、阀体单元4和注醇单元5，其中，控制单元1用于采集生产控制装置前后的介质压力、温度和流量数据，并根据采集的压力和流量数据控制执行器单元3和注醇器单元5的运行，这里的介质压力、温度和流量数据包括套管压力、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402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；注醇单元5用于根据生产管线流量向阀体单元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，本实施例的控制单元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，以将信号采集模块101采集的介质压力、温度和流量数据等数据传输至远程数据平台，以便于进行远程监控；控制模块103能够根据获取的压力和流量数据控制阀体单元4和注醇单元5的打开和闭合。

在本实施例中，控制模块103可以是基于嵌入式处理器Linux系统的控制器，也可以是其他合适的控制器。

进一步地，本实施例的显示及操作单元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402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200～2000r/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402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401的上端，且阀杆402穿过压盖407延伸至阀本体401内部；阀笼408套设在阀杆402外部且位于阀座404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连接至控制单元1。

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，并通过执行器单元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，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402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。

进一步地，注醇单元5还包括单向阀505，单向阀505设置在连接通道504上并且单向阀505仅允许流体从液压活塞缸502流向阀体单元4的过流通道，避免气体进入液压活塞缸502。阀杆402上下动作可带动液压活塞缸502动作，将注醇杯501内醇类物质经过单向阀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。

需要说明的是，本实施例的注醇模式可以有以下几种：1.手动控制，根据人工操作经验及环境温度判断将手动操作连锁机构与阀杆联动，实现阀杆动作带动液压活塞缸动作，将醇注入阀体；2.远程控制，通过远程控制实现连锁机构与阀杆联动，通过阀杆动作将醇注入阀体；3.智能控制，根据算法判断冻堵趋势。

本实施例的天然气气井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控制单元1，控制单元1中的控制模块103能够根据获得的压力数据控制电机及减速模块302驱动阀杆402运动，从而实现开井和关井操作；控制单元1中的控制模块103还能够根据生产管线流量控制注醇单元5的单向阀打开或关闭进行注醇或停止注醇。

本实用新型的天然气气井生产控制装置，利用设置在阀体单元上的注醇单元，可以在出现冻堵趋势前进行预注醇，有效的减少注醇量；缩短了预防冻堵措施的响应时间，保证了气井的连续稳定生产；避免人工现场操作工作量大、安全风险大，措施不及时的问题；省去了注醇泵、连接管线、控制阀等复杂设备，实现了生产控制与注醇控制的一体化设计；有效的减少了生产材料设备投入、人工投入，实现节能降耗；注醇单元与执行机构的连锁结构一体化设计，实现了小型化设计，减少了井口设备的复杂程度，提高了控制稳定性和安全性。

在本实用新型所提供的几个实施例中，应该理解到，本实用新型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，在本实用新型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实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

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

所述控制单元(1)用于采集生产控制装置前后的介质压力、温度和流量数据并根据采集的压力和流量数据控制所述执行器单元(3)和所述注醇单元(5)的运行；

所述显示及操作单元(2)用于显示所述天然气气井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(402)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(402)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。

2.根据权利要求1所述的天然气气井生产控制装置，其特征在于，所述控制单元(1)包括信号采集模块(101)、电源及通信模块(102)和控制模块(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)能够根据获取的压力、温度和流量数据控制所述阀体单元(4)和所述注醇单元(5)的打开和闭合。

3.根据权利要求2所述的天然气气井生产控制装置，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。

4.根据权利要求3所述的天然气气井生产控制装置，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(402)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。

5.根据权利要求4所述的天然气气井生产控制装置，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(401)的上端，且所述阀杆(402)穿过所述压盖(407)延伸至所述阀本体(401)内部；所述阀笼(408)套设在所述阀杆(402)外部且位于所述阀座(404)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)连接至所述控制单元(1)。

6.根据权利要求5所述的天然气气井生产控制装置，其特征在于，所述注醇单元(5)还包括单向阀(505)，所述单向阀(505)设置在所述连接通道(504)上，仅允许流体从所述液压活塞缸(502)流向所述阀体单元(4)的过流通道。

7.根据权利要求6所述的天然气气井生产控制装置，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。

8.根据权利要求6所述的天然气气井生产控制装置，其特征在于，所述电机及减速模块(302)采用永磁无刷直流电机驱动。

9.根据权利要求5所述的天然气气井生产控制装置，其特征在于，所述阀芯(403)、所述阀座(404)和所述阀笼(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。

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