一种天然气井下智能节流系统及工艺方法
【专利摘要】一种天然气井下智能节流系统及工艺方法，属于天然气开采【技术领域】。包括井上机构、井下机构和连接元器件，其中，连接元器件将井上机构和井下机构连接以实现二者之间的通讯；井上机构主要包括工控机、温度压力解调仪、运动控制卡、电源以及工控机上的控制软件部分；井下机构包括智能式节流装置和能够监测节流前后温度和压力的传感器，智能式节流装置包括电机、减速器、联轴器、传动转换机构、阀杆、节流阀座和阀芯，节流阀座通过螺纹扣与油管连接，油管一体化成型；本发明根据井下的实际环境，由地面上的控制系统来调节井下节流嘴与节流阀座之间的流通面积，进而能够实现远程自动或半自动化节流降压的目的，从而实现了气井的最优化生产。
【专利说明】一种天然气井下智能节流系统及工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种天然气井下智能节流系统及工艺方法，属于天然气开采【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来，天然气井下节流工艺的成熟运用，推动了井下节流器的发展。如何根据井下多变的压力温度等环境状况，研究出能够实时调节井下节流参数，达到节流降压稳产目的的天然气井下智能节流系统已经变得越来越重要。
[0003]在国外，关于井下节流系统的研究已经比较成熟，并且多趋于自动化。国外智能井下流量控制系统主要的设计思路是根据油井优化开采系统分析井下的各种数据，发出指令通过液压或电气模式实现遥控井下节流装置(开合式节流阀或者可调式节流阀)的远程控制，从而控制井下流体的流量和流动特性，同时结合油藏数值模拟和优化算法等相关技术来优化油井生产。然而在国内，智能井下工具的研究还刚刚起步，在应用方面也只是引进国外智能完井的部分技术，井下智能流量控制装备也几乎没有相关的应用。
[0004]在国内现有的天然气开采中，普遍使用的是带有节流嘴的活动式和固定式井下节流器，这些节流器都是纯机械式的。目前投入应用的多为卡瓦式井下节流器，预置工作筒式(人工投入式)井下节流器。纯机械式的节流器在气井生产中主要有两大劣势:第一是传统的节流器无法实时获取井下压力、温度等相关生产资料，很难及时获知节流器的携液效果如何、滑脱量是多少等情况；这样，井下的生产和安全状况无法直接得到及时反映，也就无法及时制定下一步措施，对气井的稳定产生严重的影响。第二是传统的井下节流器无法实时调节节流器嘴径的大小，必须通过关井和采取绳索作业更换不同尺寸的油嘴来实现不同等级的节流功能，以致无法及时调整气井的产量，影响生产进度，增大作业风险。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种天然气井下智能节流系统及工艺方法。
[0006]本智能节流系统，是依据流体节流理论，采用计算机、自动控制、信号处理、机电一体化等相关理论和技术研发一套能够实现智能节流工艺技术的硬件支撑系统。主要包括智能式节流装置和电气控制系统两大部分；研究的目标主要体现在两个方面，第一是能够在地面通过远程控制节流器的方式实现井下流体的开断和生产，第二是通过直读压力和温度传感器能够实现对井下压力、温度进行录取和实时监测。该系统能够根据井下的实际生产环境，实时自动或半自动调节节流阀的节流直径，改变其配合的通流面积，来达到节流降压的目的。
[0007]一种天然气井下智能节流的工艺方法，含有以下步骤；
[0008]连接元器件将井上机构和井下机构连接以实现二者之间的通讯；节流阀座通过螺纹扣与油管连接，与油管一体化成型，阀芯具有圆锥型前端并能够在节流阀座中前后运动以控制节流阀座开度，从而实现对油管中天然气压力的调节；工控机通过接收由井下传感器监测的温度与压力数据值，然后进行分析、处理、显示以及储存；根据控制软件的具体算法，输出相应的控制数据传递给运动控制卡，再经过电机驱动器对信号的处理，控制相应的电机工作；电机输出的动力通过减速器、传动转换机构，驱动锥形阀芯产生竖直方向位移，改变阀芯同与其配合的阀座之间的通流面积，达到节流降压的目的；节流后的数据也能实时通过温度压力监测系统反馈到工控机的控制软件界面中显示出来。
[0009]本发明的优点是本发明利用传感技术对井下的压力和温度进行实时测量，连续不断地向作业者提供井底运行压力、温度状况，可以实时有效的做出数据趋势分析。同时，根据井下的实际环境，由地面上的控制系统来调节井下节流嘴与节流阀座之间的流通面积，进而能够实现远程自动或半自动化节流降压的目的，从而实现了气井的最优化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中:
[0011]图1为本发明的方块结构示意图。
[0012]图2 (a)为本发明的结构示意图。
[0013]图2 (b)为本发明的结构示意图。
[0014]图2 (C)为本发明的结构示意图。
[0015]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
【具体实施方式】
[0016]显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
[0017]实施例1:如图1、图2 (a)、图2 (b)、图2 (C)所示，
[0018]一种天然气井下智能节流系统，因此，现场亟需一种便于调节的井下节流系统在不关井作业的情况下能实时调节节流器的嘴径大小，从而满足生产调整的需求，以达到提升井下节流技术的水平。
[0019]图1示出了根据本发明的天然气井下智能节流系统的一个示例性实施例的结构框图；图2 (a)示出了根据本发明的天然气井下智能节流系统的一个示例性实施例的井下机构的结构示意图；图2 (b)示出了图2 Ca)的井下机构的可调节流机构的节流阀座和阀芯的装配示意图；图2 (C)示出了根据本发明的天然气井下智能节流系统的一个示例性实施例的可调节流机构的结构示意图。
[0020]该装置在西南油气田公司采气工程研究院设计并组装，符合密封和温度的工作要求。下面，将参照附图来详细说明本发明的一个示例性实施例。
[0021]图1示出了根据本发明的天然气井下智能节流系统的一个示例性实施例的结构框图。如图1所示，在本示例性实施例中，天然气井下智能节流系统主要分为井上机构和井下机构以及它们之间的连接元器件。井上机构主要由光纤温度、压力解调装置、电机驱动、运动控制卡、通讯接口、工控机等组成；压力温度解调装置通过数据线连接通讯接口和温度传感器和压力传感器，通讯接口和运动控制卡连接工控机，工控机连接控制软件系统，电机驱动器连接运动控制卡和电机，电机连接减速器，减速器连接丝杠，丝杠连接执行机构，电源连接电机和电机驱动器。
[0022]油管7的内腔的结构:丝杠端密封筒2连接连接座3，连接座3的另一端连接电机端密封筒4，电机端密封筒4的另一端连接电缆穿越密封座5 ；
[0023]油管7的一端连接第一传感器托筒1，油管7的另一端连接第二传感器托筒6。
[0024]其中工控机主要接收由井下传感器监测的温度与压力数据值，然后分析、处理、显示和储存。根据控制软件的具体算法，针对井下实时环境输出相应的控制脉冲信号传递给运动控制卡，再经过电机驱动器对信号的处理，控制电机相应动作。电机输出的动力通过减速器和传动机构将旋转运动转为直线运动，驱动锥形阀芯产生竖直方向位移，改变阀芯同与其配合的阀座之间的通流面积，达到降压稳压稳产的目的。
[0025]图2(a)示出了根据本发明的天然气井下智能节流系统的一个示例性实施例的井下机构的结构示意图。图2 (b)示出了图2 (a)的井下机构的可调节流机构的节流阀座和阀芯的装配示意图。图2 (C)示出了根据本发明的天然气井下智能节流系统的一个示例性实施例的可调节流机构的结构示意图。
[0026]如图2 (b)所示，可调节流机构的节流阀座8和阀芯9组成一个可调式锥阀，并能够通过调节阀芯9的位移，来改变其与阀座8间的通流面积，从而调节经过油管7的天然气的压力。具体来讲，节流阀阀座8与油管(B卩，天然气管道)做成一体。阀芯9的前端为锥面，阀芯9的后端可以具有螺纹，以方便与阀杆进行连接，从而接受动力以进行前后运动。同时，由于阀芯9具有可更换性，针对不同的气井，便可只需要更换阀芯9，这大大增大了整体系统的通用性。
[0027]如图2(c)所示，在本示例性实施例中，可调节流机构包括阀杆10、阀杆连接筒11、轴承座12、丝杠螺母联接座13、丝杠螺母联接盖14、丝杠15、联轴器16和电机与减速机集成机构17。
[0028]阀杆10连接阀杆连接筒11，阀杆连接筒11的另一端连接轴承座12，轴承座12的另一端连接丝杠15，丝杠15通过丝杠螺母联接座13和丝杠螺母联接盖14支撑，丝杠15的另一端连接联轴器16，联轴器16的另一端连接电机与减速机集成机构17。
[0029]具体来讲，电机与减速机集成机构17是由电机和与其配套的减速器的集成的，当接受到井上工控机发出的信号后，电机就启动并旋转相应的角度。减速器通过联轴器16与丝杠15联接。丝杠螺母联接座13内设置有与丝杠相配合的丝杠螺母。丝杠螺母联接盖14固紧丝杠螺母。轴承座12设置为与丝杠螺母联接盖14相配合的形式，并通过径向螺纹固定于天然气管道上。这样，通过丝杠螺母联接座13、丝杠螺母联接盖14、丝杠15的配合，固定螺母在圆周方向的运动，只产生沿油管轴向方向(即，阀杆长度方向)的位移。阀杆联接筒11用于联接阀杆10，同时通过螺纹联接在丝杠螺母联接座13上以传递动力，从而阀杆10能够沿油管轴向方向做直线运动。阀杆10与图2 (b)中的阀芯9以螺纹相连，从而把动力传递到阀芯9，以调节相应的节流参数，从而执行节流操作。这样电机运转产生的动力通过中间一系列的零部件传递将最终传递给节流阀芯，产生相应方向的位移，改变流通面积，得到出口处系统所要求的压力。
[0030]本发明可以采用以下方式来使用。将智能节流系统的执行机构即节流装置安装在油管的合适部位，控制系统即工控机安装于井上，同时通过布置在油管壁外的光纤电缆进行通讯。节流装置主要由电机、减速器、传动转换机构以及可调式锥阀结构组成。其节流机理主要是基于调节阀杆在相应方向的位移，来改变与阀座间配合的通流面积。同时基于锥形节流阀的设计原理，可以得到不同产量以及不同节流入口出口压力下的相应节流直径值。这样根据井下实际工况，计算得到相应的直径，再根据设计的结构转变成流体流动方向的距离位移。井上工控机里面安装有相应的系统控制软件进行数据的显示、分析，同时提供控制命令的人机接口。在井下的节流入口前端安装压力与温度传感器，监测节流前的相应值；在节流出口的合适位置处同样安装压力与温度传感器，监测节流后的相应值。井下传感器将监测到的井下实时温度压力通过光纤电缆，经过解调装置以及通讯接口，传输给井上的工控机。井上工控机内置了相应的数据处理程序，将接收到的数据进行分析、处理、显示以及存储。工控机同时能将命令控制以脉冲形式传给电机，通过电机及相应的动力传递机构带动阀杆移动到合适的位置，从而得到相应的通流面积，在出口处得到系统所需要的出口压力。出口处的传感器再将调节后的压力数据实时反馈给工控机，这样就形成了相应的闭环控制系统，实现节流参数的精准控制。井下参数的处理和显示以及电机的控制命令信息等相关任务都是通过工控机里的系统控制软件以界面接口的形式呈献给系统操作人员，为合理地安排生产提供支撑。
[0031]如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种天然气井下智能节流系统，其特征在于；包括井上机构、井下机构和连接元器件，其中，连接元器件将井上机构和井下机构连接以实现二者之间的通讯；井上机构主要包括工控机、温度压力解调仪、运动控制卡、电源以及工控机上的控制软件部分；井下机构包括智能式节流装置和能够监测节流前后温度和压力的传感器，智能式节流装置包括电机、减速器、联轴器、传动转换机构、阀杆、节流阀座和阀芯，节流阀座通过螺纹扣与油管连接，也可与油管一体化成型； 井下机构的可调节流机构包括阀杆、阀杆连接筒、轴承座、丝杠螺母联接座、丝杠螺母联接盖、丝杠、联轴器和电机与减速机集成机构； 阀杆连接筒连接阀杆，阀杆连接筒的另一端连接轴承座，轴承座的另一端连接丝杠，丝杠通过丝杠螺母联接座和丝杠螺母联接盖支撑，丝杠的另一端连接联轴器，联轴器的另一端连接电机与减速机集成机构。
2.一种天然气井下智能节流的工艺方法，其特征在于含有以下步骤；连接元器件将井上机构和井下机构连接以实现二者之间的通讯；节流阀座通过螺纹扣与油管连接，与油管一体化成型，阀芯具有圆锥型前端并能够在节流阀座中前后运动以控制节流阀座开度，从而实现对油管中天然气压力的调节；工控机通过接收由井下传感器监测的温度与压力数据值，然后进行分析、处理、显示以及储存；根据控制软件的具体算法，输出相应的控制数据传递给运动控制卡，再经过电机驱动器对信号的处理，控制相应的电机工作；电机输出的动力通过减速器、传动转换机构，驱动锥形阀芯产生竖直方向位移，改变阀芯同与其配合的阀座之间的通流面积，达到节流降压的目的；节流后的数据也能实时通过温度压力监测系统反馈到工控机的控制软件界面中显示出来。
3.根据权利要求2所述的一种天然气井下智能节流的工艺方法，其特征在于含有以下步骤；工控机主要接收由井下传感器监测的温度与压力数据值，然后分析、处理、显示和储存；根据控制软件的具体算法，针对井下实时环境输出相应的控制脉冲信号传递给运动控制卡，再经过电机驱动器对信号的处理，控制电机相应动作；电机输出的动力通过减速器和传动机构将旋转运动转为直线运动，驱动锥形阀芯产生竖直方向位移，改变阀芯同与其配合的阀座之间的通流面积，达到降压稳压稳产的目的； 可调节流机构的节流阀座和阀芯组成一个可调式锥阀，并能够通过调节阀芯的位移，来改变其与阀座间的通流面积，从而调节经过油管的天然气的压力； 电机与减速机集成机构是由电机和与其配套的减速器的集成的，当接受到井上工控机发出的信号后，电机就启动并旋转相应的角度；减速器通过联轴器与丝杠联接；丝杠螺母联接座内设置有与丝杠相配合的丝杠螺母；丝杠螺母联接盖固紧丝杠螺母；轴承座设置为与丝杠螺母联接盖相配合的形式，并通过径向螺纹固定于天然气管道上；这样，通过丝杠螺母联接座、丝杠螺母联接盖、丝杠的配合，固定螺母在圆周方向的运动，只产生沿油管轴向方向(即，阀杆长度方向)的位移；阀杆联接筒用于联接阀杆，同时通过螺纹联接在丝杠螺母联接座上以传递动力，从而阀杆能够沿油管轴向方向做直线运动；阀杆与阀芯以螺纹相连，从而把动力传递到阀芯，以调节相应的节流参数，从而执行节流操作；这样电机运转产生的动力通过中间一系列的零部件传递将最终传递给节流阀芯，产生相应方向的位移，改变流通面积，得到出口处系统所要求的压力。
4.根据权利要求2或3所述的一种天然气井下智能节流的工艺方法，其特征在于将智能节流系统的执行机构即节流装置安装在油管的合适部位，控制系统即工控机安装于井上，同时通过布置在油管壁外的光纤电缆进行通讯；节流装置主要由电机、减速器、传动转换机构以及可调式锥阀结构组成；基于调节阀杆在相应方向的位移，来改变与阀座间配合的通流面积；基于锥形节流阀的得到不同产量以及不同节流入口出口压力下的相应节流直径值；这样根据井下实际工况，计算得到相应的直径，再根据设计的结构转变成流体流动方向的距离位移；井上工控机里面安装有相应的系统控制软件进行数据的显示、分析，同时提供控制命令的人机接口 ；在井下的节流入口前端安装压力与温度传感器，监测节流前的相应值；在节流出口的合适位置处同样安装压力与温度传感器，监测节流后的相应值；井下传感器将监测到的井下实时温度压力通过光纤电缆，经过解调装置以及通讯接口，传输给井上的工控机；井上工控机内置了相应的数据处理程序，将接收到的数据进行分析、处理、显示以及存储；工控机同时能将命令控制以脉冲形式传给电机，通过电机及相应的动力传递机构带动阀杆移动到合适的位置，从而得到相应的通流面积，在出口处得到系统所需要的出口压力；出口处的传感器再将调节后的压力数据实时反馈给工控机，这样就形成了相应的闭环控制系统，实现节流参数的精准控制；井下参数的处理和显示以及电机的控制命令信息等相关任务都是通过工控机里的系统控制软件以界面接口的形式呈献给系统操作人员，为合理地安排生产提供支撑。
【文档编号】E21B43/12GK104343426SQ201310333143
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年8月2日 优先权日:2013年8月2日
【发明者】马发明, 何明格, 林丽君, 杨云山 申请人:中国石油天然气股份有限公司