一种智能间开排水采气系统及其控制方法与流程

本发明属于天然气开采技术领域，具体涉及一种智能间开排水采气系统及其控制方法。

背景技术：

在天然气开采中应用广泛，是气井排水采气的重要工艺。气井生产中后期，因井底压力和产气量低，气井携液能力差，导致井筒积液不断增多严重影响气井的正常生产，部分气井甚至出现积液停产现象，间开排水采气系统能够实现开关井，保障气井正常高效生产。

间开排水采气系统是天然气开采中使用的一种生产工艺，现有间开排水采气系统只是能够进行简单模式，不能够根据实时气井井况形成高效的控制，产气量效率低，同时由于在开井的过程中不能够准确测量开度，容易产生冻堵(截流效应)。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种智能间开排水采气系统及其控制方法，具有智能模式，可以针对每口气井使用最有效的控制方式，还具有防冻堵，提高每口井的生产效率，产生更大的经济效益。

本发明采用以下技术方案：

一种智能间开排水采气控制方法，包括以下步骤：

s1、计算气井液柱高度和单次运行产气量和产液量，判断是否对生产运行进行优化；

s2、根据步骤s1的计算结果，采用最小套压法和压变速率法进行关井时间结果优化，确定关井时长，运行新的关井时间；

s3、根据步骤s1的计算结果，采用套压微升法和压变速率法进行开井时间结果优化，确定开井时长，运行新的开井时间；

s4、采用井筒容积法分别计算筒井积液量、日产气和日产水；

s5、根据步骤s2、s3和s4的结果，采用直接法和间接法分别判断阀门的开度，通过精确测量阀门开度完成控制。

具体的，步骤s1中，当本次产气量或产液量小于上次产气量或产液量的5％～10％时对生产运行进行优化。

具体的，步骤s2中，通过对开井期间取得的油套压数据按设定步长，当步长大于0时，套压开始上升时，或其无限接近0时回复达到最大化，采用压力优化法确定关井时机；通过对关井期间取得的油套压数据按设定步长，观察油套压得回压速率，当回压速率小于设定值时，快速压力恢复结束，进入缓慢恢复期，此时开井，通过压变速率法对最小套压法和压力优化法结果进行约束。

进一步的，压力优化法确定关井时机中，套压差pcx和油压差pox计算如下：

pcx＝|pci+n-pci|

pox＝|poi+n-poi|

其中，pci为第i个套压；pci+n为第i+n个套压；n为积分步长；poi为第i个油压；poi+n为第i+n个油压。

具体的，步骤s3中，当以上液面到达井口时所对应的井口套压即为最小工作套压，最小套压计算如下：

pcmin＝(pp+ptf+pa+(plw+plf)*l)

其中，pcmin为最小套压；pp为举升所需压力；ptf为井口油压；pa为大气压；plw为举升1m³液柱到井口所需压力；plf为流体摩擦引起的损失压力；l为举升液体体积。

具体的，步骤s4中，井筒液柱体积具体为：

pcg+ρw*g*hcw＝ptg+ρw*g*htw

其中，htw为油套连通处油管液柱高度，pcg为油套环空液面处气柱压力，ρw为密度，g为重力，hcw为高度，ptg为油管液面处气柱压力，pg为井低压力，p为井口压力，hw为液柱高度；

单次运行产液量为：

v＝v1-v2

v1＝htw1*π*φt²/4+hcw1*π*(φc²-φt²)/4

v2＝htw2*π*φt²/4+hcw2*π*(φc²-φt²)/4

其中，v为单次运行产液量；v1为开井前井筒液柱体积；v2为关井后井筒液柱体积；htw1为开井前油管气柱高度；hcw1为开井前套管气柱下深；htw2为关井后油管气柱高度；hcw2为关井后套管气柱下深；

单次运行产气量具体为：

q＝q1+q2

q1＝(ptmax-ptmin)*htg*π*φt²/4+(pcmax-pcmin)*hcg*π*(φc²-φt²)/4

q2＝p'*t*htg*π*φt²/4+p'*t*hcg*π*(φc²-φt²)/4

其中，q为单次运行产气量；q1为井筒压降产气量；q2为地层补给产气量；ptmax为开井油压，既油压最大值；ptmin为关井油压，pcmax为最大套压，pcmin为最小套压；p'为—开井期间地层补给速率，数值等于关井后套压压恢速率最大值；t为开井时间；htg为油管气柱高度；hcg为套管气柱下深；φt为油管内径；φc为油管内径。

具体的，步骤s5中，根据方差特性计算直接测量法和间接测量在过去k个周期内稳定性，得出直接测量结果和间接测量结果的方差值并取倒数，得到各自所占的权重及权重比重，按照权重比值取其角度值，最后相加在一起为最终的开度值θ。

更进一步的，最终开度值θ为：

其中，u为直接测量方差倒数和间接测量方差倒数之和，θz为开度直接测量值，uz为直接测量方差的倒数，uj为间接测量方差的倒数，θj为开度间接测量值。

本发明的另一个技术方案是，一种智能间开排水采气系统，采用所述的智能间开排水采气控制方法，包括控制器，控制器分别连接第一数字压力传感器，第二数字压力传感器和第三数字压力传感器用于采集气井的压力值，通过连接流量传感器用于采集气井的液位数据；控制器连接液晶模块和按键用于操作控制，控制器通过电池阀与气动薄膜调节阀连接；控制器通过通信模块与服务器连接，用于实时上传数据并接收服务器下发的命令。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种智能间开排水采气控制方法，采用开度直接法和间接法保证了开度的准确性，在开井的过程中控制阀门开度，同时监测气体流量和温度数据来控制阀门开度，从而防止冻堵。

进一步的，采用智能的开关气井方法，更高效的开关气井，最大程度的提高采气量。

本发明一种智能间开排水采气系统，增加了智能调节模式，能够实时根据井况控制气井开关。

综上所述，本发明每口气井使用最有效的控制方式，具有防冻堵，提高每口井的生产效率，产生更大的经济效益。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明系统连接示意图；

图2为本发明智能控制流程图。

其中：1.控制器；2.按键；3.液晶模块；4.通信模块；5.服务器；6.电磁阀；7.气动薄膜调节阀；8.流量传感器；9.第一数字压力传感器；10.液位传感器；11.磁力传感器；12.第二数字压力传感器；13.第三数字压力传感器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明一种智能间开排水采气系统，包括控制器1、按键2、液晶模块3、通信模块4、服务器5、电磁阀6、气动薄膜调节阀7、流量传感器8、第一数字压力传感器9、液位传感器10、磁力传感器11，第二数字压力传感器12和第三数字压力传感器13。

第一数字压力传感器9用于测量油压，第二数字压力传感器12用于测量套压，第三数字压力传感器13用于测量阀后压力；控制器1通过第一数字压力传感器9，第二数字压力传感器12和第三数字压力传感器13分别采集气井的压力值，通过流量传感器8采集气井的液位数据，同时控制器1根据液晶模块3和按键2设置的模式进行开关井动作，并通过通信模块4实时上传数据到服务器5，同时接收服务器5下发的命令。

控制器1通过电池阀6打开与关闭向气动薄膜调节阀7内部充入气体和排气，从而完成气动薄膜调节阀的打开与关闭，完成排水采气的过程。

请参阅图2，本发明一种智能间开排水采气控制方法，包括以下步骤：

s1、计算气井液柱高度和单次运行产气量和产液量，如果需要对生产运行进行优化，分别对关井时间和开井时间结果进行优化；

s2、采用最小套压法和压变速率法进行关井时间结果优化，确定关井时长，运行新的关井时间，如果未计算出合理的关井时间，返回重新计算；

压力优化法确定关井时机；

通过对开井期间取得的油套压数据按一定步长(积分)，观察其变化，当其大于0时，则认为套压开始上升时，或其无限接近0时认为其回复达到最大化。

pcx＝pci+n-pci

pox＝poi+n-poi

其中，pci为第i个套压；pci+n为第i+n个套压；n为积分步长；poi为第i个油压；poi+n为第i+n个油压；n为积分步长。

压变速率法对最小套压法和压力优化法结果进行约束；

通过对关井期间取得的油套压数据按一定步长(积分)，观察其油套压得回压速率，当其回压速率小于一定值(0.005mpa)时，认为其快速压力恢复结束，进入缓慢恢复期，此时开井。

套压差pcx和油压差pox计算如下：

pcx＝|pci+n-pci|

pox＝|poi+n-poi|

其中，pci为第i个套压；pci+n为第i+n个套压；n为积分步长；poi为第i个油压；poi+n为第i+n个油压。

s3、采用套压微升法和压变速率法进行开井时间结果优化，确定开井时长，运行新的开井时间，如果未计算出合理的关井时间，返回重新计算；

最小套压法确定开井时机；

当以上液面到达井口时所对应的井口套压即为最小工作套压，最小套压计算如下：

pcmin＝(pp+ptf+pa+(plw+plf)*l)

其中，pcmin为最小套压；pp为举升所需压力；ptf为井口油压；pa为大气压；plw为举升1m³液柱到井口所需压力；plf为流体摩擦引起的损失压力；l为举升液体体积。

s4、井筒容积法计算井筒积液量、日产气、日产水；

井筒液柱体积具体为：

pcg+ρw*g*hcw＝ptg+ρw*g*htw

其中，htw为油套连通处油管液柱高度，pcg为油套环空液面处气柱压力，ρw为密度，g为重力，hcw为高度，ptg为油管液面处气柱压力，pg为井低压力，p为井口压力，hw为液柱高度；

单次运行产液量具体为：

v＝v1-v2

v1＝htw1*π*φt²/4+hcw1*π*(φc²-φt²)/4

v2＝htw2*π*φt²/4+hcw2*π*(φc²-φt²)/4

其中，v为单次运行产液量；v1为开井前井筒液柱体积；v2为关井后井筒液柱体积；htw1为开井前油管气柱高度；hcw1为开井前套管气柱下深；htw2为关井后油管气柱高度；hcw2为关井后套管气柱下深；φt为油管内径；φc为油管内径。

单次运行产气量具体为：

q＝q1+q2

q1＝(ptmax-ptmin)*htg*π*φt²/4+(pcmax-pcmin)*hcg*π*(φc²-φt²)/4

q2＝p'*t*htg*π*φt²/4+p'*t*hcg*π*(φc²-φt²)/4

其中，q为单次运行产气量；q1为井筒压降产气量；q2为地层补给产气量；ptmax为开井油压，既油压最大值；ptmin为关井油压，pcmax为最大套压，pcmin为最小套压，既油压最小值；p'为—开井期间地层补给速率，数值等于关井后套压压恢速率最大值；t为开井时间；htg为油管气柱高度；hcg为套管气柱下深；φt为油管内径；φc为油管内径。

s5、通过两种方式分别判断阀门的开度：直接法和间接法，通过精确测量阀门开度完成控制。

间接法通过测量进入气动薄膜阀腔体的气体压力来判断阀杆的行程，由于阀杆的行程与气动薄膜阀腔体内的膜片所受压力值成正比关系，通过测量膜片所受压力换算出阀杆行程，确定阀门开度。不需要直接接触阀杆即可测量阀门开度，可靠性、抗震性、防爆性能更优越，缺点是如果阀门出现冻堵情况，膜片压力增加但是阀杆不动作，就会出现误判。

直接方法通过测量地磁场的变化率来测量阀杆的行程，从而判断阀门的开度。由于阀杆属于铁质材料，利用铁质材料移动会改变其附件的地磁场分布的原理，通过测量阀杆附件的地磁场分布来判断阀杆的行程。该办法直接判断阀杆的行程，不受阀门冻堵情况的影响，不直接接触阀杆，可靠性、抗震性、防爆性优越，其缺点是会收到附件变化的磁铁等磁性物质影响。

本发明由于直接法和间接法各有自己的优缺点，通过两种方法的数据融合，可以避免外界因素干扰，提高准确性。

直接测量法和简接测量法的频率特性，由方差特性计算过去k个周期内稳定性，信号越稳定表明测得的数据越可信，噪声干扰越小，依照此方法按照权重比值取其角度值，最后相加在一起即为最终的角度值。

离散信号(过去k个周期)的方差计算方法如下：

其中，s为方差，t为离散值，m为平均值，k为取样次数。

计算出直接测量法和间接测量在过去k个周期内的方差，即：sz，sj由方差的特征可知，值越小表示越稳定，计算得出的直接测量结果和间接测量结果的方差值并取倒数即可得到各自所占的权重及权重比重，即：

u＝uz+uj

按照各自所占的权重比重计算出最终开度值，即：

其中，u为直接测量方差倒数和间接测量方差倒数之和，θz为开度直接测量值，uz为直接测量方差的倒数，uj为间接测量方差的倒数，θj为开度间接测量值。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种智能间开排水采气系统，现场通过液晶和按键设置控制模式，其控制模式有手动模式，定压模式，定时模式，流量模式，混合模式，开度模式，智能模式。系统会根据设置的模式进行工作。

1)手动模式

选择“开井”按键，气动薄膜调节阀打开开井；选择“关井”按键，气动薄膜调节阀关井。

2)定压模式

当套压压力大于设置的开井压力，气动薄膜调节阀执行开井；当套压压力小于设置的关进压力，气动薄膜调节阀执行关井。

3)流量模式

当前实测流量大于设置开井流量，气动薄膜调节阀执行开井；再等到设置的“平行时间”后气动薄膜调节阀执行关井。

4)定时模式

当时间为设置的开井时间，气动薄膜调节阀执行开井；当时间为设置的关井时间，气动薄膜调节阀执行关井。

5)混合模式

当时间为设置的开井时间或者套压压力大于设置的开井压力，气动薄膜调节阀执行开井；当时间为设置的关井时间或者套压压力小于设置的关进压力，气动薄膜调节阀执行关井。

6)开度模式

设置预定的开度，当实测开度大于预定的开度，气动薄膜调节阀减小开度；当实测开度小于预定的开度，气动薄膜调节阀增大开度。

7)智能模式

请参阅图2，开始后，计算井筒液柱的高度和单次运行产气量和产液量；判断生产运行是否需要优化；然后分别对关井时间结果和开井时间结果进行优化，针对关井时间结果优化，采用最小套压法和压变速率法确定关井时间，运行新的关井时间，如果未计算出合理关井时间，重新计算；针对开井时间结果优化，采用套压微升法和压变速率法确定开井时间，运行新的开井时间，如果未计算出合理开井时间，重新计算。

综上所述，本发明一种智能间开排水采气系统，通过实时采集油压、套压、管道流量的值，通过最小套压法、套压微升法、压变速率法来实时调整开关井井策略，提高产气产液效率；通过井筒容积法来得出每个周期的产气量和产液量，从而判断系统运行效果，并错位开关井策略调整的反馈；通过直接和间接两种方式判断薄膜阀开度，以达到准确反馈薄膜阀的开度，在开井过程中准确控制阀门开度，减小了节流效应，避免了冻堵现象。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。