宋希國（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041）

一體化井口地面安全控制系統(tǒng)在土庫曼斯坦天然氣地面工程中的應(yīng)用

宋希國
（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041）

井口地面安全系統(tǒng)最先應(yīng)用于海上平臺(tái)油氣井生產(chǎn)，后來在陸上天然氣井口生產(chǎn)中也得到廣泛應(yīng)用。主要用于天然氣井口在超壓、火災(zāi)等危險(xiǎn)狀況下通過井口控制盤對(duì)井口進(jìn)行緊急安全截?cái)?，保證井口生產(chǎn)安全。隨著井口地面安全系統(tǒng)的成熟應(yīng)用，其功能和組成等不斷完善、改進(jìn)，以適應(yīng)各個(gè)地方的不同工況。

井口控制盤；高/低壓導(dǎo)閥、易熔塞；一體化井口地面安全控制系統(tǒng)

1 井口地面安全系統(tǒng)簡(jiǎn)介

井口地面安全系統(tǒng)是用于保證油氣井安全生產(chǎn)的設(shè)備，它主要由井口截?cái)嚅y、井口控制盤、高/低壓導(dǎo)閥、火災(zāi)易熔塞及氣動(dòng)管路或液動(dòng)管路附件組成。當(dāng)井口節(jié)流后壓力高于或低于設(shè)定值、火災(zāi)易熔塞高溫熔化時(shí)，井口控制盤能自動(dòng)對(duì)氣動(dòng)管路或液壓管路泄壓，關(guān)閉井口截?cái)嚅y，避免事故的發(fā)生。該系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)就地控制，也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。井口地面安全系統(tǒng)的井口控制盤分為氣動(dòng)、液動(dòng)和氣液混合控制三種模式。井口截?cái)嚅y主要分為：井口安全截?cái)嘁黹y（WSSV）、井口安全截?cái)嘀鏖y（MSSV）和井下安全閥（SCSSV）。井口截?cái)嘀鏖y和井口截?cái)嘁黹y可以采用氣動(dòng)控制，也可采用液壓控制，井下安全閥一般采用液壓控制。為保證井口在故障狀況下也能關(guān)閉，截?cái)嚅y均采用故障安全型設(shè)計(jì)，即氣源、液壓源或電源故障時(shí)，閥門能自動(dòng)處于關(guān)閉的安全狀態(tài)。井口地面安全系統(tǒng)工作原理：井口截?cái)嚅y通過氣動(dòng)管路或液壓管路壓縮執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧，將閥門打開，當(dāng)井口節(jié)流閥后的導(dǎo)閥檢測(cè)到壓力超過或低于設(shè)定值時(shí)，導(dǎo)閥動(dòng)作快速釋放氣動(dòng)管路中的氣體或液動(dòng)管路中的液壓油，截?cái)嚅y執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過彈簧快速關(guān)閉；當(dāng)井口發(fā)生火災(zāi)時(shí)，溫度升高將與氣動(dòng)管路或液動(dòng)管路連接的易熔塞熔化，快速釋放管路中的壓能，迫使井口截?cái)嚅y關(guān)閉；井口控制盤上設(shè)置手動(dòng)按鈕，可手動(dòng)釋放管路中壓能，關(guān)閉井口；井口控制盤還設(shè)置一個(gè)電磁閥，該電磁閥通過井口控制系統(tǒng)發(fā)出關(guān)井命令，電磁閥失電，管路中壓能釋放，關(guān)閉井口截?cái)嚅y。

2 土庫曼斯坦天然氣井口現(xiàn)狀

土庫曼斯坦國家天然氣資源豐富，氣田多為凝析油氣田，多處于沙漠、堿灘地帶。天然氣井口所處地域人煙稀少，氣候條件惡劣，常年風(fēng)沙大、溫差大，周邊電力和水源依托條件差。天然氣井口單井產(chǎn)量高，井口壓力約35MPa，井口采氣溫度高，因此工藝流程簡(jiǎn)單，一般只有節(jié)流功能，井口一般采用無人值守進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于單井產(chǎn)量高、壓力高、氣候條件惡劣，局部地區(qū)天然氣中還高含硫化氫和氯離子等，井口的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，在天然氣井口設(shè)置井口地面安全系統(tǒng)是必要的。目前已建的天然氣井口地面安全系統(tǒng)主要有液動(dòng)控制和氣液混合控制兩種。井口截?cái)嚅y的設(shè)置也分為兩種：一種為井口安全截?cái)嘁黹y+井下安全閥，另一種為井口截?cái)嘁黹y+井口截?cái)嘀鏖y+井下安全閥。

3 一體化井口地面安全控制系統(tǒng)

針對(duì)土庫曼斯坦國家天然氣井口現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝及環(huán)境條件，在天然氣井口將井口地面安全系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和太陽能發(fā)電系統(tǒng)集成為一體供貨是很有必要的，即一體化井口地面安全控制系統(tǒng)。為適應(yīng)當(dāng)?shù)厥褂霉r，其主要特點(diǎn)如下：（1）對(duì)于無人值守井口，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)狀況時(shí)，井口的可靠關(guān)閉是至關(guān)重要的。特別是對(duì)于高產(chǎn)、高含硫井口，節(jié)流閥后壓力幾秒鐘內(nèi)壓力就會(huì)超過管道設(shè)計(jì)壓力，并且一些井口為了減少現(xiàn)場(chǎng)放空對(duì)大氣的污染，不設(shè)安全閥，一旦系統(tǒng)故障。因此在高含硫化氫、高產(chǎn)量井口設(shè)置井口截?cái)嘀鏖y、翼閥和井下安全閥來保證井口的可靠關(guān)閉。同時(shí)，井口控制盤采用液壓控制，其關(guān)井響應(yīng)速度比氣動(dòng)控制快。三個(gè)截?cái)嚅y的開關(guān)井順序?yàn)椋洪_井時(shí)，先打開井下安全閥，再打開井口截?cái)嘀鏖y和翼閥；當(dāng)壓力導(dǎo)閥超過設(shè)定值或RTU遠(yuǎn)程關(guān)井命令時(shí)，同時(shí)關(guān)閉井口截?cái)嘀鏖y和翼閥，井下安全閥不動(dòng)作；當(dāng)井口火災(zāi)時(shí)，高溫致使易熔塞熔化，先關(guān)閉井口截?cái)嘁黹y和主閥，再延時(shí)關(guān)閉井下安全閥。其主要目的是讓井下安全閥在非流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行開關(guān)，延長(zhǎng)其使用壽命（井下安全閥安裝在井口地面以下80m左右，一次性安裝后無法更換）。（2）對(duì)于井口控制盤，其原理和功能與常規(guī)井口控制盤無差別，只是針對(duì)環(huán)境工況做了相應(yīng)的改進(jìn)。首先針對(duì)晝夜溫差大的特點(diǎn)，對(duì)于井口控制盤的液壓管路作了改進(jìn)。由于液壓管路壓力受環(huán)境溫度影響大，當(dāng)溫度升高時(shí)，液壓油在密閉管路中壓力會(huì)急劇上升，導(dǎo)致液壓管路安全閥起跳。當(dāng)溫度下降后，管路中壓力急劇下降。為了解決此問題，在液壓管路中增加一個(gè)壓力補(bǔ)償器。補(bǔ)償器類似一個(gè)氣囊，在正常情況下，氣囊壓力與液壓油管線壓力處于平衡狀態(tài)；當(dāng)液壓油因溫度升高，體積增大，而壓力增大時(shí)，推動(dòng)活塞壓縮氣囊，釋放液壓油壓力；當(dāng)溫度降低時(shí)，體積減小，而壓力減小，氣囊推動(dòng)活塞，阻止液壓壓力減小，從而達(dá)到液壓壓力補(bǔ)償作用。（3）由于井口無外電源，液壓油管線動(dòng)力源采用氣動(dòng)渦輪泵提供。氣動(dòng)渦輪泵可以采用壓縮空氣瓶提供動(dòng)力。當(dāng)液壓管線長(zhǎng)期運(yùn)行后壓力不足時(shí)，氣動(dòng)渦輪泵可檢測(cè)壓力自動(dòng)補(bǔ)壓。壓縮空氣瓶同時(shí)也可為氣動(dòng)管線提供動(dòng)力源。（4）井口控制系統(tǒng)一般選用可編程邏輯控制器（PLC）或遠(yuǎn)程終端裝置（RTU），對(duì)于井口現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣的情況，選用RTU有諸多優(yōu)勢(shì)。首先RTU更適合于寬溫環(huán)境下工作，一般工作溫度為-40℃～70℃，PLC不適合惡劣工況使用，即使具有寬溫設(shè)計(jì)的PLC最低使用溫度也只能到-20℃。其次，對(duì)于井口檢測(cè)控制點(diǎn)數(shù)少的情況，RTU的功耗遠(yuǎn)小于PLC，小型RTU功耗約4W，更有利于太陽能系統(tǒng)的選型。另外，RTU與PLC比較具有更強(qiáng)的與調(diào)度控制中心遠(yuǎn)程通信能力。（5）土庫曼斯坦國家地處中亞，日照強(qiáng)，日照時(shí)間長(zhǎng)，井口設(shè)備用電總功率小，大約100W，采用太陽能發(fā)電+蓄電池供電的方案是可行的。并且井口周邊大多為沙漠，地域空曠，對(duì)于太陽能板的安裝也方便、簡(jiǎn)單。采用太陽能供電方案工程投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它供電方案。

4 集成化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

一體化井口地面安全控制系統(tǒng)將井口地面安全系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和太陽能電源系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)為一體，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）提高了井口生產(chǎn)的安全性和關(guān)井可靠性。一體化井口地面安全控制系統(tǒng)為緊急關(guān)井提供了雙重保護(hù)。從危險(xiǎn)源檢測(cè)來說，井口控制盤可以通過高低壓導(dǎo)閥來檢測(cè)節(jié)流閥后壓力，當(dāng)壓力超過設(shè)定值，井口控制盤自動(dòng)關(guān)閉井口。同時(shí)，井口節(jié)流閥后設(shè)置2個(gè)壓力變送器，信號(hào)傳輸至RTU，由RTU采用二選一的表決機(jī)制進(jìn)行判斷，一旦壓力超過設(shè)定值，輸出關(guān)井命令。從執(zhí)行器角度來說，當(dāng)井口節(jié)流閥后超壓時(shí)，同時(shí)關(guān)閉主閥和翼閥。即使其中一臺(tái)截?cái)嚅y關(guān)閉失敗也不影響整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)井功能。（2）一體化井口地面安全控制系統(tǒng)將多個(gè)設(shè)備集成化設(shè)計(jì)，減少了工程招標(biāo)工作量和現(xiàn)場(chǎng)施工工作量。同時(shí)集成商對(duì)耗電量等更為精準(zhǔn)計(jì)算，減少資源過剩，降低工程投資。（3）整個(gè)一體化井口地面安全控制系統(tǒng)均由集成商總體負(fù)責(zé)，減少了設(shè)備之間的工作界面劃分和責(zé)任劃分，降低了供貨商之間因信息交接而產(chǎn)生的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。（4）一體化井口地面安全控制系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)有利于物資調(diào)用，減少現(xiàn)場(chǎng)施工工作量，有效解決了土庫曼斯坦國家簽證難的問題。

結(jié)語

一體化井口地面安全控制系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)既提高了系統(tǒng)安全性和可靠性，又降低了工程成本；既滿足土庫曼斯坦天然氣井口現(xiàn)場(chǎng)工況和環(huán)境條件，又符合當(dāng)前土庫曼斯坦國情。其在土庫曼斯坦天然氣地面工程中的應(yīng)用具有很大優(yōu)勢(shì)和前景。

[1]井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范[S].API 6A.

TP273

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