韓 霞，劉曉昔

（1.天津市正方科技發(fā)展有限公司，天津 300270；2.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065）

0 引言

近年，我國加大對頁巖氣、天然氣方面的開采力度，設備技術要求也隨著現(xiàn)場應用不斷提高。目前，井控設備（采氣井口、防噴器、管匯、套管頭、平板閥等）壓力級別越來越高，通徑也越來越大，這對于生產制造商是非常大的考驗。根據(jù)調研，采氣井口及其他井控設備在現(xiàn)場使用過程中，由于廠內試驗條件不完備，部分產品缺陷未檢出，造成現(xiàn)場泄漏問題時有發(fā)生，特別是主閥的氣密封失效是主要的泄漏安全隱患。西南油氣田分公司每年用于采（油）氣井口裝置帶壓換閥、堵漏等維護工程費用多達千萬元。究其原因，主要是制造廠出廠時因缺乏條件沒有對產品配套件（如閥門、短接和四通等）及裝配總成進行氣密封檢測，僅是常規(guī)的水壓密封檢驗，致使許多不合格的采（油）氣井口裝置投入現(xiàn)場使用。設計一套智能控制高壓氣站試驗系統(tǒng)，可以提高井控設備的出廠可靠性，減少和避免發(fā)生現(xiàn)場安全事故。它能對采氣井口、管匯、防噴器、套管頭、平板閥等進行氣密封試驗，為生產廠、用戶提供設計、生產使用方面的質量改進提供依據(jù)。

在整個高壓氣站系統(tǒng)中，PLC 控制系統(tǒng)作為核心，有效集成了供電系統(tǒng)、制氮機組、增壓系統(tǒng)和監(jiān)控等。系統(tǒng)利用惰性氣體氮氣作為介質，確保試驗過程安全，安裝泄漏監(jiān)測聲發(fā)射報警裝置。整個系統(tǒng)升壓、保壓和降壓過程由計算機進行控制，并記錄數(shù)據(jù)繪制壓力曲線，形成試壓報告。

1 執(zhí)行相關標準及規(guī)定

（1）GB/T 22513《石油天然氣工業(yè) 鉆井和采油設備 井口裝置和采油樹》。

（2）GB/T 25430《石油天然氣鉆采設備旋轉防噴器》。

（3）API Spec 6A《井口裝置和采油樹》。

（4）API Spec16C《節(jié)流和壓井規(guī)范》。

（5）SY/T 5323《石油天然氣工業(yè) 鉆井和采油設備 節(jié)流和壓井設備》。

2 高壓氣站組成

高壓氣站系統(tǒng)是將高壓氣瓶組內的高壓氮氣進行二次增壓，達到試驗所需壓力、流量，為井控設備（井口、管匯、防噴器、采油樹等）的高壓氣密性試驗提供高壓介質。高壓氣站包括氮氣氣源站和中高壓氣站。

2.1 氮氣氣源站

氮氣氣源站主要由氮氣壓縮機、過濾凈化裝置、高壓氣瓶組、高壓安全閥、壓力儀表及高壓管路閥門管件組成，流程如圖1 所示。主要功能是將制氮機產生的氮氣壓縮到35 MPa，凈化后存儲到高壓氣瓶組內，不僅可以直接用于35 MPa 以內的氣密性試驗，當試驗需要35 MPa 以上壓力的氮氣時，可以通過增壓系統(tǒng)對高壓氣瓶組內的高壓氮氣進行二次增壓，達到試驗壓力。

圖1 氮氣氣源站流程

2.2 中高壓氮氣站

105 MPa/210 MPa 氣站主要由氣動增壓泵、驅動氣路、預增氣路、高壓閥門管路、壓力儀表及機柜組成，如圖2 所示。

圖2 中高壓氣站流程

3 高壓氣站參數(shù)

3.1 氮氣壓縮機技術參數(shù)

（1）高壓氮氣壓縮機。選擇輸出氮氣壓力為35 MPa，流量為0.45 Nm3/min。

（2）精密過濾器。過濾精度0.01 μm。（3）氮氣壓縮機帶有自動排污系統(tǒng)，每級安裝有油/水分離器。（4）配置2 套高壓氮氣瓶組（35 MPa、2×50 L）及（15 MPa、10×40 L）。

（5）高壓壓力傳感器。額定工作壓力60 MPa，精度0.5%。

3.2 105 MPa/210 MPa 氣站的技術參數(shù)

（1）高壓氣動增壓泵。最大驅動氣壓1.034 25 MPa（150 Psi），最大處理氣量0.5 Nm3/min，最高輸出壓力不低于110 MPa/220 MPa。

（2）電氣比例閥。最大供給壓力1 MPa，設定壓力0.005～0.8 MPa，最大流量5000 L/min，供電電源為24 VDC±10%，輸入信號4～20 mA。

（3）壓力傳感器。測量范圍0～160 MPa，0～320 MPa，溫度漂移≤±0.05%FS/℃（溫度范圍-20～85 ℃，包括零點和量程的溫度影響）。

（4）氣站屬于超高壓設備，設備及零部件采用行業(yè)名優(yōu)品牌產品。

4 高壓氣站功能

4.1 氮氣壓縮機的功能

（1）帶有自動排污系統(tǒng)。

（2）控制方式。本地按鈕啟停、中央控制室按鈕啟停。

（3）每級后有油/水分離器，每級有安全閥。

4.2 105 MPa/210 MPa 氣站的功能

（1）手動遠程或自動閥門兩種控制。自動閥門可直接切斷增壓泵高壓氣體排氣管路、高壓氣體進氣管路，更快速切斷增壓泵空氣驅動氣管路，使增壓泵立刻停機；手動控制實現(xiàn)更可靠的系統(tǒng)保護。

（2）設備具備本質安全的加載能力，能夠滿足在任何情況下不會超過設定壓力。系統(tǒng)自身內置安全閥，當壓力開關失效，增壓機不停機時，安全閥自動開啟卸壓。

5 中高壓氣站特點

（1）采用進口增壓泵對氮氣進行二次增壓。

（2）高壓出口配置有機械式安全閥，當系統(tǒng)壓力達到安全閥設定壓力時自動開啟卸壓，確保系統(tǒng)不會超壓。

（3）系統(tǒng)高壓閥門可通過電氣按鈕實現(xiàn)遠程控制閥門的啟閉。

（4）采用電磁閥控制氣動增壓泵的啟停，快速響應，達到壓力后停泵的同時排放驅動氣路中的壓縮空氣。

（5）箱式封閉結構，靜音型，噪聲低。

（6）系統(tǒng)具備自動和半自動操作模式、集成計時器（工作小時數(shù)/負荷周期）、維護周期自動顯示、需要維護部件自動顯示、啟/閉壓力范圍完全可調、各種安全信息自動顯示、可以檢查終端壓力安全閥、系統(tǒng)停機時自動關閉。

6 結束語

為確保試驗介質的安全性，通過對制氮系統(tǒng)精細配置，可使分離氮氣濃度高達99%以上。該中高壓氣站系統(tǒng)通過計算機遠程控制升壓→保壓→降壓過程，利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控其運轉情況及狀態(tài)。本套系統(tǒng)作為井控設備出廠最后一道安全質量關，使用效果較好。幾年來，經過油田和制造廠家的努力，井控設備做氣密封檢測時泄漏次數(shù)減少。氣密封試驗系統(tǒng)的建立，提高了國內制造企業(yè)產品API 標準符合性以及企業(yè)的國際市場競爭力。