［摘 要］隨著國內(nèi)對石油勘探開發(fā)的不斷深入，現(xiàn)有的額定壓力140MPa 井口裝備已無法達到使用要求，需要我國研發(fā)額定壓力175MPa 以上的超高壓重大井口裝備，以滿足深井超高壓、高溫井油氣開發(fā)的需求。175MPa 以上額定壓力的超高壓重大井口裝備具有抗高強壓，可人力開啟及關(guān)閉，但考慮到操作人員的安全及為了提高工作效率，降低工作強度，文章研制了自動化控制閥門、電動驅(qū)動閥，進而實現(xiàn)遠程自動化控制。

［關(guān)鍵詞］井口裝備；自動化控制；關(guān)鍵技術(shù)；電動驅(qū)動閥

［中圖分類號］TE934.2 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）03–0016–03

PLC 可編程邏輯控制器，能夠被安置在各個系統(tǒng)程序中，對系統(tǒng)的執(zhí)行邏輯進行計算，并向用戶發(fā)出指令，讓其對系統(tǒng)進行自動化或者是智能化控制。PLC 編程便利、結(jié)構(gòu)簡單、功能多樣化、可靠性高、自身抗干擾能力強等優(yōu)點讓其在各大工業(yè)領(lǐng)域中得到推廣應用。PLC 技術(shù)的實際應用能夠讓液壓系統(tǒng)實現(xiàn)智能化控制，并提升其安全性和效率，這對于石油企業(yè)的生產(chǎn)來說起到了極大的推動作用。因此，將PLC技術(shù)應用到石油機械液壓控制系統(tǒng)中是實現(xiàn)生產(chǎn)工藝優(yōu)化的最佳選擇。

液壓系統(tǒng)是石油鉆機設(shè)備中不可或缺的核心技術(shù)之一，其不僅可以提供驅(qū)動力和扭矩，還可以控制石油鉆機的運動和作業(yè)。液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率直接影響石油鉆機設(shè)備的工作效率和安全性。其是一種利用流體傳遞壓力和能量的動力系統(tǒng)，由液壓液體、液壓泵、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件等組成。液壓系統(tǒng)通過液壓泵將液壓油液壓力轉(zhuǎn)化為機械能，并通過控制元件控制液壓系統(tǒng)的流量和壓力，最終通過執(zhí)行元件將能量傳遞至機械部件實現(xiàn)各種工作，其工作原理如圖1所示。液壓系統(tǒng)具有傳動效率高、運動平穩(wěn)、力量和速度可調(diào)、功率密度大、動作靈敏和可靠性高等優(yōu)點。在石油鉆機設(shè)備中，液壓系統(tǒng)被廣泛應用于傳遞動力、控制方向、調(diào)整鉆頭方向、提高工作效率和保證工作安全等方面。

基于此，文章將重點探討超高壓重大井口裝備自動化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其在國際上有一定的創(chuàng)新性。

1 超高壓重大井口裝備發(fā)展現(xiàn)狀

井口裝備在油氣鉆井生產(chǎn)設(shè)備中起著十分中重要的作用，其主要的用途是懸掛井口套管、密封套管之間的環(huán)空、定位和安裝支撐采油樹等，也起著安全輸送地下油氣的作用，有效防止了井口的高壓和有害有毒氣體噴散到環(huán)境中，造成周圍環(huán)境和生物危害。因此，井口裝備一直受到國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)研究機構(gòu)的高度重視和油田用戶普遍的關(guān)注。

在石油鉆井生產(chǎn)設(shè)備中，井口裝備是必不可少的設(shè)備，也是在油田進行作業(yè)時使用數(shù)量最多、類型最多的設(shè)備。其不僅要求每口油氣井都要配備，而且隨著地層、環(huán)境、井壓、油氣狀態(tài)、油氣密度的不同以及所含有害物質(zhì)的種類和大小，需要設(shè)計不同的井口裝備以滿足需求。因此，認真分析和研究滿足各種復雜工況要求、安全可靠的井口裝備具有重要意義。

國外鉆井地層比較淺，對140 MPa 及以上壓力的產(chǎn)品需求量極少。目前國外只有美國卡麥龍公司有8 套超高壓重大井口裝備的生產(chǎn)信息，其中4 套均在1985 年以前，沒有資料記錄，最接近深井使用的為2011 年和2015 年生產(chǎn)的3 套，均為沒有執(zhí)行標準的非標產(chǎn)品。

國內(nèi)尚無成套175 MPa 以上超高壓重大井口裝備的生產(chǎn)和使用記載，少數(shù)廠家對175 MPa 以上超高壓重大井口裝備產(chǎn)品展開了研發(fā)和試制，但都沒經(jīng)過現(xiàn)場的使用驗證。

目前國內(nèi)外生產(chǎn)的井口裝備按API 標準最高壓力為140 MPa。175 MPa 以上超高壓重大井口裝備無API 美國石油學會或國家標準可供遵循。越來越多的超深、超高壓、高溫等風險探井在國內(nèi)部署，超高壓、萬米深井數(shù)量逐漸增加。關(guān)井壓力超過120 MPa，甚至接近140 MPa 的額定壓力，140 MPa 壓力等級的產(chǎn)品已不能完全滿足超深油氣井勘探開發(fā)的需要，迫切需要更高壓力等級的井控設(shè)備，175 MPa 以上超高壓重大井口裝備的研制迫在眉睫。

為支持我國超深、超高壓、高溫等惡劣地質(zhì)環(huán)境區(qū)塊的開發(fā)，趕上我國超深井的發(fā)展趨勢，緊急推動國產(chǎn)175 MPa 以上超高壓重大井口裝備的研發(fā)進展及項目審批，可更好地促進項目實施和成果轉(zhuǎn)化。

超高壓環(huán)境下的工作條件極為苛刻，以往的標準和規(guī)范通常無法覆蓋這一范圍，給超高壓重大井口裝備的設(shè)計、研發(fā)和生產(chǎn)帶來了困難。另外，超高壓重大井口裝備的生產(chǎn)周期通常較長，主要是因為裝備設(shè)計復雜、關(guān)鍵部件需求量小、技術(shù)門檻高。由于市場需求較為有限，缺乏成熟的生產(chǎn)流程和供應鏈體系，導致生產(chǎn)周期延長。面對這個問題，我國目前確實還沒有形成完整的自主創(chuàng)新和生產(chǎn)能力。然而，我國正積極推動技術(shù)創(chuàng)新和自主研發(fā)，加強超高壓重大井口裝備的研究與生產(chǎn)能力建設(shè)。通過政府加大對科技創(chuàng)新的支持力度，鼓勵企業(yè)加大研發(fā)投入，培育創(chuàng)新團隊和科研機構(gòu)，加強與國際合作交流，可加快超高壓重大井口裝備的自主創(chuàng)新步伐。自主創(chuàng)新是實現(xiàn)超高壓重大井口裝備成套生產(chǎn)的關(guān)鍵。通過建立標準化的研發(fā)和生產(chǎn)流程，加強關(guān)鍵技術(shù)研究和攻關(guān)，提高自主創(chuàng)新能力和核心競爭力，有望在超高壓重大井口裝備領(lǐng)域取得突破，并為國際市場提供更加可靠的產(chǎn)品和解決方案。

在具有多個電動平板閥時，倒換管路需要開關(guān)多只閥，逐一開關(guān)效率低且容易誤操作，為了實現(xiàn)一鍵完成轉(zhuǎn)換控制裝置，需要接入可編程控制。在研究初期就對平板閥的力矩進行了充分的考慮，175 MPa 超高壓重大井口裝備的手動平板閥可采用人力進行開啟和關(guān)閉，所有的閥門應滿足就地控制、遠程集中控制和遠程總線控制，同時根據(jù)使用條件的不同可預先編程實現(xiàn)一鍵控制。平板閥滿足單閥就地控制、多閥集成聯(lián)動可編程控制、單閥/ 多閥遠程中控控制，所有數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠傳，在遠程端可完成所有的操作和監(jiān)測、滿足現(xiàn)場無人值守的要求。

2 超高壓重大井口裝備自動化控制關(guān)鍵技術(shù)

研發(fā)了適用于175 MPa 以上超高壓重大井口裝備的安全高效自動化控制電動閘閥和節(jié)流閥，該自動化裝置降低了勞動強度，實現(xiàn)了高壓區(qū)無人值守，為超高壓裝備安全運行提供保障。

（1）自動化控制閥門可實現(xiàn)遠程自動化控制；平板閥或節(jié)流閥可單獨通過遙控器控制，也可集成PLC 集中控制，具有遠程控制的功能，也可在就地實現(xiàn)手動操作控制閥門?？筛鶕?jù)變頻電動頭改變電機頻率進行調(diào)整平板閥的開關(guān)時間，調(diào)整區(qū)間范圍為20 s～40 s。電動平板閥門的樣機結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

（2）研制了電動驅(qū)動閥，具有防爆和快速控制功能，保證了超高壓重大井口裝備的安全高效運行。在使用中，電動驅(qū)動閥可通過手動或自動化技術(shù)進行操作，具有效率高、響應速度快的特點。與傳統(tǒng)的液壓和氣動閥相比，電動閥具有許多優(yōu)點：①融合計算機工作，引入新的電子技術(shù)，省時省力；②電動閥不需要特殊壓縮氣源或閥門設(shè)備；③即便電動閥電源失電，也可以保持原先的機械位置；④電動閥能實現(xiàn)遠程DCS 控制，同時開關(guān)信號數(shù)據(jù)傳輸基本沒有阻礙；⑤與傳統(tǒng)閥門對比，電動閥所需的電纜敷設(shè)較為簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不復雜，后期電纜管道檢查和維護較為方便。同時由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡單，設(shè)備故障率明顯低于其他類型的閥門。

（3）快速控制功能降低了勞動強度，提升了現(xiàn)場倒換管路速度。

（4）可編程控制可根據(jù)不同的作業(yè)需求編制不同的程序?qū)崿F(xiàn)一鍵控制。

（5）節(jié)流閥的電驅(qū)自動化控制解決了節(jié)流閥的調(diào)節(jié)難題，通過下游壓力和流量進行反饋調(diào)節(jié)都可實現(xiàn)精準控制。也可以通過渦輪結(jié)構(gòu)實現(xiàn)手動操作。

（6）電動平板閥通過電動頭直接驅(qū)動閥門的開關(guān)，電動頭具有防爆的功能?？刂齐妷海?80 V 三相動力電源。防爆等級：Exd Ⅱ C T4?？刂颇Ｊ剑篈，執(zhí)行器就地電動控制；B，模擬信號電動控制；C，遠程總線電動控制；D，備用手動控制。控制轉(zhuǎn)速：24 r/min。測試力矩：175 MPa，400 N · m（不含減速器和滾珠絲杠）。

3 結(jié)束語

擁有著安全、高效自動化控制電動閘閥和節(jié)流閥的175MPa 超高壓重大井口裝備，滿足深井超高壓、高溫井油氣開發(fā)的技術(shù)需求。雖然，目前我國在高溫高壓井的鉆井技術(shù)方面取得了顯著成果， 但仍受許多限制，且對于高溫高壓非常規(guī)井的鉆井技術(shù)研究也十分缺乏。因此，仍要加大對高溫高壓鉆井技術(shù)的研究力度，以滿足日益苛刻的鉆井需求。相信隨著技術(shù)與裝備的不斷完善和市場的不斷推動，高溫高壓鉆井技術(shù)也將穩(wěn)步攀升。

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