高壓氣井環(huán)空自動(dòng)補(bǔ)壓設(shè)備研究*

陳澤群，李 哲

（長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434023）

0 引言

各種事故威脅著油氣井大型設(shè)備安全的使用[1]，油氣井開(kāi)采的深層化使其更易發(fā)生套管破裂、井噴現(xiàn)象。明確造成此類事故的原因，找出應(yīng)對(duì)方法，降低大型油氣設(shè)備事故率[2-3]，是當(dāng)前大型設(shè)備在安全使用和設(shè)計(jì)領(lǐng)域高度關(guān)注和急需解決的問(wèn)題之一[4-5]。早在20世紀(jì)中期，國(guó)外就開(kāi)始研究環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的努力，國(guó)外在導(dǎo)致環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}的原因、建造氣井時(shí)采用的原料、固井的工藝流程等方面得出了很多理論，并將理論應(yīng)用于實(shí)際的氣井建造過(guò)程中。其中，2006年，美國(guó)出版了一部推薦做法[6]，將關(guān)于環(huán)空壓力的多個(gè)方面進(jìn)行測(cè)定記錄，形成了一套指導(dǎo)方針，對(duì)環(huán)空壓力的研究有重要意義。

國(guó)內(nèi)部分學(xué)者在氣井環(huán)空方面有深入研究，也形成了一些有特色的環(huán)空研究理論。張波等[7]在2011年通過(guò)調(diào)研及研究，提出了環(huán)空帶壓的成因，建立了氣井允許的環(huán)空壓力值計(jì)算方法，同時(shí)，結(jié)合某個(gè)氣井實(shí)際情況，在環(huán)空帶壓的危險(xiǎn)性方面建立了一套評(píng)判方式；同年，朱仁發(fā)[8]提出了天然氣井環(huán)空帶壓存在的一些問(wèn)題，并給出了一些治理意見(jiàn)，為天然氣井的安全生產(chǎn)和國(guó)家天然氣資源的穩(wěn)定開(kāi)發(fā)提供了科學(xué)的參考依據(jù)。目前的研究對(duì)于環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}已經(jīng)具有一定的理論基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)一套完整的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)空泄壓?jiǎn)栴}迫在眉睫。

1 環(huán)空自動(dòng)補(bǔ)壓設(shè)備方案論證

1.1 環(huán)空壓力自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備

環(huán)空壓力自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備包括增壓機(jī)構(gòu)、控制器、壓力傳感器、以及用于存儲(chǔ)環(huán)空保護(hù)液的儲(chǔ)液箱。壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)油田氣井環(huán)空的壓力，生成環(huán)空壓力信號(hào)；控制器用于將環(huán)空壓力信號(hào)與壓力下限值進(jìn)行比較，在環(huán)空壓力信號(hào)低于壓力下限值時(shí)，通過(guò)增壓機(jī)構(gòu)將儲(chǔ)液箱內(nèi)的環(huán)空保護(hù)液補(bǔ)給氣井環(huán)空增壓，直到環(huán)空壓力信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力上限閥值時(shí)，關(guān)閉增壓機(jī)構(gòu)，停止補(bǔ)壓，確保油田氣井安全高效地生產(chǎn)作業(yè)。

油田氣井環(huán)空壓力自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備設(shè)有保護(hù)房，儲(chǔ)液箱位于保護(hù)房?jī)?nèi)。保護(hù)房上設(shè)有排氣扇；保護(hù)房?jī)?nèi)設(shè)有可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀。控制器用于將可燃?xì)怏w濃度信號(hào)與濃度閥值進(jìn)行比對(duì)，在可燃?xì)怏w濃度信號(hào)超過(guò)濃度閥值時(shí)，開(kāi)啟排氣扇。売體內(nèi)還設(shè)有溫度傳感器和加熱器，溫度傳感器用于檢測(cè)保護(hù)房?jī)?nèi)的溫度，并生成對(duì)應(yīng)的溫度信號(hào)。在溫度信號(hào)大于溫度上限值時(shí)，開(kāi)啟排氣扇散熱；在溫度信號(hào)小于溫度下限值時(shí)，啟動(dòng)加熱器。

增壓機(jī)構(gòu)包括柱塞泵以及連接柱塞泵的變頻電機(jī)，控制器因環(huán)空壓力信號(hào)變頻調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的輸出速度，以對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)柱塞泵增壓速度。

油田氣井環(huán)空壓力自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備還包括高壓?jiǎn)蜗蜷y以及高壓截止閥，壓力傳感器位于高壓?jiǎn)蜗蜷y和高壓截止閥之間。本設(shè)備與環(huán)空套管之間的連接管安裝有電磁閥。儲(chǔ)液箱內(nèi)安裝有液位傳感器，用于檢測(cè)儲(chǔ)液箱內(nèi)的環(huán)空保護(hù)液液位，在環(huán)空保護(hù)液液位低于預(yù)設(shè)液位下限時(shí)，生成液位信號(hào)，控制器因該液位信號(hào)驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置并發(fā)出警報(bào)。

設(shè)備各處還安裝有遠(yuǎn)程通信模塊，PLC控制器通過(guò)該遠(yuǎn)程通信模塊與遠(yuǎn)程控制裝置進(jìn)行通信。

1.2 高溫高壓高產(chǎn)氣井環(huán)空套壓補(bǔ)償裝置

如圖1所示，高溫高壓高產(chǎn)氣井環(huán)空套壓補(bǔ)償裝置包括高壓管線、儲(chǔ)液罐、自動(dòng)泄壓閥、自動(dòng)灌注泵。一旦氣井環(huán)空套壓低于設(shè)定時(shí)，灌注泵將儲(chǔ)液罐中的液體經(jīng)過(guò)高壓管線自動(dòng)送入氣井環(huán)空中，用于氣井環(huán)空套壓間補(bǔ)償。當(dāng)氣井環(huán)空套壓遠(yuǎn)高于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)泄壓閥給氣井環(huán)空套泄壓。高壓管線的一端與氣井環(huán)空套上的油管閥連接；另一端與儲(chǔ)液罐連接。自動(dòng)泄壓閥安裝在高壓管線上，當(dāng)氣井環(huán)空套壓遠(yuǎn)高于設(shè)定值時(shí)，所述泄壓閥打開(kāi)，氣井環(huán)空套中的液體回流到儲(chǔ)液罐中。采用上述的氣井環(huán)空套壓補(bǔ)償設(shè)備對(duì)油氣井生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)空壓力進(jìn)行管理，節(jié)省了人力，實(shí)現(xiàn)了環(huán)空壓力的自動(dòng)化。

高溫高壓高產(chǎn)氣井環(huán)空套壓補(bǔ)償裝置的特征在于當(dāng)氣井環(huán)空套壓低于設(shè)定值時(shí)，灌注泵將儲(chǔ)液罐中的液體經(jīng)過(guò)高壓管線送入氣井環(huán)空，用于氣井環(huán)空套壓補(bǔ)償。一旦氣井環(huán)空套壓遠(yuǎn)高于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)泄壓閥給氣井環(huán)空套泄壓。

氣井生產(chǎn)期間，生產(chǎn)封隔器密封性變差，生產(chǎn)改變、放氣閥排氣，引發(fā)油氣井環(huán)空套壓發(fā)生變化時(shí)，該氣井環(huán)空套壓補(bǔ)償設(shè)備能夠根據(jù)所要求的值對(duì)環(huán)空套壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。油氣井環(huán)空套壓上漲，自動(dòng)泄壓閥打開(kāi)，氣井環(huán)空中的完井液回流進(jìn)入儲(chǔ)液瓶，從而使氣井環(huán)空套壓隨之下降，直到達(dá)到所要求的環(huán)空套壓值，氣井環(huán)空套壓保持穩(wěn)定狀態(tài)。

生產(chǎn)制度的改變導(dǎo)致油氣井環(huán)空套壓下降，自動(dòng)灌注泵開(kāi)啟。抽取儲(chǔ)液瓶中的完井液進(jìn)入氣井環(huán)空套，氣井環(huán)空套壓隨之升高，直至達(dá)到設(shè)定值，空氣壓縮機(jī)停止工作。不同于油田生產(chǎn)中對(duì)于環(huán)空套壓傳統(tǒng)的處理方法，該環(huán)空套壓補(bǔ)償裝置具有同時(shí)放壓和補(bǔ)壓的雙重功能，能達(dá)到對(duì)氣井環(huán)空套壓的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，有效克服傳統(tǒng)處理方式不及時(shí)的不足。

圖1 補(bǔ)壓設(shè)備

2 氣井環(huán)空補(bǔ)壓設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

氣井環(huán)空補(bǔ)壓設(shè)備包含主控制單元PLC控制器、主工作單元，包括壓力傳感器、電磁閥、電機(jī)、液壓泵、設(shè)備維護(hù)單元、液位報(bào)警系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)。如圖2所示。

圖2 氣井環(huán)空補(bǔ)壓裝置思路

主控制單元：當(dāng)環(huán)空壓力使壓力傳感器被觸發(fā)并生成壓力信號(hào)，壓力信號(hào)傳導(dǎo)得到PLC控制器，對(duì)壓力信號(hào)與預(yù)設(shè)的值進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)壓力小于預(yù)設(shè)值時(shí)，PLC控制器控制電磁閥打開(kāi)，并且打開(kāi)電機(jī)，斜盤(pán)式軸向柱塞泵產(chǎn)生高壓環(huán)空保護(hù)液，經(jīng)過(guò)高壓油管進(jìn)入環(huán)空空間進(jìn)行補(bǔ)壓。

油箱液位保護(hù)單元：當(dāng)油箱液位達(dá)到預(yù)設(shè)的危險(xiǎn)液位時(shí)，液位傳感器會(huì)生成液位信號(hào)發(fā)往PLC控制器，控制器啟動(dòng)報(bào)警器并制動(dòng)馬達(dá)。

溫度控制單元：由于設(shè)備環(huán)境需要維持一定的溫度值范圍，溫度過(guò)高會(huì)觸發(fā)溫度傳感器生產(chǎn)溫度信號(hào)，并發(fā)送到PLC控制器，PLC控制器啟動(dòng)排熱扇，對(duì)設(shè)備降溫；溫度過(guò)低會(huì)觸發(fā)溫度傳感器生產(chǎn)溫度信號(hào)，并發(fā)送到PLC控制器，PLC控制器啟動(dòng)加熱器，對(duì)設(shè)備增溫。

氣體控制單元：由于存在天然氣的泄漏問(wèn)題，需要及時(shí)對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行處理，當(dāng)可燃?xì)怏w傳感器觸發(fā)，啟動(dòng)報(bào)

警器。

2.2 具體設(shè)計(jì)方案

氣井環(huán)空補(bǔ)壓裝置設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2.1硬件部分

（1）不銹鋼304油箱；（2）不銹鋼過(guò)濾器；（3）高壓柱塞泵；（4）防爆變頻電機(jī)；（5）100 MPa溢流閥；（6）100 MPa單向閥；（7）140 MPa高壓截止閥；（8）105 MPa壓力表；（9）105 MPa防爆壓力傳感器；（10）電磁閥；（11）可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀；（12）報(bào)警器；（13）溫度檢測(cè)儀；（14）控制器。

圖3 氣井環(huán)空補(bǔ)壓裝置設(shè)計(jì)

2.2.2 補(bǔ)壓機(jī)構(gòu)

（1）檢測(cè)機(jī)構(gòu)：壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)空壓力。（2）控制機(jī)構(gòu)：控制器，對(duì)檢測(cè)壓力，并對(duì)比壓力，發(fā)送補(bǔ)壓信號(hào)，進(jìn)行全程控制。

（3）增壓機(jī)構(gòu)：由變頻電機(jī)、高壓柱塞泵構(gòu)成，當(dāng)控制器啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，柱塞泵工作，對(duì)環(huán)空口進(jìn)行補(bǔ)壓。

（4）設(shè)備保障機(jī)構(gòu)：由溫度檢測(cè)儀、可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)儀和報(bào)警器構(gòu)成，保證設(shè)備的正常工作運(yùn)行。

2.2.3 作用過(guò)程

壓力傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油田各個(gè)環(huán)空壓力口的壓力，并生成相應(yīng)的壓力信號(hào)?？刂破鞲鶕?jù)壓力信號(hào)與預(yù)設(shè)好的最低壓力下限閾值進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)環(huán)空壓的壓力低于預(yù)設(shè)的閾值，通過(guò)增壓機(jī)構(gòu)的電機(jī)打開(kāi)，柱塞泵運(yùn)行，油箱內(nèi)的油液開(kāi)始沿管道流動(dòng)，通過(guò)100 MPa單向閥流向各環(huán)空通道，確保油田生產(chǎn)作業(yè)高效安全進(jìn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

該研究可以解決環(huán)空自動(dòng)補(bǔ)泄壓的問(wèn)題。高壓氣井環(huán)空自動(dòng)補(bǔ)壓系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是該產(chǎn)品利用PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)空壓力，及時(shí)地補(bǔ)泄壓，準(zhǔn)確安全地控制環(huán)空內(nèi)壓力維持在安全范圍內(nèi)，避免因補(bǔ)壓、泄壓不及時(shí)產(chǎn)生安全事故。環(huán)空壓力變化時(shí)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)壓及泄壓，代替人工操作，避免操作人員接近高壓井口，保障操作人員生命安全。

該設(shè)備解決了油氣勘探開(kāi)發(fā)工作中的高壓氣井油套環(huán)空異常帶壓?jiǎn)栴}，通過(guò)對(duì)環(huán)空帶現(xiàn)象事先進(jìn)行理性的研究分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際帶壓井的壓力恢復(fù)曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)，以應(yīng)對(duì)各種各樣的環(huán)境條件。中國(guó)石油與天然氣大部分依靠進(jìn)口，但在十二五規(guī)劃下，需要開(kāi)采更多的石油與天然氣，進(jìn)行供應(yīng)與戰(zhàn)略儲(chǔ)備。該設(shè)備主要針對(duì)油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的高壓氣井油套環(huán)空帶壓異常，可以用于已開(kāi)發(fā)和未開(kāi)發(fā)的油田，應(yīng)用范圍十分廣泛，應(yīng)用前景可觀。