高压气井环空自动补压设备研究*

陈泽群，李 哲

（长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023）

0 引言

各种事故威胁着油气井大型设备安全的使用[1]，油气井开采的深层化使其更易发生套管破裂、井喷现象。明确造成此类事故的原因，找出应对方法，降低大型油气设备事故率[2-3]，是当前大型设备在安全使用和设计领域高度关注和急需解决的问题之一[4-5]。早在20世纪中期，国外就开始研究环空带压问题。经过半个世纪的努力，国外在导致环空带压问题的原因、建造气井时采用的原料、固井的工艺流程等方面得出了很多理论，并将理论应用于实际的气井建造过程中。其中，2006年，美国出版了一部推荐做法[6]，将关于环空压力的多个方面进行测定记录，形成了一套指导方针，对环空压力的研究有重要意义。

国内部分学者在气井环空方面有深入研究，也形成了一些有特色的环空研究理论。张波等[7]在2011年通过调研及研究，提出了环空带压的成因，建立了气井允许的环空压力值计算方法，同时，结合某个气井实际情况，在环空带压的危险性方面建立了一套评判方式；同年，朱仁发[8]提出了天然气井环空带压存在的一些问题，并给出了一些治理意见，为天然气井的安全生产和国家天然气资源的稳定开发提供了科学的参考依据。目前的研究对于环空带压问题已经具有一定的理论基础，因此设计一套完整的设备来实现环空泄压问题迫在眉睫。

1 环空自动补压设备方案论证

1.1 环空压力自动检测设备

环空压力自动检测设备包括增压机构、控制器、压力传感器、以及用于存储环空保护液的储液箱。压力传感器用于监测油田气井环空的压力，生成环空压力信号；控制器用于将环空压力信号与压力下限值进行比较，在环空压力信号低于压力下限值时，通过增压机构将储液箱内的环空保护液补给气井环空增压，直到环空压力信号达到预设的压力上限阀值时，关闭增压机构，停止补压，确保油田气井安全高效地生产作业。

油田气井环空压力自动监控设备设有保护房，储液箱位于保护房内。保护房上设有排气扇；保护房内设有可燃气体浓度检测仪。控制器用于将可燃气体浓度信号与浓度阀值进行比对，在可燃气体浓度信号超过浓度阀值时，开启排气扇。売体内还设有温度传感器和加热器，温度传感器用于检测保护房内的温度，并生成对应的温度信号。在温度信号大于温度上限值时，开启排气扇散热；在温度信号小于温度下限值时，启动加热器。

增压机构包括柱塞泵以及连接柱塞泵的变频电机，控制器因环空压力信号变频调节变频电机的输出速度，以对应调节柱塞泵增压速度。

油田气井环空压力自动监控设备还包括高压单向阀以及高压截止阀，压力传感器位于高压单向阀和高压截止阀之间。本设备与环空套管之间的连接管安装有电磁阀。储液箱内安装有液位传感器，用于检测储液箱内的环空保护液液位，在环空保护液液位低于预设液位下限时，生成液位信号，控制器因该液位信号驱动报警装置并发出警报。

设备各处还安装有远程通信模块，PLC控制器通过该远程通信模块与远程控制装置进行通信。

1.2 高温高压高产气井环空套压补偿装置

如图1所示，高温高压高产气井环空套压补偿装置包括高压管线、储液罐、自动泄压阀、自动灌注泵。一旦气井环空套压低于设定时，灌注泵将储液罐中的液体经过高压管线自动送入气井环空中，用于气井环空套压间补偿。当气井环空套压远高于设定值时，自动泄压阀给气井环空套泄压。高压管线的一端与气井环空套上的油管阀连接；另一端与储液罐连接。自动泄压阀安装在高压管线上，当气井环空套压远高于设定值时，所述泄压阀打开，气井环空套中的液体回流到储液罐中。采用上述的气井环空套压补偿设备对油气井生产过程中的环空压力进行管理，节省了人力，实现了环空压力的自动化。

高温高压高产气井环空套压补偿装置的特征在于当气井环空套压低于设定值时，灌注泵将储液罐中的液体经过高压管线送入气井环空，用于气井环空套压补偿。一旦气井环空套压远高于设定值时，自动泄压阀给气井环空套泄压。

气井生产期间，生产封隔器密封性变差，生产改变、放气阀排气，引发油气井环空套压发生变化时，该气井环空套压补偿设备能够根据所要求的值对环空套压进行调节。油气井环空套压上涨，自动泄压阀打开，气井环空中的完井液回流进入储液瓶，从而使气井环空套压随之下降，直到达到所要求的环空套压值，气井环空套压保持稳定状态。

生产制度的改变导致油气井环空套压下降，自动灌注泵开启。抽取储液瓶中的完井液进入气井环空套，气井环空套压随之升高，直至达到设定值，空气压缩机停止工作。不同于油田生产中对于环空套压传统的处理方法，该环空套压补偿装置具有同时放压和补压的双重功能，能达到对气井环空套压的实时自动控制，有效克服传统处理方式不及时的不足。

图1 补压设备

2 气井环空补压设备设计

2.1 设计思路

气井环空补压设备包含主控制单元PLC控制器、主工作单元，包括压力传感器、电磁阀、电机、液压泵、设备维护单元、液位报警系统、温度控制系统、可燃气体控制系统。如图2所示。

图2 气井环空补压装置思路

主控制单元：当环空压力使压力传感器被触发并生成压力信号，压力信号传导得到PLC控制器，对压力信号与预设的值进行对比。当压力小于预设值时，PLC控制器控制电磁阀打开，并且打开电机，斜盘式轴向柱塞泵产生高压环空保护液，经过高压油管进入环空空间进行补压。

油箱液位保护单元：当油箱液位达到预设的危险液位时，液位传感器会生成液位信号发往PLC控制器，控制器启动报警器并制动马达。

温度控制单元：由于设备环境需要维持一定的温度值范围，温度过高会触发温度传感器生产温度信号，并发送到PLC控制器，PLC控制器启动排热扇，对设备降温；温度过低会触发温度传感器生产温度信号，并发送到PLC控制器，PLC控制器启动加热器，对设备增温。

气体控制单元：由于存在天然气的泄漏问题，需要及时对可燃气体进行处理，当可燃气体传感器触发，启动报

警器。

2.2 具体设计方案

气井环空补压装置设计如图3所示。

2.2.1硬件部分

（1）不锈钢304油箱；（2）不锈钢过滤器；（3）高压柱塞泵；（4）防爆变频电机；（5）100 MPa溢流阀；（6）100 MPa单向阀；（7）140 MPa高压截止阀；（8）105 MPa压力表；（9）105 MPa防爆压力传感器；（10）电磁阀；（11）可燃气体浓度检测仪；（12）报警器；（13）温度检测仪；（14）控制器。

图3 气井环空补压装置设计

2.2.2 补压机构

（1）检测机构：压力传感器，用于实时监测环空压力。（2）控制机构：控制器，对检测压力，并对比压力，发送补压信号，进行全程控制。

（3）增压机构：由变频电机、高压柱塞泵构成，当控制器启动电机时，柱塞泵工作，对环空口进行补压。

（4）设备保障机构：由温度检测仪、可燃气体浓度监测仪和报警器构成，保证设备的正常工作运行。

2.2.3 作用过程

压力传感器用于实时监测油田各个环空压力口的压力，并生成相应的压力信号。控制器根据压力信号与预设好的最低压力下限阈值进行对比。当环空压的压力低于预设的阈值，通过增压机构的电机打开，柱塞泵运行，油箱内的油液开始沿管道流动，通过100 MPa单向阀流向各环空通道，确保油田生产作业高效安全进行。

3 结束语

该研究可以解决环空自动补泄压的问题。高压气井环空自动补压系统的最大优点是该产品利用PLC技术，实现实时测量环空压力，及时地补泄压，准确安全地控制环空内压力维持在安全范围内，避免因补压、泄压不及时产生安全事故。环空压力变化时，自动实现补压及泄压，代替人工操作，避免操作人员接近高压井口，保障操作人员生命安全。

该设备解决了油气勘探开发工作中的高压气井油套环空异常带压问题，通过对环空带现象事先进行理性的研究分析，对现场实际带压井的压力恢复曲线进行预测，以应对各种各样的环境条件。中国石油与天然气大部分依靠进口，但在十二五规划下，需要开采更多的石油与天然气，进行供应与战略储备。该设备主要针对油田开发过程中的高压气井油套环空带压异常，可以用于已开发和未开发的油田，应用范围十分广泛，应用前景可观。