油田井控设备中高压气站系统研制

韩 霞，刘晓昔

（1.天津市正方科技发展有限公司，天津 300270；2.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065）

0 引言

近年，我国加大对页岩气、天然气方面的开采力度，设备技术要求也随着现场应用不断提高。目前，井控设备（采气井口、防喷器、管汇、套管头、平板阀等）压力级别越来越高，通径也越来越大，这对于生产制造商是非常大的考验。根据调研，采气井口及其他井控设备在现场使用过程中，由于厂内试验条件不完备，部分产品缺陷未检出，造成现场泄漏问题时有发生，特别是主阀的气密封失效是主要的泄漏安全隐患。西南油气田分公司每年用于采（油）气井口装置带压换阀、堵漏等维护工程费用多达千万元。究其原因，主要是制造厂出厂时因缺乏条件没有对产品配套件（如阀门、短接和四通等）及装配总成进行气密封检测，仅是常规的水压密封检验，致使许多不合格的采（油）气井口装置投入现场使用。设计一套智能控制高压气站试验系统，可以提高井控设备的出厂可靠性，减少和避免发生现场安全事故。它能对采气井口、管汇、防喷器、套管头、平板阀等进行气密封试验，为生产厂、用户提供设计、生产使用方面的质量改进提供依据。

在整个高压气站系统中，PLC 控制系统作为核心，有效集成了供电系统、制氮机组、增压系统和监控等。系统利用惰性气体氮气作为介质，确保试验过程安全，安装泄漏监测声发射报警装置。整个系统升压、保压和降压过程由计算机进行控制，并记录数据绘制压力曲线，形成试压报告。

1 执行相关标准及规定

（1）GB/T 22513《石油天然气工业 钻井和采油设备 井口装置和采油树》。

（2）GB/T 25430《石油天然气钻采设备旋转防喷器》。

（3）API Spec 6A《井口装置和采油树》。

（4）API Spec16C《节流和压井规范》。

（5）SY/T 5323《石油天然气工业 钻井和采油设备 节流和压井设备》。

2 高压气站组成

高压气站系统是将高压气瓶组内的高压氮气进行二次增压，达到试验所需压力、流量，为井控设备（井口、管汇、防喷器、采油树等）的高压气密性试验提供高压介质。高压气站包括氮气气源站和中高压气站。

2.1 氮气气源站

氮气气源站主要由氮气压缩机、过滤净化装置、高压气瓶组、高压安全阀、压力仪表及高压管路阀门管件组成，流程如图1 所示。主要功能是将制氮机产生的氮气压缩到35 MPa，净化后存储到高压气瓶组内，不仅可以直接用于35 MPa 以内的气密性试验，当试验需要35 MPa 以上压力的氮气时，可以通过增压系统对高压气瓶组内的高压氮气进行二次增压，达到试验压力。

图1 氮气气源站流程

2.2 中高压氮气站

105 MPa/210 MPa 气站主要由气动增压泵、驱动气路、预增气路、高压阀门管路、压力仪表及机柜组成，如图2 所示。

图2 中高压气站流程

3 高压气站参数

3.1 氮气压缩机技术参数

（1）高压氮气压缩机。选择输出氮气压力为35 MPa，流量为0.45 Nm3/min。

（2）精密过滤器。过滤精度0.01 μm。（3）氮气压缩机带有自动排污系统，每级安装有油/水分离器。（4）配置2 套高压氮气瓶组（35 MPa、2×50 L）及（15 MPa、10×40 L）。

（5）高压压力传感器。额定工作压力60 MPa，精度0.5%。

3.2 105 MPa/210 MPa 气站的技术参数

（1）高压气动增压泵。最大驱动气压1.034 25 MPa（150 Psi），最大处理气量0.5 Nm3/min，最高输出压力不低于110 MPa/220 MPa。

（2）电气比例阀。最大供给压力1 MPa，设定压力0.005～0.8 MPa，最大流量5000 L/min，供电电源为24 VDC±10%，输入信号4～20 mA。

（3）压力传感器。测量范围0～160 MPa，0～320 MPa，温度漂移≤±0.05%FS/℃（温度范围-20～85 ℃，包括零点和量程的温度影响）。

（4）气站属于超高压设备，设备及零部件采用行业名优品牌产品。

4 高压气站功能

4.1 氮气压缩机的功能

（1）带有自动排污系统。

（2）控制方式。本地按钮启停、中央控制室按钮启停。

（3）每级后有油/水分离器，每级有安全阀。

4.2 105 MPa/210 MPa 气站的功能

（1）手动远程或自动阀门两种控制。自动阀门可直接切断增压泵高压气体排气管路、高压气体进气管路，更快速切断增压泵空气驱动气管路，使增压泵立刻停机；手动控制实现更可靠的系统保护。

（2）设备具备本质安全的加载能力，能够满足在任何情况下不会超过设定压力。系统自身内置安全阀，当压力开关失效，增压机不停机时，安全阀自动开启卸压。

5 中高压气站特点

（1）采用进口增压泵对氮气进行二次增压。

（2）高压出口配置有机械式安全阀，当系统压力达到安全阀设定压力时自动开启卸压，确保系统不会超压。

（3）系统高压阀门可通过电气按钮实现远程控制阀门的启闭。

（4）采用电磁阀控制气动增压泵的启停，快速响应，达到压力后停泵的同时排放驱动气路中的压缩空气。

（5）箱式封闭结构，静音型，噪声低。

（6）系统具备自动和半自动操作模式、集成计时器（工作小时数/负荷周期）、维护周期自动显示、需要维护部件自动显示、启/闭压力范围完全可调、各种安全信息自动显示、可以检查终端压力安全阀、系统停机时自动关闭。

6 结束语

为确保试验介质的安全性，通过对制氮系统精细配置，可使分离氮气浓度高达99%以上。该中高压气站系统通过计算机远程控制升压→保压→降压过程，利用视频监控系统实时监控其运转情况及状态。本套系统作为井控设备出厂最后一道安全质量关，使用效果较好。几年来，经过油田和制造厂家的努力，井控设备做气密封检测时泄漏次数减少。气密封试验系统的建立，提高了国内制造企业产品API 标准符合性以及企业的国际市场竞争力。