一體化井口地面安全控制系統在土庫曼斯坦天然氣地面工程中的應用

宋希國（中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041）

一體化井口地面安全控制系統在土庫曼斯坦天然氣地面工程中的應用

宋希國
（中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041）

井口地面安全系統最先應用于海上平臺油氣井生產，后來在陸上天然氣井口生產中也得到廣泛應用。主要用于天然氣井口在超壓、火災等危險狀況下通過井口控制盤對井口進行緊急安全截斷，保證井口生產安全。隨著井口地面安全系統的成熟應用，其功能和組成等不斷完善、改進，以適應各個地方的不同工況。

井口控制盤；高/低壓導閥、易熔塞；一體化井口地面安全控制系統

1 井口地面安全系統簡介

井口地面安全系統是用于保證油氣井安全生產的設備，它主要由井口截斷閥、井口控制盤、高/低壓導閥、火災易熔塞及氣動管路或液動管路附件組成。當井口節流后壓力高于或低于設定值、火災易熔塞高溫熔化時，井口控制盤能自動對氣動管路或液壓管路泄壓，關閉井口截斷閥，避免事故的發生。該系統既能實現就地控制，也能實現遠程控制。井口地面安全系統的井口控制盤分為氣動、液動和氣液混合控制三種模式。井口截斷閥主要分為：井口安全截斷翼閥（WSSV）、井口安全截斷主閥（MSSV）和井下安全閥（SCSSV）。井口截斷主閥和井口截斷翼閥可以采用氣動控制，也可采用液壓控制，井下安全閥一般采用液壓控制。為保證井口在故障狀況下也能關閉，截斷閥均采用故障安全型設計，即氣源、液壓源或電源故障時，閥門能自動處于關閉的安全狀態。井口地面安全系統工作原理：井口截斷閥通過氣動管路或液壓管路壓縮執行機構彈簧，將閥門打開，當井口節流閥后的導閥檢測到壓力超過或低于設定值時，導閥動作快速釋放氣動管路中的氣體或液動管路中的液壓油，截斷閥執行機構通過彈簧快速關閉；當井口發生火災時，溫度升高將與氣動管路或液動管路連接的易熔塞熔化，快速釋放管路中的壓能，迫使井口截斷閥關閉；井口控制盤上設置手動按鈕，可手動釋放管路中壓能，關閉井口；井口控制盤還設置一個電磁閥，該電磁閥通過井口控制系統發出關井命令，電磁閥失電，管路中壓能釋放，關閉井口截斷閥。

2 土庫曼斯坦天然氣井口現狀

土庫曼斯坦國家天然氣資源豐富，氣田多為凝析油氣田，多處于沙漠、堿灘地帶。天然氣井口所處地域人煙稀少，氣候條件惡劣，常年風沙大、溫差大，周邊電力和水源依托條件差。天然氣井口單井產量高，井口壓力約35MPa，井口采氣溫度高，因此工藝流程簡單，一般只有節流功能，井口一般采用無人值守進行設計。由于單井產量高、壓力高、氣候條件惡劣，局部地區天然氣中還高含硫化氫和氯離子等，井口的安全生產至關重要，在天然氣井口設置井口地面安全系統是必要的。目前已建的天然氣井口地面安全系統主要有液動控制和氣液混合控制兩種。井口截斷閥的設置也分為兩種：一種為井口安全截斷翼閥+井下安全閥，另一種為井口截斷翼閥+井口截斷主閥+井下安全閥。

3 一體化井口地面安全控制系統

針對土庫曼斯坦國家天然氣井口現場生產工藝及環境條件，在天然氣井口將井口地面安全系統、控制系統和太陽能發電系統集成為一體供貨是很有必要的，即一體化井口地面安全控制系統。為適應當地使用工況，其主要特點如下：（1）對于無人值守井口，當發生危險狀況時，井口的可靠關閉是至關重要的。特別是對于高產、高含硫井口，節流閥后壓力幾秒鐘內壓力就會超過管道設計壓力，并且一些井口為了減少現場放空對大氣的污染，不設安全閥，一旦系統故障。因此在高含硫化氫、高產量井口設置井口截斷主閥、翼閥和井下安全閥來保證井口的可靠關閉。同時，井口控制盤采用液壓控制，其關井響應速度比氣動控制快。三個截斷閥的開關井順序為：開井時，先打開井下安全閥，再打開井口截斷主閥和翼閥；當壓力導閥超過設定值或RTU遠程關井命令時，同時關閉井口截斷主閥和翼閥，井下安全閥不動作；當井口火災時，高溫致使易熔塞熔化，先關閉井口截斷翼閥和主閥，再延時關閉井下安全閥。其主要目的是讓井下安全閥在非流動狀態下進行開關，延長其使用壽命（井下安全閥安裝在井口地面以下80m左右，一次性安裝后無法更換）。（2）對于井口控制盤，其原理和功能與常規井口控制盤無差別，只是針對環境工況做了相應的改進。首先針對晝夜溫差大的特點，對于井口控制盤的液壓管路作了改進。由于液壓管路壓力受環境溫度影響大，當溫度升高時，液壓油在密閉管路中壓力會急劇上升，導致液壓管路安全閥起跳。當溫度下降后，管路中壓力急劇下降。為了解決此問題，在液壓管路中增加一個壓力補償器。補償器類似一個氣囊，在正常情況下，氣囊壓力與液壓油管線壓力處于平衡狀態；當液壓油因溫度升高，體積增大，而壓力增大時，推動活塞壓縮氣囊，釋放液壓油壓力；當溫度降低時，體積減小，而壓力減小，氣囊推動活塞，阻止液壓壓力減小，從而達到液壓壓力補償作用。（3）由于井口無外電源，液壓油管線動力源采用氣動渦輪泵提供。氣動渦輪泵可以采用壓縮空氣瓶提供動力。當液壓管線長期運行后壓力不足時，氣動渦輪泵可檢測壓力自動補壓。壓縮空氣瓶同時也可為氣動管線提供動力源。（4）井口控制系統一般選用可編程邏輯控制器（PLC）或遠程終端裝置（RTU），對于井口現場條件惡劣的情況，選用RTU有諸多優勢。首先RTU更適合于寬溫環境下工作，一般工作溫度為-40℃～70℃，PLC不適合惡劣工況使用，即使具有寬溫設計的PLC最低使用溫度也只能到-20℃。其次，對于井口檢測控制點數少的情況，RTU的功耗遠小于PLC，小型RTU功耗約4W，更有利于太陽能系統的選型。另外，RTU與PLC比較具有更強的與調度控制中心遠程通信能力。（5）土庫曼斯坦國家地處中亞，日照強，日照時間長，井口設備用電總功率小，大約100W，采用太陽能發電+蓄電池供電的方案是可行的。并且井口周邊大多為沙漠，地域空曠，對于太陽能板的安裝也方便、簡單。采用太陽能供電方案工程投資遠遠小于其它供電方案。

4 集成化設計優勢

一體化井口地面安全控制系統將井口地面安全系統、控制系統和太陽能電源系統集成化設計為一體，具有如下優點：（1）提高了井口生產的安全性和關井可靠性。一體化井口地面安全控制系統為緊急關井提供了雙重保護。從危險源檢測來說，井口控制盤可以通過高低壓導閥來檢測節流閥后壓力，當壓力超過設定值，井口控制盤自動關閉井口。同時，井口節流閥后設置2個壓力變送器，信號傳輸至RTU，由RTU采用二選一的表決機制進行判斷，一旦壓力超過設定值，輸出關井命令。從執行器角度來說，當井口節流閥后超壓時，同時關閉主閥和翼閥。即使其中一臺截斷閥關閉失敗也不影響整個系統的關井功能。（2）一體化井口地面安全控制系統將多個設備集成化設計，減少了工程招標工作量和現場施工工作量。同時集成商對耗電量等更為精準計算，減少資源過剩，降低工程投資。（3）整個一體化井口地面安全控制系統均由集成商總體負責，減少了設備之間的工作界面劃分和責任劃分，降低了供貨商之間因信息交接而產生的潛在安全風險。（4）一體化井口地面安全控制系統的集成化設計有利于物資調用，減少現場施工工作量，有效解決了土庫曼斯坦國家簽證難的問題。

結語

一體化井口地面安全控制系統的集成化設計既提高了系統安全性和可靠性，又降低了工程成本；既滿足土庫曼斯坦天然氣井口現場工況和環境條件，又符合當前土庫曼斯坦國情。其在土庫曼斯坦天然氣地面工程中的應用具有很大優勢和前景。

[1]井口裝置和采油樹設備規范[S].API 6A.

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