采油（氣）井口類設備氣密封測試系統方案

李曼平，王春亮，丁 鵬，馬永剛

（1.長慶采油五廠工藝所，陜西西安 71000；2.大港油田第四采油廠（灘海開發公司），天津 300280；3.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280；4.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518）

0 引言

近些年隨著西南油田、新疆塔里木油田在天然氣、頁巖氣方面開采的技術升級，鉆井井深大多數在6000 m 以上，部分井深可達8000 m 以上。另一方面頁巖氣開采對壓力技術的依賴性，對井控類配套設備技術方面大幅提高。井控設備中，如防噴器、采氣井口、熱采井口、井口套管頭、井口采油（氣）樹、采氣閥門等需求，配套設備通徑越來越大，工作壓力越來越高，對設備生產企業的出廠測試和監督檢驗機構的測試系統提出更高的要求，需要配套高質量、高規格、大參數覆蓋的測試系統設備，對此類產品的型式試驗、出廠試驗、第三方檢測服務提供有力的設備技術保障。本采油（氣）井口類設備氣密封測試系統方案，比較全面地介紹了此類氣密封測試系統的建造技術方案，主要解決井控類產品相關的所有氣密封試驗，為高質量生產制造提供支撐。

1 系統設計原則

先進性與實用性：整個裝置設計要有一定的前瞻性，在裝置建成的5～10 年中，工作量的增加應不導致對裝置的重大調整。統一規劃，厲行節約。基地建設和廠房建設統一規劃、銜接有序，充分利用試驗中心其他可共用工程及輔助設施，試驗設備單元采用模塊化設計進行建設，避免功能重復。提高自動化控制水平和試驗效率。

（1）開放性與標準化：整個設備采用模塊化結構設計，易于重組和擴充。

（2）可擴充與可延展性：隨著應用水平的提高，對設備的要求也會不斷提高，設備結構具有良好的可擴充與可延展性，能夠適應技術發展的要求。

（3）可靠性與可維護性：系統設計不僅要考慮技術先進性及開放性，同時應從系統結構、技術措施、設備性能、裝置管理、廠商技術支持及維修能力等方面著手，確保系統運行的可靠性和穩定性，達到最大的平均無故障時間。

（4）安全性與易用性：嚴格按HSE 國家安全環保標準及相關文件要求，設備的安全措施不影響易用性，試驗井筒和基建施工單位有設計及施工資質。

2 系統設備組成

為滿足API6A 及GB/T 22513—2013 標準對井口裝置、采油樹、閥門、管匯應進行氣密封試驗的要求，特籌建210 MPa 氣密封試驗系統，采用氮氣為試驗介質。系統由低壓氣源及凈化系統、高壓氮氣源及凈化處理系統、增壓系統、計算機控制系統及視頻監控系統五個系統組成。

氣密封測試系統主要由以下設備組成：①低壓氣站，提供1 MPa壓縮空氣，用于驅動系統內部的增壓泵與高壓氣控閥門；②制氮機組，提供測試介質純凈氮氣；③中壓氣站，對制氮機產生的氮氣進行增壓，達到35 MPa，作為試驗用中壓氣體；④二次增壓系統；⑤集中控制系統；⑥監控系統（圖1）。

圖1 測試系統流程

3 系統技術方案

測試系統技術指標：試驗介質，99.9%氮氣；試驗壓力，35～210 MPa（可調）、0～35 MPa（可調）；系統流量，制氮機組0.6 MPa、2 Nm3/min，中壓氣站35 MPa、2 Nm3/min；二次增壓系統，210 MPa、1 Nm3/min；系統總功率，140 kW。

低壓氣站為整套試驗系統提供純凈的低壓氣源，給氣體增壓泵提供動力源，控制增壓泵的壓力和流量，以及控制所有高壓氣動截止閥的開關。空氣后處理系統由冷凍式干燥機、三級過濾器、儲氣罐等組成。制氮機組包括螺桿式空壓機、空氣儲氣罐、冷凍式干燥機、三級過濾及配套的閥門管件、PSA（Pressure Swing Adsorption，變壓吸附）制氮機及氮氣儲氣罐組成。生產能力120 Nm3/h，出口壓力0.5～0.6 MPa，氮氣純度99.9%。中壓氣站為試驗系統提供35 MPa 中壓氮氣，由氮氣壓縮機、過濾凈化裝置、高壓氣瓶組、高壓安全閥、壓力儀表及高壓管路閥門管件等組成（圖2）。氮氣壓力35 MPa，壓縮機處理氣量2000 L/min。

圖2 中壓氣站流程

二次增壓系統是將高壓氣瓶組內的高壓氮氣進行二次增壓，達到試驗所需壓力，為井口裝置的高壓氣密性試驗提供高壓介質。高壓氣站由氣動增壓泵、驅動氣路、預增氣路、高壓閥門管路、儀表、機柜及現場緊急手動泄壓柜等組成。

4 測控系統

測量控制系統主要用來對現場的設備進行遠程控制，并通過測試軟件自動完成試驗過程，包括低壓空壓機、制氮機、氮氣壓縮機等設備的啟停控制，以及各級壓力的實時采集（圖3）。

圖3 測控系統流程

目前工業自動化領域PLC 控制數據采集系統應用最為廣泛，與微型計算機相比有明顯優勢，數據處理功能強大，在較為惡劣的工業環境中運行更適合。由于編程指令模塊化功能，能夠解決就地編程、監控、通信等問題。西門子工控產品在工控領域的占有率較高，本系統采用的S7-200 系列PLC 體積小、編程簡單、數據處理功能強、軟硬件設計合理、抗干擾能力強、指令系統豐富，還可同PC 機進行通信，使用靈活方便等特點，在西門子工控領域應用中占比非常高。由它組成的系統可以與強大的ProfiBUS 現場總線相連接，在各行各業應用廣泛。

該測控系統是以西門子S7-200 PLC 控制器為核心的壓力控制系統，包括壓力傳感器、電氣比例閥、電磁閥、操作按鈕、狀態顯示和上位計算機等。上位機測試軟件采用基于Windows XP 下的Labview8.5＋Access2003 開發，功能包括試驗參數信息管理、產品信息管理、試驗監控、報表管理等。軟件監視畫面可以實時動態顯示試驗過程的各個試驗參數，如試驗壓力、試驗時間、保壓時間、試驗級數等，試驗軟件還分配各種權限，對各種權限用戶進行管理（圖4）。

圖4 測試界面

5 監控系統

氣密封試驗視頻監控系統主要加強試驗站的出入通道和試驗區域的監控，實現試驗基地辦公區的出入通道無監控盲區，監控系統可以將試驗系統區域每時每刻人員活動、試驗過程、設備工作狀態情況以圖像和視頻的方式實時記錄下來，用以規范和監督試驗安全。

監控系統由前端設備、主控設備、傳輸設備和顯示設備組成：①前端設備包含攝像機、鏡頭、云臺、防護罩、支架等，負責圖像和數據的采集及信號處理；②主控設備主要完成前端視頻信號進行壓縮處理、圖像切換等功能控制；③傳輸設備包含信號線纜，負責將視頻信號傳輸到機房的主控設備；④顯示設備（顯示器）實時顯示系統操作界面、監控區域圖像，并可以及時回放存儲的資料。

6 應用結論

測試系統作為國家產品質量檢驗測試中心井控類產品型式試驗、測試評定、產品第三方檢測，在確定總體方案前期為確保試驗介質安全性，對制氮系統配置方案多次討論細化，確保分離氮氣濃度高達99.5%以上。中高壓氣密封測試系統通過計算機程序設定，遠程控制試驗過程，如升壓→穩壓→降壓→再次升壓→穩壓→降壓等過程，測試數據及曲線自動存儲。測試過程在密閉的地下水池進行，利用視頻監控系統對其試驗過程及狀態密閉監控。本測試系統的應用為相關企業產品型式試驗、產品改進升級、超高壓測試給予有力保障。測試系統建成5 年以來，為國內相關企業產品進行型式試驗檢定百余次，為第三方產品性能檢測百余次；在此期間對測試系統控制軟件做了部分調整，并通過傳感器及其他測量儀器的升級大大提高測量精度及測試速度。整個氣密封測試系統方案完全可以滿足目前國內井控類產品的測試要求，已得到試驗驗證。