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高壓油氣井液壓安全控制系統(tǒng)的設(shè)計

文檔作者：周國英１何慶１梁靜獻１謝爽２崔新輝１陳朝１文檔來源：１中國石油化工股份有限公司西北油田分公司雅克拉采氣廠２中國石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開發(fā)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月21日
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２０１４年２月
第４２卷第４期
機床與液壓
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ２０１４
Ｖｏｌ４２Ｎｏ４
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１４０４０３６
收稿日期：２０１３－０２－０３
作者簡介：周國英（１９８０—），男，工程師，主要從事儀表自動化和天然氣處理技術(shù)等工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｚｚｇｇｙ＠ｓｉｎａｃｏｍ。
高壓油氣井液壓安全控制系統(tǒng)的設(shè)計
周國英１，何慶１，梁靜獻１，謝爽２，崔新輝１，陳朝１
（１中國石油化工股份有限公司西北油田分公司雅克拉采氣廠，新疆阿克蘇８４２０１７；
２中國石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆烏魯木齊８３００１１）
摘要：井口液壓控制系統(tǒng)是高壓氣井安全生產(chǎn)的重要保護裝置，針對目前各類系統(tǒng)在使用中存在的多種問題，設(shè)計了
一套具備遠程關(guān)井、高／低壓自動關(guān)井、火災(zāi)自動關(guān)井等多功能的新型液壓控制系統(tǒng)。實際應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有了
良好的穩(wěn)定性和安全可靠性。
關(guān)鍵詞：地面安全閥；井下安全閥；導(dǎo)閥；遠程關(guān)井
中圖分類號：ＴＥ８３２　　文獻標(biāo)識碼：Ｂ　　文章編號：１００１－３８８１（２０１４）４－１１３－３
　　天然氣井壓力通常在２０～３０ＭＰａ以上，且多含
硫化氫（硫化氫是劇毒氣體），井口一旦失控，其后
果不堪設(shè)想。為了保證安全，國家強制規(guī)定高壓氣井
完井時必須安裝井下安全閥和地面安全閥。液壓安全
控制系統(tǒng)是針對高壓油氣井的安全生產(chǎn)而設(shè)計的一種
自動保護裝置，當(dāng)集輸管線爆破失壓或發(fā)生著火等情
況時，系統(tǒng)能自動關(guān)閉安全閥，截斷氣源，保護人
員、地面場站設(shè)備及輸氣管線的安全［１］。在正常生產(chǎn)
過程中，液壓安全控制系統(tǒng)也能有效防止憋壓、刺
漏、爆管、壓力失控等事件的發(fā)生。
１　國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題
目前在國內(nèi)油氣田安裝使用的井口安全控制系
統(tǒng)，主要有美國卡麥隆（ＣＡＭＥＲＯＮ） 公司和哈里
伯頓（ＨＡＬＬＢＵＲＴＯＮ） 公司的產(chǎn)品，國內(nèi)也有由進
口部件組裝的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品有的采用氣－液聯(lián)動方
式、也有的采用全液壓控制方式，自動化程度各有差
異，功能也不相同，現(xiàn)場使用中主要存在以下不
足［２］：
（１）高／低壓自動關(guān)井普遍都使用高／低壓先導(dǎo)
閥來完成。然而在冬季引壓管內(nèi)的油氣水介質(zhì)容易凍
堵，經(jīng)常會造成意外關(guān)井。
（２）地面安全閥和井下安全閥無“有序關(guān)斷”
控制功能，不利于安全生產(chǎn)。
（３）系統(tǒng)液壓稍有漏失，補壓泵和控制元件就
開始工作，頻繁動作容易造成控制器件老化和磨損。
（４）國外產(chǎn)品整機及配件價格昂貴，配件供應(yīng)
不及時，維修難度很大，嚴(yán)重影響正常使用。
２　液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計
新疆雅克拉凝析氣田位于天山南麓塔里木盆地北
部邊緣，氣井壓力高，單井產(chǎn)量大，集輸管道沖刷腐
蝕情況極為嚴(yán)重，多次出現(xiàn)管道爆裂現(xiàn)象。針對存在
問題，雅克拉采氣廠自主設(shè)計了一套井口液壓安全控
制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備遠程關(guān)井、高／低壓自動關(guān)井等
多項功能，能在極大程度上降低事故發(fā)生概率，保障
了安全生產(chǎn)。
系統(tǒng)液壓由電動泵提供，主要元件包含各類液壓
控制閥、蓄能器、高壓ｔｕｂｅ管和壓力傳感器等器件。
控制盤上設(shè)有ＬＶ１和ＬＶ２兩個按鈕（見圖１）。摁下
ＬＶ１只關(guān)斷地面安全閥，摁下ＬＶ２后，地面安全閥
和井下安全閥都關(guān)閉?？刂票P上還設(shè)置了自動／停止／
手動旋鈕，液壓降低時，補壓泵自動啟動為系統(tǒng)補充
壓力，而壓力過高時，溢流閥會自動釋放部分液壓保
證系統(tǒng)在安全壓力以下運行，防止超壓損壞設(shè)備。
（１）滑閥自鎖和互鎖控制?；y總稱為滑動式
換向閥，其作用原理主要是靠移動閥芯，改變閥芯在
閥體里的位置實現(xiàn)流體流向的改變及通斷［３］。ＬＶ１、
ＬＶ２安裝在控制盤上，采用的是美國ＢＷＢ公司生產(chǎn)
的一款常閉式液壓三通中繼滑閥，帶有球形把手，通
過把手的推入和拔出，配合液壓，就能實現(xiàn)閥門各通
路的控制（圖２）。Ｐ為壓力控制點，Ａ為入口，Ｂ為
出口，Ｃ是泄壓口，推／拉把手起到手動復(fù)位的作用。
當(dāng)Ｐ達到閥門開啟壓力時，拉出把手（復(fù)位），Ａ、Ｂ
導(dǎo)通，其他路不通，若撤去Ｐ點壓力，則Ｂ、Ｃ導(dǎo)
通，其他路斷開，此時推／拉把手在彈簧力的作用下
會自動回到原來狀態(tài)。ＰＶ是ＰＮＥＵ－ＨＹＤＲＯ公司生
產(chǎn)的常閉式液壓三通自動換向閥，當(dāng)ｐ＝０時，Ｂ、Ｃ
導(dǎo)通，其他路不通；當(dāng)Ｐ達到開啟壓力時，Ａ、Ｂ導(dǎo)
通，其他路不通。
圖１　液壓控制柜工作原理圖
圖２　滑閥原理示意圖
（２）單向限流控制。針閥和單向閥并聯(lián)使用組
成單向限流回路（圖３），ＦＣ２正向暢通，反向限流。
當(dāng)打開地面安全閥時，ＦＣ２能減慢井下安全閥液壓
（８０００ＰＳＩ）竄入地面安全閥控制回路（２５００ＰＳＩ） 的
速度，避免井下安全閥因壓降過快而自動關(guān)閉。
圖３　單向限流原理圖
（３）地面安全閥和井下安全閥有序關(guān)斷。由于
井下壓力通常在４０ＭＰａ以上，在超高壓下必須先平
衡井下安全閥前后壓力，才能順利打開閥門，否則難
以成功，如果操作不當(dāng)甚至?xí)p壞井下安全閥［４］。當(dāng)
摁下控制盤上的ＬＶ２（關(guān)閉地面和井下安全閥），地
面安全閥迅速關(guān)閉，而井下安全閥在ＦＣ１單向限流
和ＡＣ４蓄能器的作用下會較地面安全閥延遲４５ｓ關(guān)
閉，其作用是確保關(guān)井后井下安全閥上下壓力保持平
衡，以便下次能夠順利打開。
（４）系統(tǒng)壓力遠程監(jiān)測。地面安全閥和井下安
全閥控制回路上安裝壓力傳感器，數(shù)據(jù)經(jīng)ＲＴＵ遠傳
至中控室，通過對壓力曲線進行分析，技術(shù)人員在遠
程就可掌握控制柜的運行狀況。
３　工作原理
系統(tǒng)液壓分為低壓、中壓和高壓三部分，低壓
（０５５ＭＰａ）稱作邏輯壓力，主要用來控制系統(tǒng)中其
他閥門的動作；中壓（１７２ＭＰａ） 和高壓（４８３
ＭＰａ）直接輸向井口，分別用于控制地面安全閥和井
下安全閥的啟閉。
開井（即充壓）時，液壓油經(jīng)ＨＲ１和ＨＲ２兩級
降壓分別降至１７２ＭＰａ和０５５ＭＰａ。摁下點動式按
鈕ＰＢ、ＰＶ閥后沖壓，ＰＶ被鎖定開狀態(tài)，同時ＬＶ１
也收到預(yù)頂壓力。拉出ＬＶ１把手，在預(yù)頂壓力的作
用下，ＬＶ１被鎖定為開狀態(tài)，ＨＶ２自動打開，高壓液
壓油流經(jīng)ＨＶ２輸向井口打開井下安全閥。拉出ＬＶ２
把手，ＬＶ２在液壓作用下自鎖為開狀態(tài)，ＨＶ１自動打
開，中壓液壓油流經(jīng)ＨＶ１輸向井口打開地面安全閥。
關(guān)井（即泄壓） 時，分為３種情況，電磁閥關(guān)
井、易熔塞關(guān)井和手動關(guān)井。
電磁閥關(guān)井：電磁閥失電后，ＥＶ閥泄壓口打開，
閥前壓力得到保持而閥后壓力被卸去，ＬＶ２自鎖壓力
撤銷，ＨＶ１的控制壓力從ＬＶ２的泄壓口被卸去，從
而使輸向地面安全閥的中壓液壓油從ＨＶ１的泄壓口
卸回油箱，地面安全閥關(guān)閉。
易熔塞關(guān)井：易熔塞安裝在井口，當(dāng)溫度高于
１１０℃時，易熔塞自動熔化，ＰＶ閥和ＬＶ１閥的控制
壓力從易熔塞處被迅速卸去，ＰＶ和ＬＶ１自動關(guān)閉，
·１１４· 機床與液壓 第４２卷
ＨＶ２和ＬＶ２的控制壓力從ＬＶ１的泄壓口泄回油箱，
從而使地面安全閥和井下安全閥先后關(guān)閉。ＦＶ起到
限流作用，避免易熔塞熔化時大量液壓油外泄。
手動關(guān)井：手動關(guān)井有兩種選擇，分別是只關(guān)地
面安全閥或地面、井下安全閥都關(guān)閉。人工操縱ＬＶ１
或ＬＶ２泄壓，其關(guān)井原理與電磁閥關(guān)井或易熔塞關(guān)
井方式相同。
４　高／低壓自動關(guān)井設(shè)計
高低壓自動關(guān)井采用報警設(shè)定器來實現(xiàn)，由Ｐ＋
Ｆ公司生產(chǎn)的報警設(shè)定器提供兩路無源開關(guān)量輸出通
道和一路模擬量輸出通道（圖４）。該系統(tǒng)將兩路開
關(guān)量輸出通道分別設(shè)置為高壓輸出和低壓輸出，串聯(lián)
兩個常閉觸點接入電磁閥回路中，高、低壓任何一條
件滿足時，電磁閥均會失電關(guān)井。采用報警設(shè)定器實
現(xiàn)自動關(guān)井，具有壓力設(shè)定方便，事故關(guān)井準(zhǔn)確率高
的優(yōu)點［５］。
圖４　高／低壓自動關(guān)井原理圖
５　自動補壓啟?？刂?
電動泵采用３８０Ｖ交流供電（圖５），控制盤上
設(shè)有手動／停止／自動旋鈕，電動泵可在手動和自動方
式下運行。高壓開關(guān)（ＹＰ１） 壓力設(shè)定為５３８ＭＰａ，
低壓開關(guān)（ＹＰ２） 壓力設(shè)定為４２７ＭＰａ，當(dāng)系統(tǒng)壓
力達到５３８ＭＰａ時，泵無論處于自動還是手動時，
均會自動停止運行。在控制回路中ＹＰ１、ＹＰ２以及控
制電磁閥的繼電器（ＫＡ） 都使用了常閉觸點，當(dāng)泵
設(shè)置為自動狀態(tài)時，交流接觸器ＫＭ 的線圈得電，
ＫＭ常開觸點閉合，熱繼電器ＫＨ接通，泵開始運行，
系統(tǒng)壓力超過４２７ＭＰａ后，ＹＰ２斷開，ＫＭ常開觸點
閉合，直到系統(tǒng)壓力達到５６５ＭＰａ時，ＹＰ１斷開，
ＫＭ線圈失電，ＫＭ觸點斷開，泵停止運行。當(dāng)泵置
于手動狀態(tài)時，泵的運行只受高壓開關(guān)ＹＰ１控制。
圖５　電氣控制原理圖
６　結(jié)束語
２０１１年，該系統(tǒng)在雅克拉采氣廠全廠開始推廣
使用，到目前為止已安全運行２年。在突發(fā)事件中，
系統(tǒng)反應(yīng)迅速，關(guān)井及時，表現(xiàn)了良好穩(wěn)定性和安全
可靠性。近些年，隨著國家對油氣生產(chǎn)安全重視程度
的不斷提高，安全環(huán)保意識深入人心，井口安全控制
系統(tǒng)在氣田安全生產(chǎn)和環(huán)境保護中已經(jīng)發(fā)揮出越來越
重要的作用，成為保護井口和下游工藝裝置安全運行
的關(guān)鍵設(shè)備。事實證明，正確設(shè)計與選用井口液壓控
制系統(tǒng)，對氣田的開發(fā)和提高安全生產(chǎn)系數(shù)有著非常
重要的意義。
參考文獻：
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狀［Ｊ］．新疆石油天然氣，２００９，５（３）：８３－８４．
【２】梅宗斌，鐘瑾瑞，楊文武，等．采氣井口安全截斷新裝置
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【３】董永輝，曲海，董永輝．影響滑閥換向性能的因素分析及
預(yù)防措施［Ｊ］．機械，２０１２，３４（１０）：１２－１４．
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點及安裝設(shè)計概述［Ｊ］．中國海上油氣，１９９５，８：３６－３９．
【５】周國英，謝爽．井口安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究及應(yīng)用［Ｊ］．油
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檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
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９１９－９２０．
納米材料研究新突破：顆粒越細微，轉(zhuǎn)動越活躍
納米材料有什么樣的形變機制？高壓先進科研中心（上海） 陳斌研究員及其合作團隊研究發(fā)現(xiàn)，材料顆粒越
細微，轉(zhuǎn)動越活躍。《美國科學(xué)院院報》近日刊發(fā)了這一最新研究成果。
近年來，常規(guī)體材料（顆粒直徑大于１μｍ）的塑性形變機制已被充分了解，但由于缺乏有效的實驗探測手段，
納米材料的形變機制還是一個未知數(shù)。陳斌長期致力于納米科學(xué)研究，他和團隊最先在微小如３ｎｍ的鎳粉中探測
到了被認為不存在的位錯形變機制，相關(guān)成果發(fā)表在２０１２年１２月１４日的《科學(xué)》雜志上。此次最新科研成果發(fā)
現(xiàn)，相同粒徑鉑粉的組織結(jié)構(gòu)強度隨混合鎳顆粒尺寸（從５００ｎｍ小至３ｎｍ）的減小而迅速且有規(guī)律地下降。
納米材料具有諸多卓越性質(zhì)，適合作為渦輪發(fā)動機部件涂層材料、電子元器件或太空裝置光學(xué)觀察窗口材料
等。納米材料的塑性形變對力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)研究具有重要影響，對其機制的深入探索，可望進一步促進相關(guān)科研
和工業(yè)應(yīng)用開發(fā)。（來源：中國科技網(wǎng)）
第４期 周國英 等：高壓油氣井液壓安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 ·１?。保怠?#183;

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03-11