一体化井口地面安全控制系统在土库曼斯坦天然气地面工程中的应用

宋希国（中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041）

一体化井口地面安全控制系统在土库曼斯坦天然气地面工程中的应用

宋希国
（中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041）

井口地面安全系统最先应用于海上平台油气井生产，后来在陆上天然气井口生产中也得到广泛应用。主要用于天然气井口在超压、火灾等危险状况下通过井口控制盘对井口进行紧急安全截断，保证井口生产安全。随着井口地面安全系统的成熟应用，其功能和组成等不断完善、改进，以适应各个地方的不同工况。

井口控制盘；高/低压导阀、易熔塞；一体化井口地面安全控制系统

1 井口地面安全系统简介

井口地面安全系统是用于保证油气井安全生产的设备，它主要由井口截断阀、井口控制盘、高/低压导阀、火灾易熔塞及气动管路或液动管路附件组成。当井口节流后压力高于或低于设定值、火灾易熔塞高温熔化时，井口控制盘能自动对气动管路或液压管路泄压，关闭井口截断阀，避免事故的发生。该系统既能实现就地控制，也能实现远程控制。井口地面安全系统的井口控制盘分为气动、液动和气液混合控制三种模式。井口截断阀主要分为：井口安全截断翼阀（WSSV）、井口安全截断主阀（MSSV）和井下安全阀（SCSSV）。井口截断主阀和井口截断翼阀可以采用气动控制，也可采用液压控制，井下安全阀一般采用液压控制。为保证井口在故障状况下也能关闭，截断阀均采用故障安全型设计，即气源、液压源或电源故障时，阀门能自动处于关闭的安全状态。井口地面安全系统工作原理：井口截断阀通过气动管路或液压管路压缩执行机构弹簧，将阀门打开，当井口节流阀后的导阀检测到压力超过或低于设定值时，导阀动作快速释放气动管路中的气体或液动管路中的液压油，截断阀执行机构通过弹簧快速关闭；当井口发生火灾时，温度升高将与气动管路或液动管路连接的易熔塞熔化，快速释放管路中的压能，迫使井口截断阀关闭；井口控制盘上设置手动按钮，可手动释放管路中压能，关闭井口；井口控制盘还设置一个电磁阀，该电磁阀通过井口控制系统发出关井命令，电磁阀失电，管路中压能释放，关闭井口截断阀。

2 土库曼斯坦天然气井口现状

土库曼斯坦国家天然气资源丰富，气田多为凝析油气田，多处于沙漠、碱滩地带。天然气井口所处地域人烟稀少，气候条件恶劣，常年风沙大、温差大，周边电力和水源依托条件差。天然气井口单井产量高，井口压力约35MPa，井口采气温度高，因此工艺流程简单，一般只有节流功能，井口一般采用无人值守进行设计。由于单井产量高、压力高、气候条件恶劣，局部地区天然气中还高含硫化氢和氯离子等，井口的安全生产至关重要，在天然气井口设置井口地面安全系统是必要的。目前已建的天然气井口地面安全系统主要有液动控制和气液混合控制两种。井口截断阀的设置也分为两种：一种为井口安全截断翼阀+井下安全阀，另一种为井口截断翼阀+井口截断主阀+井下安全阀。

3 一体化井口地面安全控制系统

针对土库曼斯坦国家天然气井口现场生产工艺及环境条件，在天然气井口将井口地面安全系统、控制系统和太阳能发电系统集成为一体供货是很有必要的，即一体化井口地面安全控制系统。为适应当地使用工况，其主要特点如下：（1）对于无人值守井口，当发生危险状况时，井口的可靠关闭是至关重要的。特别是对于高产、高含硫井口，节流阀后压力几秒钟内压力就会超过管道设计压力，并且一些井口为了减少现场放空对大气的污染，不设安全阀，一旦系统故障。因此在高含硫化氢、高产量井口设置井口截断主阀、翼阀和井下安全阀来保证井口的可靠关闭。同时，井口控制盘采用液压控制，其关井响应速度比气动控制快。三个截断阀的开关井顺序为：开井时，先打开井下安全阀，再打开井口截断主阀和翼阀；当压力导阀超过设定值或RTU远程关井命令时，同时关闭井口截断主阀和翼阀，井下安全阀不动作；当井口火灾时，高温致使易熔塞熔化，先关闭井口截断翼阀和主阀，再延时关闭井下安全阀。其主要目的是让井下安全阀在非流动状态下进行开关，延长其使用寿命（井下安全阀安装在井口地面以下80m左右，一次性安装后无法更换）。（2）对于井口控制盘，其原理和功能与常规井口控制盘无差别，只是针对环境工况做了相应的改进。首先针对昼夜温差大的特点，对于井口控制盘的液压管路作了改进。由于液压管路压力受环境温度影响大，当温度升高时，液压油在密闭管路中压力会急剧上升，导致液压管路安全阀起跳。当温度下降后，管路中压力急剧下降。为了解决此问题，在液压管路中增加一个压力补偿器。补偿器类似一个气囊，在正常情况下，气囊压力与液压油管线压力处于平衡状态；当液压油因温度升高，体积增大，而压力增大时，推动活塞压缩气囊，释放液压油压力；当温度降低时，体积减小，而压力减小，气囊推动活塞，阻止液压压力减小，从而达到液压压力补偿作用。（3）由于井口无外电源，液压油管线动力源采用气动涡轮泵提供。气动涡轮泵可以采用压缩空气瓶提供动力。当液压管线长期运行后压力不足时，气动涡轮泵可检测压力自动补压。压缩空气瓶同时也可为气动管线提供动力源。（4）井口控制系统一般选用可编程逻辑控制器（PLC）或远程终端装置（RTU），对于井口现场条件恶劣的情况，选用RTU有诸多优势。首先RTU更适合于宽温环境下工作，一般工作温度为-40℃～70℃，PLC不适合恶劣工况使用，即使具有宽温设计的PLC最低使用温度也只能到-20℃。其次，对于井口检测控制点数少的情况，RTU的功耗远小于PLC，小型RTU功耗约4W，更有利于太阳能系统的选型。另外，RTU与PLC比较具有更强的与调度控制中心远程通信能力。（5）土库曼斯坦国家地处中亚，日照强，日照时间长，井口设备用电总功率小，大约100W，采用太阳能发电+蓄电池供电的方案是可行的。并且井口周边大多为沙漠，地域空旷，对于太阳能板的安装也方便、简单。采用太阳能供电方案工程投资远远小于其它供电方案。

4 集成化设计优势

一体化井口地面安全控制系统将井口地面安全系统、控制系统和太阳能电源系统集成化设计为一体，具有如下优点：（1）提高了井口生产的安全性和关井可靠性。一体化井口地面安全控制系统为紧急关井提供了双重保护。从危险源检测来说，井口控制盘可以通过高低压导阀来检测节流阀后压力，当压力超过设定值，井口控制盘自动关闭井口。同时，井口节流阀后设置2个压力变送器，信号传输至RTU，由RTU采用二选一的表决机制进行判断，一旦压力超过设定值，输出关井命令。从执行器角度来说，当井口节流阀后超压时，同时关闭主阀和翼阀。即使其中一台截断阀关闭失败也不影响整个系统的关井功能。（2）一体化井口地面安全控制系统将多个设备集成化设计，减少了工程招标工作量和现场施工工作量。同时集成商对耗电量等更为精准计算，减少资源过剩，降低工程投资。（3）整个一体化井口地面安全控制系统均由集成商总体负责，减少了设备之间的工作界面划分和责任划分，降低了供货商之间因信息交接而产生的潜在安全风险。（4）一体化井口地面安全控制系统的集成化设计有利于物资调用，减少现场施工工作量，有效解决了土库曼斯坦国家签证难的问题。

结语

一体化井口地面安全控制系统的集成化设计既提高了系统安全性和可靠性，又降低了工程成本；既满足土库曼斯坦天然气井口现场工况和环境条件，又符合当前土库曼斯坦国情。其在土库曼斯坦天然气地面工程中的应用具有很大优势和前景。

[1]井口装置和采油树设备规范[S].API 6A.

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