地面测试高压远程控制技术及应用实践

赵益秋， 王志敏， 杨川琴

(中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院)

地面测试流程主要用于试油测试期间井筒返出流体的流量测试和压力控制。一直以来，高压、超高压井地面测试作业都是一项高风险工作，针对这类井一般采用三级节流方式进行压力控制，流程一般分为高压区、中压区、低压区，高压区主要包括捕屑器、除砂器、转向管汇、油嘴管汇等，中压区主要包括热交换器等，低压区主要包括分离器、缓冲罐、密闭罐、燃烧器等。各区域设备中包含大量的平板闸阀、节流阀、球阀等控制元件，目前均为人工操作。对于操作人员来说，即使是低压区的压力也足以造成人身伤害，而在试油测试期间，操作人员必须在高压甚至高含硫区域中工作，一旦发生流体泄漏，将面临较大的高压伤害和H2S中毒风险。另外，阀门在高压差环境下存在开关困难，操作速度慢，节流控制难度大等诸多问题[1-2]。

近年来，随着磨溪—高石梯、九龙山区块的不断开发，出现了一大批产量大、井口压力高、硫化氢含量高的气井，如L004-X1产量111.65×104m3/d，硫化氢含量11.39～12.99 g/m3,井口关井压力107.85 MPa。这对地面测试装备及配套工艺技术提出了更高的要求，需要进一步提高安全性和作业效率。通过对地面测试作业高压远程控制系统的研制和地面测试流程的进一步完善设计，形成的“地面测试高压远程控制技术”，可实现远程操作高压区设备，大大降低操作人员在高压含硫区域工作面临的安全风险和劳动强度。同时，也可实现试油测试期间的自动控压，并根据测试作业的不同工况实现阀门的程序化批量操作，大大提高地面测试作业效率和操作准确性。

一、地面测试高压远程控制技术介绍

1.技术原理

在常规手动转向管汇、油嘴管汇的基础上，配套电动执行器作为独立控制单元，采用PLC+计算机远程控制模式，PLC实时接收和显示、阀门开度、扭矩转速及上下游压力数据完成分析、整理和判断，向上位机反馈实时信息，并接收计算机的指令，再向执行器下达动作指令，达到远程控制电动执行器，进而控制阀门的目的[3-5]。

2.远程控制系统介绍

地面测试远程控制系统主要由4部分组成：阀门执行机构、控制单元、远程控制管汇、控制软件。

2.1 阀门执行机构

该套系统包含9台阀门电动执行器，其中开关型7台(安装在闸阀上)，调节型2台(安装在节流阀上)，按照3+1、4+1的方式分别安装于转向管汇和油嘴管汇上。开关型和调节型电动执行器均采用驱动电机和减速齿轮箱组合模式，具有行程限位功能，可设置扭矩限制，可选择就地控制和远程控制两种工作模式。其额定扭矩为1 500 Nm，50 m以外远距离控制，控制精度为1%，确保闸阀开关到位及节流阀对流体的精确控制。执行器防爆等级为Exd IIC T4，防护等级为IP68，可在各种恶劣天气和可燃气体的环境中工作。

2.2控制单元

控制单元由转向管汇接线箱、油嘴管汇接线箱、PLC远程控制柜、压力传感器及配套的线缆等组成。主要分为两大模块：实时数据监测和自动控制。监测系统实时监测各阀门开度、扭矩、转速以及上下游压力等，并将数据实时发送到PLC远程控制柜。自动控制系统的PLC实时接收监测系统的监测数据，完成分析、整理和判断，向上位机反馈实时信息，并接发计算机的指令。

2.3 远程控制管汇

将电动执行器与现有高压管汇闸阀、节流阀通过螺栓固定。不同规格型号的阀门，其连接器结构相同，根据阀门不同的外形尺寸，加工相应的连接器即可实现电动执行器在不同尺寸和压力等级上阀门的通用。

2.4 控制软件

在整个控制系统中，PLC远程控制柜处于核心地位，PLC可实时接收到各阀门开度、扭矩、转速以及上下游压力等数据，并在控制柜面板和计算机上显示出来，然后根据计算机人机交互界面的指令完成分析，整理和判断，并控制各电动执行器开、关或停止，以此调控整个系统的运作[3]。整个系统运行示意图如1所示。

控制系统软件工作界面，控制方式可分为四个模式：自由模式、批量操作模式、恒压模式、紧急关断模式。

图1 控制系统运行示意图

2.4.1 自由模式

自由模式即单独控制模式，可以对任何一个执行器进行单独操作。软件界面上的执行器与管汇上的执行器一一对应，单击任意闸阀后弹出控制窗口，对应开阀、停止、关阀。在开阀或关阀动作过程中，当选择停止按钮时，执行器立即停止动作，阀门停在当前位置。同时软件主界面上对应的闸阀旁会实时显示开度百分比。单击任意一个节流阀后弹出控制窗口，显示当前开度，在“开度设置”栏输入目标开度后，电动执行器立即动作到目标开度后自动停止。

2.4.2 批量操作模式

批量操作模式控制共预设了3种固定模式控制，分别为“模式一”“模式二”“模式三”，每一种模式对应9个执行器。在选择其中一种模式之前，首先要对该模式进行设置(闸阀开关状态和节流阀预设开度),预设完成后根据实际工作情况选择点击其中一种模式，9个执行器会立即按照之前预设状态动作，达到预设状态后执行器停止动作。

2.4.3 恒压模式

根据上游或下游压力对转向管汇或油嘴管汇单流阀开度进行自动调节，使上游压力或下游压力保持目标压力范围。在选择恒压模式之前，先进入自由模式，对目标压力预设范围进行设置，并选择调节系数(0<调节系数≤1)，调节系数越大执行器越灵敏。模式预设完成后，通过界面操作，节流阀上的调节型执行器就会根据预设目标压力范围自动调节节流阀开度。

恒压模式下调节公式如下：

预设目标压力为p1，上游实时压力为p上，下游实时压力为p下，调节系数为K，当前阀门开度为D1(百分比)，阀门开度量程为1，输出阀门开度为Q(百分比)。

上游压力恒压模式：

当p1>p上时：

Q=D1-[(p1-p上)/(p1+p上)]×(1-D1)×K；

当p上>p1时：

Q=D1+[(p1-p上)/(p1+p上)]×(1-D1)×K；

下游压力恒压模式：

当p1>p下时：

Q=D1+[(p1-p下)/(p1+p下)]×D1×K；

当p下>p1时：

Q=D1-[(p1-p下)/(p1+p下)]×D1×K。

2.4.4 紧急关断模式

进入模式设置设定下游压力超压预设值。当下游压力达到该值，整套远程控制系统的所有闸阀、节流阀都将立即关闭，以保证下游设备安全。紧急关断模式具有最高优先权，无论之前处于什么模式、状态下，一旦下游压力超压，均将立即关闭。

3.技术特点

(1)通过在现有高压管汇手动闸阀、节流阀上加装电动执行机构实现远程控制，保证该套系统具有很好的通用性，可方便地安装在所有管汇的闸阀和节流阀上。

(2)远程系统控制软件可显示开度、扭矩、转速等参数，并利用控制软件可对各个执行器进行独立控制；可设置压力控制阈限值，自动控制节流阀开度；可实现一键切换批量化控制所有执行器。

(3)该套系统不仅可以通过计算机远程控制，也可通过距离高压管汇50 m之外的远程控制柜操作各阀门，并在控制柜显示屏上显示各执行器具体开度。

二、现场应用

1.应用情况

地面测试高压远程控制技术已在川渝地区ST3、MX118、MX53等多口井投入使用，并取得良好效果。有效降低操作人员在高压含硫区域工作面临的安全风险和劳动强度，提升了地面测试作业的效率与准确性，实现了高压、超高压、高含硫气井安全、高效试油测试、求产作业。推动国内“三超”、“三高”气井试油测试技术不断进步，并持续向集中化、智能化技术靠拢。

2.典型井例

2.1 基本情况

ST3井是四川油气田的一口重点预探井，井深7 620.52 m。井底温度164.3℃、预计地层压力超过110 MPa，属于典型的超深、超高压、高温的“三超”气井。试油测试期间，预计产出物为钻井液、酸、天然气、二氧化碳、硫化氢。其地面测试作业难度、安全风险远远大于常规井乃至“三高”气井，对试油工艺、地面测试设备等都提出了尤为苛刻的要求。

2.2 技术应用

本次地面测试作业所用设备、管线及流程安装布局如图2所示。

地面测试流程安装完毕后进行流程试压，测试设备及远程控制系统调试，射孔，逐渐开油放喷排液，油压23.25↓0.69↑22.89 MPa，套压5.40↑9.23↓4.80 MPa，出口呈股状、间断股状排液，100 min后出口气、液同喷，出口点火燃，呈桔红色，焰高1.0↑8.0～10.0 m，排液28.10 m3。随后进行酸化施工作业，向井筒高挤胶凝酸140.02 m3。酸化施工结束后立即在远程控制系统控制软件中设定下游压力超压预设值11 MPa，采用“批量操作模式”打开远程控制转向、油嘴管汇闸阀进行放喷排液，油压49.37↓1.36↑42.61 MPa，套压38.87↓11.81↑13.93 MPa。出口呈大股状、股状、间断股状持续排液。140 min后出口气、液同喷，出口点火燃，桔红色，焰高2.0↑10.0～14.0 m。期间通过高压远程控制系统“自由模式”对井筒返出流体进行多次调节、控制，其电动执行器阀位、扭矩曲线见图3、图4。最后，在“恒压模式”下经分离器用Ø50.8 mm临界速度流量计进行测试、求产，测试油压42.61↑54.04 MPa，套压13.81 MPa，测获天然气产量41.86×104m3/d，现场气样检测硫化氢含量5.67 g/m3。

在整个放喷排液测试作业过程中，高压远程控制系统遭遇多次高温、暴雨等恶劣天气，但设备未出现任何锈蚀、漏电和故障，各电动执行器驱动阀门控制灵活、可靠，节流阀控制精准(控制精度0.06圈)，恒压模式下自动调节灵活，批量操作准确，紧急关断功能正常。有效降低现场操作人员安全风险和劳动强度，提升了地面测试作业效率与准确性，表现出良好的使用效果，全面保障ST3井顺利、安全、高效完成放喷排液、测试作业。

图2 地面流程示意图

图3 开井自由模式电动执行器阀位、扭矩曲线图

图4 关井自由模式电动执行器阀位、扭矩曲线图

三、结论及建议

(1)地面测试高压远程控制技术能有效降低操作人员在高压含硫区域的安全风险和劳动强度，提高作业效率与准确性，提升作业水平，推动“三超”、“三高”含硫气井试油测试技术的不断进步和发展。

(2)地面测试高压远程控制技术目前尚处于初步形成阶段，还需要继续加强对远程控制、自动控制技术的深入研究，力争实现全套地面测试流程远程自动化集中控制，甚至实现测试过程中无人值守，向全面集中化、智能化技术方向发展，以进一步提升技术竞争力。

(3)地面测试高压远程控制技术在ST3井的成功应用，为该技术以后在“三高”、“三超”、高含硫、高产油气井中的大力推广使用和不断优化完善提供了宝贵经验。