高压气井环空带压自动控制装置的设计及应用

陈泽群

摘要：天然气开发过程中，钻井完井时，为了分隔各种地质层系以避免因为地层压力的差异而导致井壁坍塌或者管柱的破坏。因而有必要加入一层或多层套管固井，为填充这一局部空白环空区域以及避免因压差以及由H₂0和Co等酸性气体的侵蚀，各层套管之间加注环空保护液，在环空保护液所处的环空空间即各层套管之间的环形空间的压力即为环空压力。笔者通过查阅大量文献资料分析，基于现有的理论，自行设计了一套自动化液压补压装置，从而代替人工操作，实现及时的补泄压，并总结出了高压气井油套环空带模拟技术四大优势。

关键词：高压气井环空;带压自动控制装置;设计应用;优点分析

1 装置创新性及应用前景预测

1.1作品创新性

（1）自动化控制

本产品用PLC技术，实现实时测量环空压力，及时的补泄压，准确安全的控制环空内压力维持在安全范围内，避免因补压泄压不及时所产生的安全事故。环空压力变化时，自动实现补压及泄压，代替人工操作，避免操作人员接近高压井口，保障操作人员生命安全。

（2）绿色环保

采用新型的放喷燃烧头，不仅过滤掉井内的H₂S等有害气体，而且采用新型结构，先使井内可燃气体与补充的空气充分混合，然后再点燃混合后的气体，大大提高了可燃气体的燃烧效率，降低了最后排出气体有害性。

（3）危险预警处理系统

全部的设备放置在保护房内，保护房内安装有温度检测仪和可燃气体浓度检测仪以及报警器。温度检测仪用于检测保护房的温度值，并生成温度信号，并将温度信号发给控制器，控制器收到温度信号将该信号与预设的保护房最高上限温度进行对比，当温度值大于预设阈值时，打开排气扇，进行散热。在可燃气体浓度监测中，由于安装装配过程可能存在间隙，或者存在零件破裂失效等问题会导致油气泄露，严重时可能导致爆炸，因此在保护房内设有可燃气体浓度检测设备，可燃气体浓度检测设备用于检测保护房的可燃气体浓度，并生成可燃气体浓度信号，并将可燃气体浓度信号发给控制器，控制器收到可燃气体浓度信号将该信号与预设的保护房最高上限可燃气体浓度进行对比，当可燃气体浓度值大于预设阈值时，打开放喷燃烧头，将气体燃烧掉。

2 高压气井环空压力系统总体装置的设计及校核

01：120Mpa防爆型高压截止阀;02：120Mpa防爆型压力传感器;

03：120Mpa防爆型电动截止阀;04：先导型减压阀;05：密封式油箱;06：放喷燃烧头

2.1 装置运行原理

如图，压力传感器将实时监测气井环空内的压力，并将压力信号传到控制器。控制器将压力信号与预设的压力相比较，在压力超过预设的压力值时向电动截止阀发出信号;防爆型电动截止阀在正常状态下保持关闭，在接收到控制器发出的信号后开启，直到环空内的压力将至预定的压力范围，电磁阀关闭。04为先导型减压阀，主要是将进入管道内超高压流体降至稳定的低压流体，从而降低液体对油箱的冲击;油箱将接收来自环空内的气液混合流体，并将气体从流体中分离，通过上端的管道进入放喷燃烧头内。放喷燃烧头能够将空气和可燃性的气体混合，并控制空气和可燃性气体的比例，使其保持一个最佳的燃烧混合比例，通过出口点火装置的不断放电使其充分燃烧。常开型高压截止阀在正常工作是保持常开状态，作为电动截止阀的补充阀门，在电动截止阀停止工作时能够实现手动开闭环空泄压装置。

2.2 装置设计特点

全部的设备放置在保护房内，保护房内安装有，温度检测仪和可燃气体浓度检测仪以及报警器，作用过程如下：

温度检测：温度检测仪用于检测保护房的温度值，并生成温度信号，并将温度信号发给控制器，控制器收到温度信号将该信号与预设的保护房最高上限温度进行对比，当温度值大于预设阈值时，打开保护房内的排气扇进行散热。以保证整体的增压设备稳定良好运行。

液位报警机构：油箱内安装有液位报警设备，当油箱油液低于限定范围时，会将生成报警信号，并将报警信号发送到控制器，控制器将控制报警器报警，并限制电机启动。以保证整体的增压设备稳定良好运行。

2.3 装置设计思路

装置包含主控制单元PLC控制器，主工作单元，包括压力传感器，电磁阀，电机，液压泵，以及设备维护单元，包括：液位报警系统，温度控制系统，可燃气体控制系统等，现对主要控制单元进行解释。

主控制单元：当环空压力使压力传感器被触发，并生成压力信号，压力信号传导得到PLC控制器，PLC控制器对压力信号与预设的值进行对比，当压力小于预设值时。PLC控制器控制电磁阀打开，并且打开电机，斜盘式轴向柱塞泵产生高压环空保护液，经过高压油管进入环空空间进行补压。

油箱液位保护单元：当油箱液位达到预设的危险液位时，液位传感器会生成液位信号，并发往PLC控制器，控制器启动报警器，并制动马达。

温度控制单元：由于设备的环境需要维持一定的温度值范围，当温度过高，会触发温度传感器，生产温度信号，并发送到PLC控制器，PLC控制器启动排热扇，对设备降温。当温度过低，会触发温度传感器，生产温度信号，并发送到PLC控制器，PLC控制器启动加热器，对设备增温。

气体控制单元：由于存在天然气的泄漏问题，需要及时对可燃气体进行处理，当可燃气体传感器触发，并启动报警器。

3 結论

通过以上研究我们总结出了高压气井油套环空带模拟技术四大优势：

（1）能实时监控四个环空的环空压力，消除其他装置中因无法监测全部环空造成的安全隐患。

（2）安装手动截止阀作为备用阀，防止在紧急情况下电动截止阀出现故障造成安全事故。安装有减压阀，保证气井内高压流体不会直接跟储油罐接通对储油罐造成损害。

（3）为保护储油罐，在储油罐上方装有进气装置，用于将油罐内的有害腐蚀性气体排出，保护储油罐内部设施。

（4）密封的油箱能存储从环空内溢出的环空保护液，同时作为气液分离器将含硫有害的可燃气体分离出来，将其引入放喷燃烧头点火燃烧。设有燃烧头，可将气井环空内的有害可燃性气体通过燃烧的方式去除，减轻对环境的危害;同时无需设置特殊装置运送有害气体，降低成本。

参考文献：

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[2]张波，管志川，张琦，等.高压气井环空压力预测与控制措施[J].石油勘探与开发，2015，42（4）：518-522.

[3]朱仁发.天然气井环空带压原因及防治措施初步研究[D].成都：西南石油大学，2011.