一种基于解决井控安全问题的带压修井作业防喷器控制系统研究

齐洁，刘学佳，刘世峰

（中石油渤海装备中成装备制造公司，天津 300280）

井喷是石油工业最为严重的生产事故之一，威胁着每一名现场员工的生命安全，历次井喷造成的人员、财产损失令人“触目惊心”。因此，油井作业井控是油田重大安全问题，防喷器的控制和快速关断对于安全生产至关重要。

带压修井作业是井下作业一项新技术，它通过防喷器组控制油套环空压力，通过堵塞器控制油管内部压力，然后通过对管柱施加外力克服井内上顶力，从而完成带压起下管柱。在修井作业过程中，采取不压井作业，可最大限度地减小对油气层的伤害，有效提高油水井寿命和产能。它是一种最好的保护油、气层、保持注水井压力的修井作业方式。对于油田中后期增产稳产具有重要意义。但是，由于带压作业装置结构复杂，配套不完善，井控安全问题一直存在，成为带压作业新技术的一项重大安全隐患。

1 带压作业井控设备现状

井口防喷器是带压作业装置井控措施的主要部件，目前带压作业装置防喷器组有手动直控和手动液控两种方式。手动直控结构简单，靠人力操作防喷器旋转手轮，打开或者关断防喷器组的闸板阀，工人操作强度较大，关断速度慢，操作不及时会造成井压失控，导致井喷。手动液控方式虽然工作强度小，但是由于系统配套问题，仍然无法完全解决井口安全问题。国外带压作业装置一般不配备井控用的防喷器，作业时需要配套独立的BOP 系统，单独操作控制，因控制远离井口，在发生井涌、井喷时，无法及时关断；国内井控BOP 系统与带压作业装置复合在一起，操作控制集中在带压操作平台上，当发生严重井喷事故，人员紧急避险撤离井口时，就无法对井控设备再实施操作，因此仍然存在一定的安全隐患。

通过调查研究现有常规防喷器控制系统存在以下问题：

（1）控制远离井口（≥25m），为远端直控，控制点固定，操作不便；

（2）液压管线过长（≥30m），压力损失大，闸板存在关断延时，关井速度慢；

（3）管线现场地面铺设，安装工作量大，且容易损坏，可靠性、安全性差。

2 带压修井机防喷器控制系统设计

2.1 技术方案

带压修井作业防喷器控制系统包括：液压动力站、执行液缸、防喷器闸板阀、远程电液控制系统。液压动力站为执行液缸提供动力；执行液缸控制防喷器组闸板阀的打开或关闭；远程电液控制系统通过电控液的方式对多路控制阀控制执行液缸的伸出或缩回。

电液控制系统包括控制模块、无线信号发射器、无线接收模块、指令开关、电磁阀等部件。控制模块通过无线接收模块接收并执行无线遥控器发出的指令，或接收并执行指令开关发出的指令，控制模块通过控制电磁阀的通电或断电来控制执行液缸。

控制模块与通讯模块连接，无线数据通讯模块实时采集控制模块的数据信息，与通讯模块连接的视频监控器拍摄现场设备的工作状态，通讯模块通过移动网络实时将控制模块载有的防喷器组的数据信息、带压作业设备工作实况传输至远程终端。控制模块由电源模块供电。

无线遥控器、指令开关具有互锁功能，控制模块优先执行无线遥控器发出指令。无线遥控器的遥控距离≤200m。远程终端包括计算机、手机，管理人员通过远程终端掌握和管控设备的运行状况和参数。当电磁阀通电时，电控液压多路阀切换液路，执行液缸伸出，防喷器组闸板阀关闭；当电磁阀断电，执行液缸缩回，防喷器组闸板阀打开。液压多路控制阀设置有操控手柄，手动控制切换液压多路控制阀液路。

2.2 系统工作原理

带压作业修井防喷器控制系统包括电控和手控两种控制方式（如图1、图2）。电控包括远距离通过无线遥控器遥控和近距离操控指令开关，电控信号传输到控制模块3，控制模块3 通过控制程序进行指令运算，将控制信号输出给安装在电控液压多路阀13 上的电磁阀10，电控液压多路阀13根据电磁阀的通电或断电，切换油路，实现对执行液缸11的控制。当现场正常施工作业时，电磁阀10 断电，执行液缸11 缩回状态，防喷器组闸板阀打开。当施工作业现场发生紧急情况时，操作人员可以撤离作业现场至安全区域，通过无线遥控器1 发射关闭防喷器组的指令信号，无线接收模块2 接收到无线遥控器1 的指令信号后，传输给控制模块3，控制模块3 通过程序运算，输出控制信号至电磁阀10，电磁阀10 通电，控制电控液压多路阀13 切换液路，从而控制执行液缸11，执行液缸11 伸出，防喷器组闸板阀关闭，实现防喷器组闸板阀的关闭。

图1 带压作业修井机防喷器控制系统功能图

图2 带压作业修井机防喷器液压系统功能图

带压作业修井机防喷器组通过电控手柄或遥控器对设备进行灵活可靠的控制，操作方便、快捷、省力。采用遥控器的控制方式，井口发生井喷、井涌危险时，及时撤离现场，到达设备安全距离后第一时间用遥控器关闭井口，最大限度确保操作人员和修井设备的安全；同时，通过互联网无线数据通讯系统，修井作业管理平台可实时对现场作业设备进行监控和指导，通过监控设备工作状态、分析设备运行参数，方便管理平台对设备和人员进行全方位管理，进一步确保作业安全。

2.3 厂内试验及现场应用

此成果应用在吉林带压作业修井机上，根据用户要求，通讯模块并没有实施。带压作业修井机在试验场地进行了厂内调试及载荷试验，试验结果表明修井机电控液压系统符合设计要求，防喷器组无线遥控装置操作精准、无延时、遥控距离超过100m（最远可达200m）。详见表1。

表1 试验数据对比

该成果现场成功验收后，依托中石油带压作业修井机推广项目，在大庆、吉林、辽河、新疆（吐哈）、华北、大港等全国各大油田共计14 台带压作业修井机上进行应用。用户满意度高，已在行业内进行推广。

3 结语

（1）无线遥控替代液压直控，控制与执行动力分离，不受井场空间限制，提高井控安全性。

（2）防喷器执行动力与修井机集成一体，动力就近输出，关断更加迅速可靠。

（3）取消BOP 液压控制单元，减少搬安工作量，降低工人劳动强度，提高作业效率。

（4）井控与自动化、智能通讯技术相结合，为带压作业融入物联网创造了条件。

带压修井作业过程中的井控措施，关乎作业人员的生命安全、环境保护以及国家财产的保护。因此，这一问题的切实解决，具有良好的社会效益和经济效益，现实意义重大。