井口采气树装置中高压仪表安装设计及应用

王剑飞，李 龙，杜志勇

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河热采机械制造分公司，辽宁盘锦 124000）

0 引言

天然气是埋藏较深的能源，处于封闭的地质构造中，开采天然气的井口装置设备就是采气树。天然气属于易燃易爆高危产品，同时油气田的天然气井开采生产过程中压力较大，因此对采气树的承压能力与密封性要求非常高，在设计安装中必须配置高压仪表，实时监控井口压力参数，确保采气生产安全。

1 高压仪表的安装设计及应用

在油气田开发建设过程中，天然气井的地面工程、装置设备主要是采气树的布置安装，而在采气树设备中高压仪表属于非常重要的部件。在长期的安装设计及应用中发现，井口采气树装置中高压仪表安装设计出现的问题越来越多，严重影响设备的安全高效运行。存在的问题主要有：高压仪表阀的选型方案不科学；接头选型方案存在缺陷；高压压力表选型困难；高压压力变送器选型困难；井口采气树设备提供的高压仪表螺纹的接口认识有问题；甚至安装设计方案只是部分采用了采油树设备安装规范等。

系统探究采气树装置中高压仪表安装设计及应用主要是结合传统的采气树装置中高压表安装设计及应用出现的各种问题缺陷，分析研究采气树设备装置规范中有关高压仪表连接安装的技术条款，相关要求，科技创新，进一步优化采气树高压仪表安装设计方案，发挥传统安装设计的优势，弥补传统安装设计的缺陷，在传承中创新，在创新中发展。尤其是核心关键技术，结合世界上先进企业成功的安装设计经验，结合实际，提出更加优质的安装设计方案，促进设备的高效安全运行。

2 井口采气树的结构与仪表安装

2.1 构成

气田井口采气装置设备，由采气树、套管头、油管头3 部分组成。

（1）采气树是井口采气装置的核心部件，它主要由控制阀门和高压仪表组成，而高压仪表包括油压表、套压表和回压表。

（2）套管头是用来支撑油管头与采汽油树的，其下部用套管螺纹和表层套管相互连接，中层的技术套管上层则悬挂内层套管，套管由芯轴、套管悬挂器实施链接，套管旁通的阀门可向套管环型进行注水泥。

（3）油管头的作用是悬挂油管，悬挂器与油管头四通间用金属密封件和橡胶密封件满足双重密封，悬挂器将套压表和油压表分开。油管头旁通的阀门，主要是在加沙（酸化）压裂和注水等特殊作业过程中，对套管注平衡压力，保障超高压作业生产过程的油管等部件强度可靠。油管头下部链接套管头，上部链接采气树，油管头本体下端密封与内层套管密封，均采用BT 密封结构或TS 密封结构，一旦BT 密封圈出现失效就利用注脂阀向BT密封脂，保持密封效果。

采气树装置的功能就是控制油层压力，调节油气流量，其下部跟油管头连接，采汽油树的法兰与油管悬挂器也是BT 密封圈密封，一旦出现密封失效就利用注脂阀向BT 注入密封脂、恢复密封效果。

2.2 高压仪表的安装

井口采气树装置上通常会预留高压仪表的接口，如油压表接口、套压表接口、回压表接口等。压力表是用来观察、录取压力的重要装置，在安装工程施工对管件接口的密封效果要求十分严格，为了满足油压、套压检测结果的高标准、高质量，在安装高压仪表的同时均按技术规范要求配装压力变送器。井口采气树上的高压仪表的安装关键技术在于密封接口的连接安装，核心技术是密封接口的选型使用。目前，油气田井口采（油）气树上高压仪表的接口有4 种类型。

（1）广泛应用普通密封管螺纹，英文简写名称为NPT。

（2）发达国家石油学会推广使用的管线管螺纹，英文名称简写为LP。

（3）某发达国家统一通用的管线螺纹接口，英文简写名称为UN。

（4）米制通用螺纹，英文简写名称为M。

在这4 种接口管线螺纹中，普通密封管螺纹接口（NPT）的开发应用较早，距今已有180 多年，其优点是应用广泛，但部件本身受到加工精度、检测技术、使用场合、装配方式的影响较大，不同的尺寸、材料、压力会显示不同的效果，很难保证所有的部件使用过程中表现较好密封功能。

管线管螺纹接口（LP）与普通密封管螺纹接口（NPT）的功能特点类似，二者可以互换使用，在生产实践中发现，管线管螺纹接口（LP）略优于普通密封管螺纹接口（NPT）。

某发达国家统一采用的管线螺纹接口（UN）可以说是最早的国际标准，在国际上作为井口采油气树高压仪表接口的标准间推广应用，该部件属于系列产品，包括粗牙、细牙、超细牙3 个等级螺距系列品种和8 个等螺距品种的产品。要区别系列产品的不同等级，主要参数为公差和余量，根据公差和余量的不同，统一通用螺纹接口分为A 级和B 级两大标准。其中，A 级表示外螺纹标准，B 级表示内螺纹标准；A 级分1、2、3 等不同级别；B级也分1、2、3 等不同级别，按照规范要求，1A 和1B 属于比较轻松的装配要求，有公差和余量即可；2A 和2B 则要求相对较高，推广到有紧固要求的螺栓、螺母或者相应的固定工件的使用上；3A 和3B 属于要求最高级别，必须具备较强的密封、紧固效果及相应的抗震、抗拉能力，适用于精度较高的紧固场合。

米制通用螺纹（M）也是井口采气树高压仪表安装接口的主要选型，最初是引进苏联的产品标准，1963 年我国修订了普通螺纹标准，初步建成中国米制标准，现简称ISO 标准，适用于一切机械制造中应用的紧固螺线标准。该标准在欧洲各国通用。

2.3 相关设备规范及高压仪表连接技术要求

根据井口天然气压力等级的不同，按照油气田采气树装置设备规范及高压仪表连接的技术要求，高压仪表连接接口属于精度较高，在密封性较强的紧固场所，要在不同的压力要求条件下采用相应的标准。

2.3.1 螺纹接口选型

例如，井口采气树工作压力≤69 MPa，高压仪表螺纹接口的选型，按照现行的国家管线螺纹加工和检验规范，以及国际上普遍采用的管线螺纹标准，国家制订管线加工和检验规范中，对该工作条件下的井口采气树接口螺纹，必须达到2A、2B 以上级别，也就是发达国家石油学会推广使用的管线螺纹标准纹或者某发达国家统一通用的管线螺纹标准，并且内螺纹尺寸、外螺纹尺寸以及公差要完全符合井口装置与采气（油）树设备规范以及高压仪表配装的相关技术规定等标准规范要求。如果气井地面采气树的工作压力≤1035 MPa，或气井地面采气树的工作压力≤138 MPa，则高压仪表连接螺纹接口的螺纹选型要符合国际、国家执行的采气（油）树管线螺纹加工、检验规范和相关的技术标准的要求，具体在选型过程中，外螺纹选型标准必须满足2A 级标准或更高；内螺纹选型标准必须满足2B 级或者更高标准，连接类型以及尺寸要达到规程规范和相关的技术执行标准的要求。

2.3.2 螺纹连接选型

按照管线螺纹加工、检验规范以及相关技术标准规定，连接螺纹根据实际选型应为某国统一通用螺纹或普通密封螺纹接口的细牙系列产品，螺纹尺寸及等级标准非常明确，同时，结合采气树工作压力的实际，对不同连接条件和情况对连接形式进行了定义，提出了3 种不同的连接形式选型，所以，设备在运行中出现问题，大多数是因为没有按照规范以及技术标准操作安装，没有执行技术标准。像60°圆锥线密封方式，气井地面采气树的工作压力≤1035 MPa，或气井地面采气树的工作压力≤138 MPa，作为采气树上的高压仪表连接螺纹接口的螺纹的选型最为合适，能够形成高密封推力及低扭矩力，完全避免高压腐蚀等介质破坏螺纹牙口。这种采气树高压仪表螺纹接口选型及连接形式，一般情况下更适用于井口采气树工作压力≤69 MPa 的仪表连接选型。

3 高压仪表安装设计及应用的创新举措

3.1 接口类型与连接方式

采气树上高压仪表的安装设计，必须按照国家制定的石油天然气行业设备装置加工、检验规范，以及国际、国内通用的技术等级标准，严格接口管线螺纹、管套及其配套工件的选型，根据井口采气树工作压力≤69 MPa，气井地面采气树的工作压力≤1035 MPa，或者气井地面采气树的工作压力≤138 MPa 的实际，采气树高压气表接口安装设计选型标准，一般选用接口模型Ⅲ（API TYPEⅢ），这种螺纹密封接口由3 个工件组成，即螺纹短管、压盖、密封环。

安装原理是：螺纹短管介于57°～59°的圆锥端面配以阀门内部60°～62°的凹形圆锥底部螺纹，能够完全密封，具备采气树工作压力需要的管道密封标准要求，把腐蚀性介质等杂质有效地密封在流道之中，阻止其与承压螺纹的有效接触，控制其对管道造成危害。

这种设计选型，相比较于普通密封管螺纹（NPT）接口类型有了很大创新，有实质性的进步，密封效果和应用效果十分明显。目前，采气树高压仪表螺纹接口连接方式，无论是国际通用标准还是国内执行的行业装置设备加工、检验规范及技术标准，一般推广内螺纹底部加工直径为3 mm 的排气孔，在采气树上高压仪表的连接螺纹接口中使用，之所以规定这个选型标准的工件，是由其功能所决定的，直径为3 mm 排气孔的底部内螺纹工件，不但能检查锥形密封的性能，还可以保护螺纹不被损坏。

接口模型Ⅲ（API TYPEⅢ）的安装工序为，螺纹短管旋进压盖，环嵌进压盖内部、旋紧。这种安装设计的优点是通过压盖螺纹的旋进力与螺纹短管密封推力的互相转换，消除了密封锥面上产生切向受力的可能性，可以在很大程度上保护工件密封锥面的几何尺寸，保证密封抗压能力，消除漏气现象，保障采油树的安全生产。

3.2 安装设计存在的问题

依据国际惯例以及我国现行的石油天然气装置设备安装设计规范要求及相关技术标准，井口采气树高压仪表的安装设计及应用过程中，油压表、套压表、回压表的安装设计，有很多技术标准不能落实到位，以致发生许多问题，油压表、套压表等是监测检测就地以及远传压力的显示装置，比如，在采气树开关井的标准操作中，开井前的检查，确认封闭采油房的采气树各个闸阀没有发生泄漏的条件下，高低压截断阀或者电磁阀处于正常开启状态，及时录取开井前的油压、套压、累积流量，随机与监控中心联系，准备开井，接到指令后，缓慢打开控制阀，外输压力≤3.5 MPa，外输流量≤1500 m3/h，油压降到系统压力时，就录取油压、套压、流量、温度等数据信息；并向监控中心及时报告当前开井时油套压、流量、温度。一旦出现节流器失效的情况或下游管线、阀门装置破裂，则立刻关井并通知监控中心。关井时，同样录取当前油压、套压，无论短期关井还是长期关井，都要放空油压表、套压表直至高压仪表压力示数为0。从操作过程可以看出，高压仪表在采气树工作运行中是多么重要。由于高压仪表安装过程多数凭借经验操作，不重视设计标准，规范意识淡漠，经常出现，泄漏风险高、总重量大、安装形式分散、环节较多等问题。

3.3 安装设计及应用的优化创新

通过分析采气树高压仪表安装设计及应用过程存在的问题缺陷，结合国际标准和国家石油天然气行业设备装置、检验规范，高压仪表安装要进一步简化：①阀组、泄压阀组合使用；②保留传统井口采气树自带仪表阀门；③阀组安装紧凑，扭矩降至最小；④保留传统安装中的螺纹排气孔；⑤配套采用单独泄压阀门；⑥高压仪表阀组接口，根据实际安装需求，灵活调整泄压阀。

4 结束语

随着天然气资源开发中，高压气井、高腐蚀天然气井的数量不断增多，井口采气树装置中高压仪表的安装设计及应用显得越来越重要，其目的就是为了实现安全生产、高效生产。因此，安装设计及应用必须不断探究。