地面測試高壓遠程控制技術及應用實踐

趙益秋， 王志敏， 楊川琴

(中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)

地面測試流程主要用于試油測試期間井筒返出流體的流量測試和壓力控制。一直以來，高壓、超高壓井地面測試作業都是一項高風險工作，針對這類井一般采用三級節流方式進行壓力控制，流程一般分為高壓區、中壓區、低壓區，高壓區主要包括捕屑器、除砂器、轉向管匯、油嘴管匯等，中壓區主要包括熱交換器等，低壓區主要包括分離器、緩沖罐、密閉罐、燃燒器等。各區域設備中包含大量的平板閘閥、節流閥、球閥等控制元件，目前均為人工操作。對于操作人員來說，即使是低壓區的壓力也足以造成人身傷害，而在試油測試期間，操作人員必須在高壓甚至高含硫區域中工作，一旦發生流體泄漏，將面臨較大的高壓傷害和H2S中毒風險。另外，閥門在高壓差環境下存在開關困難，操作速度慢，節流控制難度大等諸多問題[1-2]。

近年來，隨著磨溪—高石梯、九龍山區塊的不斷開發，出現了一大批產量大、井口壓力高、硫化氫含量高的氣井，如L004-X1產量111.65×104m3/d，硫化氫含量11.39～12.99 g/m3,井口關井壓力107.85 MPa。這對地面測試裝備及配套工藝技術提出了更高的要求，需要進一步提高安全性和作業效率。通過對地面測試作業高壓遠程控制系統的研制和地面測試流程的進一步完善設計，形成的“地面測試高壓遠程控制技術”，可實現遠程操作高壓區設備，大大降低操作人員在高壓含硫區域工作面臨的安全風險和勞動強度。同時，也可實現試油測試期間的自動控壓，并根據測試作業的不同工況實現閥門的程序化批量操作，大大提高地面測試作業效率和操作準確性。

一、地面測試高壓遠程控制技術介紹

1.技術原理

在常規手動轉向管匯、油嘴管匯的基礎上，配套電動執行器作為獨立控制單元，采用PLC+計算機遠程控制模式，PLC實時接收和顯示、閥門開度、扭矩轉速及上下游壓力數據完成分析、整理和判斷，向上位機反饋實時信息，并接收計算機的指令，再向執行器下達動作指令，達到遠程控制電動執行器，進而控制閥門的目的[3-5]。

2.遠程控制系統介紹

地面測試遠程控制系統主要由4部分組成：閥門執行機構、控制單元、遠程控制管匯、控制軟件。

2.1 閥門執行機構

該套系統包含9臺閥門電動執行器，其中開關型7臺(安裝在閘閥上)，調節型2臺(安裝在節流閥上)，按照3+1、4+1的方式分別安裝于轉向管匯和油嘴管匯上。開關型和調節型電動執行器均采用驅動電機和減速齒輪箱組合模式，具有行程限位功能，可設置扭矩限制，可選擇就地控制和遠程控制兩種工作模式。其額定扭矩為1 500 Nm，50 m以外遠距離控制，控制精度為1%，確保閘閥開關到位及節流閥對流體的精確控制。執行器防爆等級為Exd IIC T4，防護等級為IP68，可在各種惡劣天氣和可燃氣體的環境中工作。

2.2控制單元

控制單元由轉向管匯接線箱、油嘴管匯接線箱、PLC遠程控制柜、壓力傳感器及配套的線纜等組成。主要分為兩大模塊：實時數據監測和自動控制。監測系統實時監測各閥門開度、扭矩、轉速以及上下游壓力等，并將數據實時發送到PLC遠程控制柜。自動控制系統的PLC實時接收監測系統的監測數據，完成分析、整理和判斷，向上位機反饋實時信息，并接發計算機的指令。

2.3 遠程控制管匯

將電動執行器與現有高壓管匯閘閥、節流閥通過螺栓固定。不同規格型號的閥門，其連接器結構相同，根據閥門不同的外形尺寸，加工相應的連接器即可實現電動執行器在不同尺寸和壓力等級上閥門的通用。

2.4 控制軟件

在整個控制系統中，PLC遠程控制柜處于核心地位，PLC可實時接收到各閥門開度、扭矩、轉速以及上下游壓力等數據，并在控制柜面板和計算機上顯示出來，然后根據計算機人機交互界面的指令完成分析，整理和判斷，并控制各電動執行器開、關或停止，以此調控整個系統的運作[3]。整個系統運行示意圖如1所示。

控制系統軟件工作界面，控制方式可分為四個模式：自由模式、批量操作模式、恒壓模式、緊急關斷模式。

圖1 控制系統運行示意圖

2.4.1 自由模式

自由模式即單獨控制模式，可以對任何一個執行器進行單獨操作。軟件界面上的執行器與管匯上的執行器一一對應，單擊任意閘閥后彈出控制窗口，對應開閥、停止、關閥。在開閥或關閥動作過程中，當選擇停止按鈕時，執行器立即停止動作，閥門停在當前位置。同時軟件主界面上對應的閘閥旁會實時顯示開度百分比。單擊任意一個節流閥后彈出控制窗口，顯示當前開度，在“開度設置”欄輸入目標開度后，電動執行器立即動作到目標開度后自動停止。

2.4.2 批量操作模式

批量操作模式控制共預設了3種固定模式控制，分別為“模式一”“模式二”“模式三”，每一種模式對應9個執行器。在選擇其中一種模式之前，首先要對該模式進行設置(閘閥開關狀態和節流閥預設開度),預設完成后根據實際工作情況選擇點擊其中一種模式，9個執行器會立即按照之前預設狀態動作，達到預設狀態后執行器停止動作。

2.4.3 恒壓模式

根據上游或下游壓力對轉向管匯或油嘴管匯單流閥開度進行自動調節，使上游壓力或下游壓力保持目標壓力范圍。在選擇恒壓模式之前，先進入自由模式，對目標壓力預設范圍進行設置，并選擇調節系數(0<調節系數≤1)，調節系數越大執行器越靈敏。模式預設完成后，通過界面操作，節流閥上的調節型執行器就會根據預設目標壓力范圍自動調節節流閥開度。

恒壓模式下調節公式如下：

預設目標壓力為p1，上游實時壓力為p上，下游實時壓力為p下，調節系數為K，當前閥門開度為D1(百分比)，閥門開度量程為1，輸出閥門開度為Q(百分比)。

上游壓力恒壓模式：

當p1>p上時：

Q=D1-[(p1-p上)/(p1+p上)]×(1-D1)×K；

當p上>p1時：

Q=D1+[(p1-p上)/(p1+p上)]×(1-D1)×K；

下游壓力恒壓模式：

當p1>p下時：

Q=D1+[(p1-p下)/(p1+p下)]×D1×K；

當p下>p1時：

Q=D1-[(p1-p下)/(p1+p下)]×D1×K。

2.4.4 緊急關斷模式

進入模式設置設定下游壓力超壓預設值。當下游壓力達到該值，整套遠程控制系統的所有閘閥、節流閥都將立即關閉，以保證下游設備安全。緊急關斷模式具有最高優先權，無論之前處于什么模式、狀態下，一旦下游壓力超壓，均將立即關閉。

3.技術特點

(1)通過在現有高壓管匯手動閘閥、節流閥上加裝電動執行機構實現遠程控制，保證該套系統具有很好的通用性，可方便地安裝在所有管匯的閘閥和節流閥上。

(2)遠程系統控制軟件可顯示開度、扭矩、轉速等參數，并利用控制軟件可對各個執行器進行獨立控制；可設置壓力控制閾限值，自動控制節流閥開度；可實現一鍵切換批量化控制所有執行器。

(3)該套系統不僅可以通過計算機遠程控制，也可通過距離高壓管匯50 m之外的遠程控制柜操作各閥門，并在控制柜顯示屏上顯示各執行器具體開度。

二、現場應用

1.應用情況

地面測試高壓遠程控制技術已在川渝地區ST3、MX118、MX53等多口井投入使用，并取得良好效果。有效降低操作人員在高壓含硫區域工作面臨的安全風險和勞動強度，提升了地面測試作業的效率與準確性，實現了高壓、超高壓、高含硫氣井安全、高效試油測試、求產作業。推動國內“三超”、“三高”氣井試油測試技術不斷進步，并持續向集中化、智能化技術靠攏。

2.典型井例

2.1 基本情況

ST3井是四川油氣田的一口重點預探井，井深7 620.52 m。井底溫度164.3℃、預計地層壓力超過110 MPa，屬于典型的超深、超高壓、高溫的“三超”氣井。試油測試期間，預計產出物為鉆井液、酸、天然氣、二氧化碳、硫化氫。其地面測試作業難度、安全風險遠遠大于常規井乃至“三高”氣井，對試油工藝、地面測試設備等都提出了尤為苛刻的要求。

2.2 技術應用

本次地面測試作業所用設備、管線及流程安裝布局如圖2所示。

地面測試流程安裝完畢后進行流程試壓，測試設備及遠程控制系統調試，射孔，逐漸開油放噴排液，油壓23.25↓0.69↑22.89 MPa，套壓5.40↑9.23↓4.80 MPa，出口呈股狀、間斷股狀排液，100 min后出口氣、液同噴，出口點火燃，呈桔紅色，焰高1.0↑8.0～10.0 m，排液28.10 m3。隨后進行酸化施工作業，向井筒高擠膠凝酸140.02 m3。酸化施工結束后立即在遠程控制系統控制軟件中設定下游壓力超壓預設值11 MPa，采用“批量操作模式”打開遠程控制轉向、油嘴管匯閘閥進行放噴排液，油壓49.37↓1.36↑42.61 MPa，套壓38.87↓11.81↑13.93 MPa。出口呈大股狀、股狀、間斷股狀持續排液。140 min后出口氣、液同噴，出口點火燃，桔紅色，焰高2.0↑10.0～14.0 m。期間通過高壓遠程控制系統“自由模式”對井筒返出流體進行多次調節、控制，其電動執行器閥位、扭矩曲線見圖3、圖4。最后，在“恒壓模式”下經分離器用?50.8 mm臨界速度流量計進行測試、求產，測試油壓42.61↑54.04 MPa，套壓13.81 MPa，測獲天然氣產量41.86×104m3/d，現場氣樣檢測硫化氫含量5.67 g/m3。

在整個放噴排液測試作業過程中，高壓遠程控制系統遭遇多次高溫、暴雨等惡劣天氣，但設備未出現任何銹蝕、漏電和故障，各電動執行器驅動閥門控制靈活、可靠，節流閥控制精準(控制精度0.06圈)，恒壓模式下自動調節靈活，批量操作準確，緊急關斷功能正常。有效降低現場操作人員安全風險和勞動強度，提升了地面測試作業效率與準確性，表現出良好的使用效果，全面保障ST3井順利、安全、高效完成放噴排液、測試作業。

圖2 地面流程示意圖

圖3 開井自由模式電動執行器閥位、扭矩曲線圖

圖4 關井自由模式電動執行器閥位、扭矩曲線圖

三、結論及建議

(1)地面測試高壓遠程控制技術能有效降低操作人員在高壓含硫區域的安全風險和勞動強度，提高作業效率與準確性，提升作業水平，推動“三超”、“三高”含硫氣井試油測試技術的不斷進步和發展。

(2)地面測試高壓遠程控制技術目前尚處于初步形成階段，還需要繼續加強對遠程控制、自動控制技術的深入研究，力爭實現全套地面測試流程遠程自動化集中控制，甚至實現測試過程中無人值守，向全面集中化、智能化技術方向發展，以進一步提升技術競爭力。

(3)地面測試高壓遠程控制技術在ST3井的成功應用，為該技術以后在“三高”、“三超”、高含硫、高產油氣井中的大力推廣使用和不斷優化完善提供了寶貴經驗。