高壓氣井環空自動補壓設備研究*

陳澤群，李 哲

（長江大學機械工程學院，湖北荊州 434023）

0 引言

各種事故威脅著油氣井大型設備安全的使用[1]，油氣井開采的深層化使其更易發生套管破裂、井噴現象。明確造成此類事故的原因，找出應對方法，降低大型油氣設備事故率[2-3]，是當前大型設備在安全使用和設計領域高度關注和急需解決的問題之一[4-5]。早在20世紀中期，國外就開始研究環空帶壓問題。經過半個世紀的努力，國外在導致環空帶壓問題的原因、建造氣井時采用的原料、固井的工藝流程等方面得出了很多理論，并將理論應用于實際的氣井建造過程中。其中，2006年，美國出版了一部推薦做法[6]，將關于環空壓力的多個方面進行測定記錄，形成了一套指導方針，對環空壓力的研究有重要意義。

國內部分學者在氣井環空方面有深入研究，也形成了一些有特色的環空研究理論。張波等[7]在2011年通過調研及研究，提出了環空帶壓的成因，建立了氣井允許的環空壓力值計算方法，同時，結合某個氣井實際情況，在環空帶壓的危險性方面建立了一套評判方式；同年，朱仁發[8]提出了天然氣井環空帶壓存在的一些問題，并給出了一些治理意見，為天然氣井的安全生產和國家天然氣資源的穩定開發提供了科學的參考依據。目前的研究對于環空帶壓問題已經具有一定的理論基礎，因此設計一套完整的設備來實現環空泄壓問題迫在眉睫。

1 環空自動補壓設備方案論證

1.1 環空壓力自動檢測設備

環空壓力自動檢測設備包括增壓機構、控制器、壓力傳感器、以及用于存儲環空保護液的儲液箱。壓力傳感器用于監測油田氣井環空的壓力，生成環空壓力信號；控制器用于將環空壓力信號與壓力下限值進行比較，在環空壓力信號低于壓力下限值時，通過增壓機構將儲液箱內的環空保護液補給氣井環空增壓，直到環空壓力信號達到預設的壓力上限閥值時，關閉增壓機構，停止補壓，確保油田氣井安全高效地生產作業。

油田氣井環空壓力自動監控設備設有保護房，儲液箱位于保護房內。保護房上設有排氣扇；保護房內設有可燃氣體濃度檢測儀。控制器用于將可燃氣體濃度信號與濃度閥值進行比對，在可燃氣體濃度信號超過濃度閥值時，開啟排氣扇。売體內還設有溫度傳感器和加熱器，溫度傳感器用于檢測保護房內的溫度，并生成對應的溫度信號。在溫度信號大于溫度上限值時，開啟排氣扇散熱；在溫度信號小于溫度下限值時，啟動加熱器。

增壓機構包括柱塞泵以及連接柱塞泵的變頻電機，控制器因環空壓力信號變頻調節變頻電機的輸出速度，以對應調節柱塞泵增壓速度。

油田氣井環空壓力自動監控設備還包括高壓單向閥以及高壓截止閥，壓力傳感器位于高壓單向閥和高壓截止閥之間。本設備與環空套管之間的連接管安裝有電磁閥。儲液箱內安裝有液位傳感器，用于檢測儲液箱內的環空保護液液位，在環空保護液液位低于預設液位下限時，生成液位信號，控制器因該液位信號驅動報警裝置并發出警報。

設備各處還安裝有遠程通信模塊，PLC控制器通過該遠程通信模塊與遠程控制裝置進行通信。

1.2 高溫高壓高產氣井環空套壓補償裝置

如圖1所示，高溫高壓高產氣井環空套壓補償裝置包括高壓管線、儲液罐、自動泄壓閥、自動灌注泵。一旦氣井環空套壓低于設定時，灌注泵將儲液罐中的液體經過高壓管線自動送入氣井環空中，用于氣井環空套壓間補償。當氣井環空套壓遠高于設定值時，自動泄壓閥給氣井環空套泄壓。高壓管線的一端與氣井環空套上的油管閥連接；另一端與儲液罐連接。自動泄壓閥安裝在高壓管線上，當氣井環空套壓遠高于設定值時，所述泄壓閥打開，氣井環空套中的液體回流到儲液罐中。采用上述的氣井環空套壓補償設備對油氣井生產過程中的環空壓力進行管理，節省了人力，實現了環空壓力的自動化。

高溫高壓高產氣井環空套壓補償裝置的特征在于當氣井環空套壓低于設定值時，灌注泵將儲液罐中的液體經過高壓管線送入氣井環空，用于氣井環空套壓補償。一旦氣井環空套壓遠高于設定值時，自動泄壓閥給氣井環空套泄壓。

氣井生產期間，生產封隔器密封性變差，生產改變、放氣閥排氣，引發油氣井環空套壓發生變化時，該氣井環空套壓補償設備能夠根據所要求的值對環空套壓進行調節。油氣井環空套壓上漲，自動泄壓閥打開，氣井環空中的完井液回流進入儲液瓶，從而使氣井環空套壓隨之下降，直到達到所要求的環空套壓值，氣井環空套壓保持穩定狀態。

生產制度的改變導致油氣井環空套壓下降，自動灌注泵開啟。抽取儲液瓶中的完井液進入氣井環空套，氣井環空套壓隨之升高，直至達到設定值，空氣壓縮機停止工作。不同于油田生產中對于環空套壓傳統的處理方法，該環空套壓補償裝置具有同時放壓和補壓的雙重功能，能達到對氣井環空套壓的實時自動控制，有效克服傳統處理方式不及時的不足。

圖1 補壓設備

2 氣井環空補壓設備設計

2.1 設計思路

氣井環空補壓設備包含主控制單元PLC控制器、主工作單元，包括壓力傳感器、電磁閥、電機、液壓泵、設備維護單元、液位報警系統、溫度控制系統、可燃氣體控制系統。如圖2所示。

圖2 氣井環空補壓裝置思路

主控制單元：當環空壓力使壓力傳感器被觸發并生成壓力信號，壓力信號傳導得到PLC控制器，對壓力信號與預設的值進行對比。當壓力小于預設值時，PLC控制器控制電磁閥打開，并且打開電機，斜盤式軸向柱塞泵產生高壓環空保護液，經過高壓油管進入環空空間進行補壓。

油箱液位保護單元：當油箱液位達到預設的危險液位時，液位傳感器會生成液位信號發往PLC控制器，控制器啟動報警器并制動馬達。

溫度控制單元：由于設備環境需要維持一定的溫度值范圍，溫度過高會觸發溫度傳感器生產溫度信號，并發送到PLC控制器，PLC控制器啟動排熱扇，對設備降溫；溫度過低會觸發溫度傳感器生產溫度信號，并發送到PLC控制器，PLC控制器啟動加熱器，對設備增溫。

氣體控制單元：由于存在天然氣的泄漏問題，需要及時對可燃氣體進行處理，當可燃氣體傳感器觸發，啟動報

警器。

2.2 具體設計方案

氣井環空補壓裝置設計如圖3所示。

2.2.1硬件部分

（1）不銹鋼304油箱；（2）不銹鋼過濾器；（3）高壓柱塞泵；（4）防爆變頻電機；（5）100 MPa溢流閥；（6）100 MPa單向閥；（7）140 MPa高壓截止閥；（8）105 MPa壓力表；（9）105 MPa防爆壓力傳感器；（10）電磁閥；（11）可燃氣體濃度檢測儀；（12）報警器；（13）溫度檢測儀；（14）控制器。

圖3 氣井環空補壓裝置設計

2.2.2 補壓機構

（1）檢測機構：壓力傳感器，用于實時監測環空壓力。（2）控制機構：控制器，對檢測壓力，并對比壓力，發送補壓信號，進行全程控制。

（3）增壓機構：由變頻電機、高壓柱塞泵構成，當控制器啟動電機時，柱塞泵工作，對環空口進行補壓。

（4）設備保障機構：由溫度檢測儀、可燃氣體濃度監測儀和報警器構成，保證設備的正常工作運行。

2.2.3 作用過程

壓力傳感器用于實時監測油田各個環空壓力口的壓力，并生成相應的壓力信號。控制器根據壓力信號與預設好的最低壓力下限閾值進行對比。當環空壓的壓力低于預設的閾值，通過增壓機構的電機打開，柱塞泵運行，油箱內的油液開始沿管道流動，通過100 MPa單向閥流向各環空通道，確保油田生產作業高效安全進行。

3 結束語

該研究可以解決環空自動補泄壓的問題。高壓氣井環空自動補壓系統的最大優點是該產品利用PLC技術，實現實時測量環空壓力，及時地補泄壓，準確安全地控制環空內壓力維持在安全范圍內，避免因補壓、泄壓不及時產生安全事故。環空壓力變化時，自動實現補壓及泄壓，代替人工操作，避免操作人員接近高壓井口，保障操作人員生命安全。

該設備解決了油氣勘探開發工作中的高壓氣井油套環空異常帶壓問題，通過對環空帶現象事先進行理性的研究分析，對現場實際帶壓井的壓力恢復曲線進行預測，以應對各種各樣的環境條件。中國石油與天然氣大部分依靠進口，但在十二五規劃下，需要開采更多的石油與天然氣，進行供應與戰略儲備。該設備主要針對油田開發過程中的高壓氣井油套環空帶壓異常，可以用于已開發和未開發的油田，應用范圍十分廣泛，應用前景可觀。