一種基于解決井控安全問題的帶壓修井作業防噴器控制系統研究

齊潔，劉學佳，劉世峰

（中石油渤海裝備中成裝備制造公司，天津 300280）

井噴是石油工業最為嚴重的生產事故之一，威脅著每一名現場員工的生命安全，歷次井噴造成的人員、財產損失令人“觸目驚心”。因此，油井作業井控是油田重大安全問題，防噴器的控制和快速關斷對于安全生產至關重要。

帶壓修井作業是井下作業一項新技術，它通過防噴器組控制油套環空壓力，通過堵塞器控制油管內部壓力，然后通過對管柱施加外力克服井內上頂力，從而完成帶壓起下管柱。在修井作業過程中，采取不壓井作業，可最大限度地減小對油氣層的傷害，有效提高油水井壽命和產能。它是一種最好的保護油、氣層、保持注水井壓力的修井作業方式。對于油田中后期增產穩產具有重要意義。但是，由于帶壓作業裝置結構復雜，配套不完善，井控安全問題一直存在，成為帶壓作業新技術的一項重大安全隱患。

1 帶壓作業井控設備現狀

井口防噴器是帶壓作業裝置井控措施的主要部件，目前帶壓作業裝置防噴器組有手動直控和手動液控兩種方式。手動直控結構簡單，靠人力操作防噴器旋轉手輪，打開或者關斷防噴器組的閘板閥，工人操作強度較大，關斷速度慢，操作不及時會造成井壓失控，導致井噴。手動液控方式雖然工作強度小，但是由于系統配套問題，仍然無法完全解決井口安全問題。國外帶壓作業裝置一般不配備井控用的防噴器，作業時需要配套獨立的BOP 系統，單獨操作控制，因控制遠離井口，在發生井涌、井噴時，無法及時關斷；國內井控BOP 系統與帶壓作業裝置復合在一起，操作控制集中在帶壓操作平臺上，當發生嚴重井噴事故，人員緊急避險撤離井口時，就無法對井控設備再實施操作，因此仍然存在一定的安全隱患。

通過調查研究現有常規防噴器控制系統存在以下問題：

（1）控制遠離井口（≥25m），為遠端直控，控制點固定，操作不便；

（2）液壓管線過長（≥30m），壓力損失大，閘板存在關斷延時，關井速度慢；

（3）管線現場地面鋪設，安裝工作量大，且容易損壞，可靠性、安全性差。

2 帶壓修井機防噴器控制系統設計

2.1 技術方案

帶壓修井作業防噴器控制系統包括：液壓動力站、執行液缸、防噴器閘板閥、遠程電液控制系統。液壓動力站為執行液缸提供動力；執行液缸控制防噴器組閘板閥的打開或關閉；遠程電液控制系統通過電控液的方式對多路控制閥控制執行液缸的伸出或縮回。

電液控制系統包括控制模塊、無線信號發射器、無線接收模塊、指令開關、電磁閥等部件。控制模塊通過無線接收模塊接收并執行無線遙控器發出的指令，或接收并執行指令開關發出的指令，控制模塊通過控制電磁閥的通電或斷電來控制執行液缸。

控制模塊與通訊模塊連接，無線數據通訊模塊實時采集控制模塊的數據信息，與通訊模塊連接的視頻監控器拍攝現場設備的工作狀態，通訊模塊通過移動網絡實時將控制模塊載有的防噴器組的數據信息、帶壓作業設備工作實況傳輸至遠程終端。控制模塊由電源模塊供電。

無線遙控器、指令開關具有互鎖功能，控制模塊優先執行無線遙控器發出指令。無線遙控器的遙控距離≤200m。遠程終端包括計算機、手機，管理人員通過遠程終端掌握和管控設備的運行狀況和參數。當電磁閥通電時，電控液壓多路閥切換液路，執行液缸伸出，防噴器組閘板閥關閉；當電磁閥斷電，執行液缸縮回，防噴器組閘板閥打開。液壓多路控制閥設置有操控手柄，手動控制切換液壓多路控制閥液路。

2.2 系統工作原理

帶壓作業修井防噴器控制系統包括電控和手控兩種控制方式（如圖1、圖2）。電控包括遠距離通過無線遙控器遙控和近距離操控指令開關，電控信號傳輸到控制模塊3，控制模塊3 通過控制程序進行指令運算，將控制信號輸出給安裝在電控液壓多路閥13 上的電磁閥10，電控液壓多路閥13根據電磁閥的通電或斷電，切換油路，實現對執行液缸11的控制。當現場正常施工作業時，電磁閥10 斷電，執行液缸11 縮回狀態，防噴器組閘板閥打開。當施工作業現場發生緊急情況時，操作人員可以撤離作業現場至安全區域，通過無線遙控器1 發射關閉防噴器組的指令信號，無線接收模塊2 接收到無線遙控器1 的指令信號后，傳輸給控制模塊3，控制模塊3 通過程序運算，輸出控制信號至電磁閥10，電磁閥10 通電，控制電控液壓多路閥13 切換液路，從而控制執行液缸11，執行液缸11 伸出，防噴器組閘板閥關閉，實現防噴器組閘板閥的關閉。

圖1 帶壓作業修井機防噴器控制系統功能圖

圖2 帶壓作業修井機防噴器液壓系統功能圖

帶壓作業修井機防噴器組通過電控手柄或遙控器對設備進行靈活可靠的控制，操作方便、快捷、省力。采用遙控器的控制方式，井口發生井噴、井涌危險時，及時撤離現場，到達設備安全距離后第一時間用遙控器關閉井口，最大限度確保操作人員和修井設備的安全；同時，通過互聯網無線數據通訊系統，修井作業管理平臺可實時對現場作業設備進行監控和指導，通過監控設備工作狀態、分析設備運行參數，方便管理平臺對設備和人員進行全方位管理，進一步確保作業安全。

2.3 廠內試驗及現場應用

此成果應用在吉林帶壓作業修井機上，根據用戶要求，通訊模塊并沒有實施。帶壓作業修井機在試驗場地進行了廠內調試及載荷試驗，試驗結果表明修井機電控液壓系統符合設計要求，防噴器組無線遙控裝置操作精準、無延時、遙控距離超過100m（最遠可達200m）。詳見表1。

表1 試驗數據對比

該成果現場成功驗收后，依托中石油帶壓作業修井機推廣項目，在大慶、吉林、遼河、新疆（吐哈）、華北、大港等全國各大油田共計14 臺帶壓作業修井機上進行應用。用戶滿意度高，已在行業內進行推廣。

3 結語

（1）無線遙控替代液壓直控，控制與執行動力分離，不受井場空間限制，提高井控安全性。

（2）防噴器執行動力與修井機集成一體，動力就近輸出，關斷更加迅速可靠。

（3）取消BOP 液壓控制單元，減少搬安工作量，降低工人勞動強度，提高作業效率。

（4）井控與自動化、智能通訊技術相結合，為帶壓作業融入物聯網創造了條件。

帶壓修井作業過程中的井控措施，關乎作業人員的生命安全、環境保護以及國家財產的保護。因此，這一問題的切實解決，具有良好的社會效益和經濟效益，現實意義重大。