井口采氣樹裝置中高壓儀表安裝設計及應用

王劍飛，李 龍，杜志勇

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，遼寧盤錦 124000）

0 引言

天然氣是埋藏較深的能源，處于封閉的地質構造中，開采天然氣的井口裝置設備就是采氣樹。天然氣屬于易燃易爆高危產品，同時油氣田的天然氣井開采生產過程中壓力較大，因此對采氣樹的承壓能力與密封性要求非常高，在設計安裝中必須配置高壓儀表，實時監控井口壓力參數，確保采氣生產安全。

1 高壓儀表的安裝設計及應用

在油氣田開發建設過程中，天然氣井的地面工程、裝置設備主要是采氣樹的布置安裝，而在采氣樹設備中高壓儀表屬于非常重要的部件。在長期的安裝設計及應用中發現，井口采氣樹裝置中高壓儀表安裝設計出現的問題越來越多，嚴重影響設備的安全高效運行。存在的問題主要有：高壓儀表閥的選型方案不科學；接頭選型方案存在缺陷；高壓壓力表選型困難；高壓壓力變送器選型困難；井口采氣樹設備提供的高壓儀表螺紋的接口認識有問題；甚至安裝設計方案只是部分采用了采油樹設備安裝規范等。

系統探究采氣樹裝置中高壓儀表安裝設計及應用主要是結合傳統的采氣樹裝置中高壓表安裝設計及應用出現的各種問題缺陷，分析研究采氣樹設備裝置規范中有關高壓儀表連接安裝的技術條款，相關要求，科技創新，進一步優化采氣樹高壓儀表安裝設計方案，發揮傳統安裝設計的優勢，彌補傳統安裝設計的缺陷，在傳承中創新，在創新中發展。尤其是核心關鍵技術，結合世界上先進企業成功的安裝設計經驗，結合實際，提出更加優質的安裝設計方案，促進設備的高效安全運行。

2 井口采氣樹的結構與儀表安裝

2.1 構成

氣田井口采氣裝置設備，由采氣樹、套管頭、油管頭3 部分組成。

（1）采氣樹是井口采氣裝置的核心部件，它主要由控制閥門和高壓儀表組成，而高壓儀表包括油壓表、套壓表和回壓表。

（2）套管頭是用來支撐油管頭與采汽油樹的，其下部用套管螺紋和表層套管相互連接，中層的技術套管上層則懸掛內層套管，套管由芯軸、套管懸掛器實施鏈接，套管旁通的閥門可向套管環型進行注水泥。

（3）油管頭的作用是懸掛油管，懸掛器與油管頭四通間用金屬密封件和橡膠密封件滿足雙重密封，懸掛器將套壓表和油壓表分開。油管頭旁通的閥門，主要是在加沙（酸化）壓裂和注水等特殊作業過程中，對套管注平衡壓力，保障超高壓作業生產過程的油管等部件強度可靠。油管頭下部鏈接套管頭，上部鏈接采氣樹，油管頭本體下端密封與內層套管密封，均采用BT 密封結構或TS 密封結構，一旦BT 密封圈出現失效就利用注脂閥向BT密封脂，保持密封效果。

采氣樹裝置的功能就是控制油層壓力，調節油氣流量，其下部跟油管頭連接，采汽油樹的法蘭與油管懸掛器也是BT 密封圈密封，一旦出現密封失效就利用注脂閥向BT 注入密封脂、恢復密封效果。

2.2 高壓儀表的安裝

井口采氣樹裝置上通常會預留高壓儀表的接口，如油壓表接口、套壓表接口、回壓表接口等。壓力表是用來觀察、錄取壓力的重要裝置，在安裝工程施工對管件接口的密封效果要求十分嚴格，為了滿足油壓、套壓檢測結果的高標準、高質量，在安裝高壓儀表的同時均按技術規范要求配裝壓力變送器。井口采氣樹上的高壓儀表的安裝關鍵技術在于密封接口的連接安裝，核心技術是密封接口的選型使用。目前，油氣田井口采（油）氣樹上高壓儀表的接口有4 種類型。

（1）廣泛應用普通密封管螺紋，英文簡寫名稱為NPT。

（2）發達國家石油學會推廣使用的管線管螺紋，英文名稱簡寫為LP。

（3）某發達國家統一通用的管線螺紋接口，英文簡寫名稱為UN。

（4）米制通用螺紋，英文簡寫名稱為M。

在這4 種接口管線螺紋中，普通密封管螺紋接口（NPT）的開發應用較早，距今已有180 多年，其優點是應用廣泛，但部件本身受到加工精度、檢測技術、使用場合、裝配方式的影響較大，不同的尺寸、材料、壓力會顯示不同的效果，很難保證所有的部件使用過程中表現較好密封功能。

管線管螺紋接口（LP）與普通密封管螺紋接口（NPT）的功能特點類似，二者可以互換使用，在生產實踐中發現，管線管螺紋接口（LP）略優于普通密封管螺紋接口（NPT）。

某發達國家統一采用的管線螺紋接口（UN）可以說是最早的國際標準，在國際上作為井口采油氣樹高壓儀表接口的標準間推廣應用，該部件屬于系列產品，包括粗牙、細牙、超細牙3 個等級螺距系列品種和8 個等螺距品種的產品。要區別系列產品的不同等級，主要參數為公差和余量，根據公差和余量的不同，統一通用螺紋接口分為A 級和B 級兩大標準。其中，A 級表示外螺紋標準，B 級表示內螺紋標準；A 級分1、2、3 等不同級別；B級也分1、2、3 等不同級別，按照規范要求，1A 和1B 屬于比較輕松的裝配要求，有公差和余量即可；2A 和2B 則要求相對較高，推廣到有緊固要求的螺栓、螺母或者相應的固定工件的使用上；3A 和3B 屬于要求最高級別，必須具備較強的密封、緊固效果及相應的抗震、抗拉能力，適用于精度較高的緊固場合。

米制通用螺紋（M）也是井口采氣樹高壓儀表安裝接口的主要選型，最初是引進蘇聯的產品標準，1963 年我國修訂了普通螺紋標準，初步建成中國米制標準，現簡稱ISO 標準，適用于一切機械制造中應用的緊固螺線標準。該標準在歐洲各國通用。

2.3 相關設備規范及高壓儀表連接技術要求

根據井口天然氣壓力等級的不同，按照油氣田采氣樹裝置設備規范及高壓儀表連接的技術要求，高壓儀表連接接口屬于精度較高，在密封性較強的緊固場所，要在不同的壓力要求條件下采用相應的標準。

2.3.1 螺紋接口選型

例如，井口采氣樹工作壓力≤69 MPa，高壓儀表螺紋接口的選型，按照現行的國家管線螺紋加工和檢驗規范，以及國際上普遍采用的管線螺紋標準，國家制訂管線加工和檢驗規范中，對該工作條件下的井口采氣樹接口螺紋，必須達到2A、2B 以上級別，也就是發達國家石油學會推廣使用的管線螺紋標準紋或者某發達國家統一通用的管線螺紋標準，并且內螺紋尺寸、外螺紋尺寸以及公差要完全符合井口裝置與采氣（油）樹設備規范以及高壓儀表配裝的相關技術規定等標準規范要求。如果氣井地面采氣樹的工作壓力≤1035 MPa，或氣井地面采氣樹的工作壓力≤138 MPa，則高壓儀表連接螺紋接口的螺紋選型要符合國際、國家執行的采氣（油）樹管線螺紋加工、檢驗規范和相關的技術標準的要求，具體在選型過程中，外螺紋選型標準必須滿足2A 級標準或更高；內螺紋選型標準必須滿足2B 級或者更高標準，連接類型以及尺寸要達到規程規范和相關的技術執行標準的要求。

2.3.2 螺紋連接選型

按照管線螺紋加工、檢驗規范以及相關技術標準規定，連接螺紋根據實際選型應為某國統一通用螺紋或普通密封螺紋接口的細牙系列產品，螺紋尺寸及等級標準非常明確，同時，結合采氣樹工作壓力的實際，對不同連接條件和情況對連接形式進行了定義，提出了3 種不同的連接形式選型，所以，設備在運行中出現問題，大多數是因為沒有按照規范以及技術標準操作安裝，沒有執行技術標準。像60°圓錐線密封方式，氣井地面采氣樹的工作壓力≤1035 MPa，或氣井地面采氣樹的工作壓力≤138 MPa，作為采氣樹上的高壓儀表連接螺紋接口的螺紋的選型最為合適，能夠形成高密封推力及低扭矩力，完全避免高壓腐蝕等介質破壞螺紋牙口。這種采氣樹高壓儀表螺紋接口選型及連接形式，一般情況下更適用于井口采氣樹工作壓力≤69 MPa 的儀表連接選型。

3 高壓儀表安裝設計及應用的創新舉措

3.1 接口類型與連接方式

采氣樹上高壓儀表的安裝設計，必須按照國家制定的石油天然氣行業設備裝置加工、檢驗規范，以及國際、國內通用的技術等級標準，嚴格接口管線螺紋、管套及其配套工件的選型，根據井口采氣樹工作壓力≤69 MPa，氣井地面采氣樹的工作壓力≤1035 MPa，或者氣井地面采氣樹的工作壓力≤138 MPa 的實際，采氣樹高壓氣表接口安裝設計選型標準，一般選用接口模型Ⅲ（API TYPEⅢ），這種螺紋密封接口由3 個工件組成，即螺紋短管、壓蓋、密封環。

安裝原理是：螺紋短管介于57°～59°的圓錐端面配以閥門內部60°～62°的凹形圓錐底部螺紋，能夠完全密封，具備采氣樹工作壓力需要的管道密封標準要求，把腐蝕性介質等雜質有效地密封在流道之中，阻止其與承壓螺紋的有效接觸，控制其對管道造成危害。

這種設計選型，相比較于普通密封管螺紋（NPT）接口類型有了很大創新，有實質性的進步，密封效果和應用效果十分明顯。目前，采氣樹高壓儀表螺紋接口連接方式，無論是國際通用標準還是國內執行的行業裝置設備加工、檢驗規范及技術標準，一般推廣內螺紋底部加工直徑為3 mm 的排氣孔，在采氣樹上高壓儀表的連接螺紋接口中使用，之所以規定這個選型標準的工件，是由其功能所決定的，直徑為3 mm 排氣孔的底部內螺紋工件，不但能檢查錐形密封的性能，還可以保護螺紋不被損壞。

接口模型Ⅲ（API TYPEⅢ）的安裝工序為，螺紋短管旋進壓蓋，環嵌進壓蓋內部、旋緊。這種安裝設計的優點是通過壓蓋螺紋的旋進力與螺紋短管密封推力的互相轉換，消除了密封錐面上產生切向受力的可能性，可以在很大程度上保護工件密封錐面的幾何尺寸，保證密封抗壓能力，消除漏氣現象，保障采油樹的安全生產。

3.2 安裝設計存在的問題

依據國際慣例以及我國現行的石油天然氣裝置設備安裝設計規范要求及相關技術標準，井口采氣樹高壓儀表的安裝設計及應用過程中，油壓表、套壓表、回壓表的安裝設計，有很多技術標準不能落實到位，以致發生許多問題，油壓表、套壓表等是監測檢測就地以及遠傳壓力的顯示裝置，比如，在采氣樹開關井的標準操作中，開井前的檢查，確認封閉采油房的采氣樹各個閘閥沒有發生泄漏的條件下，高低壓截斷閥或者電磁閥處于正常開啟狀態，及時錄取開井前的油壓、套壓、累積流量，隨機與監控中心聯系，準備開井，接到指令后，緩慢打開控制閥，外輸壓力≤3.5 MPa，外輸流量≤1500 m3/h，油壓降到系統壓力時，就錄取油壓、套壓、流量、溫度等數據信息；并向監控中心及時報告當前開井時油套壓、流量、溫度。一旦出現節流器失效的情況或下游管線、閥門裝置破裂，則立刻關井并通知監控中心。關井時，同樣錄取當前油壓、套壓，無論短期關井還是長期關井，都要放空油壓表、套壓表直至高壓儀表壓力示數為0。從操作過程可以看出，高壓儀表在采氣樹工作運行中是多么重要。由于高壓儀表安裝過程多數憑借經驗操作，不重視設計標準，規范意識淡漠，經常出現，泄漏風險高、總重量大、安裝形式分散、環節較多等問題。

3.3 安裝設計及應用的優化創新

通過分析采氣樹高壓儀表安裝設計及應用過程存在的問題缺陷，結合國際標準和國家石油天然氣行業設備裝置、檢驗規范，高壓儀表安裝要進一步簡化：①閥組、泄壓閥組合使用；②保留傳統井口采氣樹自帶儀表閥門；③閥組安裝緊湊，扭矩降至最?。虎鼙Ａ魝鹘y安裝中的螺紋排氣孔；⑤配套采用單獨泄壓閥門；⑥高壓儀表閥組接口，根據實際安裝需求，靈活調整泄壓閥。

4 結束語

隨著天然氣資源開發中，高壓氣井、高腐蝕天然氣井的數量不斷增多，井口采氣樹裝置中高壓儀表的安裝設計及應用顯得越來越重要，其目的就是為了實現安全生產、高效生產。因此，安裝設計及應用必須不斷探究。