高压油气井液压安全控制系统的设计

2014年2月第42卷第4期

机床与液压

MACHINE TOOL ＆HYDＲAULICS Feb.2014Vol.42No.4

DOI ：10．3969/j.issn.1001－3881.2014.04.036

收稿日期：2013－02－03

作者简介：周国英（1980—），男，工程师，主要从事仪表自动化和天然气处理技术等工作。E －mail ：zzzggy@ 。

高压油气井液压安全控制系统的设计

周国英1，何庆1，梁静献1，谢爽2，崔新辉1，陈朝

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（1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司雅克拉采气厂，新疆阿克苏842017；2.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探开发研究院，新疆乌鲁木齐830011）

摘要：井口液压控制系统是高压气井安全生产的重要保护装置，针对目前各类系统在使用中存在的多种问题，设计了一套具备远程关井、高/低压自动关井、火灾自动关井等多功能的新型液压控制系统。实际应用结果表明：该系统具有了良好的稳定性和安全可靠性。

关键词：地面安全阀；井下安全阀；导阀；远程关井中图分类号：TE832

文献标识码：B

文章编号：1001－3881（2014）4－113－3

天然气井压力通常在20 30MPa 以上，且多含硫化氢（硫化氢是剧毒气体），井口一旦失控，其后果不堪设想。为了保证安全，国家强制规定高压气井完井时必须安装井下安全阀和地面安全阀。液压安全控制系统是针对高压油气井的安全生产而设计的一种自动保护装置，当集输管线爆破失压或发生着火等情况时，系统能自动关闭安全阀，截断气源，保护人

员、地面场站设备及输气管线的安全［1］

。在正常生产过程中，液压安全控制系统也能有效防止憋压、刺漏、爆管、压力失控等事件的发生。

1国内外发展现状及存在问题

目前在国内油气田安装使用的井口安全控制系

统，主要有美国卡麦隆（CAMEＲON ）公司和哈里伯顿（HALLBUＲTON ）公司的产品，国内也有由进口部件组装的产品。这些产品有的采用气－液联动方式、也有的采用全液压控制方式，自动化程度各有差异，功能也不相同，现场使用中主要存在以下不足［2］：

（1）高/低压自动关井普遍都使用高/低压先导阀来完成。然而在冬季引压管内的油气水介质容易冻堵，经常会造成意外关井。

（2）地面安全阀和井下安全阀无“有序关断”控制功能，不利于安全生产。

（3）系统液压稍有漏失，补压泵和控制元件就开始工作，频繁动作容易造成控制器件老化和磨损。（4）国外产品整机及配件价格昂贵，配件供应不及时，维修难度很大，严重影响正常使用。

2液压控制系统的设计

新疆雅克拉凝析气田位于天山南麓塔里木盆地北

部边缘，气井压力高，单井产量大，集输管道冲刷腐蚀情况极为严重，多次出现管道爆裂现象。针对存在问题，雅克拉采气厂自主设计了一套井口液压安全控制系统，该系统具备远程关井、高/低压自动关井等多项功能，能在极大程度上降低事故发生概率，保障了安全生产。

系统液压由电动泵提供，主要元件包含各类液压控制阀、蓄能器、高压tube 管和压力传感器等器件。控制盘上设有LV1和LV2两个按钮（见图1）。摁下LV1只关断地面安全阀，摁下LV2后，地面安全阀和井下安全阀都关闭。控制盘上还设置了自动/停止/手动旋钮，液压降低时，补压泵自动启动为系统补充压力，而压力过高时，溢流阀会自动释放部分液压保证系统在安全压力以下运行，防止超压损坏设备。（1）滑阀自锁和互锁控制。滑阀总称为滑动式换向阀，其作用原理主要是靠移动阀芯，改变阀芯在

阀体里的位置实现流体流向的改变及通断［3］

。LV1、LV2安装在控制盘上，采用的是美国BWB 公司生产

的一款常闭式液压三通中继滑阀，带有球形把手，通过把手的推入和拔出，配合液压，就能实现阀门各通路的控制（图2）。P 为压力控制点，A 为入口，B 为出口，C 是泄压口，推/拉把手起到手动复位的作用。当P 达到阀门开启压力时，拉出把手（复位），A 、B 导通，其他路不通，若撤去P 点压力，则B 、C 导通，其他路断开，此时推/拉把手在弹簧力的作用下会自动回到原来状态。PV 是PNEU －HYDＲO 公司生产的常闭式液压三通自动换向阀，当p =0时，B 、C 导通，其他路不通；当P 达到开启压力时，A 、B 导通，其他路不通。

图1

液压控制柜工作原理图

图2滑阀原理示意图

（2）单向限流控制。针阀和单向阀并联使用组成单向限流回路（图3），FC2正向畅通，反向限流。当打开地面安全阀时，FC2能减慢井下安全阀液压（8000PSI）窜入地面安全阀控制回路（2500PSI）的

速度，避免井下安全阀因压降过快而自动关闭

。

图3单向限流原理图

（3）地面安全阀和井下安全阀有序关断。由于井下压力通常在40MPa以上，在超高压下必须先平衡井下安全阀前后压力，才能顺利打开阀门，否则难以成功，如果操作不当甚至会损坏井下安全阀［4］。当摁下控制盘上的LV2（关闭地面和井下安全阀），地面安全阀迅速关闭，而井下安全阀在FC1单向限流和AC4蓄能器的作用下会较地面安全阀延迟45s关闭，其作用是确保关井后井下安全阀上下压力保持平衡，以便下次能够顺利打开。

（4）系统压力远程监测。地面安全阀和井下安全阀控制回路上安装压力传感器，数据经ＲTU远传至中控室，通过对压力曲线进行分析，技术人员在远程就可掌握控制柜的运行状况。

3工作原理

系统液压分为低压、中压和高压三部分，低压（0.55MPa）称作逻辑压力，主要用来控制系统中其他阀门的动作；中压（17.2MPa）和高压（48.3 MPa）直接输向井口，分别用于控制地面安全阀和井下安全阀的启闭。

开井（即充压）时，液压油经HＲ1和HＲ2两级降压分别降至17.2MPa和0.55MPa。摁下点动式按钮PB、PV阀后冲压，PV被锁定开状态，同时LV1也收到预顶压力。拉出LV1把手，在预顶压力的作用下，LV1被锁定为开状态，HV2自动打开，高压液压油流经HV2输向井口打开井下安全阀。拉出LV2把手，LV2在液压作用下自锁为开状态，HV1自动打开，中压液压油流经HV1输向井口打开地面安全阀。

关井（即泄压）时，分为3种情况，电磁阀关井、易熔塞关井和手动关井。

电磁阀关井：电磁阀失电后，EV阀泄压口打开，阀前压力得到保持而阀后压力被卸去，LV2自锁压力撤销，HV1的控制压力从LV2的泄压口被卸去，从而使输向地面安全阀的中压液压油从HV1的泄压口卸回油箱，地面安全阀关闭。

易熔塞关井：易熔塞安装在井口，当温度高于110ħ时，易熔塞自动熔化，PV阀和LV1阀的控制压力从易熔塞处被迅速卸去，PV和LV1自动关闭，

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