安全監(jiān)控論文：井口安全監(jiān)控體系的運(yùn)用探析

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作者：周?chē)?guó)英、謝爽 單位：中國(guó)石化西北油田分公司雅克拉采氣廠、中國(guó)石化西北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院

通過(guò)井口監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員在中控室中不但可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)井口的關(guān)鍵參數(shù)，而且能夠隨時(shí)調(diào)用上位機(jī)記錄監(jiān)測(cè)的參數(shù)，然后利用該參數(shù)自動(dòng)生成的曲線進(jìn)行分析，甚至可以進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)井操作。井口監(jiān)控系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、視頻監(jiān)控、關(guān)井控制等功能，已成為高壓油氣井科學(xué)管理的重要工具。

系統(tǒng)配置

1關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

對(duì)于高壓油氣井，關(guān)鍵參數(shù)通常包括氣井壓力、氣井溫度、套管壓力、管匯壓力、管匯溫度、地面安全閥壓力、井下安全閥壓力、水套爐溫度等[3]。加強(qiáng)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)油氣井的科學(xué)管理和合理開(kāi)發(fā)具有重要意義。例如：觀察氣井壓力變化，有助于分析地層壓力變化情況，判斷油嘴是否刺大或出現(xiàn)沙堵現(xiàn)象；觀察管匯壓力的變化，有助于判斷集輸管道是否有堵塞或刺漏現(xiàn)象發(fā)生；觀察地面安全閥和氣井壓力，當(dāng)壓力降低時(shí)，有助于提醒工作人員井口可能發(fā)生異常關(guān)井。

2數(shù)據(jù)采集

設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)中，PLC和RTU是應(yīng)用最廣泛的兩種自動(dòng)化控制產(chǎn)品。PLC功能強(qiáng)大、編程方便，主要用于工廠車(chē)間流水線的控制。RTU則是對(duì)傳統(tǒng)PLC在遠(yuǎn)程和分布式應(yīng)用的產(chǎn)品補(bǔ)充，更適用于現(xiàn)代化新興行業(yè)的分散監(jiān)控需求。在應(yīng)用方面，PLC正常工作環(huán)境溫度0～50℃，而RTU－40～75℃，能夠在極端溫度環(huán)境中正常工作。在通訊配置方面，PLC通信接口及通信協(xié)議較單一，只適用于相對(duì)固定和統(tǒng)一的站內(nèi)控制系統(tǒng)，而RTU一般具備3～5個(gè)或更多的通信接口，可與其他不同種類(lèi)設(shè)備相連，特別適用于SCADA系統(tǒng)。在存儲(chǔ)量方面，PLC提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間只有幾十k字節(jié)，而RTU的存儲(chǔ)空間可達(dá)1～32M字節(jié)，遠(yuǎn)大于PLC的存儲(chǔ)量。此外，RTU采用內(nèi)嵌式流量計(jì)算程序，可代替流量計(jì)算機(jī)，直接用于計(jì)量及存儲(chǔ)歷史記錄等，因此RTU更適用于井口數(shù)據(jù)采集[4]RTU在塔里木、克拉瑪依、長(zhǎng)慶等國(guó)內(nèi)各大油氣田已得到廣泛應(yīng)用。在油氣田管理上，RTU充分體現(xiàn)了油氣井自動(dòng)化和生產(chǎn)分析設(shè)計(jì)工作有機(jī)結(jié)合的思路。其在提高信號(hào)傳輸可靠性、減輕主機(jī)負(fù)擔(dān)、減少信號(hào)電纜用量、節(jié)省安裝費(fèi)用及管道的敷設(shè)等方面得到了廣大用戶(hù)的肯定[5]。雅克拉凝析氣田目前采用的是ECHO公司的RTU產(chǎn)品，性能比較穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足井口安全生產(chǎn)需要[6]。

3通訊方式數(shù)傳電臺(tái)是較經(jīng)濟(jì)的無(wú)線通訊設(shè)備，但其通訊能力有限，最高傳輸速率19200bps，不能滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)量傳輸需求[7]。無(wú)線網(wǎng)橋可達(dá)300M帶寬，可滿(mǎn)足常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸量需求，但受外界因素影響較大，高山、磁場(chǎng)、沙塵天氣等均能對(duì)其造成影響，信號(hào)不夠穩(wěn)定。雅克拉凝析氣田開(kāi)始使用的是數(shù)傳電臺(tái)，采用一主多從，輪詢(xún)方式與從站通訊，電臺(tái)型號(hào)為美國(guó)MDS2710，其最高傳輸速率19200bps，數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換時(shí)間7ms，接收靈敏度－111dBm。但隨著信息傳輸量的增大，特別是視頻信號(hào)的加入，數(shù)傳電臺(tái)已完全不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸需求，逐漸被淘汰。目前雅克拉凝析氣田各井口均已實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和光纖覆蓋，采用ADSS光纜和先進(jìn)的光端機(jī)，其帶寬可達(dá)千兆，能夠滿(mǎn)足各種信號(hào)的傳輸需求。

4液壓控制

柜液壓控制柜的設(shè)計(jì)需要與現(xiàn)場(chǎng)工況相符，雅克拉凝析氣田地處戈壁荒漠，冬寒夏熱，晝夜溫差大，因此對(duì)控制柜的各種性能和元器件的質(zhì)量提出了較為苛刻的要求。（1）高/低壓自動(dòng)關(guān)井。當(dāng)管道發(fā)生刺漏、爆裂、憋壓等情況時(shí)，管匯壓力超常變化，高/低壓關(guān)井功能可以自動(dòng)切斷井口氣源，防止事態(tài)擴(kuò)大。高/低壓自動(dòng)關(guān)井功能一般由高低壓先導(dǎo)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)[8-9]，通常安裝于井口匯管或液壓控制柜內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，采用高/低壓先導(dǎo)閥完成自動(dòng)關(guān)井存在3方面問(wèn)題：①先導(dǎo)閥引壓管通常采用6.35mm或9.53mmtube管沿地溝敷設(shè)，管內(nèi)來(lái)自井口的氣液介質(zhì)在冬季凍堵后容易造成意外關(guān)井，需要對(duì)其進(jìn)行伴熱保溫，然而在井口無(wú)交流電的情況下，伴熱較難實(shí)現(xiàn)。②先導(dǎo)閥是機(jī)械原理式結(jié)構(gòu)，若長(zhǎng)期不動(dòng)作，其內(nèi)部潤(rùn)滑油干澀后容易卡死，當(dāng)壓力異常時(shí)，可能造成關(guān)井失敗。③先導(dǎo)閥高、低壓力值不易修改，只有返廠才能準(zhǔn)確設(shè)定，不方便使用。為此，雅克拉高壓油氣井已普遍采用報(bào)警設(shè)定器代替高/低壓先導(dǎo)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)井功能。K1、K2是報(bào)警設(shè)定器的兩個(gè)內(nèi)部繼電器，將兩個(gè)常閉點(diǎn)串聯(lián)接入回路，分別設(shè)置為管匯壓力高和低的關(guān)井值，當(dāng)K1、K2任何一點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，電磁閥均會(huì)失電關(guān)井。（2）自動(dòng)補(bǔ)壓。液壓控制柜系統(tǒng)壓力降低時(shí)，必須及時(shí)為系統(tǒng)補(bǔ)充壓力，才能確保井口正常生產(chǎn)，否則會(huì)造成意外關(guān)井。系統(tǒng)補(bǔ)壓可由氣動(dòng)泵或電動(dòng)泵完成。雅克拉氣田井口開(kāi)始采用的是氣動(dòng)泵，氣源是影響裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)場(chǎng)存在以下兩方面問(wèn)題：①采用氣瓶為氣動(dòng)泵供氣，耗氣量較高，更換氣瓶頻率高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。②利用小型分離器對(duì)井口天然氣進(jìn)行處理后為氣動(dòng)泵供氣，但氣液分離不徹底，氣體含沙，控制柜內(nèi)元器件密封磨損嚴(yán)重，同時(shí)調(diào)壓閥節(jié)流后積液，冬季容易凍堵，使用效果不理想。為此，在各控制柜各氣動(dòng)泵附近增加空壓機(jī)為氣動(dòng)泵提供氣源，該方法安全可靠、易實(shí)現(xiàn)、投資少。小型空壓機(jī)功耗低、體積小、維護(hù)量少，能直接將空氣壓縮至3MPa。為減少控制柜的二次改動(dòng)，雅克拉凝析氣田新增的液壓控制柜統(tǒng)一采用了電動(dòng)泵作為系統(tǒng)動(dòng)力源，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。（3）遠(yuǎn)程關(guān)井。這是高壓油氣井井控安全的一項(xiàng)必要措施[2，10]，由于井口距離遙遠(yuǎn)，當(dāng)下游天然氣處理廠出現(xiàn)事故或者集輸管道爆裂需要緊急切斷井口氣源時(shí)，采用遠(yuǎn)程關(guān)井能在最短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉井口。（4）火災(zāi)關(guān)井。將液壓控制柜邏輯控制信號(hào)管道延伸到采氣樹(shù)上方，在末端安裝易熔塞。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，易熔塞受高溫熔化快速泄壓，從而自動(dòng)關(guān)井[9]。（5）就地關(guān)斷和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位。液壓控制柜必須具備就地關(guān)斷和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位功能，當(dāng)執(zhí)行遠(yuǎn)程關(guān)井后，操作人員必須到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，方能開(kāi)井，否則不利于安全生產(chǎn)，容易引發(fā)二次事故。（6）蓄能和溢流。雅克拉氣田地處南疆戈壁，晝夜溫差大，液控柜系統(tǒng)壓力隨氣溫升降變化明顯，在系統(tǒng)管路上安裝蓄能器和溢流閥能減弱氣溫對(duì)系統(tǒng)壓力造成的影響，同時(shí)能降低泵的啟動(dòng)頻次，延長(zhǎng)使用壽命。

5視頻監(jiān)視

采用視頻監(jiān)控技術(shù)能直觀地觀察到井口生產(chǎn)狀況，監(jiān)控井場(chǎng)進(jìn)出的人員和車(chē)輛，利于保護(hù)油田物資，更重要的是能及時(shí)發(fā)現(xiàn)井口出現(xiàn)的刺漏、爆炸等事故。

6輔助設(shè)施

液壓控制柜和RTU設(shè)備露天放置，液壓控制柜內(nèi)各類(lèi)精密控制閥密封件受氣溫影響，冬冷夏熱，極易損壞。系統(tǒng)壓力隨早晚溫差升降幅度大，一旦自動(dòng)補(bǔ)壓系統(tǒng)失效，容易造成意外關(guān)井。RTU裝置受沙塵和雨雪侵襲，壽命嚴(yán)重縮短?？紤]到惡劣氣候?qū)ΡO(jiān)控系統(tǒng)造成的諸多影響，雅克拉氣田各井口為監(jiān)控裝置增建了儀表間，并配備電暖氣和空調(diào)，達(dá)到了密閉和恒溫效果。不但提高了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，也延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，極大降低了監(jiān)控裝置的維修維護(hù)工作量。

應(yīng)用效果

雅克拉凝析氣田共有19口生產(chǎn)井，開(kāi)井初期主要靠人工巡井。2011年3月安全監(jiān)控系統(tǒng)全面啟用，實(shí)現(xiàn)了高壓油氣井的自動(dòng)化監(jiān)控。每天巡井次數(shù)由4次縮減至1次，巡井維護(hù)人員由30人減少至12人。工人勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，巡井的車(chē)輛和人工費(fèi)用也大幅下降。YK17井2011年5月投產(chǎn)，該井距離場(chǎng)站遠(yuǎn)，無(wú)人值守，開(kāi)井初期介質(zhì)溫度較低，天然氣在管道中形成水合物堵塞管道，造成回壓急劇上升至13.5MPa，高/低壓關(guān)井功能自動(dòng)啟動(dòng)，快速關(guān)閉了井口，阻止了事故的發(fā)生。若井口不具備高/低壓關(guān)井功能，壓力繼續(xù)上升后極有可能憋暴管道，產(chǎn)生重大事故，甚至造成人員傷亡。5月下旬，YK2井油壓表爆裂，天然氣彌漫井場(chǎng)，人員無(wú)法接近，中控室操作人員通過(guò)攝像頭觀察到該情況后，立即采取遠(yuǎn)程關(guān)井措施，達(dá)到了安全關(guān)井的目的。同年9月，處于下游的雅克拉集氣處理站進(jìn)站切斷閥刺漏，現(xiàn)場(chǎng)失控。為盡快排險(xiǎn)，中控室迅速啟動(dòng)遠(yuǎn)程關(guān)井，有效避免了事態(tài)惡化。綜上所述，井口安全監(jiān)控系統(tǒng)是保護(hù)井口裝置和井口下游場(chǎng)站安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，在氣田安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在使用中，根據(jù)實(shí)際情況，不斷完善其功能，優(yōu)化控制模式，可以更加有效地保障安全生產(chǎn)，提高井控安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)減員增效。3結(jié)束語(yǔ)根據(jù)管道閥門(mén)法蘭連接部位泄漏隱患類(lèi)型和實(shí)際環(huán)境，選擇不同的泄漏治理技術(shù)方案，在確保作業(yè)安全的前提下，采用經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)方案是成功治理管道法蘭泄漏的關(guān)鍵。對(duì)于存在泄漏隱患的法蘭，預(yù)防性治理采用玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料加固技術(shù)；對(duì)于嚴(yán)重泄漏的法蘭，緊急搶修治理采用專(zhuān)用高壓法蘭卡具堵漏及不停輸封堵技術(shù)，在條件允許的情況下，置換放空更換墊片；對(duì)于輕微滲漏的法蘭，早期治理采用復(fù)合材料＋引流堵漏技術(shù)