安全監控論文：井口安全監控體系的運用探析

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作者：周國英、謝爽 單位：中國石化西北油田分公司雅克拉采氣廠、中國石化西北油田分公司勘探開發研究院

通過井口監控系統，操作人員在中控室中不但可以實時地監測井口的關鍵參數，而且能夠隨時調用上位機記錄監測的參數，然后利用該參數自動生成的曲線進行分析，甚至可以進行遠程關井操作。井口監控系統具備數據遠傳、視頻監控、關井控制等功能，已成為高壓油氣井科學管理的重要工具。

系統配置

1關鍵數據監測

對于高壓油氣井，關鍵參數通常包括氣井壓力、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]。加強關鍵參數的實時監測，對油氣井的科學管理和合理開發具有重要意義。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沙堵現象；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象發生；觀察地面安全閥和氣井壓力，當壓力降低時，有助于提醒工作人員井口可能發生異常關井。

2數據采集

設備自動化系統中，PLC和RTU是應用最廣泛的兩種自動化控制產品。PLC功能強大、編程方便，主要用于工廠車間流水線的控制。RTU則是對傳統PLC在遠程和分布式應用的產品補充，更適用于現代化新興行業的分散監控需求。在應用方面，PLC正常工作環境溫度0～50℃，而RTU－40～75℃，能夠在極端溫度環境中正常工作。在通訊配置方面，PLC通信接口及通信協議較單一，只適用于相對固定和統一的站內控制系統，而RTU一般具備3～5個或更多的通信接口，可與其他不同種類設備相連，特別適用于SCADA系統。在存儲量方面，PLC提供的數據存儲空間只有幾十k字節，而RTU的存儲空間可達1～32M字節，遠大于PLC的存儲量。此外，RTU采用內嵌式流量計算程序，可代替流量計算機，直接用于計量及存儲歷史記錄等，因此RTU更適用于井口數據采集[4]RTU在塔里木、克拉瑪依、長慶等國內各大油氣田已得到廣泛應用。在油氣田管理上，RTU充分體現了油氣井自動化和生產分析設計工作有機結合的思路。其在提高信號傳輸可靠性、減輕主機負擔、減少信號電纜用量、節省安裝費用及管道的敷設等方面得到了廣大用戶的肯定[5]。雅克拉凝析氣田目前采用的是ECHO公司的RTU產品，性能比較穩定，能夠滿足井口安全生產需要[6]。

3通訊方式數傳電臺是較經濟的無線通訊設備，但其通訊能力有限，最高傳輸速率19200bps，不能滿足大數據量傳輸需求[7]。無線網橋可達300M帶寬，可滿足常規數據傳輸量需求，但受外界因素影響較大，高山、磁場、沙塵天氣等均能對其造成影響，信號不夠穩定。雅克拉凝析氣田開始使用的是數傳電臺，采用一主多從，輪詢方式與從站通訊，電臺型號為美國MDS2710，其最高傳輸速率19200bps，數據傳輸轉換時間7ms，接收靈敏度－111dBm。但隨著信息傳輸量的增大，特別是視頻信號的加入，數傳電臺已完全不能滿足數據傳輸需求，逐漸被淘汰。目前雅克拉凝析氣田各井口均已實現電網和光纖覆蓋，采用ADSS光纜和先進的光端機，其帶寬可達千兆，能夠滿足各種信號的傳輸需求。

4液壓控制

柜液壓控制柜的設計需要與現場工況相符，雅克拉凝析氣田地處戈壁荒漠，冬寒夏熱，晝夜溫差大，因此對控制柜的各種性能和元器件的質量提出了較為苛刻的要求。（1）高/低壓自動關井。當管道發生刺漏、爆裂、憋壓等情況時，管匯壓力超常變化，高/低壓關井功能可以自動切斷井口氣源，防止事態擴大。高/低壓自動關井功能一般由高低壓先導閥來實現[8-9]，通常安裝于井口匯管或液壓控制柜內。根據現場實際應用情況，采用高/低壓先導閥完成自動關井存在3方面問題：①先導閥引壓管通常采用6.35mm或9.53mmtube管沿地溝敷設，管內來自井口的氣液介質在冬季凍堵后容易造成意外關井，需要對其進行伴熱保溫，然而在井口無交流電的情況下，伴熱較難實現。②先導閥是機械原理式結構，若長期不動作，其內部潤滑油干澀后容易卡死，當壓力異常時，可能造成關井失敗。③先導閥高、低壓力值不易修改，只有返廠才能準確設定，不方便使用。為此，雅克拉高壓油氣井已普遍采用報警設定器代替高/低壓先導閥來實現自動關井功能。K1、K2是報警設定器的兩個內部繼電器，將兩個常閉點串聯接入回路，分別設置為管匯壓力高和低的關井值，當K1、K2任何一點斷開時，電磁閥均會失電關井。（2）自動補壓。液壓控制柜系統壓力降低時，必須及時為系統補充壓力，才能確保井口正常生產，否則會造成意外關井。系統補壓可由氣動泵或電動泵完成。雅克拉氣田井口開始采用的是氣動泵，氣源是影響裝置正常運行的關鍵因素。現場存在以下兩方面問題：①采用氣瓶為氣動泵供氣，耗氣量較高，更換氣瓶頻率高，工人勞動強度大。②利用小型分離器對井口天然氣進行處理后為氣動泵供氣，但氣液分離不徹底，氣體含沙，控制柜內元器件密封磨損嚴重，同時調壓閥節流后積液，冬季容易凍堵，使用效果不理想。為此，在各控制柜各氣動泵附近增加空壓機為氣動泵提供氣源，該方法安全可靠、易實現、投資少。小型空壓機功耗低、體積小、維護量少，能直接將空氣壓縮至3MPa。為減少控制柜的二次改動，雅克拉凝析氣田新增的液壓控制柜統一采用了電動泵作為系統動力源，進一步增強了系統可靠性。（3）遠程關井。這是高壓油氣井井控安全的一項必要措施[2，10]，由于井口距離遙遠，當下游天然氣處理廠出現事故或者集輸管道爆裂需要緊急切斷井口氣源時，采用遠程關井能在最短時間內關閉井口。（4）火災關井。將液壓控制柜邏輯控制信號管道延伸到采氣樹上方，在末端安裝易熔塞。當發生火災時，易熔塞受高溫熔化快速泄壓，從而自動關井[9]。（5）就地關斷和現場復位。液壓控制柜必須具備就地關斷和現場復位功能，當執行遠程關井后，操作人員必須到現場進行手動復位，方能開井，否則不利于安全生產，容易引發二次事故。（6）蓄能和溢流。雅克拉氣田地處南疆戈壁，晝夜溫差大，液控柜系統壓力隨氣溫升降變化明顯，在系統管路上安裝蓄能器和溢流閥能減弱氣溫對系統壓力造成的影響，同時能降低泵的啟動頻次，延長使用壽命。

5視頻監視

采用視頻監控技術能直觀地觀察到井口生產狀況，監控井場進出的人員和車輛，利于保護油田物資，更重要的是能及時發現井口出現的刺漏、爆炸等事故。

6輔助設施

液壓控制柜和RTU設備露天放置，液壓控制柜內各類精密控制閥密封件受氣溫影響，冬冷夏熱，極易損壞。系統壓力隨早晚溫差升降幅度大，一旦自動補壓系統失效，容易造成意外關井。RTU裝置受沙塵和雨雪侵襲，壽命嚴重縮短。考慮到惡劣氣候對監控系統造成的諸多影響，雅克拉氣田各井口為監控裝置增建了儀表間，并配備電暖氣和空調，達到了密閉和恒溫效果。不但提高了裝置運行的穩定性，也延長了設備的使用壽命，極大降低了監控裝置的維修維護工作量。

應用效果

雅克拉凝析氣田共有19口生產井，開井初期主要靠人工巡井。2011年3月安全監控系統全面啟用，實現了高壓油氣井的自動化監控。每天巡井次數由4次縮減至1次，巡井維護人員由30人減少至12人。工人勞動強度明顯降低，巡井的車輛和人工費用也大幅下降。YK17井2011年5月投產，該井距離場站遠，無人值守，開井初期介質溫度較低，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/低壓關井功能自動啟動，快速關閉了井口，阻止了事故的發生。若井口不具備高/低壓關井功能，壓力繼續上升后極有可能憋暴管道，產生重大事故，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，人員無法接近，中控室操作人員通過攝像頭觀察到該情況后，立即采取遠程關井措施，達到了安全關井的目的。同年9月，處于下游的雅克拉集氣處理站進站切斷閥刺漏，現場失控。為盡快排險，中控室迅速啟動遠程關井，有效避免了事態惡化。綜上所述，井口安全監控系統是保護井口裝置和井口下游場站安全運行的關鍵設備，在氣田安全生產和環境保護中發揮著越來越重要的作用。在使用中，根據實際情況，不斷完善其功能，優化控制模式，可以更加有效地保障安全生產，提高井控安全系數，實現減員增效。3結束語根據管道閥門法蘭連接部位泄漏隱患類型和實際環境，選擇不同的泄漏治理技術方案，在確保作業安全的前提下，采用經濟有效的技術方案是成功治理管道法蘭泄漏的關鍵。對于存在泄漏隱患的法蘭，預防性治理采用玻璃纖維或碳纖維復合材料加固技術；對于嚴重泄漏的法蘭，緊急搶修治理采用專用高壓法蘭卡具堵漏及不停輸封堵技術，在條件允許的情況下，置換放空更換墊片；對于輕微滲漏的法蘭，早期治理采用復合材料＋引流堵漏技術