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高压油气井液压安全控制系统的设计

文档作者：周国英１何庆１梁静献１谢爽２崔新辉１陈朝１文档来源：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		点击数：	更新时间： 2021年07月21日
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２０１４年２月
第４２卷第４期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ２０１４
Ｖｏｌ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＠ｓｉｎａｃｏｍ。
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１
（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
１１０℃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，
·１１４· 机床与液压 第４２卷
ＨＶ２和ＬＶ２的控制压力从ＬＶ１的泄压口泄回油箱，
从而使地面安全阀和井下安全阀先后关闭。ＦＶ起到
限流作用，避免易熔塞熔化时大量液压油外泄。
手动关井：手动关井有两种选择，分别是只关地
面安全阀或地面、井下安全阀都关闭。人工操纵ＬＶ１
或ＬＶ２泄压，其关井原理与电磁阀关井或易熔塞关
井方式相同。
４　高／低压自动关井设计
高低压自动关井采用报警设定器来实现，由Ｐ＋
Ｆ公司生产的报警设定器提供两路无源开关量输出通
道和一路模拟量输出通道（图４）。该系统将两路开
关量输出通道分别设置为高压输出和低压输出，串联
两个常闭触点接入电磁阀回路中，高、低压任何一条
件满足时，电磁阀均会失电关井。采用报警设定器实
现自动关井，具有压力设定方便，事故关井准确率高
的优点［５］。
图４　高／低压自动关井原理图
５　自动补压启停控制
电动泵采用３８０Ｖ交流供电（图５），控制盘上
设有手动／停止／自动旋钮，电动泵可在手动和自动方
式下运行。高压开关（ＹＰ１） 压力设定为５３８ＭＰａ，
低压开关（ＹＰ２） 压力设定为４２７ＭＰａ，当系统压
力达到５３８ＭＰａ时，泵无论处于自动还是手动时，
均会自动停止运行。在控制回路中ＹＰ１、ＹＰ２以及控
制电磁阀的继电器（ＫＡ） 都使用了常闭触点，当泵
设置为自动状态时，交流接触器ＫＭ 的线圈得电，
ＫＭ常开触点闭合，热继电器ＫＨ接通，泵开始运行，
系统压力超过４２７ＭＰａ后，ＹＰ２断开，ＫＭ常开触点
闭合，直到系统压力达到５６５ＭＰａ时，ＹＰ１断开，
ＫＭ线圈失电，ＫＭ触点断开，泵停止运行。当泵置
于手动状态时，泵的运行只受高压开关ＹＰ１控制。
图５　电气控制原理图
６　结束语
２０１１年，该系统在雅克拉采气厂全厂开始推广
使用，到目前为止已安全运行２年。在突发事件中，
系统反应迅速，关井及时，表现了良好稳定性和安全
可靠性。近些年，随着国家对油气生产安全重视程度
的不断提高，安全环保意识深入人心，井口安全控制
系统在气田安全生产和环境保护中已经发挥出越来越
重要的作用，成为保护井口和下游工艺装置安全运行
的关键设备。事实证明，正确设计与选用井口液压控
制系统，对气田的开发和提高安全生产系数有着非常
重要的意义。
参考文献：
【１】宁世平，唐亮，罗煜恒，等．井下安全阀技术的发展与现
状［Ｊ］．新疆石油天然气，２００９，５（３）：８３－８４．
【２】梅宗斌，钟瑾瑞，杨文武，等．采气井口安全截断新装置
［Ｊ］．钻采工艺，２０１０（３）：８６－８７．
【３】董永辉，曲海，董永辉．影响滑阀换向性能的因素分析及
预防措施［Ｊ］．机械，２０１２，３４（１０）：１２－１４．
【４】谢梅波，岳江河，王海东，等．各类井下安全阀系统的特
点及安装设计概述［Ｊ］．中国海上油气，１９９５，８：３６－３９．
【５】周国英，谢爽．井口安全监控系统的研究及应用［Ｊ］．油
气储运，２０１２，３１（１２）：
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
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９１９－９２０．
纳米材料研究新突破：颗粒越细微，转动越活跃
纳米材料有什么样的形变机制？高压先进科研中心（上海） 陈斌研究员及其合作团队研究发现，材料颗粒越
细微，转动越活跃。《美国科学院院报》近日刊发了这一最新研究成果。
近年来，常规体材料（颗粒直径大于１μｍ）的塑性形变机制已被充分了解，但由于缺乏有效的实验探测手段，
纳米材料的形变机制还是一个未知数。陈斌长期致力于纳米科学研究，他和团队最先在微小如３ｎｍ的镍粉中探测
到了被认为不存在的位错形变机制，相关成果发表在２０１２年１２月１４日的《科学》杂志上。此次最新科研成果发
现，相同粒径铂粉的组织结构强度随混合镍颗粒尺寸（从５００ｎｍ小至３ｎｍ）的减小而迅速且有规律地下降。
纳米材料具有诸多卓越性质，适合作为涡轮发动机部件涂层材料、电子元器件或太空装置光学观察窗口材料
等。纳米材料的塑性形变对力学、热学、光学研究具有重要影响，对其机制的深入探索，可望进一步促进相关科研
和工业应用开发。（来源：中国科技网）
第４期 周国英 等：高压油气井液压安全控制系统的设计 ·１　１５　·

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