李曼平，王春亮，丁 鵬，馬永剛

（1.長慶采油五廠工藝所，陜西西安 71000；2.大港油田第四采油廠（灘海開發(fā)公司），天津 300280；3.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280；4.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

0 引言

近些年隨著西南油田、新疆塔里木油田在天然氣、頁巖氣方面開采的技術(shù)升級，鉆井井深大多數(shù)在6000 m 以上，部分井深可達(dá)8000 m 以上。另一方面頁巖氣開采對壓力技術(shù)的依賴性，對井控類配套設(shè)備技術(shù)方面大幅提高。井控設(shè)備中，如防噴器、采氣井口、熱采井口、井口套管頭、井口采油（氣）樹、采氣閥門等需求，配套設(shè)備通徑越來越大，工作壓力越來越高，對設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的出廠測試和監(jiān)督檢驗機(jī)構(gòu)的測試系統(tǒng)提出更高的要求，需要配套高質(zhì)量、高規(guī)格、大參數(shù)覆蓋的測試系統(tǒng)設(shè)備，對此類產(chǎn)品的型式試驗、出廠試驗、第三方檢測服務(wù)提供有力的設(shè)備技術(shù)保障。本采油（氣）井口類設(shè)備氣密封測試系統(tǒng)方案，比較全面地介紹了此類氣密封測試系統(tǒng)的建造技術(shù)方案，主要解決井控類產(chǎn)品相關(guān)的所有氣密封試驗，為高質(zhì)量生產(chǎn)制造提供支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則

先進(jìn)性與實用性：整個裝置設(shè)計要有一定的前瞻性，在裝置建成的5～10 年中，工作量的增加應(yīng)不導(dǎo)致對裝置的重大調(diào)整。統(tǒng)一規(guī)劃，厲行節(jié)約。基地建設(shè)和廠房建設(shè)統(tǒng)一規(guī)劃、銜接有序，充分利用試驗中心其他可共用工程及輔助設(shè)施，試驗設(shè)備單元采用模塊化設(shè)計進(jìn)行建設(shè)，避免功能重復(fù)。提高自動化控制水平和試驗效率。

（1）開放性與標(biāo)準(zhǔn)化：整個設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，易于重組和擴(kuò)充。

（2）可擴(kuò)充與可延展性：隨著應(yīng)用水平的提高，對設(shè)備的要求也會不斷提高，設(shè)備結(jié)構(gòu)具有良好的可擴(kuò)充與可延展性，能夠適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的要求。

（3）可靠性與可維護(hù)性：系統(tǒng)設(shè)計不僅要考慮技術(shù)先進(jìn)性及開放性，同時應(yīng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)措施、設(shè)備性能、裝置管理、廠商技術(shù)支持及維修能力等方面著手，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，達(dá)到最大的平均無故障時間。

（4）安全性與易用性：嚴(yán)格按HSE 國家安全環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文件要求，設(shè)備的安全措施不影響易用性，試驗井筒和基建施工單位有設(shè)計及施工資質(zhì)。

2 系統(tǒng)設(shè)備組成

為滿足API6A 及GB/T 22513—2013 標(biāo)準(zhǔn)對井口裝置、采油樹、閥門、管匯應(yīng)進(jìn)行氣密封試驗的要求，特籌建210 MPa 氣密封試驗系統(tǒng)，采用氮氣為試驗介質(zhì)。系統(tǒng)由低壓氣源及凈化系統(tǒng)、高壓氮氣源及凈化處理系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)五個系統(tǒng)組成。

氣密封測試系統(tǒng)主要由以下設(shè)備組成：①低壓氣站，提供1 MPa壓縮空氣，用于驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部的增壓泵與高壓氣控閥門；②制氮機(jī)組，提供測試介質(zhì)純凈氮氣；③中壓氣站，對制氮機(jī)產(chǎn)生的氮氣進(jìn)行增壓，達(dá)到35 MPa，作為試驗用中壓氣體；④二次增壓系統(tǒng)；⑤集中控制系統(tǒng)；⑥監(jiān)控系統(tǒng)（圖1）。

圖1 測試系統(tǒng)流程

3 系統(tǒng)技術(shù)方案

測試系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：試驗介質(zhì)，99.9%氮氣；試驗壓力，35～210 MPa（可調(diào)）、0～35 MPa（可調(diào)）；系統(tǒng)流量，制氮機(jī)組0.6 MPa、2 Nm3/min，中壓氣站35 MPa、2 Nm3/min；二次增壓系統(tǒng)，210 MPa、1 Nm3/min；系統(tǒng)總功率，140 kW。

低壓氣站為整套試驗系統(tǒng)提供純凈的低壓氣源，給氣體增壓泵提供動力源，控制增壓泵的壓力和流量，以及控制所有高壓氣動截止閥的開關(guān)?？諝夂筇幚硐到y(tǒng)由冷凍式干燥機(jī)、三級過濾器、儲氣罐等組成。制氮機(jī)組包括螺桿式空壓機(jī)、空氣儲氣罐、冷凍式干燥機(jī)、三級過濾及配套的閥門管件、PSA（Pressure Swing Adsorption，變壓吸附）制氮機(jī)及氮氣儲氣罐組成。生產(chǎn)能力120 Nm3/h，出口壓力0.5～0.6 MPa，氮氣純度99.9%。中壓氣站為試驗系統(tǒng)提供35 MPa 中壓氮氣，由氮氣壓縮機(jī)、過濾凈化裝置、高壓氣瓶組、高壓安全閥、壓力儀表及高壓管路閥門管件等組成（圖2）。氮氣壓力35 MPa，壓縮機(jī)處理氣量2000 L/min。

圖2 中壓氣站流程

二次增壓系統(tǒng)是將高壓氣瓶組內(nèi)的高壓氮氣進(jìn)行二次增壓，達(dá)到試驗所需壓力，為井口裝置的高壓氣密性試驗提供高壓介質(zhì)。高壓氣站由氣動增壓泵、驅(qū)動氣路、預(yù)增氣路、高壓閥門管路、儀表、機(jī)柜及現(xiàn)場緊急手動泄壓柜等組成。

4 測控系統(tǒng)

測量控制系統(tǒng)主要用來對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并通過測試軟件自動完成試驗過程，包括低壓空壓機(jī)、制氮機(jī)、氮氣壓縮機(jī)等設(shè)備的啟?？刂?，以及各級壓力的實時采集（圖3）。

圖3 測控系統(tǒng)流程

目前工業(yè)自動化領(lǐng)域PLC 控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，與微型計算機(jī)相比有明顯優(yōu)勢，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，在較為惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行更適合。由于編程指令模塊化功能，能夠解決就地編程、監(jiān)控、通信等問題。西門子工控產(chǎn)品在工控領(lǐng)域的占有率較高，本系統(tǒng)采用的S7-200 系列PLC 體積小、編程簡單、數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)、軟硬件設(shè)計合理、抗干擾能力強(qiáng)、指令系統(tǒng)豐富，還可同PC 機(jī)進(jìn)行通信，使用靈活方便等特點，在西門子工控領(lǐng)域應(yīng)用中占比非常高。由它組成的系統(tǒng)可以與強(qiáng)大的ProfiBUS 現(xiàn)場總線相連接，在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛。

該測控系統(tǒng)是以西門子S7-200 PLC 控制器為核心的壓力控制系統(tǒng)，包括壓力傳感器、電氣比例閥、電磁閥、操作按鈕、狀態(tài)顯示和上位計算機(jī)等。上位機(jī)測試軟件采用基于Windows XP 下的Labview8.5＋Access2003 開發(fā)，功能包括試驗參數(shù)信息管理、產(chǎn)品信息管理、試驗監(jiān)控、報表管理等。軟件監(jiān)視畫面可以實時動態(tài)顯示試驗過程的各個試驗參數(shù)，如試驗壓力、試驗時間、保壓時間、試驗級數(shù)等，試驗軟件還分配各種權(quán)限，對各種權(quán)限用戶進(jìn)行管理（圖4）。

圖4 測試界面

5 監(jiān)控系統(tǒng)

氣密封試驗視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要加強(qiáng)試驗站的出入通道和試驗區(qū)域的監(jiān)控，實現(xiàn)試驗基地辦公區(qū)的出入通道無監(jiān)控盲區(qū)，監(jiān)控系統(tǒng)可以將試驗系統(tǒng)區(qū)域每時每刻人員活動、試驗過程、設(shè)備工作狀態(tài)情況以圖像和視頻的方式實時記錄下來，用以規(guī)范和監(jiān)督試驗安全。

監(jiān)控系統(tǒng)由前端設(shè)備、主控設(shè)備、傳輸設(shè)備和顯示設(shè)備組成：①前端設(shè)備包含攝像機(jī)、鏡頭、云臺、防護(hù)罩、支架等，負(fù)責(zé)圖像和數(shù)據(jù)的采集及信號處理；②主控設(shè)備主要完成前端視頻信號進(jìn)行壓縮處理、圖像切換等功能控制；③傳輸設(shè)備包含信號線纜，負(fù)責(zé)將視頻信號傳輸?shù)綑C(jī)房的主控設(shè)備；④顯示設(shè)備（顯示器）實時顯示系統(tǒng)操作界面、監(jiān)控區(qū)域圖像，并可以及時回放存儲的資料。

6 應(yīng)用結(jié)論

測試系統(tǒng)作為國家產(chǎn)品質(zhì)量檢驗測試中心井控類產(chǎn)品型式試驗、測試評定、產(chǎn)品第三方檢測，在確定總體方案前期為確保試驗介質(zhì)安全性，對制氮系統(tǒng)配置方案多次討論細(xì)化，確保分離氮氣濃度高達(dá)99.5%以上。中高壓氣密封測試系統(tǒng)通過計算機(jī)程序設(shè)定，遠(yuǎn)程控制試驗過程，如升壓→穩(wěn)壓→降壓→再次升壓→穩(wěn)壓→降壓等過程，測試數(shù)據(jù)及曲線自動存儲。測試過程在密閉的地下水池進(jìn)行，利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對其試驗過程及狀態(tài)密閉監(jiān)控。本測試系統(tǒng)的應(yīng)用為相關(guān)企業(yè)產(chǎn)品型式試驗、產(chǎn)品改進(jìn)升級、超高壓測試給予有力保障。測試系統(tǒng)建成5 年以來，為國內(nèi)相關(guān)企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行型式試驗檢定百余次，為第三方產(chǎn)品性能檢測百余次；在此期間對測試系統(tǒng)控制軟件做了部分調(diào)整，并通過傳感器及其他測量儀器的升級大大提高測量精度及測試速度。整個氣密封測試系統(tǒng)方案完全可以滿足目前國內(nèi)井控類產(chǎn)品的測試要求，已得到試驗驗證。