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        井口采氣樹裝置中高壓儀表安裝設計及應用

        2023-01-02 11:11:11王劍飛杜志勇
        設備管理與維修 2022年20期
        關鍵詞:標準

        王劍飛,李 龍,杜志勇

        (中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司,遼寧盤錦 124000)

        0 引言

        天然氣是埋藏較深的能源,處于封閉的地質(zhì)構造中,開采天然氣的井口裝置設備就是采氣樹。天然氣屬于易燃易爆高危產(chǎn)品,同時油氣田的天然氣井開采生產(chǎn)過程中壓力較大,因此對采氣樹的承壓能力與密封性要求非常高,在設計安裝中必須配置高壓儀表,實時監(jiān)控井口壓力參數(shù),確保采氣生產(chǎn)安全。

        1 高壓儀表的安裝設計及應用

        在油氣田開發(fā)建設過程中,天然氣井的地面工程、裝置設備主要是采氣樹的布置安裝,而在采氣樹設備中高壓儀表屬于非常重要的部件。在長期的安裝設計及應用中發(fā)現(xiàn),井口采氣樹裝置中高壓儀表安裝設計出現(xiàn)的問題越來越多,嚴重影響設備的安全高效運行。存在的問題主要有:高壓儀表閥的選型方案不科學;接頭選型方案存在缺陷;高壓壓力表選型困難;高壓壓力變送器選型困難;井口采氣樹設備提供的高壓儀表螺紋的接口認識有問題;甚至安裝設計方案只是部分采用了采油樹設備安裝規(guī)范等。

        系統(tǒng)探究采氣樹裝置中高壓儀表安裝設計及應用主要是結合傳統(tǒng)的采氣樹裝置中高壓表安裝設計及應用出現(xiàn)的各種問題缺陷,分析研究采氣樹設備裝置規(guī)范中有關高壓儀表連接安裝的技術條款,相關要求,科技創(chuàng)新,進一步優(yōu)化采氣樹高壓儀表安裝設計方案,發(fā)揮傳統(tǒng)安裝設計的優(yōu)勢,彌補傳統(tǒng)安裝設計的缺陷,在傳承中創(chuàng)新,在創(chuàng)新中發(fā)展。尤其是核心關鍵技術,結合世界上先進企業(yè)成功的安裝設計經(jīng)驗,結合實際,提出更加優(yōu)質(zhì)的安裝設計方案,促進設備的高效安全運行。

        2 井口采氣樹的結構與儀表安裝

        2.1 構成

        氣田井口采氣裝置設備,由采氣樹、套管頭、油管頭3 部分組成。

        (1)采氣樹是井口采氣裝置的核心部件,它主要由控制閥門和高壓儀表組成,而高壓儀表包括油壓表、套壓表和回壓表。

        (2)套管頭是用來支撐油管頭與采汽油樹的,其下部用套管螺紋和表層套管相互連接,中層的技術套管上層則懸掛內(nèi)層套管,套管由芯軸、套管懸掛器實施鏈接,套管旁通的閥門可向套管環(huán)型進行注水泥。

        (3)油管頭的作用是懸掛油管,懸掛器與油管頭四通間用金屬密封件和橡膠密封件滿足雙重密封,懸掛器將套壓表和油壓表分開。油管頭旁通的閥門,主要是在加沙(酸化)壓裂和注水等特殊作業(yè)過程中,對套管注平衡壓力,保障超高壓作業(yè)生產(chǎn)過程的油管等部件強度可靠。油管頭下部鏈接套管頭,上部鏈接采氣樹,油管頭本體下端密封與內(nèi)層套管密封,均采用BT 密封結構或TS 密封結構,一旦BT 密封圈出現(xiàn)失效就利用注脂閥向BT密封脂,保持密封效果。

        采氣樹裝置的功能就是控制油層壓力,調(diào)節(jié)油氣流量,其下部跟油管頭連接,采汽油樹的法蘭與油管懸掛器也是BT 密封圈密封,一旦出現(xiàn)密封失效就利用注脂閥向BT 注入密封脂、恢復密封效果。

        2.2 高壓儀表的安裝

        井口采氣樹裝置上通常會預留高壓儀表的接口,如油壓表接口、套壓表接口、回壓表接口等。壓力表是用來觀察、錄取壓力的重要裝置,在安裝工程施工對管件接口的密封效果要求十分嚴格,為了滿足油壓、套壓檢測結果的高標準、高質(zhì)量,在安裝高壓儀表的同時均按技術規(guī)范要求配裝壓力變送器。井口采氣樹上的高壓儀表的安裝關鍵技術在于密封接口的連接安裝,核心技術是密封接口的選型使用。目前,油氣田井口采(油)氣樹上高壓儀表的接口有4 種類型。

        (1)廣泛應用普通密封管螺紋,英文簡寫名稱為NPT。

        (2)發(fā)達國家石油學會推廣使用的管線管螺紋,英文名稱簡寫為LP。

        (3)某發(fā)達國家統(tǒng)一通用的管線螺紋接口,英文簡寫名稱為UN。

        (4)米制通用螺紋,英文簡寫名稱為M。

        在這4 種接口管線螺紋中,普通密封管螺紋接口(NPT)的開發(fā)應用較早,距今已有180 多年,其優(yōu)點是應用廣泛,但部件本身受到加工精度、檢測技術、使用場合、裝配方式的影響較大,不同的尺寸、材料、壓力會顯示不同的效果,很難保證所有的部件使用過程中表現(xiàn)較好密封功能。

        管線管螺紋接口(LP)與普通密封管螺紋接口(NPT)的功能特點類似,二者可以互換使用,在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn),管線管螺紋接口(LP)略優(yōu)于普通密封管螺紋接口(NPT)。

        某發(fā)達國家統(tǒng)一采用的管線螺紋接口(UN)可以說是最早的國際標準,在國際上作為井口采油氣樹高壓儀表接口的標準間推廣應用,該部件屬于系列產(chǎn)品,包括粗牙、細牙、超細牙3 個等級螺距系列品種和8 個等螺距品種的產(chǎn)品。要區(qū)別系列產(chǎn)品的不同等級,主要參數(shù)為公差和余量,根據(jù)公差和余量的不同,統(tǒng)一通用螺紋接口分為A 級和B 級兩大標準。其中,A 級表示外螺紋標準,B 級表示內(nèi)螺紋標準;A 級分1、2、3 等不同級別;B級也分1、2、3 等不同級別,按照規(guī)范要求,1A 和1B 屬于比較輕松的裝配要求,有公差和余量即可;2A 和2B 則要求相對較高,推廣到有緊固要求的螺栓、螺母或者相應的固定工件的使用上;3A 和3B 屬于要求最高級別,必須具備較強的密封、緊固效果及相應的抗震、抗拉能力,適用于精度較高的緊固場合。

        米制通用螺紋(M)也是井口采氣樹高壓儀表安裝接口的主要選型,最初是引進蘇聯(lián)的產(chǎn)品標準,1963 年我國修訂了普通螺紋標準,初步建成中國米制標準,現(xiàn)簡稱ISO 標準,適用于一切機械制造中應用的緊固螺線標準。該標準在歐洲各國通用。

        2.3 相關設備規(guī)范及高壓儀表連接技術要求

        根據(jù)井口天然氣壓力等級的不同,按照油氣田采氣樹裝置設備規(guī)范及高壓儀表連接的技術要求,高壓儀表連接接口屬于精度較高,在密封性較強的緊固場所,要在不同的壓力要求條件下采用相應的標準。

        2.3.1 螺紋接口選型

        例如,井口采氣樹工作壓力≤69 MPa,高壓儀表螺紋接口的選型,按照現(xiàn)行的國家管線螺紋加工和檢驗規(guī)范,以及國際上普遍采用的管線螺紋標準,國家制訂管線加工和檢驗規(guī)范中,對該工作條件下的井口采氣樹接口螺紋,必須達到2A、2B 以上級別,也就是發(fā)達國家石油學會推廣使用的管線螺紋標準紋或者某發(fā)達國家統(tǒng)一通用的管線螺紋標準,并且內(nèi)螺紋尺寸、外螺紋尺寸以及公差要完全符合井口裝置與采氣(油)樹設備規(guī)范以及高壓儀表配裝的相關技術規(guī)定等標準規(guī)范要求。如果氣井地面采氣樹的工作壓力≤1035 MPa,或氣井地面采氣樹的工作壓力≤138 MPa,則高壓儀表連接螺紋接口的螺紋選型要符合國際、國家執(zhí)行的采氣(油)樹管線螺紋加工、檢驗規(guī)范和相關的技術標準的要求,具體在選型過程中,外螺紋選型標準必須滿足2A 級標準或更高;內(nèi)螺紋選型標準必須滿足2B 級或者更高標準,連接類型以及尺寸要達到規(guī)程規(guī)范和相關的技術執(zhí)行標準的要求。

        2.3.2 螺紋連接選型

        按照管線螺紋加工、檢驗規(guī)范以及相關技術標準規(guī)定,連接螺紋根據(jù)實際選型應為某國統(tǒng)一通用螺紋或普通密封螺紋接口的細牙系列產(chǎn)品,螺紋尺寸及等級標準非常明確,同時,結合采氣樹工作壓力的實際,對不同連接條件和情況對連接形式進行了定義,提出了3 種不同的連接形式選型,所以,設備在運行中出現(xiàn)問題,大多數(shù)是因為沒有按照規(guī)范以及技術標準操作安裝,沒有執(zhí)行技術標準。像60°圓錐線密封方式,氣井地面采氣樹的工作壓力≤1035 MPa,或氣井地面采氣樹的工作壓力≤138 MPa,作為采氣樹上的高壓儀表連接螺紋接口的螺紋的選型最為合適,能夠形成高密封推力及低扭矩力,完全避免高壓腐蝕等介質(zhì)破壞螺紋牙口。這種采氣樹高壓儀表螺紋接口選型及連接形式,一般情況下更適用于井口采氣樹工作壓力≤69 MPa 的儀表連接選型。

        3 高壓儀表安裝設計及應用的創(chuàng)新舉措

        3.1 接口類型與連接方式

        采氣樹上高壓儀表的安裝設計,必須按照國家制定的石油天然氣行業(yè)設備裝置加工、檢驗規(guī)范,以及國際、國內(nèi)通用的技術等級標準,嚴格接口管線螺紋、管套及其配套工件的選型,根據(jù)井口采氣樹工作壓力≤69 MPa,氣井地面采氣樹的工作壓力≤1035 MPa,或者氣井地面采氣樹的工作壓力≤138 MPa 的實際,采氣樹高壓氣表接口安裝設計選型標準,一般選用接口模型Ⅲ(API TYPEⅢ),這種螺紋密封接口由3 個工件組成,即螺紋短管、壓蓋、密封環(huán)。

        安裝原理是:螺紋短管介于57°~59°的圓錐端面配以閥門內(nèi)部60°~62°的凹形圓錐底部螺紋,能夠完全密封,具備采氣樹工作壓力需要的管道密封標準要求,把腐蝕性介質(zhì)等雜質(zhì)有效地密封在流道之中,阻止其與承壓螺紋的有效接觸,控制其對管道造成危害。

        這種設計選型,相比較于普通密封管螺紋(NPT)接口類型有了很大創(chuàng)新,有實質(zhì)性的進步,密封效果和應用效果十分明顯。目前,采氣樹高壓儀表螺紋接口連接方式,無論是國際通用標準還是國內(nèi)執(zhí)行的行業(yè)裝置設備加工、檢驗規(guī)范及技術標準,一般推廣內(nèi)螺紋底部加工直徑為3 mm 的排氣孔,在采氣樹上高壓儀表的連接螺紋接口中使用,之所以規(guī)定這個選型標準的工件,是由其功能所決定的,直徑為3 mm 排氣孔的底部內(nèi)螺紋工件,不但能檢查錐形密封的性能,還可以保護螺紋不被損壞。

        接口模型Ⅲ(API TYPEⅢ)的安裝工序為,螺紋短管旋進壓蓋,環(huán)嵌進壓蓋內(nèi)部、旋緊。這種安裝設計的優(yōu)點是通過壓蓋螺紋的旋進力與螺紋短管密封推力的互相轉(zhuǎn)換,消除了密封錐面上產(chǎn)生切向受力的可能性,可以在很大程度上保護工件密封錐面的幾何尺寸,保證密封抗壓能力,消除漏氣現(xiàn)象,保障采油樹的安全生產(chǎn)。

        3.2 安裝設計存在的問題

        依據(jù)國際慣例以及我國現(xiàn)行的石油天然氣裝置設備安裝設計規(guī)范要求及相關技術標準,井口采氣樹高壓儀表的安裝設計及應用過程中,油壓表、套壓表、回壓表的安裝設計,有很多技術標準不能落實到位,以致發(fā)生許多問題,油壓表、套壓表等是監(jiān)測檢測就地以及遠傳壓力的顯示裝置,比如,在采氣樹開關井的標準操作中,開井前的檢查,確認封閉采油房的采氣樹各個閘閥沒有發(fā)生泄漏的條件下,高低壓截斷閥或者電磁閥處于正常開啟狀態(tài),及時錄取開井前的油壓、套壓、累積流量,隨機與監(jiān)控中心聯(lián)系,準備開井,接到指令后,緩慢打開控制閥,外輸壓力≤3.5 MPa,外輸流量≤1500 m3/h,油壓降到系統(tǒng)壓力時,就錄取油壓、套壓、流量、溫度等數(shù)據(jù)信息;并向監(jiān)控中心及時報告當前開井時油套壓、流量、溫度。一旦出現(xiàn)節(jié)流器失效的情況或下游管線、閥門裝置破裂,則立刻關井并通知監(jiān)控中心。關井時,同樣錄取當前油壓、套壓,無論短期關井還是長期關井,都要放空油壓表、套壓表直至高壓儀表壓力示數(shù)為0。從操作過程可以看出,高壓儀表在采氣樹工作運行中是多么重要。由于高壓儀表安裝過程多數(shù)憑借經(jīng)驗操作,不重視設計標準,規(guī)范意識淡漠,經(jīng)常出現(xiàn),泄漏風險高、總重量大、安裝形式分散、環(huán)節(jié)較多等問題。

        3.3 安裝設計及應用的優(yōu)化創(chuàng)新

        通過分析采氣樹高壓儀表安裝設計及應用過程存在的問題缺陷,結合國際標準和國家石油天然氣行業(yè)設備裝置、檢驗規(guī)范,高壓儀表安裝要進一步簡化:①閥組、泄壓閥組合使用;②保留傳統(tǒng)井口采氣樹自帶儀表閥門;③閥組安裝緊湊,扭矩降至最??;④保留傳統(tǒng)安裝中的螺紋排氣孔;⑤配套采用單獨泄壓閥門;⑥高壓儀表閥組接口,根據(jù)實際安裝需求,靈活調(diào)整泄壓閥。

        4 結束語

        隨著天然氣資源開發(fā)中,高壓氣井、高腐蝕天然氣井的數(shù)量不斷增多,井口采氣樹裝置中高壓儀表的安裝設計及應用顯得越來越重要,其目的就是為了實現(xiàn)安全生產(chǎn)、高效生產(chǎn)。因此,安裝設計及應用必須不斷探究。

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