［摘 要］隨著國內(nèi)對(duì)石油勘探開發(fā)的不斷深入，現(xiàn)有的額定壓力140MPa 井口裝備已無法達(dá)到使用要求，需要我國研發(fā)額定壓力175MPa 以上的超高壓重大井口裝備，以滿足深井超高壓、高溫井油氣開發(fā)的需求。175MPa 以上額定壓力的超高壓重大井口裝備具有抗高強(qiáng)壓，可人力開啟及關(guān)閉，但考慮到操作人員的安全及為了提高工作效率，降低工作強(qiáng)度，文章研制了自動(dòng)化控制閥門、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。

［關(guān)鍵詞］井口裝備；自動(dòng)化控制；關(guān)鍵技術(shù)；電動(dòng)驅(qū)動(dòng)閥

［中圖分類號(hào)］TE934.2 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）03–0016–03

PLC 可編程邏輯控制器，能夠被安置在各個(gè)系統(tǒng)程序中，對(duì)系統(tǒng)的執(zhí)行邏輯進(jìn)行計(jì)算，并向用戶發(fā)出指令，讓其對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化或者是智能化控制。PLC 編程便利、結(jié)構(gòu)簡單、功能多樣化、可靠性高、自身抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)讓其在各大工業(yè)領(lǐng)域中得到推廣應(yīng)用。PLC 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能夠讓液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化控制，并提升其安全性和效率，這對(duì)于石油企業(yè)的生產(chǎn)來說起到了極大的推動(dòng)作用。因此，將PLC技術(shù)應(yīng)用到石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)中是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝優(yōu)化的最佳選擇。

液壓系統(tǒng)是石油鉆機(jī)設(shè)備中不可或缺的核心技術(shù)之一，其不僅可以提供驅(qū)動(dòng)力和扭矩，還可以控制石油鉆機(jī)的運(yùn)動(dòng)和作業(yè)。液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率直接影響石油鉆機(jī)設(shè)備的工作效率和安全性。其是一種利用流體傳遞壓力和能量的動(dòng)力系統(tǒng)，由液壓液體、液壓泵、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件等組成。液壓系統(tǒng)通過液壓泵將液壓油液壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過控制元件控制液壓系統(tǒng)的流量和壓力，最終通過執(zhí)行元件將能量傳遞至機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)各種工作，其工作原理如圖1所示。液壓系統(tǒng)具有傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、力量和速度可調(diào)、功率密度大、動(dòng)作靈敏和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在石油鉆機(jī)設(shè)備中，液壓系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于傳遞動(dòng)力、控制方向、調(diào)整鉆頭方向、提高工作效率和保證工作安全等方面。

基于此，文章將重點(diǎn)探討超高壓重大井口裝備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其在國際上有一定的創(chuàng)新性。

1 超高壓重大井口裝備發(fā)展現(xiàn)狀

井口裝備在油氣鉆井生產(chǎn)設(shè)備中起著十分中重要的作用，其主要的用途是懸掛井口套管、密封套管之間的環(huán)空、定位和安裝支撐采油樹等，也起著安全輸送地下油氣的作用，有效防止了井口的高壓和有害有毒氣體噴散到環(huán)境中，造成周圍環(huán)境和生物危害。因此，井口裝備一直受到國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)的高度重視和油田用戶普遍的關(guān)注。

在石油鉆井生產(chǎn)設(shè)備中，井口裝備是必不可少的設(shè)備，也是在油田進(jìn)行作業(yè)時(shí)使用數(shù)量最多、類型最多的設(shè)備。其不僅要求每口油氣井都要配備，而且隨著地層、環(huán)境、井壓、油氣狀態(tài)、油氣密度的不同以及所含有害物質(zhì)的種類和大小，需要設(shè)計(jì)不同的井口裝備以滿足需求。因此，認(rèn)真分析和研究滿足各種復(fù)雜工況要求、安全可靠的井口裝備具有重要意義。

國外鉆井地層比較淺，對(duì)140 MPa 及以上壓力的產(chǎn)品需求量極少。目前國外只有美國卡麥龍公司有8 套超高壓重大井口裝備的生產(chǎn)信息，其中4 套均在1985 年以前，沒有資料記錄，最接近深井使用的為2011 年和2015 年生產(chǎn)的3 套，均為沒有執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的非標(biāo)產(chǎn)品。

國內(nèi)尚無成套175 MPa 以上超高壓重大井口裝備的生產(chǎn)和使用記載，少數(shù)廠家對(duì)175 MPa 以上超高壓重大井口裝備產(chǎn)品展開了研發(fā)和試制，但都沒經(jīng)過現(xiàn)場的使用驗(yàn)證。

目前國內(nèi)外生產(chǎn)的井口裝備按API 標(biāo)準(zhǔn)最高壓力為140 MPa。175 MPa 以上超高壓重大井口裝備無API 美國石油學(xué)會(huì)或國家標(biāo)準(zhǔn)可供遵循。越來越多的超深、超高壓、高溫等風(fēng)險(xiǎn)探井在國內(nèi)部署，超高壓、萬米深井?dāng)?shù)量逐漸增加。關(guān)井壓力超過120 MPa，甚至接近140 MPa 的額定壓力，140 MPa 壓力等級(jí)的產(chǎn)品已不能完全滿足超深油氣井勘探開發(fā)的需要，迫切需要更高壓力等級(jí)的井控設(shè)備，175 MPa 以上超高壓重大井口裝備的研制迫在眉睫。

為支持我國超深、超高壓、高溫等惡劣地質(zhì)環(huán)境區(qū)塊的開發(fā)，趕上我國超深井的發(fā)展趨勢(shì)，緊急推動(dòng)國產(chǎn)175 MPa 以上超高壓重大井口裝備的研發(fā)進(jìn)展及項(xiàng)目審批，可更好地促進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施和成果轉(zhuǎn)化。

超高壓環(huán)境下的工作條件極為苛刻，以往的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范通常無法覆蓋這一范圍，給超高壓重大井口裝備的設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)帶來了困難。另外，超高壓重大井口裝備的生產(chǎn)周期通常較長，主要是因?yàn)檠b備設(shè)計(jì)復(fù)雜、關(guān)鍵部件需求量小、技術(shù)門檻高。由于市場需求較為有限，缺乏成熟的生產(chǎn)流程和供應(yīng)鏈體系，導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長。面對(duì)這個(gè)問題，我國目前確實(shí)還沒有形成完整的自主創(chuàng)新和生產(chǎn)能力。然而，我國正積極推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和自主研發(fā)，加強(qiáng)超高壓重大井口裝備的研究與生產(chǎn)能力建設(shè)。通過政府加大對(duì)科技創(chuàng)新的支持力度，鼓勵(lì)企業(yè)加大研發(fā)投入，培育創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和科研機(jī)構(gòu)，加強(qiáng)與國際合作交流，可加快超高壓重大井口裝備的自主創(chuàng)新步伐。自主創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)超高壓重大井口裝備成套生產(chǎn)的關(guān)鍵。通過建立標(biāo)準(zhǔn)化的研發(fā)和生產(chǎn)流程，加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研究和攻關(guān)，提高自主創(chuàng)新能力和核心競爭力，有望在超高壓重大井口裝備領(lǐng)域取得突破，并為國際市場提供更加可靠的產(chǎn)品和解決方案。

在具有多個(gè)電動(dòng)平板閥時(shí)，倒換管路需要開關(guān)多只閥，逐一開關(guān)效率低且容易誤操作，為了實(shí)現(xiàn)一鍵完成轉(zhuǎn)換控制裝置，需要接入可編程控制。在研究初期就對(duì)平板閥的力矩進(jìn)行了充分的考慮，175 MPa 超高壓重大井口裝備的手動(dòng)平板閥可采用人力進(jìn)行開啟和關(guān)閉，所有的閥門應(yīng)滿足就地控制、遠(yuǎn)程集中控制和遠(yuǎn)程總線控制，同時(shí)根據(jù)使用條件的不同可預(yù)先編程實(shí)現(xiàn)一鍵控制。平板閥滿足單閥就地控制、多閥集成聯(lián)動(dòng)可編程控制、單閥/ 多閥遠(yuǎn)程中控控制，所有數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳，在遠(yuǎn)程端可完成所有的操作和監(jiān)測(cè)、滿足現(xiàn)場無人值守的要求。

2 超高壓重大井口裝備自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)

研發(fā)了適用于175 MPa 以上超高壓重大井口裝備的安全高效自動(dòng)化控制電動(dòng)閘閥和節(jié)流閥，該自動(dòng)化裝置降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了高壓區(qū)無人值守，為超高壓裝備安全運(yùn)行提供保障。

（1）自動(dòng)化控制閥門可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制；平板閥或節(jié)流閥可單獨(dú)通過遙控器控制，也可集成PLC 集中控制，具有遠(yuǎn)程控制的功能，也可在就地實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作控制閥門。可根據(jù)變頻電動(dòng)頭改變電機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)整平板閥的開關(guān)時(shí)間，調(diào)整區(qū)間范圍為20 s～40 s。電動(dòng)平板閥門的樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

（2）研制了電動(dòng)驅(qū)動(dòng)閥，具有防爆和快速控制功能，保證了超高壓重大井口裝備的安全高效運(yùn)行。在使用中，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)閥可通過手動(dòng)或自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行操作，具有效率高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的液壓和氣動(dòng)閥相比，電動(dòng)閥具有許多優(yōu)點(diǎn)：①融合計(jì)算機(jī)工作，引入新的電子技術(shù)，省時(shí)省力；②電動(dòng)閥不需要特殊壓縮氣源或閥門設(shè)備；③即便電動(dòng)閥電源失電，也可以保持原先的機(jī)械位置；④電動(dòng)閥能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程DCS 控制，同時(shí)開關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸基本沒有阻礙；⑤與傳統(tǒng)閥門對(duì)比，電動(dòng)閥所需的電纜敷設(shè)較為簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，后期電纜管道檢查和維護(hù)較為方便。同時(shí)由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡單，設(shè)備故障率明顯低于其他類型的閥門。

（3）快速控制功能降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了現(xiàn)場倒換管路速度。

（4）可編程控制可根據(jù)不同的作業(yè)需求編制不同的程序?qū)崿F(xiàn)一鍵控制。

（5）節(jié)流閥的電驅(qū)自動(dòng)化控制解決了節(jié)流閥的調(diào)節(jié)難題，通過下游壓力和流量進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)都可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。也可以通過渦輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。

（6）電動(dòng)平板閥通過電動(dòng)頭直接驅(qū)動(dòng)閥門的開關(guān)，電動(dòng)頭具有防爆的功能?？刂齐妷海?80 V 三相動(dòng)力電源。防爆等級(jí)：Exd Ⅱ C T4。控制模式：A，執(zhí)行器就地電動(dòng)控制；B，模擬信號(hào)電動(dòng)控制；C，遠(yuǎn)程總線電動(dòng)控制；D，備用手動(dòng)控制。控制轉(zhuǎn)速：24 r/min。測(cè)試力矩：175 MPa，400 N · m（不含減速器和滾珠絲杠）。

3 結(jié)束語

擁有著安全、高效自動(dòng)化控制電動(dòng)閘閥和節(jié)流閥的175MPa 超高壓重大井口裝備，滿足深井超高壓、高溫井油氣開發(fā)的技術(shù)需求。雖然，目前我國在高溫高壓井的鉆井技術(shù)方面取得了顯著成果， 但仍受許多限制，且對(duì)于高溫高壓非常規(guī)井的鉆井技術(shù)研究也十分缺乏。因此，仍要加大對(duì)高溫高壓鉆井技術(shù)的研究力度，以滿足日益苛刻的鉆井需求。相信隨著技術(shù)與裝備的不斷完善和市場的不斷推動(dòng)，高溫高壓鉆井技術(shù)也將穩(wěn)步攀升。

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