CN114961606A - 基于plc控制的高压气井环空自动泄压补压系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于PLC控制的高压气井环空自动泄压补压系统及控制方法，其包括防爆型压力传感器Ⅰ，常开防爆型手动截止阀Ⅰ，常闭防爆型手动截止阀Ⅰ，70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ，防爆型压力传感器Ⅱ，常开防爆型手动截止阀Ⅱ，常闭防爆型手动截止阀Ⅱ，70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ，防爆型压力传感器Ⅲ，常开防爆型手动截止阀Ⅲ，常闭防爆型手动截止阀Ⅲ，70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ，防爆型压力传感器Ⅳ等。其能够结合油气井生产具体工况自动评估各个环空压力安全范围，实现环空压力的实时监测与自动控制，确保气井在安全压力范围内开采，避免因环空带压问题而造成安全事故。
Description
技术领域
本发明属于石油机械领域，涉及基于PLC控制的高压气井环空自动泄压补压系统及控制方法。
背景技术
天然气能源具有优质、高效、清洁的特点，近年来得到了广泛应用。随着天然气的开采深度不断增加，高压气井的环空带压问题日益突出。CO2和H2S等腐蚀性气体进入油套环空，腐蚀套管内壁。且套管长时间承受高压，存在天然气窜漏至地层、泄漏至井口的风险。为了解决这个问题，当环空压力达到最大许用压力时，需对环空进行泄压操作，当环空压力过低时，也需对环空进行补压操作。
中国发明专利CN204082070U公开了一种套管头自动补压、环空泄压装置，装置具有自动补压、泄压的功能，且泄压速度可以调节。中国发明专利CN204899812U公开了一种环空补压泄压自动控制设备，设备能够实时监测环空压力，通过泄压和补压自动将环空压力限制在安全阈值范围内。上述两个发明都能实现补压、泄压的功能，但还存在以下问题：缺乏配套使用的环空压力评估系统，需人工评估各个环空所能承受的极限压力，结果误差较大、计算效率不是很高，未对泄压后产生的有毒气体进行处理，未处理的有毒气体会对环境产生危害，系统容错率低，若设备中电磁阀出现故障无法启动，则无法进行泄压、补压操作。
发明内容
针对现有环空压力技术的不足，本发明提供基于PLC控制的高压气井环空自动泄压补压系统及控制方法。
基于PLC控制的高压气井环空自动泄压补压系统，包括防爆型压力传感器Ⅰ，常开防爆型手动截止阀Ⅰ，常闭防爆型手动截止阀Ⅰ，70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ，防爆型压力传感器Ⅱ，常开防爆型手动截止阀Ⅱ，常闭防爆型手动截止阀Ⅱ，70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ，防爆型压力传感器Ⅲ，常开防爆型手动截止阀Ⅲ，常闭防爆型手动截止阀Ⅲ，70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ，防爆型压力传感器Ⅳ，常开防爆型手动截止阀Ⅳ，常闭常开防爆型手动截止阀Ⅳ，70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ，常闭防爆型手动截止阀Ⅴ，70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ，单向阀，溢流阀，高压柱塞泵，常闭防爆型手动截止阀Ⅵ，70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ，不锈钢过滤器，先导式减压阀，密封式储液罐，脱硫化氢罐，防喷燃烧头，防爆变频电机，PLC控制器，液位报警装置，A管路部分，B管路部分，C管路部分，D管路部分。
其中，所述的密封式储液罐的其一管路与脱硫化氢罐连接，脱硫化氢罐上安装有防喷燃烧头。
A管路部分、B管路部分、C管路部分、D管路部分并联，其一端与密封式储液罐的其二管路连接，其二管路上安装有先导式减压阀。
A管路部分包括防爆型压力传感器Ⅳ、常开防爆型手动截止阀Ⅳ、常闭防爆型手动截止阀Ⅳ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ，A管路部分另一端为A环空接口，A环空接口与防爆型压力传感器Ⅳ一端连接，防爆型压力传感器Ⅳ另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅳ一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅳ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅳ另一端连接。
B管路部分包括防爆型压力传感器Ⅲ、常开防爆型手动截止阀Ⅲ、常闭防爆型手动截止阀Ⅲ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ，B管路部分另一端为B环空接口，B环空接口与防爆型压力传感器Ⅲ一端连接，防爆型压力传感器Ⅲ另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅲ一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅲ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅲ另一端连接。C管路部分包括防爆型压力传感器Ⅱ、常开防爆型手动截止阀Ⅱ、常闭防爆型手动截止阀Ⅱ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ，C管路部分另一端为C环空接口，C环空接口与防爆型压力传感器Ⅱ一端连接，防爆型压力传感器Ⅱ另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅱ一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅱ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅱ另一端连接。
D管路部分包括防爆型压力传感器Ⅰ、常开防爆型手动截止阀Ⅰ、常闭防爆型手动截止阀Ⅰ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ，D管路部分另一端为D环空接口，D环空接口与防爆型压力传感器Ⅰ一端连接，防爆型压力传感器Ⅰ另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅰ一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅰ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅰ另一端连接。
常闭防爆型手动截止阀Ⅴ在与70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ并联，且其一端也安装在常开防爆型手动截止阀Ⅳ前端，常闭防爆型手动截止阀Ⅴ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ并联的另一端与单向阀一端连接，单向阀另一端与溢流阀一端连接。
密封式储液罐的其三管路与不锈钢过滤器一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅵ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ并联且其一端与不锈钢过滤器另一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅵ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ并联且其另一端与高压柱塞泵一端连接，高压柱塞泵另一端与溢流阀另一端连接，高压柱塞泵还安装有防爆变频电机，防爆变频电机与PLC控制器相连。
密封式储液罐中安装有液位报警装置。
基于PLC控制的高压气井环空自动泄压补压系统的控制方法如下：
防爆型压力传感器Ⅰ实时监测D环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器，PLC控制器接收并处理常开防爆型压力传感器Ⅰ传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器向70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ发出信号。70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ接收到信号后，阀门开启，对D环空进行泄压，直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ关闭，D环空泄压停止。常开防爆型手动截止阀Ⅰ处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ出现故障无法关闭时，可手动关闭常开防爆型手动截止阀Ⅰ结束泄压过程。常闭防爆型手动截止阀Ⅰ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ出现故障无法开启时，可手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅰ手动对D环空进行泄压。
防爆型压力传感器Ⅱ实时监测C环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器，PLC控制器接收并处理防爆型压力传感器Ⅱ传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器向70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ发出信号。70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ接收到信号后，阀门开启，对C环空进行泄压。直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，阀门关闭，C环空泄压停止。常开防爆型手动截止阀Ⅱ处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ出现故障无法关闭时，可手动关闭常开防爆型手动截止阀Ⅱ结束泄压过程。常闭防爆型手动截止阀Ⅱ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ出现故障无法开启时，可手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅱ手动对C环空进行泄压。
防爆型压力传感器Ⅲ实时监测B环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器，PLC控制器接收并处理防爆型压力传感器Ⅲ传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器向70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ发出信号。70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ接收到信号后，阀门开启，对B环空进行泄压。直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，阀门关闭，B环空泄压停止。常开防爆型手动截止阀Ⅲ处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ出现故障无法关闭时，可手动关闭常开防爆型手动截止阀Ⅲ结束泄压过程。常闭防爆型手动截止阀Ⅲ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ出现故障无法开启时，可手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅲ手动对B环空进行泄压。
常开防爆型压力传感器Ⅳ实时监测A环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器，PLC控制器接收并处理常开防爆型压力传感器Ⅳ传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器向70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ发出信号。70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ接收到信号后，阀门开启，对A环空进行泄压。直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，阀门关闭，A环空泄压停止。防爆型手动截止阀Ⅳ处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ出现故障无法关闭时，可手动关闭防爆型手动截止阀Ⅳ结束泄压过程。常闭防爆型手动截止阀Ⅳ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ出现故障无法开启时，可手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅳ手动对A环空进行泄压。
A、B、C、D四个环空泄压产生气液混合流体经过先导式减压阀降压后，进入密封式储液罐内，密封式储液罐将气体从流体中分离，通过上端的管道进入脱硫化氢罐内，环空液直接储存在密封式储液罐内。脱硫化氢罐可去除泄压气体中的有毒气体硫化氢，减轻对环境的危害。剩余气体通过管道进入防喷燃烧头以燃烧的方式去除，密封式储液罐中安装有液位报警装置，其作用是时刻监测密封式储液罐内的液面高度，当液面高度低于最低限定高度，就会生成报警信号并传递给PLC控制器，限制防爆变频电机的启动，保证设备能稳定安全的运作。
常开防爆型压力传感器Ⅳ实时监测A环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器，PLC控制器接收并处理常开防爆型压力传感器Ⅳ传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力信号值小于预设的最小允许压力值，PLC控制器向70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ与防爆变频电机发出信号，70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ接收到信号后，阀门开启，防爆变频电机接收到信号后，电机启动，防爆变频电机驱动高压柱塞泵开始补压，将密封式储液罐中的环空液输送至A环空中。实时接收常开防爆型压力传感器Ⅳ的压力数据，与预设的允许范围实时比较，当常开防爆型压力传感器Ⅳ的压力信号值大于等于预设的允许范围的最大值时，PLC控制器给70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ与防爆变频电机发出信号，70MPa防爆型电动截止阀、70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ及防爆变频电机关闭，A环空补压结束。常闭防爆型手动截止阀Ⅴ与常闭防爆型手动截止阀Ⅵ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ出现故障无法开启时，可手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅴ与常闭防爆型手动截止阀Ⅵ，对A环空进行补压操作。
单向阀可防止泄压流体流入补压管道中，溢流阀是一种液压压力控制阀，在本装置中主要起定压溢流、稳压和安全保护作用。不锈钢过滤器将来自密封式储液罐的环空液进行过滤，防止杂质进入A环空中。
PLC控制器集信号接收、信号处理与信号发射为一体，控制装置各部件协同合作，主要控制70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ及防爆变频电机的开启与关闭。
有益效果
本发明能够结合油气井生产具体工况自动评估各个环空压力安全范围，实现环空压力的实时监测与自动控制，确保气井在安全压力范围内开采，避免因环空带压问题而造成安全事故。本发明的有益效果还包括：
1、实时监测A、B、C、D四个环空的环空压力，并自动调节环空内的压力，将环空压力控制在安全生产的数值范围内。
2、安装手动截止阀作为备用阀，防止在紧急情况下电动截止阀出现故障造成安全事故。
3、安装有先导式减压阀，保证气井内高压流体不会直接与密封式储液罐接通，避免对密封式储液罐造成损害。
4、密封的储液罐能存储从环空内溢出的环空保护液，同时作为气液分离器将含硫有害的可燃气体分离出来。可燃气体中的有毒气体硫化氢通过脱硫化氢罐去除，剩余气体引入防喷燃烧头内通过燃烧方式去除。减少有毒气体对环境的污染，实现绿色排放。
5、设计了与本发明配套使用的环空压力评估软件，输入具体气井工况条件，软件将自动评估各个环空所能承受的极限压力。避免了因人工评估，导致的结果误差大、计算效率低等问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明三维模型正视图；
图3为本发明三维模型俯视图；
图4为A环空压力控制范围图版；
图5为B环空压力操作范围图版；
图6为C环空压力操作范围图版；
图7为D环空压力操作范围图版。
图中：1－防爆型压力传感器Ⅰ，2－常开防爆型手动截止阀Ⅰ，3－常闭防爆型手动截止阀Ⅰ，4-70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ，5－防爆型压力传感器Ⅱ，6－常开防爆型手动截止阀Ⅱ，7－常闭防爆型手动截止阀Ⅱ，8-70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ，9－防爆型压力传感器Ⅲ，10－常开防爆型手动截止阀Ⅲ，11－常闭防爆型手动截止阀Ⅲ，12-70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ，13－防爆型压力传感器Ⅳ，14－常开防爆型手动截止阀Ⅳ，15－常闭防爆型手动截止阀Ⅳ，16-70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ，17－常闭防爆型手动截止阀Ⅴ，18-70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ，19－单向阀，20－溢流阀，21－高压柱塞泵，22－常闭防爆型手动截止阀Ⅵ，23-70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ，24－不锈钢过滤器，25－先导式减压阀，26－密封式储液罐，27－脱硫化氢罐，28－防喷燃烧头，29－防爆变频电机，30-PLC控制器，31－液位报警装置，32－A管路部分，33－B管路部分，34－C管路部分，35－D管路部分。
具体实施例
为了使本发明更清楚明白，下面通过本具体实施例对本发明的结构、连接关系、实验测试数据进行详细的阐述。
如图1-3所示，基于PLC控制的高压气井环空自动泄压补压系统，包括防爆型压力传感器Ⅰ1，常开防爆型手动截止阀Ⅰ2，常闭防爆型手动截止阀Ⅰ3，70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ4，防爆型压力传感器Ⅱ5，常开防爆型手动截止阀Ⅱ6，常闭防爆型手动截止阀Ⅱ7，70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ8，防爆型压力传感器Ⅲ9，常开防爆型手动截止阀Ⅲ10，常闭防爆型手动截止阀Ⅲ11，70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ12，防爆型压力传感器Ⅳ13，常开防爆型手动截止阀Ⅳ14，常闭常开防爆型手动截止阀Ⅳ15，70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ16，常闭防爆型手动截止阀Ⅴ17，70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ18，单向阀19，溢流阀20，高压柱塞泵21，常闭防爆型手动截止阀Ⅵ22，70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ23，不锈钢过滤器24，先导式减压阀25，密封式储液罐26，脱硫化氢罐27，防喷燃烧头28，防爆变频电机29，PLC控制器30，液位报警装置31，A管路部分32，B管路部分33，C管路部分34，D管路部分35。
其中，所述的密封式储液罐26的其一管路与脱硫化氢罐27连接，脱硫化氢罐27上安装有防喷燃烧头28，密封式储液罐26将接收来自环空内的多相流体，并将含硫有害的气体从流体中分离，通过密封式储液罐26上端的管道进入脱硫化氢罐27内，环空气体中的有毒气体硫化氢可通过脱硫化氢罐27去除，剩余气体进入防喷燃烧头28内通过燃烧方式去除。
A管路部分32、B管路部分33、C管路部分34、D管路部分35并联且其一端与密封式储液罐26的其二管路连接，管路上安装有先导式减压阀25，先导式减压阀25用于保证气井内高压流体不会直接与密封式储液罐26接通，避免对密封式储液罐26造成损害。
A管路部分32包括防爆型压力传感器Ⅳ13、常开防爆型手动截止阀Ⅳ14、常闭防爆型手动截止阀Ⅳ15、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ16，A管路部分32另一端为A环空接口，A环空接口与防爆型压力传感器Ⅳ13一端连接，防爆型压力传感器Ⅳ13另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅳ14一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅳ15与70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ16并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅳ14另一端连接。
B管路部分33包括防爆型压力传感器Ⅲ9、常开防爆型手动截止阀Ⅲ10、常闭防爆型手动截止阀Ⅲ11、70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ12，B管路部分33另一端为B环空接口，B环空接口与防爆型压力传感器Ⅲ9一端连接，防爆型压力传感器Ⅲ9另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅲ10一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅲ11与70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ12并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅲ10另一端连接。
C管路部分34包括防爆型压力传感器Ⅱ5、常开防爆型手动截止阀Ⅱ6、常闭防爆型手动截止阀Ⅱ7、70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ8，C管路部分34另一端为C环空接口，C环空接口与防爆型压力传感器Ⅱ5一端连接，防爆型压力传感器Ⅱ5另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅱ6一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅱ7与70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ8并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅱ6另一端连接。
D管路部分35包括防爆型压力传感器Ⅰ1、常开防爆型手动截止阀Ⅰ2、常闭防爆型手动截止阀Ⅰ3、70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ4，D管路部分35另一端为D环空接口，D环空接口与防爆型压力传感器Ⅰ1一端连接，防爆型压力传感器Ⅰ1另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅰ2一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅰ3与70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ4并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅰ2另一端连接。
常闭防爆型手动截止阀Ⅴ17在与70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ18并联，且其一端也安装在常开防爆型手动截止阀Ⅳ14前端，常闭防爆型手动截止阀Ⅴ17与70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ18并联的另一端与单向阀19一端连接，单向阀19另一端与溢流阀20一端连接，单向阀19是防止泄压流体流入补压管道中，溢流阀20是一种液压压力控制阀，在本系统中主要起定压溢流、稳压和安全保护作用，电动截止阀用于精确控制泄压大小，保证泄压后环空压力大小满足要求，在泄压管道路径上串联了常开手动截止阀，当电动截止阀出现故障无法关闭时，可关闭手动截止阀控制泄压过程，每个电动截止阀都并联了常闭手动截止阀，当电动截止阀出现故障无法开启时，可开启手动截止阀控制泄压。
密封式储液罐26的其三管路与不锈钢过滤器24一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅵ22与70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ23并联且其一端与不锈钢过滤器24另一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅵ22与70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ23并联且其另一端与高压柱塞泵21一端连接，高压柱塞泵21另一端与溢流阀20另一端连接，高压柱塞泵21还安装有防爆变频电机29，防爆变频电机29与PLC控制器30相连。高压柱塞泵21对环空进行补压操作，柱塞泵压力高、结构紧凑、效率高且流量调节方便，本系统配套设计了环空压力评估软件，在应用过程中，输入油气田已知的生产条件，软件将自动计算各个环空所能承受的极限环空压力值。
环空液直接储存于密封式储液罐26，密封式储液罐26中安装有液位报警装置31，时刻监测密封式储液罐26内的液面高度。
实施例
本发明根据不同的井下工况，利用环空压力评估软件对A环空的所有井屏障部件进行强度校核，如油管头、生产套管、尾管、安全阀、封隔器及油管校核。取其中最小值作为综合考虑油管头、生产套管、尾管悬挂器、尾管和地层的A环空最大允许压力。
将各井屏障部件对应的A环空最小预留压力与不同油压下的井屏障部件校核对应A环空最小预留压力进行对比，选取最大值，得出在不同油压下A环空的最小预留压力。
环空压力评估软件计算B、C、D环空的最大允许压力时，考虑环空内层套管校核、环空外层套管校核、套管头校核以及地层破裂压力校核。取其中最小值作为综合考虑环空内层套管、外层套管、套管头和地层破裂压力的环空最大允许压力值。
压力传感器用于实时监测气井环空内的压力，并将环空压力数值转换为信号传输并存储至计算机中。
PLC控制器接收并处理压力传感器传来的压力信号，并与软件评估安全范围值相比较。
当接收到的压力信号值小于最小允许压力值时，PLC控制器对柱塞泵发出信号，向A环空注入环空液，进行补压。实时接收压力传感器的数据，与预设的允许范围实时比较，当接收到的压力信号值大于等于预设的允许范围的最小值时，PLC控制器发出信号，关闭柱塞泵，补压结束。
当接收到的压力信号值大于最大允许压力值时，PLC控制器对泄压阀发出泄压信号，泄压阀开启，泄压开始。环空中多相流体流入密封式储液罐，并在其中实现气液分离。实时接收压力传感器的数据，与预设的允许范围实时比较，当检测压力信号值小于等于预设的允许范围的最大值时，PLC控制器再次发出信号，关闭电动泄压阀，泄压结束。
1实例井基础参数
1.1实例井基础数据
基础数据如下表1所示：
表1实例井基本数据
1.2套管柱基本数据
套管基本数据如下表2所示：
表2实例井套管基本数据
1.3油管柱基本数据
油管基本数据如下表3所示：
表3实例井油管基本数据
1.4压力、温度
地层压力11070MPa，地层温度160℃。
2.环空压力控制范围计算
2.1A环空压力控制范围计算
根据实例井基本参数，利用环空压力评估软件对A环空的所有井屏障部件进行强度校核，如油管头、生产套管、尾管、安全阀、封隔器及油管校核。取其中最小值作为综合考虑油管头、生产套管、尾管悬挂器、尾管和地层的A环空最大允许压力。
将各井屏障部件对应的A环空最小预留压力与不同油压下的井屏障部件校核对应A环空最小预留压力进行对比，选取最大值，得出在不同油压下A环空的最小预留压力。环空压力评估软件计算出不同油压下A环空压力控制范围如图4所示，具体计算数值见表4。
表4实例井A环空压力控制范围
B、C、D环空压力控制范围计算
环空压力评估软件计算B环空、C环空、D环空的最大允许压力时，考虑环空内层套管校核、环空外层套管校核、套管头校核以及地层破裂压力校核。取其中最小值作为综合考虑环空内层套管、外层套管、套管头和地层破裂压力的环空最大允许压力值。环空压力评估软件计算B环空、C环空、D环空压力控制范围如表5所示。
表5 B环空、C环空、D环空压力控制范围计算
B环空、C环空、D环空压力操作范围图版如图5、图6与图7所示。
工作过程如下：
防爆型压力传感器Ⅰ1实时监测D环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器30，PLC控制器30接收并处理防爆型压力传感器Ⅰ1传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器30向70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ4发出信号。70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ4接收到信号后，阀门开启，对D环空进行泄压，直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ4关闭，D环空泄压停止。常开防爆型手动截止阀Ⅰ2处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ4出现故障无法关闭时，可手动关闭常开防爆型手动截止阀Ⅰ2结束泄压过程。常闭防爆型手动截止阀Ⅰ3处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ4出现故障无法开启时，可手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅰ3手动对D环空进行泄压。
防爆型压力传感器Ⅱ5实时监测C环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器30，PLC控制器30接收并处理防爆型压力传感器Ⅱ5传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器30向70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ8发出信号。70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ8接收到信号后，阀门开启，对C环空进行泄压。直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，阀门关闭，C环空泄压停止。常开防爆型手动截止阀Ⅱ6处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ8出现故障无法关闭时，可手动关闭常开防爆型手动截止阀Ⅱ6结束泄压过程。常闭防爆型手动截止阀Ⅱ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ8出现故障无法开启时，可手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅱ手动对C环空进行泄压。
防爆型压力传感器Ⅲ9实时监测B环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器30，PLC控制器30接收并处理防爆型压力传感器Ⅲ9传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器30向70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ12发出信号。70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ12接收到信号后，阀门开启，对B环空进行泄压。直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，阀门关闭，B环空泄压停止。常开防爆型手动截止阀Ⅲ10处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ12出现故障无法关闭时，可手动关闭常开防爆型手动截止阀Ⅲ10结束泄压过程。常闭防爆型手动截止阀Ⅲ11处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ12出现故障无法开启时，可手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅲ11手动对B环空进行泄压。
常开防爆型压力传感器Ⅳ13实时监测A环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器30，PLC控制器30接收并处理常开防爆型压力传感器Ⅳ13传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器30向70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ16发出信号。70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ16接收到信号后，阀门开启，对A环空进行泄压。直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，阀门关闭，A环空泄压停止。防爆型手动截止阀Ⅳ14处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ16出现故障无法关闭时，可手动关闭防爆型手动截止阀Ⅳ14结束泄压过程。常闭防爆型手动截止阀Ⅳ15处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ16出现故障无法开启时，可手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅳ15手动对A环空进行泄压。
A、B、C、D四个环空泄压产生气液混合流体经过先导式减压阀25降压后进入密封式储液罐26内，密封式储液罐26将气体从流体中分离，通过上端的管道进入脱硫化氢罐27内，环空液直接储存在密封式储液罐26内。脱硫化氢罐27可去除泄压气体中的有毒气体硫化氢，减轻对环境的危害。剩余气体通过管道进入防喷燃烧头28以燃烧的方式去除，密封式储液罐26中安装有液位报警装置31，其作用是时刻监测密封式储液罐26内的液面高度，当液面高度低于最低限定高度，就会生成报警信号并传递给PLC控制器30，限制防爆变频电机29的启动，保证设备能稳定安全的运作。
常开防爆型压力传感器Ⅳ13实时监测A环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器30，PLC控制器30接收并处理常开防爆型压力传感器Ⅳ13传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力信号值小于预设的最小允许压力值，PLC控制器30向70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ18、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ23与防爆变频电机29发出信号，70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ18、70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ23接收到信号后，阀门开启，防爆变频电机29接收到信号后，电机启动，防爆变频电机29驱动高压柱塞泵21开始补压，将密封式储液罐26中的环空液输送至A环空中。实时接收常开防爆型压力传感器Ⅳ13的压力数据，与预设的允许范围实时比较，当常开防爆型压力传感器Ⅳ13的压力信号值大于等于预设的允许范围的最大值时，PLC控制器30给70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ18、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ23与防爆变频电机29发出信号，70MPa防爆型电动截止阀18、70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ23及防爆变频电机29关闭，A环空补压结束。常闭防爆型手动截止阀Ⅴ17与常闭防爆型手动截止阀Ⅵ22处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ18、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ23出现故障无法开启时，手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅴ17与常闭防爆型手动截止阀Ⅵ22，对A环空进行补压操作。
单向阀19防止泄压流体流入补压管道中，溢流阀20是一种液压压力控制阀，在本装置中主要起定压溢流、稳压和安全保护作用。不锈钢过滤器24将来自密封式储液罐26的环空液进行过滤，防止杂质进入A环空中。
PLC控制器30集信号接收、信号处理与信号发射为一体，控制装置各部件协同合作，主要控制70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ4、70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ8、70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ12、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ16、70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ18、70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ23及防爆变频电机29的开启与关闭。
最后说明的是，本发明不限于上述结构，凡是在本发明结构上的改进均在本发明的范围之内。
Claims (3)
1.基于PLC控制的高压气井环空自动泄压补压系统，其特征在于，包括防爆型压力传感器Ⅰ、常开防爆型手动截止阀Ⅰ、常闭防爆型手动截止阀Ⅰ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ、防爆型压力传感器Ⅱ、常开防爆型手动截止阀Ⅱ、常闭防爆型手动截止阀Ⅱ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ、防爆型压力传感器Ⅲ、常开防爆型手动截止阀Ⅲ、常闭防爆型手动截止阀Ⅲ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ、防爆型压力传感器Ⅳ、常开防爆型手动截止阀Ⅳ、常闭常开防爆型手动截止阀Ⅳ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ、常闭防爆型手动截止阀Ⅴ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ、单向阀、溢流阀、高压柱塞泵、常闭防爆型手动截止阀Ⅵ、70MPa防爆型电动截止阀、不锈钢过滤器、先导式减压阀、密封式储液罐、脱硫化氢罐、防喷燃烧头、防爆变频电机、PLC控制器、液位报警装置、A管路部分、B管路部分、C管路部分、D管路部分，所述的密封式储液罐的其一管路与脱硫化氢罐连接，脱硫化氢罐上安装有防喷燃烧头；
A管路部分、B管路部分、C管路部分、D管路部分并联，其一端与密封式储液罐的其二管路连接，其二管路上安装有先导式减压阀；
A管路部分包括防爆型压力传感器Ⅳ、常开防爆型手动截止阀Ⅳ、常闭防爆型手动截止阀Ⅳ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ，A管路部分另一端为A环空接口，A环空接口与防爆型压力传感器Ⅳ一端连接，防爆型压力传感器Ⅳ另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅳ一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅳ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅳ另一端连接，B管路部分包括防爆型压力传感器Ⅲ、常开防爆型手动截止阀Ⅲ、常闭防爆型手动截止阀Ⅲ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ，B管路部分另一端为B环空接口，B环空接口与防爆型压力传感器Ⅲ一端连接，防爆型压力传感器Ⅲ另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅲ一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅲ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅲ另一端连接，C管路部分包括防爆型压力传感器Ⅱ、常开防爆型手动截止阀Ⅱ、常闭防爆型手动截止阀Ⅱ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ，C管路部分另一端为C环空接口，C环空接口与防爆型压力传感器Ⅱ一端连接，防爆型压力传感器Ⅱ另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅱ一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅱ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅱ另一端连接，D管路部分包括防爆型压力传感器Ⅰ、常开防爆型手动截止阀Ⅰ、常闭防爆型手动截止阀Ⅰ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ，D管路部分另一端为D环空接口，D环空接口与防爆型压力传感器Ⅰ一端连接，防爆型压力传感器Ⅰ另一端与常开防爆型手动截止阀Ⅰ一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅰ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ并联并与常开防爆型手动截止阀Ⅰ另一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅴ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ并联的另一端与单向阀一端连接，单向阀另一端与溢流阀一端连接，密封式储液罐的其三管路与不锈钢过滤器一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅵ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ并联且其一端与不锈钢过滤器另一端连接，常闭防爆型手动截止阀Ⅵ与70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ并联且其另一端与高压柱塞泵一端连接，高压柱塞泵另一端与溢流阀另一端连接，高压柱塞泵还安装有防爆变频电机，防爆变频电机与PLC控制器相连。
2.根据权利要求1所述的基于PLC控制的高压气井环空自动泄压补压系统，其特征在于，密封式储液罐中安装有液位报警装置。
3.基于PLC控制的高压气井环空自动泄压补压控制方法，其特征在于，防爆型压力传感器Ⅰ实时监测D环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器，PLC控制器接收并处理常开防爆型压力传感器Ⅳ传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器向70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ发出信号，70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ接收到信号后，阀门开启，对D环空进行泄压，直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ关闭，D环空泄压停止，常开防爆型手动截止阀Ⅰ处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ出现故障无法关闭时，手动关闭常开防爆型手动截止阀Ⅰ结束泄压过程，常闭防爆型手动截止阀Ⅰ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅰ出现故障无法开启时，手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅰ手动对D环空进行泄压；
防爆型压力传感器Ⅱ实时监测C环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器，PLC控制器接收并处理防爆型压力传感器Ⅱ传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器向70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ发出信号，70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ接收到信号后，阀门开启，对C环空进行泄压，直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，阀门关闭，C环空泄压停止，常开防爆型手动截止阀Ⅱ处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ出现故障无法关闭时，手动关闭常开防爆型手动截止阀Ⅱ结束泄压过程，常闭防爆型手动截止阀Ⅱ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅱ出现故障无法开启时，手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅱ手动对C环空进行泄压；
防爆型压力传感器Ⅲ实时监测B环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器，PLC控制器接收并处理防爆型压力传感器Ⅲ传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器向70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ发出信号，70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ接收到信号后，阀门开启，对B环空进行泄压，直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，阀门关闭，B环空泄压停止，常开防爆型手动截止阀Ⅲ处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ出现故障无法关闭时，手动关闭常开防爆型手动截止阀Ⅲ结束泄压过程，常闭防爆型手动截止阀Ⅲ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅲ出现故障无法开启时，手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅲ手动对B环空进行泄压；
常开防爆型压力传感器Ⅳ实时监测A环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器，PLC控制器接收并处理常开防爆型压力传感器Ⅳ传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力超过预设的最大值，PLC控制器向70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ发出信号，70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ接收到信号后，阀门开启，对A环空进行泄压，直到油气井内的环空压力降低到允许范围之内，阀门关闭，A环空泄压停止，防爆型手动截止阀Ⅳ处于常开状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ出现故障无法关闭时，手动关闭防爆型手动截止阀Ⅳ结束泄压过程，常闭防爆型手动截止阀Ⅳ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ出现故障无法开启时，手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅳ手动对A环空进行泄压；
A、B、C、D四个环空泄压产生气液混合流体经过先导式减压阀降压后进入密封式储液罐内，密封式储液罐将气体从流体中分离，通过上端的管道进入脱硫化氢罐内，环空液直接储存在密封式储液罐内，脱硫化氢罐能去除泄压气体中的有毒气体硫化氢，减轻对环境的危害，剩余气体通过管道进入防喷燃烧头以燃烧的方式去除，密封式储液罐中安装有液位报警装置，其作用是时刻监测密封式储液罐内的液面高度，当液面高度低于最低限定高度，就会生成报警信号并传递给PLC控制器，限制防爆变频电机的启动，保证设备能稳定安全的运作；
常开防爆型压力传感器Ⅳ实时监测A环空内的压力，并将测得的环空压力信号传递到PLC控制器，PLC控制器接收并处理常开防爆型压力传感器Ⅳ传来的压力信号，将测得的环空压力和预设的环空压力范围值相比较，当环空压力信号值小于预设的最小允许压力值，PLC控制器向70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ与防爆变频电机发出信号，70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ接收到信号后，阀门开启，防爆变频电机接收到信号后，电机启动，防爆变频电机驱动高压柱塞泵开始补压，将密封式储液罐中的环空液输送至A环空中，实时接收常开防爆型压力传感器Ⅳ的压力数据，与预设的允许范围实时比较，当常开防爆型压力传感器Ⅳ的压力信号值大于等于预设的允许范围的最大值时，PLC控制器给70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ与防爆变频电机发出信号，70MPa防爆型电动截止阀、70MPa防爆型电动截止阀Ⅵ及防爆变频电机关闭，A环空补压结束，常闭防爆型手动截止阀Ⅴ与常闭防爆型手动截止阀Ⅵ处于常闭状态，当70MPa防爆型电动截止阀Ⅴ、70MPa防爆型电动截止阀Ⅳ出现故障无法开启时，手动开启常闭防爆型手动截止阀Ⅴ与常闭防爆型手动截止阀Ⅵ，对A环空进行补压操作。
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