井口采氣樹裝置中高壓儀表安裝設(shè)計及應(yīng)用

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(gòu)造中，開采天然氣的井口裝置設(shè)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(shè)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(shè)計及應(yīng)用

在油氣田開發(fā)建設(shè)過程中，天然氣井的地面工程、裝置設(shè)備主要是采氣樹的布置安裝，而在采氣樹設(shè)備中高壓儀表屬于非常重要的部件。在長期的安裝設(shè)計及應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，井口采氣樹裝置中高壓儀表安裝設(shè)計出現(xiàn)的問題越來越多，嚴(yán)重影響設(shè)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(xué)；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(shè)備提供的高壓儀表螺紋的接口認(rèn)識有問題；甚至安裝設(shè)計方案只是部分采用了采油樹設(shè)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(shè)計及應(yīng)用主要是結(jié)合傳統(tǒng)的采氣樹裝置中高壓表安裝設(shè)計及應(yīng)用出現(xiàn)的各種問題缺陷，分析研究采氣樹設(shè)備裝置規(guī)范中有關(guān)高壓儀表連接安裝的技術(shù)條款，相關(guān)要求，科技創(chuàng)新，進一步優(yōu)化采氣樹高壓儀表安裝設(shè)計方案，發(fā)揮傳統(tǒng)安裝設(shè)計的優(yōu)勢，彌補傳統(tǒng)安裝設(shè)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(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合世界上先進企業(yè)成功的安裝設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合實際，提出更加優(yōu)質(zhì)的安裝設(shè)計方案，促進設(shè)備的高效安全運行。

2 井口采氣樹的結(jié)構(gòu)與儀表安裝

2.1 構(gòu)成

氣田井口采氣裝置設(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)或TS 密封結(jié)構(gòu)，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(fù)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(yù)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(yán)格，為了滿足油壓、套壓檢測結(jié)果的高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量，在安裝高壓儀表的同時均按技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)在于密封接口的連接安裝，核心技術(shù)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(yīng)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(xué)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(yīng)用較早，距今已有180 多年，其優(yōu)點是應(yīng)用廣泛，但部件本身受到加工精度、檢測技術(shù)、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(biāo)準(zhǔn)，在國際上作為井口采油氣樹高壓儀表接口的標(biāo)準(zhǔn)間推廣應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。其中，A 級表示外螺紋標(biāo)準(zhǔn)，B 級表示內(nèi)螺紋標(biāo)準(zhǔn)；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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，1963 年我國修訂了普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)，初步建成中國米制標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)簡稱ISO 標(biāo)準(zhǔn)，適用于一切機械制造中應(yīng)用的緊固螺線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在歐洲各國通用。

2.3 相關(guān)設(shè)備規(guī)范及高壓儀表連接技術(shù)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(shè)備規(guī)范及高壓儀表連接的技術(shù)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

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(biāo)準(zhǔn)，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(xué)會推廣使用的管線螺紋標(biāo)準(zhǔn)紋或者某發(fā)達國家統(tǒng)一通用的管線螺紋標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備規(guī)范以及高壓儀表配裝的相關(guān)技術(shù)規(guī)定等標(biāo)準(zhǔn)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(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，具體在選型過程中，外螺紋選型標(biāo)準(zhǔn)必須滿足2A 級標(biāo)準(zhǔn)或更高；內(nèi)螺紋選型標(biāo)準(zhǔn)必須滿足2B 級或者更高標(biāo)準(zhǔn)，連接類型以及尺寸要達到規(guī)程規(guī)范和相關(guān)的技術(shù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，連接螺紋根據(jù)實際選型應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)非常明確，同時，結(jié)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(shè)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)操作安裝，沒有執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)計及應(yīng)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(shè)計，必須按照國家制定的石油天然氣行業(yè)設(shè)備裝置加工、檢驗規(guī)范，以及國際、國內(nèi)通用的技術(shù)等級標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)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(shè)計選型標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)還是國內(nèi)執(zhí)行的行業(yè)裝置設(shè)備加工、檢驗規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(shè)備安裝設(shè)計規(guī)范要求及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，井口采氣樹高壓儀表的安裝設(shè)計及應(yīng)用過程中，油壓表、套壓表、回壓表的安裝設(shè)計，有很多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(guān)井的標(biāo)準(zhǔn)操作中，開井前的檢查，確認(rèn)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(zhǔn)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(dāng)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(guān)井并通知監(jiān)控中心。關(guān)井時，同樣錄取當(dāng)前油壓、套壓，無論短期關(guān)井還是長期關(guān)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范意識淡漠，經(jīng)常出現(xiàn)，泄漏風(fēng)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(shè)計及應(yīng)用的優(yōu)化創(chuàng)新

通過分析采氣樹高壓儀表安裝設(shè)計及應(yīng)用過程存在的問題缺陷，結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)和國家石油天然氣行業(yè)設(shè)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(jié)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(shè)計及應(yīng)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(shè)計及應(yīng)用必須不斷探究。