СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФОНТАННЫМИ АРМАТУРАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF CONTROL OVER CHRISTMAS TREES AND FACILITY FOR IMPLEMENTATION OF THIS METHOD

Изобретение относится к газодобывающей промышленности и может быть использовано в технике автоматического управления технологическими процессами и предназначено повысить надежность эксплуатации газодобывающих скважин.
Известна станция управления фонтанной арматурой фирмы «Cameron», эксплуатируемая на Астраханском газоконденсатном месторождении (см. «Оборудование устья скважин и фонтанной арматуры», том 6, в/о Машиноимпорт, контракт №50-0926/71338. Камерон №870020, № техдокументации Р 190/87, Москва, СССР).
Указанная станция содержит шкаф управления фонтанной арматурой, мембранный пневмогидравлический разделитель сред, нормально закрытый трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель с пневмоприводом, манометр, клапанные пары сопло-заслонка, редуктор и дроссель, установленные как по линии управления боковой задвижкой, так и по линии управления подземным клапаном-отсекателем и фонтанной арматурой. В шкафу управления смонтированы пневматическая и гидравлическая системы управления приводами фонтанной арматуры (ФА), центральной задвижки (ЦЗ), боковой задвижки (БЗ) и подземного клапана-отсекателя (ПКО). Гидравлическая полость мембранного разделителя сообщена с чувствительным элементом манометра, при этом последний соединен с заслонкой клапанной пары сопло-заслонка при помощи передаточного механизма.
Недостатком данной станции является недостаточная надежность и необходимость ее обслуживания высококвалифицированным персоналом. Причинами недостаточной надежности станции являются:
- перекрытие проходного сечения дросселя вследствие выпадания гидратов из управляющего газа, в результате чего станция отключает скважину;
- обмерзание клапанной пары сопло-заслонка при повышенной влажности управляющего газа, в результате чего клапанная пара, а следовательно, и станция становится неработоспособной;
- скважина автоматически не отключается в случае повышения давления газа в фонтанной арматуре.
Необходимость обслуживания станции высококвалифицированным персоналом вызвана тем, что настройка передаточного механизма от чувствительного элемента манометра к заслонке клапанной пары сопло-заслонка кропотлива и требует внимательного отношения персонала.
Известен способ управления фонтанной арматурой и подземным клапаном-отсекателем газодобывающих скважин, заключающийся в открытии и закрытии фонтанной арматуры куста скважин путем независимой подачи рабочего тела в исполнительные механизмы боковых (БЗ) и стволовых задвижек (СЗ), подземных клапанов-отсекателей (ПКО) и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины при помощи системы, содержащей приборы КиП и А, исполнительные механизмы и установленной в шкафу станции (патент РФ №2181426 от 02.07.01, МПК: Е21В 33/03, 43/12 - прототип).
Недостатками данного способа является то, что в качестве рабочего тела для исполнительных механизмов используют газ и жидкость, что приводит к значительной инертности при работе, а при отключении электропитания от станции происходит закрытие скважины, т.к. для работы агрегатов, создающих давление рабочего тела в трубопроводе, необходимо напряжение питания.
Для реализации данного способа используется станция управления фонтанной арматурой и подземным клапаном-отсекателем газодобывающих скважин, содержащая шкаф управления, в котором смонтированы пневматическая и гидравлическая системы, мембранные пневмогидравлические разделители сред и нормально закрытые трехлинейные двухпозиционные пневмораспределители с приводом и с полостями входа, выхода и дренажа, установленными как по линии управления боковой задвижкой, так и по линии управления подземным клапаном-отсекателем и фонтанной арматурой, при этом в ней по линии управления боковой задвижкой дополнительно установлен нормально открытый трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель с приводом, полость входа которого сообщена с пневматической системой шкафа управления, полость выхода соединена с полостью входа нормально закрытого трехлинейного двухпозиционного пневмораспределителя, при этом полости приводов нормально открытых и нормально закрытых трехлинейных двухпозиционных пневмораспределителей соединены каналом с гидравлической полостью мембранных пневмогидравлических разделителей сред (Патент РФ №2181426 от 02.07.01, МПК: Е21В 33/03, 43/12 - прототип).
Принцип работы станции заключается в следующем.
При поступлении давления газа по трубопроводу в газовую полость разделителя сред одновременно появится такое же давление рабочей жидкости в его гидравлической полости и в полостях приводов пневмораспределителей. При достижении заданного давления газа в полости разделителя сред гидропривод пневмораспределителя, преодолевая усилие затяжки пружины, установит его в открытое положение. В этом положении его полость входа сообщается с полостью выхода, а полость дренажа герметично отделяется от полости выхода. При этом пневмораспределитель останется в открытом положении, так как усилие от его гидропривода меньше усилия пружины. Вследствие этого управляющий газ из шкафа управления поступит по трубопроводам.
При поступлении давления газа по трубопроводу в газовую полость другого разделителя сред аналогично установится в открытое положение пневмораспределитель. Вследствие этого управляющий газ из шкафа управления поступит по трубопроводам к пневмораспределителю.
После поступления давления управляющего газа к пневмоприводам пневмораспределителей последние откроются и управляющий газ поступит к пневмоприводам пневмораспределителей ФА и ПКО, после чего они будут удерживаться в открытом положении под действием усилия от их пневмоприводов.
При снижении давления газа в выкидной линии скважины, а следовательно, и снижении давления в гидравлической полости разделителя сред ниже минимально допустимого значения, пневмораспределитель устанавливается под действием усилия пружины в закрытое положение. При этом его полость выхода разобщается с полостью входа и сообщается с полостью дренажа. Вследствие стравливания давления управляющего газа в приводе пневмораспределителя через полость дренажа пневмораспределителя БЗ и его закрытия будет стравлено давление управляющего газа в приводе пневмораспределителя через полость дренажа пневмораспределителя и пневмораспределитель закроется. При закрытом пневмораспределителе будет стравлено давление газа питания в пневмоприводе через полость дренажа пневмораспределителя и боковая задвижка закроется.
При снижении давления газа в фонтанной арматуре ниже минимально допустимого значения аналогично установится в закрытое положение пневмораспределитель ПКО и будет стравлено давление управляющего газа в приводе пневмораспределителя через полость дренажа пневмораспределителя и пневмораспределитель ПКО закроется. Вследствие этого будет стравлено давление управляющего газа питания в пневмоприводах пневмораспределителей. При закрытом пневмораспределителе будет стравлено давление газа питания в пневмоприводе гидрораспределителя через полость дренажа пневмораспределителя и гидрораспределитель закроется.
При закрытом гидрораспределителе будет стравлено давление в гидроприводе ПКО через полость дренажа гидрораспределителя и ПКО закроется. При закрытых пневмораспределителях будет стравлено давление газа питания в пневмоприводах ФА через полости дренажей пневмораспределителей и ФА закроется.
При повышении давления газа в выкидной линии скважины выше максимально допустимого значения гидропривод пневмораспределителя, преодолевая усилие пружины, установит его в закрытое положение. В этом положении его полость выхода разобщается с полостью входа и сообщается с полостью дренажа. При этом пневмораспределитель останется в открытом положении, так как усилие от гидропривода больше усилия пружины. Вследствие стравливания давления управляющего газа в приводе пневмораспределителя через полость дренажа пневмораспределителя закроется пневмораспределитель, а затем и БЗ аналогично тому, как и при снижении давления газа в выкидной линии скважины.
При повышении давления газа в фонтанной арматуре выше максимально допустимого значения, гидропривод пневмораспределителя, преодолевая усилие сжатия пружины, установит его в закрытое положение. В этом положении его полость выхода разобщается с полостью входа и сообщается с полостью дренажа. При этом пневмораспределитель останется в открытом положении, так как усилие его гидропривода больше усилия пружины. При этом положении пневмораспределителей будет стравлено давление управляющего газа в приводе пневмораспределителя через полость дренажа пневмораспределителя. Вследствие этого закроются пневмораспределители, а затем БЗ, ЦЗ и ПКО аналогично тому, как и при снижении давления газа в фонтанной арматуре. Величины давлений срабатывания пневмораспределителей на закрытие и величины давлений срабатывания пневмораспределителей на открытие обеспечиваются регулировкой усилия сжатия пружины в процессе сборки.
Недостатками данной станции являются недостаточно высокая надежность работы, в т.ч. зависимость работы станции от наличия напряжения питания, сложность конструкции.
Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, повышение надежности работы и упрощение конструкции станции.
Поставленная задача достигается тем, что в предложенном способе управления фонтанными арматурами куста скважин, заключающемся в открытии и закрытии фонтанной арматуры куста скважин путем независимой подачи рабочего тела в исполнительные механизмы боковых и стволовых задвижек, подземных клапанов-отсекателей и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины при помощи системы, содержащей приборы КиП и А, исполнительные механизмы и установленной в шкафу станции, согласно изобретению, в качестве рабочего тела для управления приводами исполнительных механизмов используют жидкость, рабочее давление которой предварительно создают в пневмогидроаккумуляторах давления, объединенных с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления и мультипликаторами в насосно-аккумуляторную установку, а открытие фонтанной арматуры для подачи газового конденсата из скважины осуществляют в следующей последовательности: подземный клапан-отсекатель, стволовая задвижка, боковая задвижка, закрытие - в обратном порядке с задержкой времени, определяемой инертностью приводов исполнительных механизмов и безопасностью работы системы.
Динамику работы системы управления фонтанными арматурами определяют характеристиками дополнительных аккумуляторов давления и регулировкой дросселей, установленных на линии подачи рабочей жидкости в приводы исполнительных механизмов, и подбирают таким образом, чтобы обеспечить безаварийное закрытие скважины в заданной последовательности.
Для исключения влияния низких температур на работоспособность станции внутри шкафа станции поддерживают температуру, обеспечивающую бесперебойное функционирование всех элементов системы, расположенных в шкафу.
Для повышения надежности работы станции в условиях низких температур производят дублирование работы отдельных элементов системы управления фонтанными арматурами, в частности дублируют работу линии «насос-регулятор давления-мультипликатор».
Для упрощения обслуживания станции рабочее тело при закрытии скважины пропускают через байпасные дренажные линии гидравлической системы.
Контроль рабочих условий на скважине и закрытие скважины при их нарушении осуществляют за счет использования в гидросистеме линии с разрушаемой плавкой вставкой. В случае изменения расчетных режимов работы, например при возникновении пожара на скважине, вставка разрушается и автоматически подается команда на закрытие скважины.
Контроль за соблюдением рабочих условий на скважине и закрытие скважины при их нарушении осуществляют за счет использования в гидросистеме клапанов контроля низкого и высокого давлений в газоконденсатопроводе.
Для реализации указанного способа предложена станция управления фонтанными арматурами, содержащая шкаф станции, в котором смонтирована гидравлическая система для управления фонтанной арматурой и подземным клапаном-отсекателем скважин, содержащая приборы КиП и А, исполнительные механизмы, распределители с приводом и с полостями входа, выхода и дренажа, установленными как по линии управления стволовой и боковой задвижками, так и по линии управления подземным клапаном-отсекателем, в которой согласно изобретению в гидравлической системе установлены аккумуляторы давления, соединенные с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления, мультипликаторами и трубопроводами для подачи рабочей жидкости в исполнительные механизмы боковой задвижки, стволовой задвижки, подземного клапана-отсекателя и клапана, регулирующего дебет скважины.
Для удобства монтажа и обслуживания в шкафу станции смонтировано несколько независимых пневмогидравлических систем для управления фонтанными арматурами и подземными клапанами-отсекателями газодобывающих скважин, соединенных между собой.
Для удобства монтажа и обслуживания при ремонтных работах гидравлическая система разделена на несколько частей, каждая из которых смонтирована в виде отдельного модуля и имеет разъемы для подстыковки с остальными элементами системы.
Для исключения влияния низких температур на работоспособность станции внутри шкафа станции поддерживают температуру, обеспечивающую бесперебойное функционирование всех элементов системы, расположенных в шкафу, а сам шкаф выполнен теплоизолированным.
При эксплуатации станции в районе низких температур для удобства проведения ремонтных и регламентных работ внутри шкафа станции выполнена обогреваемая зона для обслуживания и ремонта оборудования станции обслуживающим персоналом.
Для уменьшения потерь тепла при открывании станции при проведении ремонтных и регламентных работ внутренняя полость шкафа управления разделена на несколько частей, каждая из которых имеет открывающуюся панель, а дверь шкафа станции разделена на несколько частей, причем части двери установлены с возможностью открытия как всей двери в целом, так и отдельно каждой части.
Для упрощения обслуживания станции рабочее тело при закрытии скважины пропускают через байпасные дренажные линии гидравлической системы.
Контроль рабочих условий на скважине и закрытие скважины при их нарушении осуществляют за счет использования в гидросистеме линии с разрушаемой плавкой вставкой. В случае изменения расчетных режимов работы, например при возникновении пожара на скважине, вставка разрушается и автоматически подается команда на закрытие скважины.
В гидравлическую систему станции введена линия с клапанами контроля низкого и высокого давления в газоконденсатопроводе для контроля за соблюдением рабочих условий на скважине и закрытия скважины при их нарушении.
Полы в шкафу выполнены в виде ячеек для того, что, в случае попадания рабочего тела на пол, не будет происходить загрязнение пола.
Указанные существенные признаки в совокупности, характеризующие сущность заявляемого технического решения, не известны в настоящее время для регулирующих устройств. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».
Существенные признаки заявляемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
В связи с тем что предложенное техническое решение предназначено для использования в рамках реальной системы управления фонтанными арматурами куста скважин, изготовлено заявителем и прошло испытания с достижением заявляемого технического результата, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».
Предложенный способ реализуется следующим образом.
Предварительно в пневмогидроаккумуляторах давления, объединенных с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления и мультипликаторами в насосно-аккумуляторную установку, создают давление жидкости, используемой в станции управления в качестве рабочего тела. Использование пневмогидроаккумуляторов давления позволит поддерживать давление рабочего тела в системе в случае отключения станции от сети питания как минимум до 3-х раз.
Далее жидкость под давлением поступает в исполнительные механизмы системы для дальнейшего использования.
Открытие фонтанной арматуры для подачи газового конденсата из скважины осуществляют в следующей последовательности: подземный клапан-отсекатель, стволовая задвижка, боковая задвижка, закрытие - в обратном порядке с задержкой времени, определяемой инертностью приводов исполнительных механизмов и безопасностью работы системы, т.к. именно такая последовательность действий при открытии/закрытии обеспечивает безаварийное открытие/закрытие скважины.
Динамику работы системы управления фонтанными арматурами определяют характеристиками дополнительных аккумуляторов давления и регулировкой дросселей, установленных на линии подачи рабочей жидкости в приводы исполнительных механизмов, и подбирают таким образом, чтобы обеспечить безаварийное закрытие скважины в заданной последовательности.
Жидкость, используемая в качестве рабочего тела, после использования в исполнительных механизмах системы, поступает в бак гидравлический рабочего тела.
Для реализации указанного способа предложена станция управления фонтанными арматурами, в гидравлической системе которой используются пневмогидроаккумуляторы давления. Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана схема гидравлическая принципиальная станции, на фиг.2 показана схема гидравлическая принципиальная насосно-аккумуляторной установки и 1-го блока, соответственно поз.1 и 2 на фиг.1.
На обеих схемах условно не показаны подземный клапан-отсекатель (ПКО), боковая задвижка (БЗ), стволовая задвижка (СЗ), клапан контроля низкого и высокого давления (ККНВД), угловой дроссельный клапан (УДК), а показаны линии подачи рабочего тела в исполнительные механизмы указанных устройств.
Основными элементами станции являются:
1 - насосно-аккумуляторная установка;
2 - блок управления фонтанной арматурой;
3 - блок управления фонтанной арматурой;
4 - блок управления фонтанной арматурой;
5 - бак гидравлический;
6 - фильтр грубой очистки;
7 - кран;
8 - насос;
9 - электродвигатель;
10 - кран;
11 - фильтр тонкой очистки;
12 - клапан предохранительный;
13 - клапан обратный;
14 - клапан обратный;
15 - кран;
16 - пневмогидроаккумулятор;
17 - кран;
18 - манометр электроконтактный;
19 - регулятор давления;
20 - регулятор давления;
21 - регулятор давления;
22 - манометр;
23 - манометр;
24 - манометр;
25 - кран;
26 - пневмогидроаккумулятор;
27 - кран;
28 - манометр электроконтактный;
29 - регулятор давления;
30 - манометр;
31 - клапан обратный;
32 - реле давления;
33 - плавкая вставка;
34 - распределитель;
35 - распределитель;
36 - распределитель;
37 - распределитель;
38 - обратный клапан;
39 - обратный клапан;
40 - распределитель с ручным управлением;
41 - распределитель;
42 - пневмогидроаккумулятор;
43 - распределитель;
44 - манометр;
45 - распределитель;
46 - распределитель;
47 - пневмогидроаккумулятор;
48 - распределитель;
49 - манометр;
50 - распределитель;
51 - распределитель;
52 - распределитель;
53 - манометр;
54 - расперелитель;
55 - распределитель.
Предложенная станция управления работает следующим образом.
В рассматриваемом случае станция содержит три блока управления ФА. Работа всех блоков аналогична, поэтому в качестве примера рассмотрена работа блока 1.
Рабочая жидкость из гидравлического бака 5 по трубопроводу поступает через фильтр грубой очистки 6 и кран 7 на вход насоса 8, который приводится в действие электродвигателем 9. На выходе из насоса после крана 10 установлен фильтр тонкой очистки 11.
Предохранительный клапан 12, настроенный на заданное рабочее давление, при превышении заданного значения давления соединяет линию высокого давления с полостью гидравлического бака.
Далее линия нагнетания разделяется на две линии, на входах в которые стоят обратные клапаны 13 и 14.
За обратным клапаном 14 и краном 15 на одном общем коллекторе установлены пневмогидроаккумуляторы (ПГА) 16, предназначенные для хранения необходимого запаса рабочей жидкости под давлением. Кран 17 предназначен для стравливания давления из ПГА 16. Установленный в этой же линии электроконтактный манометр 18 обеспечивает отключение электродвигателя насоса при превышении значения настроенного давления выше заданного и включение при понижении давления ниже настроенного значения давления. Далее трубопровод разделяется на три рабочие ветки и через регуляторы давления 19, 20, 21 проходит в линии:
- линию клапана, регулирующего дебет скважины. В данном случае рассматривается угловой дроссельный клапан (УДК);
- линию управления;
- линию стволовой (СЗ) и боковой (БЗ) задвижек.
Контроль давления в этих линиях осуществляется по манометрам 22, 23, 24. Краны шаровые, установленные перед манометрами, используются при техническом обслуживании манометров.
За обратным клапаном 13 и краном 25 на одном общем коллекторе установлены ПГА 26, предназначенные для хранения необходимого запаса рабочей жидкости под давлением. Кран 27 предназначен для стравливания давления из ПГА 26. Установленный в этой же линии электроконтактный манометр 28 обеспечивает отключение электродвигателя насоса при превышении настроенного давления над заданным и включение при понижении ниже заданного настроенного давления. Далее рабочая жидкость через регулятор давления 29 проходит в линию подземного клапана-отсекателя (ПКО). Контроль давления в линии ПКО осуществляется по манометру 30. Кран шаровой, установленный перед манометром, используется при техническом обслуживании манометра.
Блок управления ФА предназначен для управления подачей давления на рабочие органы подключаемых агрегатов.
Рабочее тело, поступая по линии управления после обратного клапана 31, проходит через клапан контроля низкого и высокого давления (далее - ККНВД, на чертеже условно не показан), установленный на рабочей струне, одновременно заполняя магистраль реле давления 32 и плавкой вставки 33.
Реле давления 32 и плавкая вставка 33, установленная на ФА, предназначены для отключения ФА и подачи на пульт диспетчера сигнала при возникновении пожара.
В случае целостности плавкой вставки 33 линия плавкой вставки заполняется и открывается распределитель 34.
При давлении газа в рабочей струне, соответствующем настроенным параметрам, клапан ККНВД открывается и жидкость, проходя через него, открывает распределитель 35. При падении или повышении давления газа в рабочей струне выше заданных параметров ККНВД закрывается и станция закрывает ФА.
После распределителей 34 и 35 рабочая жидкость проходит через нормально открытый распределитель 36 с электромагнитным управлением, предназначенный для дистанционного закрытия ФА.
Далее через аварийную кнопку 37 (распределитель 37) жидкость попадает в линию открытия ФА.
Для обеспечения последовательности открытия ФА в схеме поставлены управляемые обратные клапаны (гидрозамки) 38, 39.
Для открытия подземного клапана-отсекателя необходимо открыть распределитель с ручным управлением 40. При этом рабочее тело открывает и ставит на самопитание распределитель 41, начинается заполнение ПГА 42, после чего открывается распределитель 43. Давление из «линии ПКО» проходит и открывает ПКО, контроль давления - по манометру 44.
После открытия ПКО давление жидкости открывает обратный клапан (гидрозамок) 39.
Для открытия надкоренной задвижки необходимо открыть распределитель 45 с ручным управлением. При этом жидкость открывает и ставит на самопитание распределитель 46, начинается заполнение пневмогидроаккумулятора 47, после чего открывается распределитель 48. Давление жидкости из «линии СЗ» проходит и открывает СЗ, контроль давления - по манометру 49.
После открытия СЗ давление жидкости открывает обратный клапан (гидрозамок) 38.
Для открытия боковой задвижки необходимо открыть распределитель 50 с ручным управлением.
При этом жидкость открывает и ставит на самопитание распределитель 51, после чего открывается распределитель 52. Давление из «линии БЗ» проходит и открывает боковую задвижку. Контроль давления - по манометру 53.
Распределитель 54 предназначен для дистанционного закрытия БЗ.
Угловой дросселирующий клапан управляется дистанционно с помощью распределителя 55.
Закрытие ФА производится в обратном порядке.
Работа блоков 3 и 4 аналогична работе блока 2.
Таким образом, станция открывает фонтанную арматуру (ФА) в последовательности ПКО, СЗ, БЗ, а закрывает в последовательности БЗ, СЗ, ПКО.
Интервал времени между последовательным закрытием БЗ, НЗ и ПКО регулируемый и составляет:
- 10-40 секунд от момента закрытия БЗ до закрытия СЗ;
- 10-40 секунд от момента закрытия НЗ до закрытия ПКО.
Станция подает в блок управления (1 блок на 1 куст скважин), расположенный на расстоянии до 200 м от скважины, следующую информацию при помощи переключающихся контактов, способных коммутировать напряжение постоянного тока:
- открытое или закрытое положение БЗ, контролируемое по датчикам конечных положений;
- открытое или закрытое положение СЗ, контролируемое по датчикам конечных положений;
- закрытое положение УДК, контролируемое по датчику конечного положения;
- открытое или закрытое положение подземного ПКО, контролируемое по наличию или отсутствию давления в линии питания гидропривода ПКО;
- аварийное давление газа в рабочей струне - по падению гидравлического давления на выходе пилотного устройства, установленного после дросселя;
- пожарная тревога - по падению давления в гидросистеме станции вследствие разгерметизации плавкой предохранительной вставки из-за повышения температуры выше расчетной при пожаре;
- уменьшенное гидравлическое давление после насоса в линии пневмогидроаккумуляторов (ПГА).
Станция обеспечивает автоматическое отключение скважины (закрытие БЗ, СЗ и ПКО) в следующих случаях:
- при повышении температуры свыше расчетной в месте расположения плавкой предохранительной пробки в случае пожара;
- при уменьшении или увеличении давления газа в рабочей струне (за дросселем) до установленных значений;
- при разрыве оптоволоконного кабеля, от блока управления к центральному пульту управления по команде с блока управления;
- отклонения от расчетных значений гидравлического давления в линии питания УДК.
Использование предложенного технического решения позволит повысить надежность работы станции управления и упростить ее конструкцию.