李曼平，王春亮，丁 鹏，马永刚

（1.长庆采油五厂工艺所，陕西西安 71000；2.大港油田第四采油厂（滩海开发公司），天津 300280；3.渤海石油装备制造有限公司，天津 300280；4.上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518）

0 引言

近些年随着西南油田、新疆塔里木油田在天然气、页岩气方面开采的技术升级，钻井井深大多数在6000 m 以上，部分井深可达8000 m 以上。另一方面页岩气开采对压力技术的依赖性，对井控类配套设备技术方面大幅提高。井控设备中，如防喷器、采气井口、热采井口、井口套管头、井口采油（气）树、采气阀门等需求，配套设备通径越来越大，工作压力越来越高，对设备生产企业的出厂测试和监督检验机构的测试系统提出更高的要求，需要配套高质量、高规格、大参数覆盖的测试系统设备，对此类产品的型式试验、出厂试验、第三方检测服务提供有力的设备技术保障。本采油（气）井口类设备气密封测试系统方案，比较全面地介绍了此类气密封测试系统的建造技术方案，主要解决井控类产品相关的所有气密封试验，为高质量生产制造提供支撑。

1 系统设计原则

先进性与实用性：整个装置设计要有一定的前瞻性，在装置建成的5～10 年中，工作量的增加应不导致对装置的重大调整。统一规划，厉行节约。基地建设和厂房建设统一规划、衔接有序，充分利用试验中心其他可共用工程及辅助设施，试验设备单元采用模块化设计进行建设，避免功能重复。提高自动化控制水平和试验效率。

（1）开放性与标准化：整个设备采用模块化结构设计，易于重组和扩充。

（2）可扩充与可延展性：随着应用水平的提高，对设备的要求也会不断提高，设备结构具有良好的可扩充与可延展性，能够适应技术发展的要求。

（3）可靠性与可维护性：系统设计不仅要考虑技术先进性及开放性，同时应从系统结构、技术措施、设备性能、装置管理、厂商技术支持及维修能力等方面着手，确保系统运行的可靠性和稳定性，达到最大的平均无故障时间。

（4）安全性与易用性：严格按HSE 国家安全环保标准及相关文件要求，设备的安全措施不影响易用性，试验井筒和基建施工单位有设计及施工资质。

2 系统设备组成

为满足API6A 及GB/T 22513—2013 标准对井口装置、采油树、阀门、管汇应进行气密封试验的要求，特筹建210 MPa 气密封试验系统，采用氮气为试验介质。系统由低压气源及净化系统、高压氮气源及净化处理系统、增压系统、计算机控制系统及视频监控系统五个系统组成。

气密封测试系统主要由以下设备组成：①低压气站，提供1 MPa压缩空气，用于驱动系统内部的增压泵与高压气控阀门；②制氮机组，提供测试介质纯净氮气；③中压气站，对制氮机产生的氮气进行增压，达到35 MPa，作为试验用中压气体；④二次增压系统；⑤集中控制系统；⑥监控系统（图1）。

图1 测试系统流程

3 系统技术方案

测试系统技术指标：试验介质，99.9%氮气；试验压力，35～210 MPa（可调）、0～35 MPa（可调）；系统流量，制氮机组0.6 MPa、2 Nm3/min，中压气站35 MPa、2 Nm3/min；二次增压系统，210 MPa、1 Nm3/min；系统总功率，140 kW。

低压气站为整套试验系统提供纯净的低压气源，给气体增压泵提供动力源，控制增压泵的压力和流量，以及控制所有高压气动截止阀的开关。空气后处理系统由冷冻式干燥机、三级过滤器、储气罐等组成。制氮机组包括螺杆式空压机、空气储气罐、冷冻式干燥机、三级过滤及配套的阀门管件、PSA（Pressure Swing Adsorption，变压吸附）制氮机及氮气储气罐组成。生产能力120 Nm3/h，出口压力0.5～0.6 MPa，氮气纯度99.9%。中压气站为试验系统提供35 MPa 中压氮气，由氮气压缩机、过滤净化装置、高压气瓶组、高压安全阀、压力仪表及高压管路阀门管件等组成（图2）。氮气压力35 MPa，压缩机处理气量2000 L/min。

图2 中压气站流程

二次增压系统是将高压气瓶组内的高压氮气进行二次增压，达到试验所需压力，为井口装置的高压气密性试验提供高压介质。高压气站由气动增压泵、驱动气路、预增气路、高压阀门管路、仪表、机柜及现场紧急手动泄压柜等组成。

4 测控系统

测量控制系统主要用来对现场的设备进行远程控制，并通过测试软件自动完成试验过程，包括低压空压机、制氮机、氮气压缩机等设备的启停控制，以及各级压力的实时采集（图3）。

图3 测控系统流程

目前工业自动化领域PLC 控制数据采集系统应用最为广泛，与微型计算机相比有明显优势，数据处理功能强大，在较为恶劣的工业环境中运行更适合。由于编程指令模块化功能，能够解决就地编程、监控、通信等问题。西门子工控产品在工控领域的占有率较高，本系统采用的S7-200 系列PLC 体积小、编程简单、数据处理功能强、软硬件设计合理、抗干扰能力强、指令系统丰富，还可同PC 机进行通信，使用灵活方便等特点，在西门子工控领域应用中占比非常高。由它组成的系统可以与强大的ProfiBUS 现场总线相连接，在各行各业应用广泛。

该测控系统是以西门子S7-200 PLC 控制器为核心的压力控制系统，包括压力传感器、电气比例阀、电磁阀、操作按钮、状态显示和上位计算机等。上位机测试软件采用基于Windows XP 下的Labview8.5＋Access2003 开发，功能包括试验参数信息管理、产品信息管理、试验监控、报表管理等。软件监视画面可以实时动态显示试验过程的各个试验参数，如试验压力、试验时间、保压时间、试验级数等，试验软件还分配各种权限，对各种权限用户进行管理（图4）。

图4 测试界面

5 监控系统

气密封试验视频监控系统主要加强试验站的出入通道和试验区域的监控，实现试验基地办公区的出入通道无监控盲区，监控系统可以将试验系统区域每时每刻人员活动、试验过程、设备工作状态情况以图像和视频的方式实时记录下来，用以规范和监督试验安全。

监控系统由前端设备、主控设备、传输设备和显示设备组成：①前端设备包含摄像机、镜头、云台、防护罩、支架等，负责图像和数据的采集及信号处理；②主控设备主要完成前端视频信号进行压缩处理、图像切换等功能控制；③传输设备包含信号线缆，负责将视频信号传输到机房的主控设备；④显示设备（显示器）实时显示系统操作界面、监控区域图像，并可以及时回放存储的资料。

6 应用结论

测试系统作为国家产品质量检验测试中心井控类产品型式试验、测试评定、产品第三方检测，在确定总体方案前期为确保试验介质安全性，对制氮系统配置方案多次讨论细化，确保分离氮气浓度高达99.5%以上。中高压气密封测试系统通过计算机程序设定，远程控制试验过程，如升压→稳压→降压→再次升压→稳压→降压等过程，测试数据及曲线自动存储。测试过程在密闭的地下水池进行，利用视频监控系统对其试验过程及状态密闭监控。本测试系统的应用为相关企业产品型式试验、产品改进升级、超高压测试给予有力保障。测试系统建成5 年以来，为国内相关企业产品进行型式试验检定百余次，为第三方产品性能检测百余次；在此期间对测试系统控制软件做了部分调整，并通过传感器及其他测量仪器的升级大大提高测量精度及测试速度。整个气密封测试系统方案完全可以满足目前国内井控类产品的测试要求，已得到试验验证。