压缩空气替代瓶装氮气作执行气源可行性分析
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摘要：在天然气生产现场，随着信息化、数字化技术的应用，无人值守、远程数据采集和生产监控成为气田高效开采的主要工艺。在单井生产场站，井口安全控制系统具有远程关井、紧急情况下的自动关井等功能，是气井安全生产管理的重要设备。目前，多数井口安全控制系统采用的执行气源为瓶装氮气，瓶装氮气具有无毒害、更换方便等优点，因此在现场被广为采用。但使用瓶装氮气存在储运、更换、安装不便，且所产生的费用成本较高。针对GST气田井口安全控制系统现场应用情况，探讨在现场充装压缩空气替代瓶装氮气作为系统执行气源，在单井生产现场实施，从经济性、安全性等方面分析，为气田高效开发提供一种较为经济、便捷、安全的方法。
关键词：压缩空气;瓶装氮气;井安系统;自动控制系统
中图分类号：TQ461
文献标识码：A
DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.002
GST气田现有单井生产场站35座，其中32座单井井口安装了井口安全自动控制系统，系统包含井下安全阀、气驱动液压井口主控阀、井口安全截断阀，其执行气源均采用瓶装氮气。为了确保控制系统正常运行，驱动气源压力不能低于2.0 MPa。瓶装氮气充气压力12.0 MPa，在使用过程中，驱动自控系统执行机构会消耗一定的气量，气瓶压力逐渐下降，当气瓶压力接近2.0 MPa时，需要及时更换新充装的气瓶，以确保井安系统动作的可靠性。由于气田单井远离氮气充装厂家、拉运距离远、单井分布点多面广，且因氮气消耗量不相同导致更换时间不一致等，气田每年用在氮气购买、转运上、更换安装上消耗的费用成本极大。
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GST气田井安系统使用现状
1.1 井口安全控制系统主要功能及更换原因
GST气田开发采取单井无人值守、集气站集中分离计量、远程监控方式进行生产。单井井口采用成都中寰流体控制设备股份有限公司提供的井口安全控制系统。该系统具有在井口及集气支线超压、火灾等紧急情况下进行自动关井功能，也可进行远程关井操作。其执行气源为瓶装氮气，现场配置15 MPa/40 L氮气瓶6个（5用1备）。由于执行机构动作及连接接头漏失等因素影响，气瓶储气量会逐渐下降，由于现场不具备高压氮气充装条件，需根据压力情况不定期对气瓶进行更换，平均单井更换周期为15 d左右。
1.2 氮气消耗及费用情况
2018年，GST气田32口单井共使用氮气785瓶，由于该气田单井均处于分散状态，远离氮气充装企业，主要更换流程为先向氮气生产企业购买，再分次整车拉运至作业区库房存放，再根据需要转运至单井井口进行更换。除氮气购买成本外，气瓶转运成本较高，核算如下：①单车拉运气瓶每次40瓶，运行距离140 km（氮气生产企业至作业距离），全年共拉运20车/次，单次运输费用1 500元，需要费用1500x20-30 000元;②作业区至单井井口平均距离约40 km，全年安排车辆转运更换140车/次，单次运输费用500元，需要费用500x140=70 000兀;③氮气购买785瓶，每瓶50元，购买成本为50x785=39 250元;④人工成本方面，转运、更换安装均为本企业职工，因此仅计算增加的差旅费用。
据财务统计，2018年全年用于该项工作所支付差旅费用36 000元。以上四项费用合计为30 000+70 000+39 250+36000=175 250元，均摊至各单井，则单井费用为175 250÷32=5476.56元。
2 可行性分析
2.1 替换措施
GST气田开发采用的是中心站集中管理模式，各单井井口产气通过集气支线输往中心站，中心站对单井来气进行分离、计量后再输往处理厂进行脱水、脱硫处理，虽现场工艺自动化程度较高，但对于无人值守站，中心站每周仍需安排两名员工对各单井进行至少一次现场巡检，中心站配备有巡检车辆。如果利用中心站每周现场巡检工作制度，在单井巡检时对压力不足的气瓶现场充装压缩空气，替换原厂家配置的氮气气源，对气瓶及时进行气源补充，能极大地降低生产成本费用。即利用中心站配备的正压式空气呼吸器充气泵，对使用后的低压气瓶进行现场充装压缩空气，取代原有的更换氮气瓶方式。以达到提高工作效率、降低生产成本的目的。
2.2 替换的可行性
2.2.1 设备使用的符合性
参阅生产厂家产品使用说明書，该井口安全截断装置系统在使用过程中，采用压缩空气作为执行气源符合产品使用要求。
2.2.2 设备对气源的适应性
井下安全阀、采气树4号主控阀为液压控制，但其动力源仍为压缩气体。气液能量转换装置使用说明明确可以采用压缩空气，因此，以压缩空气替代压缩氮气不会对液压传动系统产生不良影响。
2.2.3 充装设备的安全性
氮气瓶采用钢质材料，执行GB/T5099-1994标准，换装相同压力的压缩空气，不会对气瓶形成危害。
2.2.4 实施条件
该气田各单井生产场站均安装有备用电源，无需对现有场站设备设施进行改动，只需按压力等采购加注连接软管即可实施。
2.2.5 设备风险管控
如果采用现有的中心站配备的压式空气呼吸器充气泵，该泵原配有非防爆电机，可通过加长电缆和管线长度，在门外非防火区域进行充装，也可考虑更换为防爆电机;现有充气泵最高充气压力40 MPa，其泵出口安装有安全泄压阀，可将安全阀开启压力设置在安全范围内;充气泵充气管路连接阀门具有带压自锁功能，能确保充气管路安全泄压。
2.2.6 操作风险管控
采用正压式空气呼吸器充气泵进行气瓶充装，涉及机泵操作和压力容器操作，前者需对操作人员进行培训，后者需要具有压力容器操作资质。
因采气工均具有相关压力容器操作资质，因此，只需要对充装泵的操作进行培训即可。在风险管控上，为了确保安全，将该项操作作为关键操作进行管理，编写关键操作卡并组织操作人员进行现场验证通过;操作时由一人操作一人监护，以确保操作过程安全。
3 实施情况
3.1 设备准备
利用中心站现有正压式空气呼吸器充气泵能满足要求，可实现一泵两用，不用另外采购;采购专用高压加注软管两根，PN35/DN15，长度20m，用于连接氮气瓶与充气泵。
3.2 现场实施
自2019-02起，GST气田集气中心站利用配备的值班巡检车辆，随车携带充气泵，在每周例行巡检时，对单井生产现场压力不足的气瓶，及时进行补充充装。由于无需另行安排车辆拉运氮气瓶，也无需安排人员更换，因此时效性和经济性均得到体现。
3.3 预期效果
由于以往氮气瓶更换周期一般在半月左右，中心站巡检周期为每周一次，因此采取以现场充装压缩空气替代瓶装氮气的方式，不会对生产造成影响，作业区也无需再进行瓶装氮气的采购、储运、更换等工作，全年可节约生产成本达170 000元以上，经济效益明显。
4 结论和建议
在采气生产现场，对于采用瓶装氮气作为自控系统执行气源的设备，如果使用地点分散、远离氮气生产企业、转运安装频繁的，则可根据经济成本，测算采用现场充装压缩空气替代瓶装氮气的可行性。采用现场充装压缩空气替代瓶装氮气，相关设备、设施应符合安全管理要求。实施前，应对操作人员进行必要的培训，提前制订好相关操作规程，且操作人员需先取得压力容器操作资质证书。
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