鄒萬勤 謝祥恩 劉 敏 張 君 續(xù) 偉 王 瑤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司)

海上油田注聚自動化控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用＊

鄒萬勤 謝祥恩 劉 敏 張 君 續(xù) 偉 王 瑤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司)

為保障海上油田注聚工藝的實施,設(shè)計了注聚自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用橇裝化技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、Darwin控制器技術(shù),以及注聚系統(tǒng)配電與平臺配電既獨立又有機結(jié)合的方式,實現(xiàn)了系統(tǒng)集中、自動、一體化控制功能,具有設(shè)備小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、控制精度高的特點,目前已在渤海SZ36-1、LD10-1、LD5-2、J Z9-3、NB35-2等油田成功應(yīng)用。

海上油田 注聚 自動化控制系統(tǒng)

注聚合物驅(qū)油技術(shù)是油田進入開采中后期廣泛應(yīng)用的三次采油的有效方法之一,是確保油田穩(wěn)產(chǎn)、增效的重要手段。聚合物驅(qū)油技術(shù)目前已在國內(nèi)陸地較多油田推廣,并已進入工業(yè)應(yīng)用階段,但由于該項技術(shù)應(yīng)用需要大量空間和場地,對水、電、吊機等公共資源也有較高要求,因此聚合物驅(qū)油技術(shù)在空間有限的海上采油平臺的應(yīng)用受到了制約,海上注聚的工業(yè)化發(fā)展進程比較緩慢。近年來,為了滿足海上油氣田開發(fā)的需要,通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新,研發(fā)了一套適合于海上油田的注聚工藝[1]及與之配套的自動化控制系統(tǒng)。本文主要對海上油田注聚自動化控制系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用進行總結(jié)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 注聚工藝與控制方式

海上油田注聚工藝采用間歇配注[2]或連續(xù)配注兩種模式,注入方式采用一泵一井或一泵多井。注聚系統(tǒng)由上料系統(tǒng)、分散溶解系統(tǒng)、熟化系統(tǒng)、注入系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)相對獨立,均采用橇裝式結(jié)構(gòu)[3]設(shè)計,便于在海上平臺吊裝、布置。圖1為海上油田注聚基本工藝流程圖。

根據(jù)注聚系統(tǒng)工藝與控制要求,結(jié)合海上采油平臺工藝特點,整個控制系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)和分散控制系統(tǒng)兩種控制方式。PLC控制系統(tǒng)適用于單個海上采油平臺、注入井?dāng)?shù)量少的可移動式中小型橇裝式注聚系統(tǒng);而分散控制系統(tǒng)適用于化學(xué)驅(qū)各系統(tǒng)分散在多個海上采油平臺、注入井?dāng)?shù)量多、平臺空間大的固定式大中型化學(xué)驅(qū)設(shè)備。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)與措施

(1)采用集成橇裝式中央控制室實現(xiàn)中控功能

針對海上采油平臺空間有限的特點,整個注聚自動化控制系統(tǒng)除現(xiàn)場儀器儀表外,都集成在一個橇裝的集裝箱內(nèi),用它作為注聚系統(tǒng)的中央控制室。在海上生產(chǎn)、作業(yè)要求移位時,可快速移位,系統(tǒng)恢復(fù)時間短。

圖1 海上油田注聚基本工藝流程圖[1]

集成橇裝式中央控制室不僅做了防火、防凍、防腐蝕等特殊處理,還設(shè)置了可燃氣探測、火災(zāi)自動報警裝置等消防措施,并為正壓防爆型結(jié)構(gòu),所以該控制室可在海上采油平臺井口區(qū)、油氣處理區(qū)、公共設(shè)施區(qū)、動力和其它輔助設(shè)備區(qū)等Ⅰ類、Ⅱ類危險區(qū)域和安全區(qū)域布置、吊裝及移動使用。

集成橇裝式中央控制室內(nèi)部設(shè)計為三室結(jié)構(gòu),三室為機柜室、操作室、緩沖室;整個控制室占地面積6～9m2,結(jié)構(gòu)小巧、緊湊,很方便在海上采油井口平臺布置。

橇內(nèi)控制系統(tǒng)的機柜及操作臺按照人體工程學(xué)原理設(shè)計,采用立式控制柜,整體結(jié)構(gòu)緊湊,布置單元化,布線少,并采用防塵、散熱和抗干擾設(shè)計;同時還設(shè)計了各種電氣線路的連接接口,使控制系統(tǒng)線路便于鋪設(shè)和連接。

(2)采用組態(tài)技術(shù)實現(xiàn)集中監(jiān)控功能

注聚下位機編程設(shè)計使注聚設(shè)備的各種工藝參數(shù)能夠得到有效采集和控制,也使得注聚作業(yè)過程實現(xiàn)了邏輯控制的自動化。但是,下位機控制環(huán)境界面并不友好,一條條控制指令使得現(xiàn)場人員不便觀察和監(jiān)控注聚工藝流程;所以,開發(fā)出了具有良好人機對話環(huán)境的組態(tài)監(jiān)控程序,從而實現(xiàn)了智能化的管理模式,操作也簡捷方便。

在組態(tài)監(jiān)控軟件里[4],通過程序的編寫,完成注聚系統(tǒng)的圖形界面設(shè)計、設(shè)備的定義、數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造、動畫連接的建立、運行和調(diào)試等,從而完成了注聚控制系統(tǒng)的組態(tài)工程設(shè)計。

在組態(tài)好了的注聚流程監(jiān)控界面里,工作人員能很容易監(jiān)測整個注聚系統(tǒng)的實時工作狀態(tài)、工藝參數(shù)的變化、實時和歷史數(shù)據(jù)記錄、系統(tǒng)報警情況,操作性好。海上油田注聚流程監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 海上油田注聚流程監(jiān)控界面(以SZ36-1A油田為例)

(3)采用PLC控制技術(shù)實現(xiàn)注聚系統(tǒng)全自動控制

海上油田注聚自動化控制系統(tǒng)使用西門子SIMATIC S7-300系列控制器[5];該控制器向用戶提供具有前瞻性和最優(yōu)可靠的解決方案。它具有通用性和特別豐富的CPU及模塊種類,高性能、模塊化設(shè)計、緊湊型模塊,非常適用于注聚控制系統(tǒng)中。

在注聚系統(tǒng)工作時,程序自動啟動配液程序, PLC控制軟件檢測熟化罐液位。當(dāng)熟化罐液位處于系統(tǒng)設(shè)定的低液位時,熟化罐進口閥自動打開,閥門開到位后將信號傳遞給鼓風(fēng)機,鼓風(fēng)機啟動后在預(yù)定時間開水,水達到設(shè)定流量后給料,水和聚合物料在水粉混合頭混合進溶解罐,溶解罐液位淹沒攪拌器葉片時攪拌器自動啟動;當(dāng)溶解罐液位達到設(shè)定的高液位時,輸送螺桿泵自動啟動送液至熟化罐。隨著配液的進行,溶解罐液位不斷降低。當(dāng)溶解罐液位降低到低液位時,輸送螺桿泵自動停泵;當(dāng)溶解罐液位升高到高液位時,自動啟動輸送螺桿泵。如此反復(fù),直到其中一個熟化罐配液完成(到熟化罐高液位),熟化罐進口閥自動關(guān)閉,給料機停機,水至溶解罐高液位時配液供水調(diào)節(jié)閥自動關(guān)閉(配液供水電磁閥與溶解罐高限開關(guān)聯(lián)鎖),預(yù)定時間后停鼓風(fēng)機,配液自控流程完成。

一個熟化罐配液完成后,按照以上程序進行下一罐的配液,同時已配完液的熟化罐進入熟化階段,熟化時間為系統(tǒng)設(shè)定。熟化完成后啟動注入程序,程序根據(jù)熟化時間和熟化罐液位滿足系統(tǒng)設(shè)定后自動開啟熟化罐出口閥,閥門開到位后變頻器控制喂入泵和注入泵啟動,進入注入流程。注入時,按設(shè)計的注入量調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)器(電動、手動),按電磁流量計示值及設(shè)定的注入濃度,水閥組的自動混配比閥自動調(diào)節(jié)高壓水量。當(dāng)熟化罐液位到低液位時,切換熟化罐注入,而打空的熟化罐進行配液。如此循環(huán),完成整個作業(yè)流程。

以上整個注聚過程都是在基于 PLC控制技術(shù)開發(fā)出的控制程序下完成的。采用PLC控制技術(shù),實現(xiàn)了注聚的邏輯控制功能,以及流量計量和數(shù)據(jù)采集,壓力、液位計量和數(shù)據(jù)采集,閥門自動控制,變頻器控制,注聚系統(tǒng)的集中控制、顯示和數(shù)據(jù)的記錄、查詢等功能。

(4)采用Darwin控制器技術(shù)實現(xiàn)電氣自動化

Darwin控制器由 MSC緊湊型馬達啟動器、PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)、SWIRE-DIL接觸器模塊、數(shù)據(jù)連接線、24VDC電源模塊等組成,它為馬達啟動器和自動化設(shè)備的連接設(shè)計了專門的數(shù)據(jù)連接線和插頭,取代了自動化I/O模塊與開關(guān)設(shè)備間的傳統(tǒng)接線,大幅度地簡化了控制柜內(nèi)的繁雜接線。采用Darwin控制器技術(shù),實現(xiàn)了注聚控制系統(tǒng)的控制、開關(guān)、保護和HMI操作等功能,提高了注聚自動化程度,使整個注聚自動化控制系統(tǒng)配置更加合理、優(yōu)化,同時也減少了系統(tǒng)在平臺上的占地空間。

(5)采用注聚系統(tǒng)配電與平臺配電既獨立又有機結(jié)合的方式實現(xiàn)注聚電氣系統(tǒng)平臺一體化管理

注聚系統(tǒng)中的所有用電均來自海上采油平臺的供電系統(tǒng),系統(tǒng)配電和控制在注聚控制系統(tǒng)中完成。結(jié)合平臺開關(guān)間低壓供電的形式和配電情況,注聚系統(tǒng)配電采用配電回路自成系統(tǒng)又與平臺配電有機結(jié)合的方式?；芈吩O(shè)置照明電源回路、溶熟電源回路、高壓注入系統(tǒng)電源回路;注聚系統(tǒng)的罐體、流程管匯保溫所用的電伴熱均采用漏電保護,統(tǒng)一接入海上平臺電伴熱系統(tǒng)。同時,在注聚系統(tǒng)規(guī)模較大(用電負荷一般在幾百千瓦以上),平臺低壓配電不能滿足注聚系統(tǒng)要求時,可利用所設(shè)置的注聚專用電網(wǎng)回路,通過變電裝置將高壓電變成低壓進行集中配電和管理。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

自主研制開發(fā)的海上油田注聚自動化控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、易于擴展、便于維護、操作簡單、實時性好、自動化程度高等特點,能夠使聚合物溶解徹底、不產(chǎn)生魚眼、粘度保留率高,可以滿足海上油田注聚工藝技術(shù)的應(yīng)用要求,目前已在渤海SZ36-1、LD10-1、LD5-2、J Z9-3和NB35-2等油田成功應(yīng)用。隨著聚合物驅(qū)油技術(shù)在海上油田的深入推廣,對聚合物裝置控制系統(tǒng)的要求也越來越高,也將使注聚自動化控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中不斷得到改進、完善和升級。

3 結(jié)束語

海上油田注聚自動化控制系統(tǒng)采用橇裝化設(shè)計,結(jié)構(gòu)輕巧、布置緊湊、設(shè)計合理、功能齊全,適應(yīng)于海上平臺作業(yè)條件,可實現(xiàn)設(shè)備的重復(fù)利用。該系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用,為海上聚驅(qū)工藝技術(shù)發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支持,實現(xiàn)了注聚工藝參數(shù)的在線監(jiān)測和有效控制,滿足了三次采油聚合物驅(qū)技術(shù)在海洋石油領(lǐng)域的應(yīng)用,對海上油田提高采收率和海上油田的長期穩(wěn)產(chǎn)具有積極作用。

[1] 劉敏,鄒明華,吳華曉,等.海上油田聚合物驅(qū)平臺配注工藝技術(shù)[J].中國海上油氣,2010,22(4):259-261.

[2] 申秀麗,劉勤,李環(huán).聚合物配注工藝的應(yīng)用和改進[J].石油礦場機械,2004,33(S1):111-114.

[3] 于新哉,余澤華,鄭波.橇裝式模塊化注聚合物站的設(shè)計[J].石油機械,2003,31(2):47-49,62.

[4] 何新軍,張明贊,基于組態(tài)王的污水處理系統(tǒng)通訊設(shè)計[J].化工自動化及儀表,2004,31(5):38-40.

[5] 吳東升,李彬.基于西門子S7-300PLC的焊管生產(chǎn)線活套控制系統(tǒng)[J].焊管,2009,32(6):49-53.

(編輯:孫豐成)

Abstract:The automatic polymer injecting control system was designed to improve offshore polymer injecting technique.This system is designed with the techniques of skid,configuration,PLC control, Darwin controller and polymer-injecting system electric distribution independent-combined platform electric distribution.The integration and automation of the system are realized with small size,compact conformation and high degree of accuracy.This system have been applied in the oilfields SZ36-1,LD10-1,LD5-2, JZ9-3and NB35-2in Bohai Sea.

Key words:offshore oilfield;polymer injecting;automatic control system

Design and application of offshore oilfield automatic polymer injecting control system

Zou Wanqin Xie Xiang’en Liu Min Zhang Jun Xu Wei Wang Yao
(CNOOC Energy Technology&Services-Oilf ield Technology Services Co.,Tianjin,300452)

2010-05-21 改回日期:2010-07-02

＊國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(編號:2008ZX05057)部分研究成果。

鄒萬勤,男,工程師,2004年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院測控技術(shù)與儀器專業(yè),目前主要從事海洋石油三次采油裝備的開發(fā)設(shè)計工作。地址:天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號港建2號樓(郵編:300452)。