屈少林，安健辰，楊建義，李艷慧，張揚(yáng)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司,天津300452)

灘海油田人工島井口控制盤(pán)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

屈少林，安健辰，楊建義，李艷慧，張揚(yáng)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司,天津300452)

針對(duì)灘海油田人工島井口控制盤(pán)進(jìn)行研究并與海上平臺(tái)同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比分析，該系統(tǒng)主要以遠(yuǎn)程終端單元(RTU)為控制核心，主系統(tǒng)采用液壓控制模式，系統(tǒng)由公用主系統(tǒng)、單井模塊、RTU及聲光報(bào)警控制系統(tǒng)及易熔塞/緊急關(guān)斷系統(tǒng)組成，并對(duì)系統(tǒng)組成部分做了詳細(xì)介紹和說(shuō)明。為便于后期井口控制盤(pán)的生產(chǎn)維護(hù)，參照海上石油平臺(tái)常規(guī)井口控制盤(pán)設(shè)計(jì)，部分產(chǎn)品可設(shè)計(jì)為抽屜式結(jié)構(gòu)，并形成為3～8井的標(biāo)準(zhǔn)系列化產(chǎn)品。

灘海油田 人工島 井口控制盤(pán) 安全控制系統(tǒng)

灘淺海油氣資源蘊(yùn)藏量豐富，中國(guó)淺海石油總資源量約2.4×1010t，天然氣資源量達(dá)1.4×1013m3[1-2]。其中，渤海灘淺海地區(qū)是國(guó)內(nèi)灘淺海油田開(kāi)發(fā)歷史最長(zhǎng)、數(shù)量相對(duì)較多的地區(qū)，擁有豐富的油氣資源。中石油所屬遼河、冀東、大港以及中石化所屬勝利等油田均在該區(qū)域進(jìn)行油氣勘探開(kāi)發(fā)[3]。

安全控制是石油行業(yè)一項(xiàng)極其重要的技術(shù)，隨著灘海油田人工島大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)，受到人工島自身地理?xiàng)l件及油氣集中開(kāi)發(fā)特點(diǎn)的影響，安全問(wèn)題日益突出[4]，對(duì)井口安全控制系統(tǒng)提出了更高的要求，井口控制盤(pán)作為油田安全控制系統(tǒng)的重要組成部分[5 -7]，不僅在海洋平臺(tái)得到規(guī)模應(yīng)用，也在灘海油氣田開(kāi)發(fā)中發(fā)揮重要作用。本文以冀東南堡油田井口控制盤(pán)為例，介紹了灘海油田人工島井口安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并與海上平臺(tái)井口控制盤(pán)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 人工島井口控制盤(pán)

1.1 冀東油田概況

冀東油田人工島位于河北省唐山市南部海域，曹妃甸新區(qū)西側(cè)淺灘，各島水深差異較大，灘面高程5m左右不等，相繼建造了數(shù)個(gè)南堡人工島[8]，采用 “人工島+海底管線”的開(kāi)發(fā)模式，產(chǎn)出液匯合后通過(guò)海底管線登陸上岸處理[9]。

1.2 人工島井口控制盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

井口控制盤(pán)是海上油氣田生產(chǎn)中的重要設(shè)備，用于控制采油樹(shù)的地面主閥(MSSV)、翼閥(WSSV)、井下安全閥(SCSSV)和電潛泵等設(shè)施，根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)信號(hào)控制井口設(shè)施順序關(guān)停，以保證海上平臺(tái)或裝置處于安全狀態(tài)的就地控制裝置。目前冀東南堡油田人工島井口控制盤(pán)主要采用以遠(yuǎn)程終端單元(RTU)為核心的液壓控制模式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為40MPa，控制井?dāng)?shù)為3～8口井，可以形成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。因而與海上石油平臺(tái)井口控制盤(pán)相比，存在一些異同。

1.2.1 人工島井口控制盤(pán)系統(tǒng)組成

冀東井口控制盤(pán)主要分為公用主系統(tǒng)、單井模塊、RTU及聲光報(bào)警控制系統(tǒng)及易熔塞/緊急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)。公用主系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)、馬達(dá)控制箱、液壓油箱、蓄能器單元、低壓控制單元組成，通過(guò)公用主系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力及邏輯控制，能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有井進(jìn)行控制。通過(guò)單井模塊電磁閥，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每口井的本地及遠(yuǎn)程4級(jí)關(guān)斷。井口區(qū)易熔塞及ESD關(guān)斷站系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)或者緊急情況對(duì)油井的生產(chǎn)關(guān)斷。典型冀東人工島井口控制盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型冀東人工島井口控制盤(pán)結(jié)構(gòu)示意

1.2.2 液壓系統(tǒng)及馬達(dá)控制箱

海上平臺(tái)具有儀表氣，液壓泵一般選用氣動(dòng)往復(fù)泵較多。冀東人工島提供了380V(AC)電源，因而井口控制盤(pán)選用電動(dòng)液壓泵，液壓泵選用徑向柱塞泵，設(shè)計(jì)輸出壓力為40MPa，排量要求在10 min內(nèi)能夠使整個(gè)蓄能器系統(tǒng)從預(yù)充壓力升到控制系統(tǒng)的最大工作壓力，電機(jī)選用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)功率根據(jù)泵的排量和壓力要求進(jìn)行選型，泵的驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算如下：

(1)

式中：PKW——泵的驅(qū)動(dòng)功率，kW；p——泵的輸出壓力，MPa；qV——泵的流量，L/min；η——泵的總效率，約0.80～0.85。

根據(jù)式(1)，最終選用的電機(jī)考慮到功率因素，應(yīng)不小于PKW的計(jì)算結(jié)果。

電動(dòng)液壓泵和1個(gè)手動(dòng)泵為液壓系統(tǒng)的增壓設(shè)備，手動(dòng)泵作為特殊情況備用，為采油樹(shù)安全閥執(zhí)行器和低壓控制系統(tǒng)提供壓力。電動(dòng)液壓泵液壓輸出分為兩路，一路為高壓端，調(diào)節(jié)輸出壓力為30MPa左右，為采油樹(shù)安全閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力，液壓輸出端設(shè)有蓄能器，用于補(bǔ)償系統(tǒng)的微量泄漏和緩沖電動(dòng)泵運(yùn)行時(shí)對(duì)液控系統(tǒng)的沖擊，減少電動(dòng)泵頻繁啟動(dòng)。另一路為低壓控制單元，調(diào)節(jié)輸出壓力為0.5MPa左右，為單井模塊及易熔塞、ESD關(guān)斷站提供壓力，根據(jù)邏輯控制，確保安全閥的順序開(kāi)啟和關(guān)斷。

馬達(dá)控制箱可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的自動(dòng)和手動(dòng)控制。通過(guò)電動(dòng)液壓泵液壓輸出端的壓力信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)泵的自動(dòng)控制，電動(dòng)液壓泵通過(guò)馬達(dá)控制箱內(nèi)壓力開(kāi)關(guān)來(lái)控制，啟泵壓力設(shè)定點(diǎn)為27MPa，停泵壓力為31MPa。馬達(dá)控制箱控制開(kāi)關(guān)有3個(gè)位置狀態(tài)： 自動(dòng)、停止、手動(dòng)，井口控制盤(pán)正常工作時(shí)在自動(dòng)的位置上，當(dāng)壓力降低到27MPa以下時(shí)泵自動(dòng)啟動(dòng)為系統(tǒng)補(bǔ)充壓力，壓力升高到31MPa或者油箱液位低報(bào)警時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)自動(dòng)關(guān)斷。

1.2.3 RTU及聲光報(bào)警控制系統(tǒng)

人工島井口控制盤(pán)主要以RTU為控制核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及處理和傳輸。RTU是一種針對(duì)通信距離較長(zhǎng)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣而設(shè)計(jì)的嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它將末端檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，具有數(shù)據(jù)采集、控制和通信功能，能接收遠(yuǎn)程主計(jì)算機(jī)的操作指令，控制末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的功能，通常由信號(hào)輸入/輸出模塊、微處理器、有線/無(wú)線通信設(shè)備、電源及外殼等組成。人工島井口控制盤(pán)內(nèi)置接線箱，將采油樹(shù)安全閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)、系統(tǒng)控制壓力、液壓油油位等相關(guān)模擬和狀態(tài)信號(hào)通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)或變送器先傳至RTU，RTU通過(guò)RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口與中心控制室相連，信號(hào)最終上傳到中心控制室。中心控制室可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程緊急關(guān)斷控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)單井和所有采油樹(shù)安全閥的遠(yuǎn)程關(guān)斷，或者通過(guò)RTU進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)斷，兩種關(guān)斷方式，互為備用。在通信線路故障后，RTU可轉(zhuǎn)換為手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

斷電聲光報(bào)警控制系統(tǒng)如圖2所示： 在主供電電源異常斷電后，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，同時(shí)將斷電信息上傳到中心控制室。在異常斷電后12 h內(nèi)，通過(guò)不間斷電源UPS給RTU供電，使油井不會(huì)因?yàn)楫惓嚯妼?dǎo)致生產(chǎn)關(guān)斷。

圖2 聲光報(bào)警控制系統(tǒng)示意

2 對(duì)比海上常規(guī)井口控制盤(pán)設(shè)計(jì)差異

人工島油田開(kāi)發(fā)受到開(kāi)發(fā)海域及島體的影響較

大，與陸地油田相比，環(huán)境比較惡劣。但相比海上石油平臺(tái)有一定優(yōu)勢(shì)： 作業(yè)空間較為富裕，受氣候影響小，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，這也導(dǎo)致了在開(kāi)發(fā)模式和安全控制方面與海上石油平臺(tái)存在一些差異。

海上石油平臺(tái)井口控制盤(pán)主要以DCS為控制核心，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中控制，設(shè)計(jì)壓力覆蓋40，69，103MPa 3個(gè)等級(jí)，由于平臺(tái)空間限制，采油樹(shù)井為叢式布局，井口控制盤(pán)也相應(yīng)為多井模塊式設(shè)計(jì)，單井模塊數(shù)量一般為20井左右，同時(shí)由于油藏地質(zhì)和采油樹(shù)安全閥設(shè)計(jì)的差異，井口控制盤(pán)原理不盡相同，因而海上石油平臺(tái)井口控制盤(pán)基本為非標(biāo)產(chǎn)品。

人工島作業(yè)空間相對(duì)富裕，采油樹(shù)按照3～8個(gè)固定1組布局，每個(gè)人工島可實(shí)現(xiàn)多組布局，且采油樹(shù)安全閥技術(shù)參數(shù)相對(duì)固定，同時(shí)為便于后期井口控制盤(pán)的生產(chǎn)及維護(hù)，可借鑒參照海上石油平臺(tái)常規(guī)井口控制盤(pán)設(shè)計(jì)，部分產(chǎn)品可設(shè)計(jì)為抽屜式結(jié)構(gòu)，并形成為3～8井的標(biāo)準(zhǔn)系列化產(chǎn)品。

綜上所述，綜合分析兩類(lèi)井口控制盤(pán)的設(shè)計(jì)方案對(duì)比見(jiàn)表1所列。

表1 兩類(lèi)井口控制盤(pán)設(shè)計(jì)方案對(duì)比

3 結(jié) 論

1) 國(guó)內(nèi)灘海油田人工島井口控制盤(pán)，主要由公用主系統(tǒng)、單井模塊、RTU及聲光報(bào)警控制系統(tǒng)及易熔塞/ESD組成。公用主系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)、馬達(dá)控制箱、液壓油箱、蓄能器單元、低壓控制單元組成，通過(guò)公用主系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力及邏輯控制，能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有井進(jìn)行控制。

2) 灘海油田人工島井口控制盤(pán)選用電動(dòng)液壓泵，液壓泵選用徑向柱塞泵，設(shè)計(jì)輸出壓力為40MPa。電動(dòng)液壓泵通過(guò)馬達(dá)控制箱內(nèi)壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)泵的自動(dòng)控制，啟泵壓力設(shè)定點(diǎn)為27MPa，停泵壓力為31MPa。

3) 人工島井口控制盤(pán)主要采用以RTU為核心的液壓控制模式，與海上石油平臺(tái)井口控制盤(pán)主要以DCS為控制核心的模式存在一定差異；其次，人工島由于井?dāng)?shù)和邏輯要求相對(duì)固定，同時(shí)為便于后期井口控制盤(pán)的生產(chǎn)維護(hù)，參照海上石油平臺(tái)常規(guī)井口控制盤(pán)設(shè)計(jì)，部分產(chǎn)品可設(shè)計(jì)為抽屜式結(jié)構(gòu)，并形成為3～8井的標(biāo)準(zhǔn)系列化產(chǎn)品。

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Wellhead Control Panel Design and Application Study of Artificial Island in Seabeach Oilfield

Qu Shaolin, An Jianchen, Yang Jianyi, Li Yanhui, Zhang Yang

(CNOOC Ener.Tech-Drilling & Production Co.Ltd., Tianjin,300452, China)

s: The wellhead control panel of artificial island in seabeach oilfield is studied. It is compared and analyzed with that of similar equipment in offshore platform. Remote terminal unit(RTU) is used as control core in the system, main system adopts hydraulic control mode. The system consists of communal main system, single well module, RTU, sound/light alarm control system and fusible plug/emergency shutdown system. The system components are introduced and illustrated in detail. To facilitate production and maintenance of wellhead control panel in later period, some equipments can be designed as a drawer-type structure with reference to design of conventional wellhead control panel of offshore oil platforms. Serialized standard products for 3 to 8 wells are manufactured.

seabeach oilfield; artificial island; wellhead control panel; safety control system

屈少林，男，2007年畢業(yè)于西安石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，2016年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油與天然氣工程專(zhuān)業(yè)，獲工程碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海上油田井口安全控制系統(tǒng)及HPU技術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等工作，任工程師。

TE951

B

1007-7324(2017)02-0006-03

稿件收到日期： 2016-10-19，修改稿收到日期： 2017-01-03。