腰世哲　丁亞濤　申云鵬　劉佳佳

1. 中國(guó)石油化工股份有限公司天然氣榆濟(jì)管道分公司,　河南　濮陽(yáng)　457001; 2. 廊坊開(kāi)發(fā)區(qū)中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司,　河北　廊坊　065002

0　前言

天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)具有安全可靠、存儲(chǔ)量大及運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì),目前已經(jīng)成為各國(guó)儲(chǔ)存、調(diào)配天然氣的基礎(chǔ)設(shè)施,是長(zhǎng)輸管道重要的配套部分[1-4]。注采井一般為注采合一井,生產(chǎn)過(guò)程中注采井強(qiáng)注、強(qiáng)采,周期性承載交變載荷的變化[5-11]。因此,儲(chǔ)氣庫(kù)注采井要求氣密封性好、服役時(shí)間長(zhǎng),對(duì)其井口安全控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

文96地下儲(chǔ)氣庫(kù)為典型的枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù),由原文96氣藏改建而成,氣庫(kù)設(shè)計(jì)14口注采井。由于地處油區(qū),為了減少土地占用,實(shí)施井口集中管理,滿足后期生產(chǎn)頻繁操作的要求,通過(guò)綜合對(duì)比分析,注采井采用叢式井組布井。其注采井口安全控制系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性要求極為苛刻。

1　控制系統(tǒng)構(gòu)成及功能

1.1　系統(tǒng)組成

井口安全控制系統(tǒng)由地面控制系統(tǒng)和封井裝置兩部分組成,其中地面控制系統(tǒng)是指注采井井口液壓控制柜、低壓限壓閥、易熔塞及現(xiàn)場(chǎng)儀表;封井裝置則包括井口部分和井下部分,井口部分主要指安裝在采氣樹(shù)上的地面安全閥,而井下部分指安裝在油管內(nèi)的井下安全閥和安裝在油套環(huán)空內(nèi)的封隔器[12-14]。文96地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采井井口安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用地面和井下二級(jí)雙重安全控制,通過(guò)井下和井口安裝的壓力傳感器和易熔塞,將異常低壓和火災(zāi)信息傳遞給控制面板,由其發(fā)出報(bào)警信號(hào),自動(dòng)關(guān)閉井下和井口安全閥。井口安全控制系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)控制,對(duì)開(kāi)關(guān)井所需的各種功能和狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控,監(jiān)控信號(hào)可通過(guò)遠(yuǎn)程控制終端(RTU)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳至注采站ESD系統(tǒng)。井口安全控制系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

圖1　井口安全控制系統(tǒng)組成

1.2　主要功能

井口安全控制系統(tǒng)是一種結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的ESD系統(tǒng),是文96地下儲(chǔ)氣庫(kù)ESD系統(tǒng)的重要組成部分,主要包括以下功能:

1)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)注采井地面安全閥和井下安全閥的有效控制,在緊急情況需要關(guān)閉井口時(shí),依次關(guān)閉地面安全閥和井下安全閥。

2)完全關(guān)井時(shí)地面安全閥和井下安全閥的先后關(guān)井時(shí)間在0～80 s內(nèi)可調(diào)節(jié);任何關(guān)井狀態(tài)必須手動(dòng)復(fù)位,重新手動(dòng)開(kāi)井。

3)井口注采管線上的低壓限壓閥檢測(cè)到低壓信號(hào)時(shí)關(guān)閉采氣樹(shù)上的地面安全閥,切斷氣源。

4)地面安全閥和井下安全閥的液壓控制回路可自動(dòng)補(bǔ)壓，超壓自動(dòng)排放,以維持安全閥正常開(kāi)啟。

5)井場(chǎng)失火時(shí)易熔塞在超過(guò)允許溫度時(shí)融化,井口液壓控制柜自動(dòng)關(guān)斷地面安全閥、井下安全閥,實(shí)現(xiàn)關(guān)井。

6)井口安全控制系統(tǒng)上傳8個(gè)信號(hào)(井口壓力/溫度、油套壓力/溫度、易熔塞狀態(tài)、注采管線壓力、地面及井下安全閥狀態(tài)),接受中控室1個(gè)ESD系統(tǒng)遠(yuǎn)程關(guān)斷信號(hào)。

2　設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

井口安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用地面安全閥、井下安全閥、低壓限壓閥和易熔塞4個(gè)控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和緊急關(guān)斷控制,井口安全控制系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2　井口安全控制系統(tǒng)示意圖

注采井井口安全閥關(guān)斷控制邏輯見(jiàn)表1。在緊急情況下,地面安全閥和井下安全閥均可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。地面安全閥采用遠(yuǎn)程ESD、易熔塞和低壓傳感器3種方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,井下安全閥采用遠(yuǎn)程和易熔塞2種方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.1　井口液壓控制系統(tǒng)

井口液壓控制系統(tǒng)是井口安全控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分[15],主要包括液壓動(dòng)力部分、低壓先導(dǎo)部分及控制模塊,流程見(jiàn)圖3。采用自帶液壓裝置驅(qū)動(dòng),不需要外部高壓動(dòng)力設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)井下安全閥、地面安全閥的開(kāi)啟和關(guān)閉;當(dāng)閥后壓力超低、火災(zāi)易熔塞熔化或管線破裂時(shí)可實(shí)現(xiàn)安全閥的自動(dòng)關(guān)閉。井口液壓控制柜選用電-液綜合控制系統(tǒng)[16],具有旁路控制、就地ESD和遠(yuǎn)程ESD功能。液壓主體控制分地面安全閥控制及井下安全閥控制兩部分,基于液壓油先導(dǎo)低壓路控制高壓動(dòng)力路的工作方式,通過(guò)先導(dǎo)壓力控制液控閥動(dòng)作,液控閥控制動(dòng)力路導(dǎo)通或關(guān)閉,從而對(duì)管線進(jìn)行控制,達(dá)到打開(kāi)地面安全閥和井下安全閥的目的。

表1注采井井口安全閥關(guān)斷控制邏輯

控制方式自動(dòng)控制動(dòng)作遠(yuǎn)程ESD易熔塞低壓傳感器手動(dòng)控制地面安全閥√√√√井下安全閥√√×√

地面安全閥采用帶有活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的逆向動(dòng)作的閘閥,閘閥的開(kāi)、關(guān)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成;通過(guò)地面關(guān)斷閥的低壓先導(dǎo)路控制地面安全閥動(dòng)力路液控三通的開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)對(duì)地面安全閥的控制;地面安全閥頂部設(shè)置備帽,當(dāng)對(duì)井口液壓管線檢修時(shí),可擰緊備帽,強(qiáng)制打開(kāi)地面安全閥,實(shí)現(xiàn)對(duì)地面安全閥的屏蔽。井下安全閥設(shè)在井下90 m處，主要由閥體、鎖定裝置、傳壓通道、活塞、彈簧及閥瓣等組成[17],井下安全閥設(shè)為常閉閥門(mén);采氣樹(shù)設(shè)置井邊針閥,正常生產(chǎn)時(shí),井邊針閥處于常開(kāi)狀態(tài);關(guān)閉井邊針閥可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下安全閥的屏蔽。

圖3　井口液壓控制系統(tǒng)流程

2.2　遠(yuǎn)程控制終端

井場(chǎng)設(shè)置遠(yuǎn)程控制終端(RTU),負(fù)責(zé)采集井場(chǎng)智能儀表及井口液壓控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù),并通過(guò)通信光纖將數(shù)據(jù)上傳至注采站SCADA系統(tǒng)上位機(jī),從而實(shí)現(xiàn)注采站對(duì)井場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控;同時(shí)接受注采站對(duì)井口設(shè)備的遠(yuǎn)程操作,井口安全控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向見(jiàn)圖4。

圖4　井口安全控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

RTU控制系統(tǒng)采用高度集成的冗余架構(gòu)方案[18],通過(guò)光纖傳輸與注采站SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其主要功能:1)采用預(yù)留兩線制RS-485接口,通過(guò)MODBUS協(xié)議與井口液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊,上傳井口壓力/溫度、油套壓力/溫度、易熔塞狀態(tài)、注采管線壓力、地面安全閥和井下安全閥狀態(tài)等信號(hào);2)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集井口管線上的壓力和溫度,并對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷是否為超低壓報(bào)警;3)將井口數(shù)據(jù)按照邏輯運(yùn)算后打包發(fā)送到注采站ESD控制系統(tǒng),并將注采站SCADA系統(tǒng)下發(fā)的關(guān)斷信號(hào)傳輸至井口液壓控制系統(tǒng),按順序關(guān)斷SCSSV、SSV閥[19-20]。RTU控制系統(tǒng)配置見(jiàn)圖5。

2.3　井場(chǎng)ESD系統(tǒng)

文96地下儲(chǔ)氣庫(kù)工藝系統(tǒng)按照功能可分為注氣工藝與采氣處理工藝。ESD控制系統(tǒng)分四級(jí)：一級(jí)，火災(zāi)全站關(guān)斷、泄壓;二級(jí)，超限(可燃?xì)怏w濃度、壓力)全站關(guān)斷;三級(jí)，單元關(guān)斷、保壓;四級(jí)，單體關(guān)斷、保壓。注采站內(nèi)站控室設(shè)置輔助操作臺(tái),設(shè)置一級(jí)關(guān)斷、二級(jí)關(guān)斷、三級(jí)關(guān)斷、四級(jí)關(guān)斷按鈕,均由人工觸發(fā)。

圖5　RTU控制系統(tǒng)配置

井場(chǎng)ESD的控制屬于第四級(jí)控制，主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

1)注采井單井管線壓力過(guò)低時(shí),觸發(fā)井口低壓限壓閥動(dòng)作,井口液壓控制系統(tǒng)關(guān)斷地面安全閥;同時(shí)RTU檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表低壓數(shù)據(jù),經(jīng)邏輯運(yùn)算觸發(fā)單井管線超低壓報(bào)警,并將該報(bào)警上傳至SCADA系統(tǒng);由人工確認(rèn)報(bào)警信息,觸發(fā)ESD輔操臺(tái)第四級(jí)關(guān)斷按鈕,ESD系統(tǒng)經(jīng)邏輯運(yùn)算觸發(fā)注采站對(duì)應(yīng)單井管線緊急關(guān)斷閥緊急關(guān)斷。

2)注采井井場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),井口易熔塞融化,井口液壓控制系統(tǒng)關(guān)斷地面安全閥、井下安全閥;同時(shí)RTU檢測(cè)到井口液控系統(tǒng)易熔塞狀態(tài)變化,并將火災(zāi)信息上傳至SCADA系統(tǒng);由人工確認(rèn)報(bào)警信息,觸發(fā)ESD輔操臺(tái)第四級(jí)關(guān)斷按鈕,ESD系統(tǒng)經(jīng)邏輯運(yùn)算觸發(fā)注采站對(duì)應(yīng)井場(chǎng)所有單井管線緊急關(guān)斷閥緊急關(guān)斷。

3　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

文96地下儲(chǔ)氣庫(kù)地處中原油區(qū),為了實(shí)施井口集中管理,滿足后期生產(chǎn)頻繁操作的要求,14口注采井采用叢式井組布井,分布在5個(gè)井場(chǎng),設(shè)計(jì)、實(shí)施了5套注采井井口安全控制系統(tǒng)。注采井井口安全控制系統(tǒng)安裝在距井口不小于50 m范圍內(nèi),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)注采井的井口、套管壓力和溫度，以及地面安全閥、井下安全閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、易融塞狀態(tài),可實(shí)現(xiàn)同一井場(chǎng)1～5口井井下安全閥和地面安全閥的有效控制;既可人工現(xiàn)場(chǎng)控制,又可遠(yuǎn)程控制,具有低壓限壓保護(hù)、防火安全控制功能。自文96地下儲(chǔ)氣庫(kù)投產(chǎn)以來(lái),井口安全控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)性能可靠,基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)注采井井口生產(chǎn)的自動(dòng)化控制,緊急情況下可達(dá)到快速、有效關(guān)井的目的,較好地保障了儲(chǔ)氣庫(kù)安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

4　結(jié)論與建議

基于系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想,注采井井口安全控制系統(tǒng)充分運(yùn)用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信及自動(dòng)控制技術(shù),將RTU、ESD、液壓控制及SCADA系統(tǒng)等有機(jī)地連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)注采井快速、準(zhǔn)確的控制。

建議在SSV/SCSSV液壓管路上安裝壓力變送器,將數(shù)據(jù)經(jīng)RTU遠(yuǎn)傳至中控室,在線監(jiān)控液壓壓力,實(shí)時(shí)掌握井口液壓控制柜運(yùn)行狀況,確保井口安全控制系統(tǒng)緊急關(guān)斷功能可靠;因地面安全閥、井下安全閥為常開(kāi)閥門(mén),運(yùn)行人員不便從SCADA系統(tǒng)中判斷注采井是否參與注采氣生產(chǎn),后期考慮在井口管線上增加1臺(tái)電動(dòng)閥門(mén),接入RTU并上傳至SCADA系統(tǒng),以方便生產(chǎn)調(diào)度。