高酸性氣田井口安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

吳慶倫 李 捷

(1.中國(guó)石油西南油氣田公司川東北高含硫開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目部)

(2.中國(guó)石油西南油氣田公司規(guī)劃計(jì)劃處)

1 國(guó)內(nèi)外常規(guī)的井口安全控制系統(tǒng)

在天然氣工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中,地面井口安全系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是在傳統(tǒng)安全閥(PSV)的基礎(chǔ)上,增加在意外和失控的情況下緊急截?cái)嗑跉庠吹谋Ｗo(hù)發(fā)展起來(lái)的,并在陸地高壓、高產(chǎn)、高危天然氣井及海上平臺(tái)天然氣井的安全生產(chǎn)上發(fā)揮著重要的作用[1]。

1.1 常規(guī)的井口安全控制系統(tǒng)基本功能[2]

井口安全系統(tǒng)的功能是監(jiān)視井口管線壓力,作為緊急切斷系統(tǒng)(ESD)界面,控制井口主安全閥(MSSV)、翼安全閥(WSSV)及井下安全閥(SCSSV),并進(jìn)行邏輯性關(guān)井。根據(jù)API 14C第四章的要求,需要對(duì)井場(chǎng)或工廠超壓、泄漏、高溫或火災(zāi)等情況進(jìn)行安全保護(hù),因此井口安全系統(tǒng)具備以下基本功能:

(1)易熔塞在井口安全系統(tǒng)回路中熔化關(guān)斷井口,一般易熔塞在大于120℃時(shí)會(huì)融化導(dǎo)致井口控制面板自動(dòng)關(guān)井。

(2)井口管線上的設(shè)置壓力超高開(kāi)關(guān)PSH(通常我們稱為高壓導(dǎo)閥)檢測(cè)到高壓關(guān)閉井口。

(3)井口管線上的設(shè)置壓力超低開(kāi)關(guān) PSL(通常我們稱為低壓導(dǎo)閥)檢測(cè)到低壓關(guān)閉井口。

(4)在井口控制面板上可以進(jìn)行手動(dòng)關(guān)井。

(5)以上任何一種關(guān)井方式導(dǎo)致了井口的關(guān)閉,都必須到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)復(fù)位,才能重新開(kāi)井。

(6)隨著大型控制系統(tǒng)的應(yīng)用,例如DCS系統(tǒng)在天然氣處理廠的應(yīng)用,SCADA系統(tǒng)在各井場(chǎng)集輸系統(tǒng)的應(yīng)用,給井口安全系統(tǒng)賦予了新的功能,即井口安全系統(tǒng)可以接受DCS或SCADA的指令對(duì)井口進(jìn)行順序關(guān)井。

1.2 井口安全系統(tǒng)主要元件及選型

常用的井口安全系統(tǒng)主要由井口安全閥(WSSV,MSSV,SCSSV)、井口控制面板、高低壓導(dǎo)閥、易熔塞、儀表風(fēng)管線等組成。其中井口控制面板又主要由液壓泵(開(kāi)SCSSV用)、控制氣過(guò)濾及調(diào)壓閥、中繼閥、電磁閥(接受控制系統(tǒng)的關(guān)井信號(hào))、氣及液壓力管線等組成。井口安全閥(WSSV, MSSV,SCSSV):根據(jù)API 6A(SY/T 5127)要求安全閥是非螺紋式設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)閥,設(shè)計(jì)應(yīng)保證在失去動(dòng)力時(shí)能關(guān)閉。

2 以ESD為控制核心的井口安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合國(guó)外類(lèi)似項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)以及本項(xiàng)目的實(shí)際情況,經(jīng)過(guò)多次論證確定了以ESD為控制核心的井口安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下所述。

2.1 設(shè)計(jì)的基本原理

井口控制面板用來(lái)本地開(kāi)/關(guān)井口安全閥(WSSV,MSSV,SCSSV)。同時(shí)在 ESD安全儀表系統(tǒng)通過(guò)客戶程序端可以在緊急時(shí)刻對(duì)井口進(jìn)行聯(lián)鎖關(guān)閉,當(dāng)需要開(kāi)井時(shí)則在現(xiàn)場(chǎng)井口控制面板上進(jìn)行復(fù)位后才能在遠(yuǎn)程客戶程序端或本地控制面板上進(jìn)行開(kāi)井操作。ESD安全儀表系統(tǒng)是由具有SIL3安全等級(jí)認(rèn)證的PLC控制器、客戶程序端口及現(xiàn)場(chǎng)安全儀表等組成。ESD安全儀表系統(tǒng)與井口控制面板是通過(guò)硬線干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,井口控制面板內(nèi)設(shè)有足夠的接線端子排,并通過(guò)ESD安全儀表系統(tǒng)對(duì)井口控制面板提供24V DC供電。

主安全閥、翼安全閥及井下安全閥的開(kāi)啟及關(guān)閉是按照ESD安全儀表系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行有序的動(dòng)作,閥門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉順序及延時(shí)時(shí)間將依照API 14A的要求順序執(zhí)行。井口的火災(zāi)、可燃?xì)怏w及H2S氣體保護(hù)將由井場(chǎng)獨(dú)立設(shè)置的火氣系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù),井場(chǎng)的火氣系統(tǒng)連接到 ESD安全儀表系統(tǒng),當(dāng)井場(chǎng)有火災(zāi)發(fā)生或可燃?xì)怏w、硫化氫含量達(dá)到設(shè)定極限時(shí)火氣系統(tǒng)將觸發(fā)ESD安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖關(guān)閉主安全閥、翼安全閥及井下安全閥。

2.2 與常規(guī)設(shè)計(jì)不同之處的對(duì)比

(1)由ESD安全儀表系統(tǒng)執(zhí)行井口主閥、翼閥及井下安全閥在事故情況下的關(guān)閉順序及延時(shí)時(shí)間。常規(guī)作法是由控制面板內(nèi)的機(jī)械回路來(lái)決定井口的主閥、翼閥及井下安全閥關(guān)閉順序及延遲時(shí)間。

(2)采用與ESD安全儀表系統(tǒng)相連,精度更高的智能壓力變送器取代傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力導(dǎo)閥。

(3)采用火氣系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的易熔塞,并增加了可燃?xì)怏w及H2S濃度高于設(shè)定值時(shí)將聯(lián)鎖關(guān)井。

(4)取消了SCADA控制系統(tǒng)的關(guān)井信號(hào),由ESD儀表安全系統(tǒng)代替。

常規(guī)的井口安全控制系統(tǒng)和以ESD為控制核心的井口安全控制系統(tǒng)見(jiàn)圖1與圖2。

3 兩種不同的井口控制系統(tǒng)方案的對(duì)比分析

常規(guī)的井口安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是將整個(gè)井口安全控制系統(tǒng)看作一個(gè)自立式安全閥,當(dāng)遇到如機(jī)械式高低壓力導(dǎo)閥起跳,易熔塞融化等外界因素時(shí)自動(dòng)關(guān)閉井口。

而以ESD為控制核心的井口安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是將整個(gè)井口安全控制系統(tǒng)看作帶控制功能的安全切斷閥,它將接受來(lái)自ESD儀表安全系統(tǒng)的關(guān)井信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作,同時(shí)又具有本地控制的功能。以ESD為控制核心的井口安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案有效地避免了常規(guī)的設(shè)計(jì)方案中的不足:

(1)由精度更高的智能壓力變送器取代傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力導(dǎo)閥避免了由于高低壓導(dǎo)閥因自身的機(jī)械故障或靈敏度較低導(dǎo)致的不能及時(shí)關(guān)井問(wèn)題。同時(shí)壓力變送器與高低壓導(dǎo)閥相比,調(diào)校將更加方便快捷。

(2)采用火氣系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的易熔塞,避免了因易熔塞無(wú)法調(diào)校、失效等不確定因素。

(3)增加了可燃?xì)怏w及 H2S濃度高于設(shè)定值時(shí)的聯(lián)鎖關(guān)井,彌補(bǔ)了常規(guī)井口安全系統(tǒng)的功能不足。

(4)由ESD安全儀表系統(tǒng)執(zhí)行井口主閥、翼閥及井下安全閥在事故情況下的關(guān)閉順序及延時(shí)時(shí)間,使新的井口安全控制面板功能極大地簡(jiǎn)化,使整個(gè)系統(tǒng)更容易進(jìn)行功能的測(cè)試、檢修及維護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以ESD為控制核心的井口安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案雖然有很多優(yōu)點(diǎn),但考慮到該方案中包括有ESD儀表安全系統(tǒng)及火氣系統(tǒng)等控制系統(tǒng),該方案的投資高于常規(guī)的井口安全控制系統(tǒng)方案。任何井口安全控制系統(tǒng)方案的采用都必須做到因地制宜,與項(xiàng)目的具體實(shí)際情況相結(jié)合。由于羅家寨氣田屬高酸性氣田,各井場(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中本身就存在ESD儀表安全系統(tǒng)及火氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì),因此與井場(chǎng)共用同一個(gè)ESD儀表安全系統(tǒng)及火氣系統(tǒng)就不會(huì)增加任何投資。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,推薦在羅家寨氣田采用以ESD為控制核心的井口安全控制系統(tǒng)方案。

1 李 瑜,鐘謹(jǐn)瑞,等.國(guó)內(nèi)外井口安全系統(tǒng)的現(xiàn)狀及基本做法.天然氣工業(yè),2008 ,28 (1 ):140 -142

2 《wellhead Control Systems》CVX-ICM 170 0