海上石油平臺(tái)井口控制盤的設(shè)計(jì)方法

劉健，薛海林

(1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451; 2. 中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200030)

?

海上石油平臺(tái)井口控制盤的設(shè)計(jì)方法

劉健1，薛海林2

(1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451; 2. 中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200030)

摘要：海上石油平臺(tái)井口控制盤在油氣生產(chǎn)過程中控制著所有井上井下安全閥的開啟與關(guān)閉，為整個(gè)平臺(tái)的安全生產(chǎn)發(fā)揮重要的保護(hù)作用。介紹了井口控制盤的工作原理與內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)說明了井口控制盤液壓油箱、液壓泵、蓄能器、共用模塊、單井模塊、遠(yuǎn)傳信號(hào)的設(shè)計(jì)方法與計(jì)算公式，為井口控制盤的工程設(shè)計(jì)及操作維護(hù)提供了參考。

關(guān)鍵詞：井口控制盤蓄能器海上石油平臺(tái)設(shè)計(jì)

井口控制盤在海上平臺(tái)油氣井的安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，可有效地防止油氣井事故發(fā)生，減少碳?xì)浠衔锱欧?。油田井口安全控制系統(tǒng)是油田安全生產(chǎn)、運(yùn)輸不可缺少的主要控制系統(tǒng)之一。

1井口控制盤工作原理

井口控制盤是海上石油平臺(tái)油氣田生產(chǎn)過程中一個(gè)重要的井口控制設(shè)備，主要作用是控制采油/采氣樹的井上安全閥、井下安全閥和電潛泵等設(shè)施，根據(jù)有關(guān)監(jiān)測信號(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)。

井口控制盤的氣控回路部分控制液壓泵向采油/采氣樹注入液壓油，通過液壓油傳導(dǎo)控制壓力以實(shí)現(xiàn)對(duì)采油/采氣樹的井上井下安全閥開啟。當(dāng)氣控部分失效時(shí)，液壓泵不再工作，液壓油回流到油箱內(nèi)，安全閥失去控制壓力，閥門自動(dòng)關(guān)閉。

2井口控制盤的組成

井口控制盤內(nèi)部主要的控制模塊包括共用模塊和單井模塊，動(dòng)力源可分為氣源、電源或液動(dòng)。

公共模塊為井上井下安全閥控制提供液壓驅(qū)動(dòng)力和(或)氣源驅(qū)動(dòng)力，用于實(shí)現(xiàn)所有井上井下安全閥的開關(guān)邏輯控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)單元和氣源控制單元的監(jiān)控。單井模塊為每口井提供氣動(dòng)和(或)液壓驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)每口井井上井下安全閥的開關(guān)邏輯控制，監(jiān)測和反饋安全閥閥位狀態(tài)。外圍設(shè)備包括易熔塞、手動(dòng)關(guān)斷站等。

井口控制盤盤體為全封閉式結(jié)構(gòu)，正面操作面板上有井上井下閥的開關(guān)按鈕、充氣按鈕以及各井口的壓力指示器，背面為手動(dòng)開啟的維修門，側(cè)面分別設(shè)有防爆接線箱和外部儀表管接口。

3井口控制盤的設(shè)計(jì)

井口控制盤在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》的要求，采用失效安全型的控制方式，可實(shí)現(xiàn)井上井下閥的本地關(guān)斷或遠(yuǎn)程的開啟與關(guān)斷，并能夠發(fā)出遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)。開井順序?yàn)橄乳_啟井下安全閥，再開啟井上安全閥，最后開啟井上翼閥；關(guān)井順序?yàn)橄汝P(guān)閉井上翼閥，再關(guān)閉井上安全閥，最后關(guān)閉井下安全閥。

3.1液壓油箱設(shè)計(jì)

液壓油箱儲(chǔ)存了用于驅(qū)動(dòng)井上井下閥開啟或關(guān)閉的液壓油，油箱在設(shè)計(jì)時(shí)需至少滿足如下配置要求：

1) 油箱體積應(yīng)不小于所有蓄能器與井口閥用油量的2倍。

2) 為保障油箱安全，油箱頂部應(yīng)設(shè)有注液口、排氣口與阻火器。

3) 油箱內(nèi)設(shè)置堰板用于回油沉淀，底部設(shè)置排污閥。

4) 油箱內(nèi)的油被液壓泵抽出，在出口應(yīng)設(shè)有過濾器，用于過濾油箱內(nèi)的雜質(zhì)。

5) 油箱上應(yīng)裝有本地顯示的液位計(jì)或遠(yuǎn)程液位變送器，用于顯示當(dāng)前油箱內(nèi)液壓油的存儲(chǔ)量。

6) 根據(jù)海洋高鹽霧環(huán)境，油箱箱體材質(zhì)應(yīng)選用316不銹鋼。

液壓油箱容積計(jì)算公式如下所示：

Vr=2(VA+VB+VC)

(1)

式中：Vr——液壓油箱有效容積；VA——供油回路蓄能器有效容積值；VB——所有井口井上井下閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)容積；VC——供油管線容積的壓縮裕量。

3.2液壓泵設(shè)計(jì)

3.2.1驅(qū)動(dòng)方式

液壓泵為井口控制盤內(nèi)液壓系統(tǒng)提供液壓驅(qū)動(dòng)力，液壓泵的驅(qū)動(dòng)方式如下：

1) 對(duì)于具有氣源的平臺(tái)，液壓泵采用氣源驅(qū)動(dòng)，可選用氣動(dòng)往復(fù)泵，氣源可以是處理合格后的儀表氣或者天然氣。

2) 對(duì)于無氣源的平臺(tái)，可采用電動(dòng)液壓泵，電動(dòng)液壓泵由應(yīng)急電源供電。

通常而言，井上井下安全閥的執(zhí)行器的容積與操作壓力差別很大，因而需要分別獨(dú)立設(shè)置2套液壓泵來驅(qū)動(dòng)井上和井下安全閥。此外，應(yīng)配置1臺(tái)手動(dòng)液壓泵作為備用動(dòng)力源。

3.2.2配置要求

液壓泵在設(shè)計(jì)時(shí)需至少滿足如下配置要求：

1) 應(yīng)根據(jù)井上井下安全閥的執(zhí)行器的容積、壓力及具體液壓泵工作曲線選型。

2) 液壓泵的排量應(yīng)考慮在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使蓄能器系統(tǒng)從預(yù)充壓力升到井上井下安全閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大工作壓力。

3) 液壓泵氣源入口與泵出口都應(yīng)配置壓力保護(hù)以限制泵輸出壓力。

4) 每臺(tái)液壓泵的出口應(yīng)安裝單流閥，防止液壓油回流。

以井下安全閥供油回路為例，液壓泵排量計(jì)算公式如下：

qVsc=ΔVsc/t

(2)

式中：qVsc——井下安全閥供油回路單臺(tái)液壓泵排量；ΔVsc——井下安全閥供油回路蓄能器有效容積；t——蓄能器系統(tǒng)從預(yù)充壓力升到執(zhí)行器最大工作壓力所需的充液時(shí)間。

根據(jù)式(2)，最終選用的液壓泵排量應(yīng)不小于qVsc的計(jì)算結(jié)果。而井上安全閥液壓泵計(jì)算方法與井下安全閥的一致，因而不再重復(fù)敘述。

3.3蓄能器設(shè)計(jì)

蓄能器是液壓系統(tǒng)中的能量儲(chǔ)存裝置，在安全可操作范圍內(nèi)，用于平衡和補(bǔ)充液壓系統(tǒng)壓力。常見的蓄能器形式有氣體加載式(又細(xì)分為氣囊式、活塞式和氣瓶式)、彈簧式和重錘式三種。海上石油平臺(tái)井口控制盤內(nèi)的蓄能器多選用氣囊式。通常情況下，井下安全閥與井上安全閥各設(shè)置1套獨(dú)立的蓄能器。由于蓄能器容積較大，造成井口盤整體尺寸過大，影響經(jīng)濟(jì)成本，因而在設(shè)計(jì)過程中通常按照2×50%的方式來縮小單一蓄能器的體積。

蓄能器在設(shè)計(jì)時(shí)需至少滿足如下配置要求：

1) 初始充裝時(shí)預(yù)充氣為氮?dú)猓故褂脡嚎s空氣或氧氣。

2) 滿足所有井下安全閥與井上安全閥的驅(qū)動(dòng)壓力。

3) 在不啟動(dòng)液壓泵的情況下，建議井上與井下安全閥蓄能器容積需至少滿足單井開關(guān)三次。

蓄能器有效容積指蓄能器在最低工作壓力和最大工作壓力狀態(tài)下的容積變化量。井下安全閥回路蓄能器有效容積需滿足單井的井下安全閥完成N次循環(huán)的操作。

井下安全閥蓄能器有效容積ΔVsc可通過下式計(jì)算：

ΔVsc=N Vsc+N Vsl

(3)

式中：Vsc——單口井井下安全閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)需液壓油容積；Vsl——單口井井下安全閥供油管路液壓油的壓縮量。

井下安全閥蓄能器容積Vsc可通過下式計(jì)算：

Vsc=CaΔVsc/[(p0sc/p1sc)k-(p0sc/p2sc)k]

(4)

式中：Ca——修正系數(shù)，取1.2；p0sc——井下安全閥蓄能器預(yù)充壓力值；p1sc——井下安全閥最小操作壓力；p2sc——井下安全閥最大操作壓力；k——絕熱系數(shù)，取1.4。

根據(jù)式(4)，最終選用的井下安全閥蓄能器的容積應(yīng)不小于Vsc的計(jì)算結(jié)果。而井上安全閥蓄能器容積計(jì)算方法與井下安全閥的一致，不再重復(fù)敘述。

3.4共用模塊設(shè)計(jì)

共用模塊部分即井口控制盤氣動(dòng)控制單元，主要包括氣源調(diào)節(jié)回路、易熔塞控制回路、手動(dòng)關(guān)斷站控制回路、關(guān)斷執(zhí)行回路以及必需的邏輯控制回路。在共用模塊中的手動(dòng)操作按鈕、壓力表等常需要安裝在井口控制盤操作盤面上。

1) 氣源調(diào)節(jié)回路。氣源調(diào)節(jié)回路對(duì)氣源氣體進(jìn)行兩級(jí)降壓處理： 一級(jí)過濾減壓，用于驅(qū)動(dòng)液壓泵；二級(jí)減壓，用于為易熔塞控制回路、手動(dòng)關(guān)斷站控制回路和關(guān)斷執(zhí)行回路提供氣源。

2) 易熔塞控制回路。井口區(qū)域溫度上升致易熔塞熔化，控制回路氣源泄壓，通過關(guān)斷液壓回路實(shí)現(xiàn)所有井口的井上井下安全閥的關(guān)閉。回路上應(yīng)配備充氣裝置、壓力表和壓力變送器(或壓力開關(guān))。充氣裝置包括充壓按鈕、單向閥和限流孔板。為方便易熔塞維修或測試需要，一般設(shè)有易熔塞回路旁通功能。

3) 手動(dòng)關(guān)斷站控制回路。手動(dòng)關(guān)斷站觸發(fā)后，實(shí)現(xiàn)所有井口的井上井下安全閥的關(guān)閉。手動(dòng)關(guān)斷站控制回路常規(guī)采用氣動(dòng)控制，回路上應(yīng)配備充氣裝置、壓力表和壓力變送器(或壓力開關(guān))。充氣裝置包括充壓按鈕、單向閥和限流孔板。為方便手動(dòng)關(guān)斷站維修或測試需要，一般設(shè)有手動(dòng)關(guān)斷站回路旁通功能。

4) 關(guān)斷執(zhí)行回路。關(guān)斷執(zhí)行回路應(yīng)能夠接收本地和遠(yuǎn)程控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)所有井口的井上井下安全閥的關(guān)閉，關(guān)斷執(zhí)行回路通常采用氣動(dòng)控制。關(guān)斷執(zhí)行回路應(yīng)配有壓力表、壓力變送器(或壓力開關(guān))、電磁閥及必需的三通換向閥等。

3.5單井模塊設(shè)計(jì)

單井模塊部分用于控制每個(gè)井口的井上井下安全閥的開啟和關(guān)閉，其余共用模塊之間設(shè)有隔離閥和單流閥，以便于每個(gè)單井模塊各自獨(dú)立操作與維護(hù)。

井口控制盤的單井模塊一般應(yīng)采用抽屜式安裝結(jié)構(gòu)，可有效實(shí)現(xiàn)后期井口控制盤的維修更換與功能擴(kuò)展。

單井模塊中配有壓力表、壓力變送器(或壓力開關(guān))、電磁閥、安全閥、延時(shí)裝置及各種用于控制的三通換向閥。延時(shí)回路由節(jié)流孔板和體積瓶組成，保證井上井下安全閥按照正確的順序開啟和關(guān)閉。在單井模塊中的手動(dòng)操作按鈕、壓力表等往往都需要安裝在井口控制盤操作盤面上。

3.6遠(yuǎn)傳信號(hào)設(shè)計(jì)

井口控制盤除能夠依靠自身氣動(dòng)與液壓控制回路實(shí)現(xiàn)對(duì)井上井下閥門的開啟與關(guān)閉之外，在設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮將必要的報(bào)警信號(hào)遠(yuǎn)傳到平臺(tái)的中控系統(tǒng)，在必要時(shí)通過中控系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)信號(hào)給井口控制盤來實(shí)現(xiàn)對(duì)井上井下閥的快速關(guān)閉。

井口控制盤主要的遠(yuǎn)傳信號(hào)包括： 液壓油箱液位報(bào)警信號(hào)；井上井下閥液壓源主回路壓力報(bào)警信號(hào)；公用模塊中控制井上井下閥的氣控部分壓力報(bào)警信號(hào)；易熔塞與手動(dòng)關(guān)斷站回路壓力報(bào)警信號(hào)；接受來自中控系統(tǒng)的關(guān)閉所有井上井下安全閥信號(hào)；接受來自中控系統(tǒng)的關(guān)閉所有井上安全閥信號(hào)；接受來自中控系統(tǒng)的關(guān)閉每個(gè)單井的井上安全閥信號(hào)。

4結(jié)束語

筆者主要介紹了海上石油平臺(tái)井口控制盤的工作原理與內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)說明了井口控制盤內(nèi)部各個(gè)設(shè)備與功能模塊的計(jì)算方法與設(shè)計(jì)過程中需要考慮的細(xì)節(jié)，不僅為后續(xù)海上石油平臺(tái)井口控制盤的工程設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，還為生產(chǎn)作業(yè)人員提供了井口控制盤操作與維護(hù)的指導(dǎo)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊洪慶，范玉揚(yáng)，張鳳紅.井口盤液壓回路蓄能器和液壓泵的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].中國修船,2008(21)： 66-68.

[2]代文.海上油田井口控制盤日常操作與管理[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2014(07)： 51-52.

[3]張藝，洪毅.海上無人簡易平臺(tái)上井口控制盤的動(dòng)力源研究[J].科學(xué)技術(shù)，2010(03)： 82.

[4]周守為.海洋石油工程設(shè)計(jì)指南(第3冊(cè))： 海洋石油工程電氣、儀控、通訊設(shè)計(jì)[S].北京： 石油工業(yè)出版社，2006.

[5]齊桂卿，吳朝暉，張玉斌.井口盤氣囊式蓄能器的一種新計(jì)算方法探討[C]//十五屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集(下).太原： 海洋出版社，2011： 316-318.

[6]劉松，廖強(qiáng)，孫法強(qiáng)，等.海洋石油平臺(tái)井口控制盤的設(shè)計(jì)與調(diào)試[J].中國海洋平臺(tái)，2012(04)： 35-39.

[7]武玉貴.井口安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].青島： 中國石油大學(xué)(華東)，2013.

Design Method of Offshore Oil Platform Wellhead Control Panel

Liu Jian1, Xue Hailin2

(1. Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin, 300451, China;

2. Shanghai Branch, CNOOC China Limited, Shanghai, 200030, China)

Abstracts： Wellhead control panel in offshore oil platform controls switch on/off of all the inoue and subsurface safety control valves, which plays an important protection role for safety production of whole offshore oil platform. Working principle and internal composition structure of wellhead control panel are introduced. Detailed design methods and formulas of hydraulic fluid chamber, oil hydraulic pump, energy accumulator, shared module, single well module and remote transmitting signal for wellhead control panel are detailed explained, which provide reference for engineering design operation and maintenance of wellhead control panel.

Key words：wellhead control panel; energy accumulator; offshore oil platform; design

中圖分類號(hào)：TE951

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)06-0025-03

作者簡介：劉健，男，畢業(yè)于天津大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)就職于海洋石油工程股份有限公司，主要從事海上石油鉆井平臺(tái)儀表控制設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-08-21。