一種優(yōu)化海上平臺(tái)油井控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

孫文高

摘要：本文論述了中海油渤海油田的海上生產(chǎn)平臺(tái)的主要控制方案設(shè)計(jì)和油井部分的控制策略，針對(duì)當(dāng)前存在的問題從建造到后期改造方面展開論證，結(jié)合目前主流的控制廠商的控制方式，考慮油田生產(chǎn)期間的實(shí)際情況，提出自己的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。對(duì)兩種控制模式從安全生產(chǎn)、建造費(fèi)用和實(shí)際施工等方面進(jìn)行對(duì)比，對(duì)以后新建海上平臺(tái)提出自己的參考方案。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)安全資產(chǎn)完整性節(jié)省費(fèi)用

中海油渤海油田的控制系統(tǒng)絕大部分都是由三套系統(tǒng)組成：生產(chǎn)控制系統(tǒng)PCS（Process Control System）；應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)ESD（Emergency ShutDown System）和火氣監(jiān)控系統(tǒng)FGS（Fire& Gas System）；其中PCS、ESD和FGS在控制層及以下相互獨(dú)立，在管理層則共享人機(jī)界面和通訊網(wǎng)絡(luò)。另外為保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，三套系統(tǒng)的電源模塊、CPU模塊、通訊模塊和數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)采用1：1的冗余設(shè)計(jì)。整套控制系統(tǒng)在海上平臺(tái)的建造已經(jīng)整體考慮，且在以后的生產(chǎn)過程中總體框架就不在發(fā)生變化；但是在生產(chǎn)過程中發(fā)生變化最大的就是生產(chǎn)井部分；在邊鉆井邊生產(chǎn)的模式越來越盛行的渤海油田，生產(chǎn)井隨時(shí)都要隨著油藏的變化而變化；而隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，地下油藏的不斷變化，生產(chǎn)井在生產(chǎn)過程中也不斷發(fā)生變化，從油井變?yōu)樽⑺?、新投入的生產(chǎn)井、需要更換電泵功率的油井，需要改為變頻的油井等等，而生產(chǎn)井是整個(gè)海上平臺(tái)最重要，也是最危險(xiǎn)的部分，所以生產(chǎn)井的控制系統(tǒng)要隨著不斷的發(fā)生變化，而在建造新平臺(tái)時(shí)并沒有考慮這些因素，所以在生產(chǎn)過程中更改控制系統(tǒng)時(shí)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，更改控制系統(tǒng)的承包廠商也不是最初投產(chǎn)時(shí)的廠家人員，這也無形中增大了施工的風(fēng)險(xiǎn)，也嚴(yán)重影響了設(shè)備管理的資產(chǎn)完整性。

生產(chǎn)井的概述

1、工藝概述

渤海油田的生產(chǎn)井主要分為油井、注水井和水源井三種類型；油井是生產(chǎn)原油的井，主要采用變頻器拖帶電潛泵的采油方式；從油井采油樹出來的工業(yè)油流經(jīng)過每口油井生產(chǎn)管匯流入到公用的原油管匯，進(jìn)而進(jìn)入各個(gè)處理設(shè)備進(jìn)行流體的處理。注水井是把生產(chǎn)中分離出的水和水源井的水注入到地層，而保護(hù)油井生產(chǎn)的地層能量。注水井是水經(jīng)過注水泵增壓后進(jìn)入公用的注水管匯，然后分經(jīng)各個(gè)單井的注水管匯計(jì)量后注入每個(gè)注水井。水源井是從地下抽取水的生產(chǎn)井，也是采用電潛泵ESP的抽取方式，在油田生產(chǎn)期間變化不大。

2、生產(chǎn)井的主要特點(diǎn)

油田投產(chǎn)初期：主要存在兩種模式，一種是在油田生產(chǎn)開始時(shí)，已經(jīng)完成所有生產(chǎn)井的鉆完井；一種是先鉆完幾口井，油田就開始生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程中根據(jù)井下壓力的變化和油藏的調(diào)整邊生產(chǎn)邊鉆完井。后一種方式越來越在更多的新建海上平臺(tái)采用。

油田生產(chǎn)過程中：隨著生產(chǎn)的逐步進(jìn)行，生產(chǎn)井也需要根據(jù)具體油藏需要作出調(diào)整；部分油井要根據(jù)需要轉(zhuǎn)為注水井，部分油井需要更換更大的電潛泵，部分油井要進(jìn)行側(cè)鉆重新下泵。

整個(gè)生產(chǎn)井位于一個(gè)比較集中的井口區(qū)域，設(shè)備擺放非常集中，且每次測(cè)井和修井時(shí)部分電氣和儀表設(shè)備需要拆除。

3、生產(chǎn)井的控制

油井的儀表控制：每口油井采油樹上均安裝了油壓和套壓的測(cè)量儀表；單井生產(chǎn)管匯安裝了壓力和溫度測(cè)量儀表；每口油井對(duì)應(yīng)一個(gè)井口控制盤的控制模塊；每口油井對(duì)應(yīng)一個(gè)變頻器的控制系統(tǒng)；這些儀表都要經(jīng)過中控系統(tǒng)的PCS和ESD來完成監(jiān)控和關(guān)斷保護(hù)。

油井的電力系統(tǒng)：渤海油田絕大部分為電潛泵驅(qū)動(dòng)采油方式。一臺(tái)變頻器對(duì)應(yīng)控制一臺(tái)潛油電機(jī)，通過現(xiàn)場總線將各電泵數(shù)據(jù)在中央控制柜中進(jìn)行集中處理和顯示；可實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng)、調(diào)產(chǎn)運(yùn)行、數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障查詢、狀態(tài)監(jiān)視等功能。下圖是典型的系統(tǒng)原理圖：

注水井的儀表控制：每口注水井單井管匯有壓力測(cè)量和流量測(cè)量。

注水井的電力系統(tǒng)：注水井不用配置電力系統(tǒng)。

中控系統(tǒng)的生產(chǎn)井部分控制方案

中控PCS系統(tǒng)接收到現(xiàn)場的控制信息在人機(jī)界面作出操作提示或者報(bào)警；ESD系統(tǒng)接收到現(xiàn)場的關(guān)斷信息作出表決來關(guān)斷現(xiàn)場設(shè)備，二者在控制層是相互獨(dú)立的。渤海油田的中控系統(tǒng)主要采用了Emerson、Honeywell和Yokogawa等幾家的控制系統(tǒng)，而這幾家的控制系統(tǒng)均能滿足在線修改量程、報(bào)警值和人機(jī)界面等內(nèi)容，且軟件在線下裝這些功能時(shí)風(fēng)險(xiǎn)不大，平臺(tái)生產(chǎn)人員就可以完成。而如果修改底層的控制策略一般需要外委承包商來完成。

中控PCS系統(tǒng)要監(jiān)控生產(chǎn)井的參數(shù)，井口控制盤的狀態(tài)和變頻器的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，下圖是各個(gè)系統(tǒng)之間的邏輯框圖（module）：

中控ESD系統(tǒng)要接收生產(chǎn)井的參數(shù)，關(guān)斷井口控制盤的部分電磁閥和變頻器運(yùn)行，下圖是各個(gè)系統(tǒng)之間的邏輯框圖（module）：

與生產(chǎn)井有關(guān)各個(gè)模塊（module）的實(shí)際現(xiàn)狀

海上儀表的安裝，絕大部分都是電纜通過位于下層甲板的電纜橋架，通過在甲板上開專用的電纜孔穿墻而上連接到各個(gè)單體儀表，然后把電纜孔用專用密封劑密封。

單井生產(chǎn)/注水管匯集中安裝在井口區(qū)域的一側(cè)；電潛泵變頻器統(tǒng)一放置在一個(gè)房間內(nèi)；井口盤的所有部件集中安裝在一個(gè)不銹鋼柜體內(nèi)；井口采油樹也是集中分布。

很多與油井有關(guān)的作業(yè)都需要拆卸采油樹，而輔裝在采油樹的儀表都要拆除，海上儀表安裝都是鎧裝電纜通過電纜密封函安裝，拆卸非常麻煩，且容易造成中控系統(tǒng)短路；

由于海上儀表電纜的特殊的布線方式，一旦生產(chǎn)井發(fā)生變化，以前的電纜很少移動(dòng)位置重復(fù)使用，只能重復(fù)敷設(shè)電纜、安裝，浪費(fèi)了大量的人力物力，也在現(xiàn)場產(chǎn)生了大量的剩余電纜，埋下了安全隱患。

中控系統(tǒng)方面：如果出現(xiàn)生產(chǎn)井的變動(dòng)，則需要把變頻器廠商、ESD和PCS的服務(wù)廠商動(dòng)員到海上平臺(tái)來施工。由于油田出于生產(chǎn)階段，很難滿足對(duì)新增的部分進(jìn)行調(diào)試要求。原來的廢舊程序處于安全考慮也不敢刪除，留下了大量的碎片。

優(yōu)化控制系統(tǒng)方案的提出

通過對(duì)前面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析和對(duì)實(shí)際安裝現(xiàn)場的充分考察，針對(duì)當(dāng)前存在的問題進(jìn)行綜合分析，結(jié)合海上平臺(tái)常用的儀表選型和安裝規(guī)范以及各大儀表廠商的新技術(shù)，在充分考慮油田生產(chǎn)安全的前提下，對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)井控制部分的設(shè)計(jì)提出優(yōu)化方案，使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定，減少施工風(fēng)險(xiǎn)，降低施工費(fèi)用。

1、采油樹上安裝的儀表優(yōu)化

簽于采油樹經(jīng)常需要拆卸或者更換的特性，且采油樹安裝的儀表在設(shè)計(jì)上不作為關(guān)斷，只作為報(bào)警而接入PCS系統(tǒng)，且現(xiàn)場的安裝位置相對(duì)集中，而各個(gè)大型儀表廠家的無線儀表越來越成熟，故采油樹上安裝的儀表在選型上采用無線儀表，在井口區(qū)域相對(duì)的兩個(gè)位置安裝無線接收器做到1：1冗余，保證穩(wěn)定性。油井發(fā)生變化時(shí)，只需要把變送器重新安裝到新采油樹上即可，中控不需要系統(tǒng)組態(tài)，只需要更改人機(jī)界面即可。

2、單井生產(chǎn)/注水管匯、井口控制盤和變頻器設(shè)計(jì)優(yōu)化

單井生產(chǎn)/注水管匯都是安裝在井口區(qū)集中的區(qū)域，在附近設(shè)計(jì)特殊接線箱，把所有管匯儀表都接入特殊接線箱的現(xiàn)場側(cè)。

3、中控PCS和ESD的設(shè)計(jì)優(yōu)化

中控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要采用擴(kuò)展設(shè)計(jì)。因中控系統(tǒng)在工程項(xiàng)目階段均預(yù)留30%的容量為后期的改造設(shè)計(jì)，所以此優(yōu)化在于工程項(xiàng)目階段就把預(yù)留工作稍作深入。不但預(yù)留容量且把預(yù)留的一部分容量稍作深化，暨根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)推算出最大油井?dāng)?shù)量和最大注水井?dāng)?shù)量，在工程項(xiàng)目階段把中控系統(tǒng)按照此數(shù)量做好底層控制模塊，完成柜內(nèi)接線并接線到特殊現(xiàn)場接線箱的中控側(cè)。

4、完成關(guān)鍵優(yōu)化的特殊現(xiàn)場接線箱

本次提出的優(yōu)化方案就是借鑒我們70年代的電話呼叫系統(tǒng)。70年代的電話轉(zhuǎn)接呼叫系統(tǒng)根據(jù)客戶提供的目標(biāo)不同，而手動(dòng)插拔選擇插針來達(dá)到接入目標(biāo)電話局的目的。我們的接線箱接線端子采用適合震動(dòng)場合的插接類型，且提供在用端子和空置端子的1：1的設(shè)置。在中控側(cè)和現(xiàn)場側(cè)根據(jù)實(shí)際需要用專門的插接端子線去連接中控和現(xiàn)場儀表端子。如圖：

優(yōu)化控制系統(tǒng)方案的評(píng)價(jià)

安全評(píng)價(jià)：通過這樣的設(shè)計(jì)方案，大大減少了井口區(qū)域的電纜數(shù)量，降低了生產(chǎn)井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，降低了因電纜損壞等原因造成的故障。通過增加特殊的接線箱設(shè)計(jì)，在工程項(xiàng)目完成后的生產(chǎn)階段不用進(jìn)行二次底層組態(tài)，大大降低了關(guān)斷風(fēng)險(xiǎn)，也減少了中控系統(tǒng)組態(tài)碎片的產(chǎn)生，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)組態(tài)調(diào)試原因造成了渤海油田多次的關(guān)斷不下幾十次。

經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)：由于不需要二次組態(tài)，也就大大節(jié)省了費(fèi)用。以單口油井為例，中控廠家組態(tài)費(fèi)，現(xiàn)場電纜施工費(fèi)和材料費(fèi)，變頻器廠家服務(wù)費(fèi)，廠商人員動(dòng)復(fù)員費(fèi)等大約需要20萬元。以蓬勃作業(yè)公司每年油井變化約15次為例，這樣一年可節(jié)省300萬費(fèi)用。

通過這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以減少各個(gè)階段的工作量，降低工作風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了大量重復(fù)的施工費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)：

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[5]GENERALINSTRUMENTATIONDESIGNREQUIREMENTS.Fluor Daniel， Inc.2003.

（作者單位：中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司）