海上石油平臺井口控制盤設(shè)計類型分析

屈少林

(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)

海上石油平臺井口控制盤設(shè)計類型分析

屈少林

(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)

針對海上平臺應(yīng)用的井口控制盤產(chǎn)品，根據(jù)操作元器件設(shè)計及其使用環(huán)境特征，總結(jié)歸納了每種類型的設(shè)計特點，并對設(shè)計方案進(jìn)行了詳細(xì)說明和對比分析，研究總結(jié)出電子按鈕式、機械先導(dǎo)閥式兩大類六種類型的井口控制盤模式。電子按鈕式分為正壓防爆型和隔爆型；機械先導(dǎo)閥式根據(jù)平臺設(shè)計要求不同，分為液動控制和氣液控制兩種類型，并對每種類型的設(shè)計和應(yīng)用特點進(jìn)行了分析。機械先導(dǎo)閥式井口控制盤成本及維護(hù)費用較低，以DCS為控制核心的設(shè)計是目前的主流趨勢，從成本及維護(hù)性考慮，推薦優(yōu)先使用。

海上石油平臺 井口控制盤 控制方式 正壓防爆型 隔爆型

井口控制盤是海上平臺安全控制系統(tǒng)的重要組成部分，無論是國外還是合資或自營海洋石油平臺，井口控制盤都是必不可少的配置，主要用于控制采油/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)測信號控制井口設(shè)施順序關(guān)停，以保證海上平臺或裝置處于安全狀態(tài)，對海洋平臺的安全生產(chǎn)和平穩(wěn)運行起著非常重要的作用。

在中國現(xiàn)代石油工業(yè)向海洋發(fā)展的過程中，國外先進(jìn)的現(xiàn)代海洋工程被快速地引入到國內(nèi)海油市場[1]，2008年以前，國內(nèi)海上石油平臺井口控制盤主要依賴進(jìn)口，國外井口安全控制系統(tǒng)技術(shù)相對成熟，主要遵從API-RP-14C《海上生產(chǎn)平臺地面安全系統(tǒng)的分析、設(shè)計、安裝和測試》的有關(guān)規(guī)定，生產(chǎn)廠家主要為PETRICO和TEST等[2-3]，國內(nèi)在2005年以前只有一些高危氣井，即在高含硫或特高產(chǎn)量氣井上安裝了進(jìn)口的地面井口安全系統(tǒng)。隨著國家對安全和環(huán)境的高度重視，在GB 50350—2005《天然氣集輸設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定“氣井井口應(yīng)安裝井口高低壓緊急關(guān)斷閥”，以便在采集氣站場發(fā)生意外和失控的情況下快速截斷井口氣源[4-5]。在此之后，中國海洋石油總公司自主進(jìn)行了井口控制盤的研究和開發(fā)，目前產(chǎn)品已覆蓋整個海洋石油市場。2014年，由中國海洋石油總公司發(fā)布了井口控制盤設(shè)計指南及相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]，使得井口控制盤的設(shè)計進(jìn)一步得到了規(guī)范。

由于海上平臺井口安全控制系統(tǒng)基本為多井式，即井口控制盤由1套主系統(tǒng)和多個單井模塊組成，工藝比陸上的系統(tǒng)復(fù)雜很多，李瑜等人[7]針對國內(nèi)外井口安全系統(tǒng)的現(xiàn)狀及基本做法進(jìn)行了分析研究，劉松[8]、劉健[9]等人對海上石油平臺井口控制盤的設(shè)計及調(diào)試進(jìn)行了研究。

但由于海上石油平臺地質(zhì)油藏、井口平臺條件和邏輯控制等技術(shù)要求的差異，井口控制盤的控制原理和工作方式不盡相同，決定了該產(chǎn)品基本都為非標(biāo)的單體設(shè)計產(chǎn)品，目前還沒有從該產(chǎn)品的操作元器件設(shè)計或者使用環(huán)境等因素對其類型或者設(shè)計特點進(jìn)行對比分析。因此，有必要以中國海洋石油總公司所屬的海上平臺為例，對其所使用的井口控制盤的產(chǎn)品類型進(jìn)行歸類總結(jié)，并對每種類型的設(shè)計特點進(jìn)行分析。

1 井口控制盤類型

根據(jù)目前海上石油平臺應(yīng)用狀況，井口控制盤基本類型如圖1所示。海上平臺井口控制盤依據(jù)井口控制盤操作元器件設(shè)計的不同，分為兩大類： 電子按鈕式和機械先導(dǎo)閥式，其中電子按鈕式分為正壓防爆型和隔爆型。機械先導(dǎo)閥式井口控制盤根據(jù)海上石油平臺的不同，分別在邊際油田的無人平臺和有人平臺存在著不同的設(shè)計應(yīng)用，根據(jù)低壓控制管路介質(zhì)的不同，機械先導(dǎo)閥式井口控制盤又分為液動控制和氣液控制兩種類型。

圖1 井口控制盤類型示意

1.1 電子按鈕式井口控制盤

1.1.1 設(shè)計特點

井口控制盤一般安裝在采油樹附近井口危險區(qū)域，在室外易爆氣體長期存在的危險環(huán)境下使用。在一些合資的海上油田多采用電子按鈕式井口控制盤。

電子按鈕式井口控制盤主要有以下特點：

1) 單井采用防爆電子按鈕、高壓電磁閥及梭閥組合控制形式，進(jìn)行開閥和關(guān)閥操作。開閥信號傳輸給設(shè)備兩側(cè)內(nèi)置的正壓防爆箱內(nèi)遠(yuǎn)程終端單元(RTU)，RTU發(fā)出確認(rèn)信號給高壓電磁閥，電磁閥得電導(dǎo)致高壓液壓進(jìn)出口端導(dǎo)通，通過梭閥壓力選擇，完成液壓輸出。

開關(guān)磁阻電機是系統(tǒng)中實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部件，它與傳統(tǒng)的感應(yīng)電動機相比，具有本質(zhì)的區(qū)別。在結(jié)構(gòu)上SRM采用雙凸極形式，即定子、轉(zhuǎn)子均為凸極式結(jié)構(gòu)，定子線圈采用集中式而不是分布式繞組；加在定子繞組上的電壓為不連續(xù)的矩形波而非連續(xù)的正弦波；轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成，既無繞組也無永磁體［1-4］。

2) 壓力源多采用電動液壓泵，通過泵后配置的壓力變送器進(jìn)行泵出口壓力的控制。泵后配置液壓調(diào)壓閥，將低壓控制壓力調(diào)節(jié)到0.5～0.8 MPa，根據(jù)采油樹安全閥的設(shè)計參數(shù)，將操作壓力調(diào)節(jié)到40，69，103 MPa的相應(yīng)等級。

3) 結(jié)構(gòu)上，由于電子按鈕和電磁閥的大量使用，造成模塊式裝配和維修有一定困難。而單井多采用面板式安裝，其次設(shè)備內(nèi)置RTU模塊在工作時不可避免地會產(chǎn)生電火花和熱量，它們一旦與現(xiàn)場的爆炸性氣體混合物相遇，就會導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生，直接危及油田和人員生命安全。因此，設(shè)備殼體選擇采用防爆正壓柜以及正壓吹掃控制系統(tǒng)來滿足現(xiàn)場要求。

1.1.2 防爆設(shè)計區(qū)別

電子按鈕式井口控制盤根據(jù)儀表接線箱防爆類型的差異，分為正壓防爆型和隔爆型，表1為兩種形式的設(shè)計方案對比。主要區(qū)別如下：

1) 隔爆型井口控制盤內(nèi)一般不配置RTU，以分散式控制系統(tǒng)(DCS)為控制核心。壓力變送器、壓力開關(guān)、電磁閥等元器件的信號接入防爆接線箱內(nèi)部，通過儀表信號電纜連接至平臺中心控制室，通過平臺中心控制室DCS完成實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。

2) 隔爆型井口控制盤單井內(nèi)部，采用低壓電磁閥加先導(dǎo)閥的控制方式來代替高壓電磁閥，既滿足了功能需求，又進(jìn)一步降低了產(chǎn)品成本。

表1 電子按鈕式井口控制盤防爆設(shè)計方案對比

1.2.1 無人平臺井口控制盤設(shè)計特點

進(jìn)入21世紀(jì)后，社會發(fā)展對石油能源的需求日趨旺盛，油田開發(fā)建設(shè)所需的原材料和各類資源的價格也在上浮，大幅促進(jìn)了海上邊際油田的開發(fā)。在常規(guī)的開發(fā)模式和技術(shù)下難以投入生產(chǎn)的油田，屬于邊際油田[10]，隨著邊際油田的開發(fā)以及降低開發(fā)工程投資的需求，無人駐守平臺的應(yīng)用在一定程度上使一些邊際油田更具有開發(fā)價值[11]。根據(jù)圖1所示，無人平臺井口控制盤按照低壓回路的控制介質(zhì)，可分為氣動和液動井口控制盤。

1) 氣動井口控制盤。一般采用1組氮氣瓶作為儀表氣，氮氣瓶出口配置調(diào)壓閥和安全閥，氣源壓力調(diào)節(jié)為0.6 MPa，2個氮氣瓶之間通過梭閥連接成為1組，替代儀表氣為設(shè)備內(nèi)單井控制回路、易熔塞回路和緊急停車系統(tǒng)(ESD)回路提供儀表氣。氮氣更換周期是設(shè)計階段重點考慮的重要參數(shù)，它主要取決于開關(guān)采油樹安全閥或ESD及易熔塞回路的操作次數(shù)。根據(jù)計算，單個容積40 L、壓力為12 MPa的1組氮氣瓶，可以同時滿足易熔塞回路、ESD緊急關(guān)斷站、開啟單井安全閥約100次操作。

2) 液動井口控制盤。電動液壓泵為無人平臺井口控制盤提供液壓驅(qū)動力，如果不采用氮氣作為控制氣源，則通過泵后輸出壓力進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，同時在低壓回路配置蓄能器，用于低壓系統(tǒng)壓力補償，使低壓控制介質(zhì)壓力維持在0.6 MPa左右。在設(shè)計及工藝階段，需要考慮先導(dǎo)閥、換向閥、推拉閥等元器件的回油管線布置。同時，無人平臺原油管匯經(jīng)常存在一些外部液動關(guān)斷閥(SDV)，需要井口控制盤為其提供相應(yīng)的液壓動力，因而通常會從井口控制盤引出1條獨立支路，根據(jù)SDV閥的操作壓力和執(zhí)行器容積的不同，配置相應(yīng)的壓力等級操作回路和應(yīng)急蓄能器。

無人平臺井口控制盤生產(chǎn)運行的一些重要參數(shù)需通過終端遠(yuǎn)傳到中心平臺，同時也接受中心平臺的遠(yuǎn)程ESD關(guān)斷，遠(yuǎn)程控制主要通過井口控制盤內(nèi)的電磁閥來實現(xiàn)，當(dāng)遠(yuǎn)程關(guān)斷后井口控制盤系統(tǒng)重新開啟時，需要在本地進(jìn)行手動操作確認(rèn)。

1.2.2 有人平臺井口控制盤設(shè)計特點

機械先導(dǎo)閥式井口控制盤近年在自營油田應(yīng)用比較廣泛，氣液控制井口控制盤占比應(yīng)用較大。其中單井模塊配置高低壓導(dǎo)閥是較為常規(guī)的一種方式，由高壓(PSH)和低壓(PSL)2個設(shè)定點的不同壓力開關(guān)組成串聯(lián)類型，進(jìn)行液壓系統(tǒng)管路控制。當(dāng)感應(yīng)壓力高于高壓導(dǎo)閥PSH的設(shè)定值或低于低壓導(dǎo)閥PSL的設(shè)定值時，壓力感應(yīng)器會自動關(guān)斷控制壓力進(jìn)口氣源，并通過相應(yīng)排放口卸掉出口回路壓力，并引起相應(yīng)換向閥失壓，導(dǎo)致機械先導(dǎo)閥先導(dǎo)端失壓，從而引起井上安全閥的聯(lián)鎖關(guān)閉，因而是一種不需要通過中心控制室的直接聯(lián)鎖式關(guān)斷。機械先導(dǎo)閥通過配置旁通按鈕，在投產(chǎn)前期或維修更換先導(dǎo)閥時起到旁通作用。

原油管匯的壓力檢測目前有兩種形式：

1) 采用高低壓導(dǎo)閥式或者壓力變送器，但配置高低壓導(dǎo)閥，需要在井口控制盤內(nèi)增加壓力開關(guān)、儀表閥及換向閥等元器件，會導(dǎo)致單井成本增加。因此，原油管匯上采用壓力變送器方式是較為經(jīng)濟、適用的一種方式，壓力變送器將管匯壓力傳遞給中心控制室，由中心控制室程序進(jìn)行壓力判斷決策，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控和關(guān)斷的目的。

2) 采油樹地面安全閥主要分氣壓驅(qū)動或者液壓驅(qū)動兩類，地面安全閥為氣壓驅(qū)動，則地面控制回路設(shè)計壓力較低，單井核心元器件主要采用機械先導(dǎo)閥加換向閥的組合形式，選用耐壓較低的元器件，相對成本較低。地面安全閥及井下安全閥[12](SCSSV)采用液壓驅(qū)動的生產(chǎn)平臺，按照采油樹安全閥的個數(shù)，一般分為由地面主閥、地面翼閥、井下安全閥組成的三閥式，或者由地面主閥、地面翼閥組成的兩閥式，液壓按照壓力等級分為40，69，103 MPa三個等級。

2 井口控制盤方案設(shè)計及適用性分析

電子按鈕式井口控制盤和機械先導(dǎo)閥式井口控制盤體現(xiàn)了兩類不同的設(shè)計思路和理念。目前電子按鈕式井口控制盤應(yīng)用于合資油田較多，體現(xiàn)了以RTU為核心的設(shè)計理念，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸。機械先導(dǎo)閥式主要應(yīng)用于自營油田，以DCS為控制核心，實現(xiàn)統(tǒng)一集中控制。因此，設(shè)計理念的不同，兩類設(shè)備的核心元器件選型及控制形式也存在一些差異，設(shè)計方案對比見表2所列。

1) 電子按鈕式井口控制盤單井普遍采用梭閥與高壓電磁閥組合的形式，需要井口配置RTU，考慮成本因素，井?dāng)?shù)較少的平臺不適宜，適合20井左右的平臺。由于滿足設(shè)計要求的核心元器件品牌種類較少，因而單井成本較高，元器件采用面板式安裝且接線箱頂置的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致安裝過程及后期在線維護(hù)不方便，目前多用于合資油田，且應(yīng)用數(shù)量較少。

2) 機械先導(dǎo)閥式井口控制盤單井成本及維護(hù)費用較低，采用模塊式結(jié)構(gòu)，后期在線維護(hù)方便，以DCS為控制核心的設(shè)計，是目前海上平臺設(shè)計的主流趨勢，因而近年應(yīng)用數(shù)量較多，且控制系統(tǒng)壓力為低壓，從成本及安全性和維護(hù)性考慮，是目前推薦優(yōu)先使用的形式。

兩類井口控制盤應(yīng)用特點對比見表3所列，由于井口控制盤屬于單體設(shè)計產(chǎn)品，需要根據(jù)油田開發(fā)模式、地質(zhì)油藏、井口平臺條件、邏輯控制等不同要求，通過設(shè)計不同原理和功能的井口控制盤，來滿足油田開發(fā)需求。

表2 井口控制盤設(shè)計方案對比

表3 井口控制盤應(yīng)用特點對比

3 結(jié)束語

針對海上平臺應(yīng)用的井口控制盤產(chǎn)品，根據(jù)操作元器件設(shè)計及其使用環(huán)境特征，總結(jié)歸納每種類型的設(shè)計特點，并對設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)說明和對比分析，介紹了不同類型井口控制盤的適用性，并對應(yīng)用特點進(jìn)行了對比說明，不僅為后續(xù)海上石油平臺井口控制盤的工程設(shè)計及選型提供了指導(dǎo)，還為井口控制盤進(jìn)一步的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)升級和設(shè)計改進(jìn)提供了依據(jù)。

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Design Type Analysis of Offshore Oil Platform Wellhead Control Panel

Qu Shaolin

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

Aiming at wellhead control panel applied in offshore platform, according to characteristics of operating components and the application environment, design features of each type of wellhead control panel are summarized. The design scheme is described in detail and contrasted. Two kinds of electronic push-button and mechanical pilot valve with six types for wellhead control panel mode are researched and concluded. Electronic push-button type is divided into positive pressure explosion-proof and flameproof; According to platform design requirements, mechanical pilot valve is divided into two types of hydraulic control and gas-liquid control. Design and application characteristics of each type are analyzed. The cost and maintenance cost of mechanical pilot valve control panel is low. The design of taking DCS as control core, is mainstream trend. It is recommended to use the design in view of cost and maintenance.

offshore oil platform; wellhead control panel; control method; positive pressure explosion-proof type; flameproof type

屈少林，男，2007年畢業(yè)于西安石油大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，2016年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)石油與天然氣工程專業(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)場應(yīng)用等工作，任工程師。

TE951

B

1007-7324(2017)03-0011-04

稿件收到日期： 2016-10-31，修改稿收到日期： 2017-02-20。