海上數(shù)字化無人井口平臺(tái)設(shè)計(jì)研究與思考
——以渤海某高凝油田無人井口平臺(tái)設(shè)計(jì)為例

陳 迪，朱春麗，鐘雨桐

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

鑒于無人井口平臺(tái)投資少、運(yùn)營成本低，因此通常將其應(yīng)用于規(guī)模小、經(jīng)濟(jì)效益低的邊際油氣田開發(fā)。但隨著油氣田開發(fā)難度的增加，人員和設(shè)備成本的不斷升高，無人平臺(tái)也開始在常規(guī)油氣田開發(fā)中進(jìn)行嘗試應(yīng)用，并且隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人平臺(tái)代替有人平臺(tái)將逐步成為可能。

目前無人井口平臺(tái)應(yīng)用于海上氣田開發(fā)的效果較好，用于油田開發(fā)則不是十分理想且應(yīng)用范圍較窄，其原因主要受電潛泵管控、海管應(yīng)急置換操作、設(shè)備維護(hù)以及平臺(tái)生產(chǎn)安全環(huán)保等因素制約，導(dǎo)致平臺(tái)自持天數(shù)短，現(xiàn)場(chǎng)人員登平臺(tái)作業(yè)頻率高，因此影響了無人井口平臺(tái)在油田開發(fā)的實(shí)際應(yīng)用效果。

本文以渤海某高凝油田無人井口平臺(tái)設(shè)計(jì)為例，探討和總結(jié)了海上無人井口平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)思路，并針對(duì)高凝油田采用無人井口平臺(tái)開發(fā)方案，給出了相應(yīng)設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)案例，擴(kuò)大了無人平臺(tái)技術(shù)的應(yīng)用范圍，為后續(xù)更加先進(jìn)的數(shù)字化無人平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。

渤海某高凝油田產(chǎn)量規(guī)模小，生產(chǎn)井?dāng)?shù)為5 口，為高凝輕質(zhì)原油（凝點(diǎn)27 ℃），采用一座獨(dú)腿三樁簡(jiǎn)易無人井口平臺(tái)WHP 開發(fā)，原油處理和電力依托周邊已建中心平臺(tái)CEP。

1 無人井口平臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與方案研究

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

在保證平臺(tái)生產(chǎn)安全、環(huán)保，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的前提下，方案設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)：

（1）簡(jiǎn)易化、集成化、數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化，同時(shí)兼顧可操作性與安全性。

（2）提高無人平臺(tái)的可用性、可靠性、可操作性和安全性，延長平臺(tái)自持天數(shù)，降低登平臺(tái)操作維護(hù)頻率。

最終實(shí)現(xiàn)平臺(tái)低成本、低能耗、高效率運(yùn)行。

1.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)與方案研究

1.2.1 簡(jiǎn)易化設(shè)計(jì) 通過簡(jiǎn)化平臺(tái)設(shè)備設(shè)施配置，減少設(shè)備數(shù)量和維護(hù)工作量，進(jìn)而減小平臺(tái)甲板面積，簡(jiǎn)化平臺(tái)結(jié)構(gòu)，最終降低平臺(tái)投資。通常無人井口平臺(tái)功能簡(jiǎn)單、設(shè)施較少，能夠優(yōu)化掉的設(shè)備主要有：應(yīng)急機(jī)、置換泵、壓井泵、柴油系統(tǒng)、化學(xué)藥劑系統(tǒng)等。

以WHP 平臺(tái)設(shè)計(jì)為例，主要從流程優(yōu)化和設(shè)備維護(hù)兩方面實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的簡(jiǎn)易化。經(jīng)過方案比選和優(yōu)化，平臺(tái)最終優(yōu)化掉：應(yīng)急機(jī)、置換泵、壓井泵、閉排泵、消防泵、柴油系統(tǒng)、海水系統(tǒng)。

1.2.1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程 通過共享依托的CEP 設(shè)施資源，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，減少WHP 設(shè)備配置。海管設(shè)計(jì)為子母管形式，正常生產(chǎn)時(shí)，殺菌劑和緩蝕劑通過子管由CEP 輸送至WHP 實(shí)現(xiàn)注入；預(yù)熱或置換工況下，利用CEP 生產(chǎn)水增壓泵或井用泵，通過子管將生產(chǎn)水輸送至WHP，并經(jīng)加熱器加熱后，打入輸油母管進(jìn)行預(yù)熱或置換。此設(shè)計(jì)流程取消了置換泵、海水系統(tǒng)和部分化學(xué)藥劑系統(tǒng)的配置（平臺(tái)僅保留設(shè)置防蠟藥劑罐，由于防蠟劑需注入井口，采用子管注入將提高子管設(shè)計(jì)壓力等級(jí)），生產(chǎn)流程（見圖1）。

1.2.1.2 減少動(dòng)設(shè)備配置 減少動(dòng)設(shè)備配置可大量減少設(shè)備檢查維護(hù)工作量，從而降低人員登平臺(tái)頻率，增加平臺(tái)自持天數(shù)。

取消應(yīng)急發(fā)電機(jī)配置[1]，免除了應(yīng)急機(jī)定期啟機(jī)檢查維護(hù)工作；

取消壓井泵配置，油井停井時(shí)，壓井采用支持船壓井方案；

由于平臺(tái)無其他柴油用戶，取消柴油系統(tǒng)；

取消閉排泵配置，通過優(yōu)化設(shè)備布置，閉排罐液相物流依靠重力自流至開排槽，由開排泵將原油打入輸油海管；

無人平臺(tái)不配置消防泵，消防水系統(tǒng)采用干式管網(wǎng)，配置通岸接頭[2]，免除了消防泵定期檢驗(yàn)和維護(hù)工作。

1.2.2 集成化設(shè)計(jì) 通過設(shè)備設(shè)施功能共享、空間集成，實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)，減小占地空間，降低平臺(tái)投資。

圖1 WHP 生產(chǎn)流程示意圖

本文案例WHP 無人井口平臺(tái)在設(shè)計(jì)上首次將集成化設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于無人井口平臺(tái)電儀房間的設(shè)計(jì)。房間采用一體化集成設(shè)計(jì)，通過設(shè)備選型和優(yōu)化布置，實(shí)現(xiàn)了功能和空間的集成；工程設(shè)計(jì)、建造和調(diào)試的集成，實(shí)現(xiàn)了房間整體測(cè)試、整體安裝、整體拆除。本方案最終減少了電儀房間建造、調(diào)試時(shí)間和占地面積，WHP平臺(tái)一體化電儀房間較常規(guī)電儀房間可減少占地面積約20 %。集成化設(shè)計(jì)對(duì)于無人簡(jiǎn)易平臺(tái)是一個(gè)較好的方案，本設(shè)計(jì)案例為后續(xù)項(xiàng)目提供了新思路（見圖2）。

圖2 電儀一體化房間示意圖

1.2.3 數(shù)字化設(shè)計(jì) 利用數(shù)字信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遙控控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的生產(chǎn)操作無人化，生產(chǎn)信息采集傳輸數(shù)字化，油田日常管理信息化，從而減少人員登平臺(tái)操作次數(shù)，延長平臺(tái)自持時(shí)間，提高平臺(tái)生產(chǎn)效率。

借助平臺(tái)中控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)和信息通過通訊鏈路傳輸至依托的中心平臺(tái)進(jìn)行集中監(jiān)控，根據(jù)生產(chǎn)需求，對(duì)無人井口平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。與以往無人平臺(tái)設(shè)計(jì)相比，本文案例WHP 平臺(tái)數(shù)字化設(shè)計(jì)更為完善：

1.2.3.1 簡(jiǎn)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 為減少新建WHP 與依托的CEP 間系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口，設(shè)計(jì)上將WHP 控制網(wǎng)外延至CEP，WHP 遠(yuǎn)程操作站接入外延控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。此設(shè)計(jì)使WHP 與CEP 的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)各自獨(dú)立，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和接口的復(fù)雜性，降低了工程實(shí)施難度，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1.2.3.2 數(shù)據(jù)信息采集更加豐富 通過設(shè)置更多傳感類儀器儀表，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)、消防設(shè)施狀態(tài)、電儀房間溫/濕度以及平臺(tái)實(shí)況視頻等信息進(jìn)行采集，使操作人員可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無人平臺(tái)狀況，全面了解平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備參數(shù)異常時(shí)，可及時(shí)干預(yù)處理。監(jiān)測(cè)信息采集（見表1）。

1.2.3.3 通訊鏈路設(shè)計(jì)更加可靠 主通訊鏈路采用光纖，可滿足數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸及遠(yuǎn)程控制指令傳輸?shù)囊?。但考慮到本油田為高凝原油，光纖鏈路如出現(xiàn)故障，將可能導(dǎo)致由于無法實(shí)施海管遠(yuǎn)程置換操作而造成海管凝管問題，因此設(shè)計(jì)上配置了微波作為備用通訊鏈路，以提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，?dāng)主通訊鏈路故障時(shí)，可自動(dòng)切換至備用通訊鏈路。

表1 WHP 平臺(tái)設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)信號(hào)采集一覽表

圖3 有主電時(shí)海管置換操作流程

1.2.4 自動(dòng)化設(shè)計(jì) 除常規(guī)的生產(chǎn)流程及關(guān)斷、消防自動(dòng)控制設(shè)計(jì)外，為延長平臺(tái)自持時(shí)間，降低人員登平臺(tái)操作頻率，中控系統(tǒng)組態(tài)均設(shè)置了各設(shè)備的遠(yuǎn)程手動(dòng)控制功能（修改參數(shù)設(shè)定點(diǎn)、控制設(shè)備啟停等），操作人員可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)。此外，針對(duì)高凝原油海管置換問題，中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上做了相關(guān)特殊考慮，實(shí)現(xiàn)了海管的遠(yuǎn)程置換，解決了高凝油田的置換問題。

高凝原油海管遠(yuǎn)程遙控應(yīng)急置換設(shè)計(jì)方案：由于平臺(tái)取消應(yīng)急發(fā)電機(jī)，海管置換分為兩種工況：

1.2.4.1 有主電工況 該工況下，加熱器可以正常使用，置換生產(chǎn)水經(jīng)加熱器加熱至70 ℃后去往海管置換高凝原油。此置換工況下，閥門遙控開啟順序：2→5→7；1/3/4/6 處于關(guān)閉狀態(tài)（見圖3）。

1.2.4.2 失主電工況 該工況下，加熱器不能使用，隔離球?qū)⒂糜诘蜏厣a(chǎn)水與高溫高凝原油間的隔離，因此需遠(yuǎn)程發(fā)射隔離球進(jìn)行置換。此置換工況，閥門遙控開啟順序：2→4→6→7；閥門1/3/5 處于關(guān)閉狀態(tài)（見圖4）。

相關(guān)系統(tǒng)的特殊/優(yōu)化設(shè)計(jì)：清管隔離球預(yù)先裝入發(fā)球筒備用。

設(shè)置一套小型控制系統(tǒng)，用于失主電時(shí)海管應(yīng)急置換操控。該小型控制系統(tǒng)僅接入海管置換相關(guān)控制信號(hào)，以減小供電蓄電池容量。

整個(gè)置換時(shí)間約9 h，0.5 h 的UPS 供電不能滿足要求，因此為保證置換期間對(duì)置換流程的監(jiān)控和操作，另配置了9 h 電池組為小型控制系統(tǒng)供電。

置換相關(guān)閥門設(shè)置為可以遠(yuǎn)程開啟，采用液壓驅(qū)動(dòng)，由井口盤為其提供液壓動(dòng)力，井口盤蓄能器容量設(shè)計(jì)可保證閥門開啟。

關(guān)鍵回路上的傳感儀表和信號(hào)傳輸設(shè)備（3 選2）采用冗余設(shè)計(jì)，減少平臺(tái)誤關(guān)斷導(dǎo)致的海管置換操作，增加系統(tǒng)的可靠性和可用性。

主流程設(shè)置關(guān)斷閥（圖4，3 號(hào)SDV），確保海管在啟動(dòng)應(yīng)急置換時(shí)不會(huì)發(fā)生超壓風(fēng)險(xiǎn)（海管為降壓設(shè)計(jì)），保證遠(yuǎn)程置換操作的安全。

對(duì)中控室、電池間及FM200 房間進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)，在暖通系統(tǒng)失電停止運(yùn)行時(shí)，保證房間9 h 溫降后不低于-10 ℃，確保FM200 設(shè)備可以正常啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)消防功能。

1.2.5 智能化設(shè)計(jì) 在平臺(tái)數(shù)字信息化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過增加專家決策系統(tǒng)指導(dǎo)操作人員解決生產(chǎn)問題，同時(shí)根據(jù)專家系統(tǒng)給出的設(shè)備健康狀況預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)果，有計(jì)劃安排維修維護(hù)工作，減少現(xiàn)場(chǎng)人員登平臺(tái)作業(yè)次數(shù)，提升平臺(tái)的自持能力。

圖4 失主電時(shí)海管置換操作流程

由于本文案例WHP 平臺(tái)所設(shè)設(shè)備較少，設(shè)計(jì)上僅對(duì)油井電潛泵實(shí)施智能化管控，設(shè)置了“油井生產(chǎn)優(yōu)化遠(yuǎn)程專家決策系統(tǒng)”用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電潛泵的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷、分析和狀態(tài)跟蹤，并依靠專家決策系統(tǒng)輔助解決油井生產(chǎn)及電潛泵維護(hù)問題?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)專家系統(tǒng)的指導(dǎo)，可在問題出現(xiàn)早期進(jìn)行提前干預(yù)和處理，從而避免設(shè)備故障的發(fā)生或擴(kuò)大，最大限度保證生產(chǎn)的連續(xù)性，減少人員登平臺(tái)次數(shù)。

1.2.6 安全及可操作性

1.2.6.1 登平臺(tái)方式 設(shè)計(jì)上既要考慮操作人員登平臺(tái)的便捷性，同時(shí)也要防止非作業(yè)人員侵入。WHP 登平臺(tái)方式采用遙控懸梯+懸掛軟梯，在失主電時(shí)電動(dòng)遙控懸梯無法使用，操作人員通過固定梯道懸掛軟梯登陸平臺(tái)。為防止非作業(yè)人員登陸平臺(tái)，設(shè)置了反恐門。

1.2.6.2 平臺(tái)關(guān)斷后的復(fù)產(chǎn)方式 對(duì)于由外部原因（依托的中心平臺(tái)故障）導(dǎo)致的無人井口平臺(tái)關(guān)斷，可根據(jù)依托平臺(tái)的實(shí)際生產(chǎn)情況并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)人員操作習(xí)慣，選擇無人平臺(tái)關(guān)斷后的復(fù)產(chǎn)方式。如采用遠(yuǎn)程復(fù)位啟動(dòng)生產(chǎn)，需遠(yuǎn)程確認(rèn)各設(shè)備參數(shù)正常，且電氣盤柜在設(shè)計(jì)上需考慮增加電操執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電源合閘功能，但由此將會(huì)增加電氣盤柜數(shù)量，從而增加電氣房間及甲板面積，導(dǎo)致投資增加。

對(duì)于本文案例WHP 平臺(tái)關(guān)斷后復(fù)產(chǎn)方式，考慮到依托的CEP 每年出現(xiàn)故障關(guān)停次數(shù)很少，因此綜合考慮選擇采用人員登平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位后啟動(dòng)生產(chǎn)方式。

1.2.6.3 防入侵及溢油監(jiān)測(cè) 為保證無人平臺(tái)生產(chǎn)安全和環(huán)保，需考慮配置防入侵和溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文案例WHP 平臺(tái)防入侵系統(tǒng)配置了視頻/熱成像攝像頭和報(bào)警設(shè)備，用于監(jiān)控和驅(qū)逐非作業(yè)人員登平臺(tái)；溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)周邊是否出現(xiàn)溢油狀況，設(shè)計(jì)上考慮節(jié)省投資，與防入侵系統(tǒng)共用視頻攝像頭，對(duì)于監(jiān)控覆蓋不到的區(qū)域，增設(shè)攝像頭作為補(bǔ)充。

2 結(jié)語

本文通過渤海某高凝油田WHP 平臺(tái)設(shè)計(jì)案例，系統(tǒng)闡述了無人平臺(tái)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并針對(duì)高凝油田海管遙控置換問題提供了設(shè)計(jì)思路和方案，為擴(kuò)大無人平臺(tái)的應(yīng)用提供了相關(guān)參考。

對(duì)于無人平臺(tái)的設(shè)計(jì)，核心在于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)生產(chǎn)和管理的長期無人化。設(shè)計(jì)上，平臺(tái)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)易化和集成化，以降低投資和維保工作量，同時(shí)應(yīng)充分利用數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化等技術(shù)手段保證平臺(tái)生產(chǎn)的安全性、可靠性和連續(xù)性，減少操作人員的干預(yù)，最終實(shí)現(xiàn)油田低成本、低能耗、高效率的開發(fā)。