海上油田注聚自動化控制系統設計與應用＊

鄒萬勤 謝祥恩 劉 敏 張 君 續 偉 王 瑤

(中海油能源發展股份有限公司采油技術服務分公司)

海上油田注聚自動化控制系統設計與應用＊

鄒萬勤 謝祥恩 劉 敏 張 君 續 偉 王 瑤

(中海油能源發展股份有限公司采油技術服務分公司)

為保障海上油田注聚工藝的實施,設計了注聚自動化控制系統。該系統采用橇裝化技術、組態技術、PLC控制技術、Darwin控制器技術,以及注聚系統配電與平臺配電既獨立又有機結合的方式,實現了系統集中、自動、一體化控制功能,具有設備小巧、結構緊湊、控制精度高的特點,目前已在渤海SZ36-1、LD10-1、LD5-2、J Z9-3、NB35-2等油田成功應用。

海上油田 注聚 自動化控制系統

注聚合物驅油技術是油田進入開采中后期廣泛應用的三次采油的有效方法之一,是確保油田穩產、增效的重要手段。聚合物驅油技術目前已在國內陸地較多油田推廣,并已進入工業應用階段,但由于該項技術應用需要大量空間和場地,對水、電、吊機等公共資源也有較高要求,因此聚合物驅油技術在空間有限的海上采油平臺的應用受到了制約,海上注聚的工業化發展進程比較緩慢。近年來,為了滿足海上油氣田開發的需要,通過不斷的技術創新,研發了一套適合于海上油田的注聚工藝[1]及與之配套的自動化控制系統。本文主要對海上油田注聚自動化控制系統設計關鍵技術與應用進行總結。

1 系統設計

1.1 注聚工藝與控制方式

海上油田注聚工藝采用間歇配注[2]或連續配注兩種模式,注入方式采用一泵一井或一泵多井。注聚系統由上料系統、分散溶解系統、熟化系統、注入系統等子系統組成。各子系統相對獨立,均采用橇裝式結構[3]設計,便于在海上平臺吊裝、布置。圖1為海上油田注聚基本工藝流程圖。

根據注聚系統工藝與控制要求,結合海上采油平臺工藝特點,整個控制系統采用PLC控制系統和分散控制系統兩種控制方式。PLC控制系統適用于單個海上采油平臺、注入井數量少的可移動式中小型橇裝式注聚系統;而分散控制系統適用于化學驅各系統分散在多個海上采油平臺、注入井數量多、平臺空間大的固定式大中型化學驅設備。

1.2 關鍵技術與措施

(1)采用集成橇裝式中央控制室實現中控功能

針對海上采油平臺空間有限的特點,整個注聚自動化控制系統除現場儀器儀表外,都集成在一個橇裝的集裝箱內,用它作為注聚系統的中央控制室。在海上生產、作業要求移位時,可快速移位,系統恢復時間短。

圖1 海上油田注聚基本工藝流程圖[1]

集成橇裝式中央控制室不僅做了防火、防凍、防腐蝕等特殊處理,還設置了可燃氣探測、火災自動報警裝置等消防措施,并為正壓防爆型結構,所以該控制室可在海上采油平臺井口區、油氣處理區、公共設施區、動力和其它輔助設備區等Ⅰ類、Ⅱ類危險區域和安全區域布置、吊裝及移動使用。

集成橇裝式中央控制室內部設計為三室結構,三室為機柜室、操作室、緩沖室;整個控制室占地面積6～9m2,結構小巧、緊湊,很方便在海上采油井口平臺布置。

橇內控制系統的機柜及操作臺按照人體工程學原理設計,采用立式控制柜,整體結構緊湊,布置單元化,布線少,并采用防塵、散熱和抗干擾設計;同時還設計了各種電氣線路的連接接口,使控制系統線路便于鋪設和連接。

(2)采用組態技術實現集中監控功能

注聚下位機編程設計使注聚設備的各種工藝參數能夠得到有效采集和控制,也使得注聚作業過程實現了邏輯控制的自動化。但是,下位機控制環境界面并不友好,一條條控制指令使得現場人員不便觀察和監控注聚工藝流程;所以,開發出了具有良好人機對話環境的組態監控程序,從而實現了智能化的管理模式,操作也簡捷方便。

在組態監控軟件里[4],通過程序的編寫,完成注聚系統的圖形界面設計、設備的定義、數據庫的構造、動畫連接的建立、運行和調試等,從而完成了注聚控制系統的組態工程設計。

在組態好了的注聚流程監控界面里,工作人員能很容易監測整個注聚系統的實時工作狀態、工藝參數的變化、實時和歷史數據記錄、系統報警情況,操作性好。海上油田注聚流程監控界面如圖2所示。

圖2 海上油田注聚流程監控界面(以SZ36-1A油田為例)

(3)采用PLC控制技術實現注聚系統全自動控制

海上油田注聚自動化控制系統使用西門子SIMATIC S7-300系列控制器[5];該控制器向用戶提供具有前瞻性和最優可靠的解決方案。它具有通用性和特別豐富的CPU及模塊種類,高性能、模塊化設計、緊湊型模塊,非常適用于注聚控制系統中。

在注聚系統工作時,程序自動啟動配液程序, PLC控制軟件檢測熟化罐液位。當熟化罐液位處于系統設定的低液位時,熟化罐進口閥自動打開,閥門開到位后將信號傳遞給鼓風機,鼓風機啟動后在預定時間開水,水達到設定流量后給料,水和聚合物料在水粉混合頭混合進溶解罐,溶解罐液位淹沒攪拌器葉片時攪拌器自動啟動;當溶解罐液位達到設定的高液位時,輸送螺桿泵自動啟動送液至熟化罐。隨著配液的進行,溶解罐液位不斷降低。當溶解罐液位降低到低液位時,輸送螺桿泵自動停泵;當溶解罐液位升高到高液位時,自動啟動輸送螺桿泵。如此反復,直到其中一個熟化罐配液完成(到熟化罐高液位),熟化罐進口閥自動關閉,給料機停機,水至溶解罐高液位時配液供水調節閥自動關閉(配液供水電磁閥與溶解罐高限開關聯鎖),預定時間后停鼓風機,配液自控流程完成。

一個熟化罐配液完成后,按照以上程序進行下一罐的配液,同時已配完液的熟化罐進入熟化階段,熟化時間為系統設定。熟化完成后啟動注入程序,程序根據熟化時間和熟化罐液位滿足系統設定后自動開啟熟化罐出口閥,閥門開到位后變頻器控制喂入泵和注入泵啟動,進入注入流程。注入時,按設計的注入量調節流量調節器(電動、手動),按電磁流量計示值及設定的注入濃度,水閥組的自動混配比閥自動調節高壓水量。當熟化罐液位到低液位時,切換熟化罐注入,而打空的熟化罐進行配液。如此循環,完成整個作業流程。

以上整個注聚過程都是在基于 PLC控制技術開發出的控制程序下完成的。采用PLC控制技術,實現了注聚的邏輯控制功能,以及流量計量和數據采集,壓力、液位計量和數據采集,閥門自動控制,變頻器控制,注聚系統的集中控制、顯示和數據的記錄、查詢等功能。

(4)采用Darwin控制器技術實現電氣自動化

Darwin控制器由 MSC緊湊型馬達啟動器、PROFIBUS-DP網關、SWIRE-DIL接觸器模塊、數據連接線、24VDC電源模塊等組成,它為馬達啟動器和自動化設備的連接設計了專門的數據連接線和插頭,取代了自動化I/O模塊與開關設備間的傳統接線,大幅度地簡化了控制柜內的繁雜接線。采用Darwin控制器技術,實現了注聚控制系統的控制、開關、保護和HMI操作等功能,提高了注聚自動化程度,使整個注聚自動化控制系統配置更加合理、優化,同時也減少了系統在平臺上的占地空間。

(5)采用注聚系統配電與平臺配電既獨立又有機結合的方式實現注聚電氣系統平臺一體化管理

注聚系統中的所有用電均來自海上采油平臺的供電系統,系統配電和控制在注聚控制系統中完成。結合平臺開關間低壓供電的形式和配電情況,注聚系統配電采用配電回路自成系統又與平臺配電有機結合的方式。回路設置照明電源回路、溶熟電源回路、高壓注入系統電源回路;注聚系統的罐體、流程管匯保溫所用的電伴熱均采用漏電保護,統一接入海上平臺電伴熱系統。同時,在注聚系統規模較大(用電負荷一般在幾百千瓦以上),平臺低壓配電不能滿足注聚系統要求時,可利用所設置的注聚專用電網回路,通過變電裝置將高壓電變成低壓進行集中配電和管理。

2 系統應用

自主研制開發的海上油田注聚自動化控制系統具有穩定可靠、易于擴展、便于維護、操作簡單、實時性好、自動化程度高等特點,能夠使聚合物溶解徹底、不產生魚眼、粘度保留率高,可以滿足海上油田注聚工藝技術的應用要求,目前已在渤海SZ36-1、LD10-1、LD5-2、J Z9-3和NB35-2等油田成功應用。隨著聚合物驅油技術在海上油田的深入推廣,對聚合物裝置控制系統的要求也越來越高,也將使注聚自動化控制系統在實際應用中不斷得到改進、完善和升級。

3 結束語

海上油田注聚自動化控制系統采用橇裝化設計,結構輕巧、布置緊湊、設計合理、功能齊全,適應于海上平臺作業條件,可實現設備的重復利用。該系統的開發與應用,為海上聚驅工藝技術發展提供了強有力的技術支持,實現了注聚工藝參數的在線監測和有效控制,滿足了三次采油聚合物驅技術在海洋石油領域的應用,對海上油田提高采收率和海上油田的長期穩產具有積極作用。

[1] 劉敏,鄒明華,吳華曉,等.海上油田聚合物驅平臺配注工藝技術[J].中國海上油氣,2010,22(4):259-261.

[2] 申秀麗,劉勤,李環.聚合物配注工藝的應用和改進[J].石油礦場機械,2004,33(S1):111-114.

[3] 于新哉,余澤華,鄭波.橇裝式模塊化注聚合物站的設計[J].石油機械,2003,31(2):47-49,62.

[4] 何新軍,張明贊,基于組態王的污水處理系統通訊設計[J].化工自動化及儀表,2004,31(5):38-40.

[5] 吳東升,李彬.基于西門子S7-300PLC的焊管生產線活套控制系統[J].焊管,2009,32(6):49-53.

(編輯:孫豐成)

Abstract:The automatic polymer injecting control system was designed to improve offshore polymer injecting technique.This system is designed with the techniques of skid,configuration,PLC control, Darwin controller and polymer-injecting system electric distribution independent-combined platform electric distribution.The integration and automation of the system are realized with small size,compact conformation and high degree of accuracy.This system have been applied in the oilfields SZ36-1,LD10-1,LD5-2, JZ9-3and NB35-2in Bohai Sea.

Key words:offshore oilfield;polymer injecting;automatic control system

Design and application of offshore oilfield automatic polymer injecting control system

Zou Wanqin Xie Xiang’en Liu Min Zhang Jun Xu Wei Wang Yao
(CNOOC Energy Technology&Services-Oilf ield Technology Services Co.,Tianjin,300452)

2010-05-21 改回日期:2010-07-02

＊國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”(編號:2008ZX05057)部分研究成果。

鄒萬勤,男,工程師,2004年畢業于原西南石油學院測控技術與儀器專業,目前主要從事海洋石油三次采油裝備的開發設計工作。地址:天津市塘沽區渤海石油路688號港建2號樓(郵編:300452)。