海上石油平臺井口控制盤設計類型分析

屈少林

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

海上石油平臺井口控制盤設計類型分析

屈少林

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

針對海上平臺應用的井口控制盤產品，根據操作元器件設計及其使用環(huán)境特征，總結歸納了每種類型的設計特點，并對設計方案進行了詳細說明和對比分析，研究總結出電子按鈕式、機械先導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；機械先導閥式根據平臺設計要求不同，分為液動控制和氣液控制兩種類型，并對每種類型的設計和應用特點進行了分析。機械先導閥式井口控制盤成本及維護費用較低，以DCS為控制核心的設計是目前的主流趨勢，從成本及維護性考慮，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施。根據有關監(jiān)測信號控制井口設施順序關停，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和平穩(wěn)運行起著非常重要的作用。

在中國現代石油工業(yè)向海洋發(fā)展的過程中，國外先進的現代海洋工程被快速地引入到國內海油市場[1]，2008年以前，國內海上石油平臺井口控制盤主要依賴進口，國外井口安全控制系統(tǒng)技術相對成熟，主要遵從API-RP-14C《海上生產平臺地面安全系統(tǒng)的分析、設計、安裝和測試》的有關規(guī)定，生產廠家主要為PETRICO和TEST等[2-3]，國內在2005年以前只有一些高危氣井，即在高含硫或特高產量氣井上安裝了進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《天然氣集輸設計規(guī)范》中明確規(guī)定“氣井井口應安裝井口高低壓緊急關斷閥”，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行了井口控制盤的研究和開發(fā)，目前產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)布了井口控制盤設計指南及相關企業(yè)標準[6]，使得井口控制盤的設計進一步得到了規(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)復雜很多，李瑜等人[7]針對國內外井口安全系統(tǒng)的現狀及基本做法進行了分析研究，劉松[8]、劉健[9]等人對海上石油平臺井口控制盤的設計及調試進行了研究。

但由于海上石油平臺地質油藏、井口平臺條件和邏輯控制等技術要求的差異，井口控制盤的控制原理和工作方式不盡相同，決定了該產品基本都為非標的單體設計產品，目前還沒有從該產品的操作元器件設計或者使用環(huán)境等因素對其類型或者設計特點進行對比分析。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品類型進行歸類總結，并對每種類型的設計特點進行分析。

1 井口控制盤類型

根據目前海上石油平臺應用狀況，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井口控制盤操作元器件設計的不同，分為兩大類： 電子按鈕式和機械先導閥式，其中電子按鈕式分為正壓防爆型和隔爆型。機械先導閥式井口控制盤根據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計應用，根據低壓控制管路介質的不同，機械先導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，進行開閥和關閥操作。開閥信號傳輸給設備兩側內置的正壓防爆箱內遠程終端單元(RTU)，RTU發(fā)出確認信號給高壓電磁閥，電磁閥得電導致高壓液壓進出口端導通，通過梭閥壓力選擇，完成液壓輸出。

開關磁阻電機是系統(tǒng)中實現能量轉換的部件，它與傳統(tǒng)的感應電動機相比，具有本質的區(qū)別。在結構上SRM采用雙凸極形式，即定子、轉子均為凸極式結構，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行泵出口壓力的控制。泵后配置液壓調壓閥，將低壓控制壓力調節(jié)到0.5～0.8 MPa，根據采油樹安全閥的設計參數，將操作壓力調節(jié)到40，69，103 MPa的相應等級。

3) 結構上，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，其次設備內置RTU模塊在工作時不可避免地會產生電火花和熱量，它們一旦與現場的爆炸性氣體混合物相遇，就會導致爆炸事故的發(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)來滿足現場要求。

1.1.2 防爆設計區(qū)別

電子按鈕式井口控制盤根據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為兩種形式的設計方案對比。主要區(qū)別如下：

1) 隔爆型井口控制盤內一般不配置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、電磁閥等元器件的信號接入防爆接線箱內部，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)測和遠程控制。

2) 隔爆型井口控制盤單井內部，采用低壓電磁閥加先導閥的控制方式來代替高壓電磁閥，既滿足了功能需求，又進一步降低了產品成本。

表1 電子按鈕式井口控制盤防爆設計方案對比

1.2.1 無人平臺井口控制盤設計特點

進入21世紀后，社會發(fā)展對石油能源的需求日趨旺盛，油田開發(fā)建設所需的原材料和各類資源的價格也在上浮，大幅促進了海上邊際油田的開發(fā)。在常規(guī)的開發(fā)模式和技術下難以投入生產的油田，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]。根據圖1所示，無人平臺井口控制盤按照低壓回路的控制介質，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，氮氣瓶出口配置調壓閥和安全閥，氣源壓力調節(jié)為0.6 MPa，2個氮氣瓶之間通過梭閥連接成為1組，替代儀表氣為設備內單井控制回路、易熔塞回路和緊急停車系統(tǒng)(ESD)回路提供儀表氣。氮氣更換周期是設計階段重點考慮的重要參數，它主要取決于開關采油樹安全閥或ESD及易熔塞回路的操作次數。根據計算，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行二次調節(jié)，同時在低壓回路配置蓄能器，用于低壓系統(tǒng)壓力補償，使低壓控制介質壓力維持在0.6 MPa左右。在設計及工藝階段，需要考慮先導閥、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常存在一些外部液動關斷閥(SDV)，需要井口控制盤為其提供相應的液壓動力，因而通常會從井口控制盤引出1條獨立支路，根據SDV閥的操作壓力和執(zhí)行器容積的不同，配置相應的壓力等級操作回路和應急蓄能器。

無人平臺井口控制盤生產運行的一些重要參數需通過終端遠傳到中心平臺，同時也接受中心平臺的遠程ESD關斷，遠程控制主要通過井口控制盤內的電磁閥來實現，當遠程關斷后井口控制盤系統(tǒng)重新開啟時，需要在本地進行手動操作確認。

1.2.2 有人平臺井口控制盤設計特點

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

原油管匯的壓力檢測目前有兩種形式：

1) 采用高低壓導閥式或者壓力變送器，但配置高低壓導閥，需要在井口控制盤內增加壓力開關、儀表閥及換向閥等元器件，會導致單井成本增加。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行壓力判斷決策，達到遠程監(jiān)控和關斷的目的。

2) 采油樹地面安全閥主要分氣壓驅動或者液壓驅動兩類，地面安全閥為氣壓驅動，則地面控制回路設計壓力較低，單井核心元器件主要采用機械先導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)采用液壓驅動的生產平臺，按照采油樹安全閥的個數，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 井口控制盤方案設計及適用性分析

電子按鈕式井口控制盤和機械先導閥式井口控制盤體現了兩類不同的設計思路和理念。目前電子按鈕式井口控制盤應用于合資油田較多，體現了以RTU為核心的設計理念，實現了數據的采集、處理、傳輸。機械先導閥式主要應用于自營油田，以DCS為控制核心，實現統(tǒng)一集中控制。因此，設計理念的不同，兩類設備的核心元器件選型及控制形式也存在一些差異，設計方案對比見表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，井數較少的平臺不適宜，適合20井左右的平臺。由于滿足設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構，導致安裝過程及后期在線維護不方便，目前多用于合資油田，且應用數量較少。

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

兩類井口控制盤應用特點對比見表3所列，由于井口控制盤屬于單體設計產品，需要根據油田開發(fā)模式、地質油藏、井口平臺條件、邏輯控制等不同要求，通過設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 井口控制盤設計方案對比

表3 井口控制盤應用特點對比

3 結束語

針對海上平臺應用的井口控制盤產品，根據操作元器件設計及其使用環(huán)境特征，總結歸納每種類型的設計特點，并對設計方案進行詳細說明和對比分析，介紹了不同類型井口控制盤的適用性，并對應用特點進行了對比說明，不僅為后續(xù)海上石油平臺井口控制盤的工程設計及選型提供了指導，還為井口控制盤進一步的產品標準化技術升級和設計改進提供了依據。

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[3] American Petroleum Institute. Specification for Wellhead Surface Safety Valves and Underwater Safety Valves Offshore Service[S]. Washington： American Petroleum Institute, 2001.

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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)于西安石油大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，獲學士學位，2016年畢業(yè)于中國石油大學(北京)石油與天然氣工程專業(yè)，獲工程碩士學位，現主要從事海上油田井口安全控制系統(tǒng)及HPU技術研究和現場應用等工作，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。