文96儲氣庫注采井井口安全控制系統(tǒng)

腰世哲　丁亞濤　申云鵬　劉佳佳

1. 中國石油化工股份有限公司天然氣榆濟管道分公司,　河南　濮陽　457001; 2. 廊坊開發(fā)區(qū)中油龍慧自動化工程有限公司,　河北　廊坊　065002

0　前言

天然氣地下儲氣庫具有安全可靠、存儲量大及運行成本低等優(yōu)勢,目前已經(jīng)成為各國儲存、調(diào)配天然氣的基礎(chǔ)設(shè)施,是長輸管道重要的配套部分[1-4]。注采井一般為注采合一井,生產(chǎn)過程中注采井強注、強采,周期性承載交變載荷的變化[5-11]。因此,儲氣庫注采井要求氣密封性好、服役時間長,對其井口安全控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

文96地下儲氣庫為典型的枯竭氣藏型儲氣庫,由原文96氣藏改建而成,氣庫設(shè)計14口注采井。由于地處油區(qū),為了減少土地占用,實施井口集中管理,滿足后期生產(chǎn)頻繁操作的要求,通過綜合對比分析,注采井采用叢式井組布井。其注采井口安全控制系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性要求極為苛刻。

1　控制系統(tǒng)構(gòu)成及功能

1.1　系統(tǒng)組成

井口安全控制系統(tǒng)由地面控制系統(tǒng)和封井裝置兩部分組成,其中地面控制系統(tǒng)是指注采井井口液壓控制柜、低壓限壓閥、易熔塞及現(xiàn)場儀表;封井裝置則包括井口部分和井下部分,井口部分主要指安裝在采氣樹上的地面安全閥,而井下部分指安裝在油管內(nèi)的井下安全閥和安裝在油套環(huán)空內(nèi)的封隔器[12-14]。文96地下儲氣庫注采井井口安全控制系統(tǒng)設(shè)計采用地面和井下二級雙重安全控制,通過井下和井口安裝的壓力傳感器和易熔塞,將異常低壓和火災(zāi)信息傳遞給控制面板,由其發(fā)出報警信號,自動關(guān)閉井下和井口安全閥。井口安全控制系統(tǒng)也可實現(xiàn)就地手動控制,對開關(guān)井所需的各種功能和狀態(tài)進行自動監(jiān)控,監(jiān)控信號可通過遠程控制終端(RTU)實現(xiàn)遠傳至注采站ESD系統(tǒng)。井口安全控制系統(tǒng)組成見圖1。

圖1　井口安全控制系統(tǒng)組成

1.2　主要功能

井口安全控制系統(tǒng)是一種結(jié)合現(xiàn)場實際工況的ESD系統(tǒng),是文96地下儲氣庫ESD系統(tǒng)的重要組成部分,主要包括以下功能:

1)能夠?qū)崿F(xiàn)對注采井地面安全閥和井下安全閥的有效控制,在緊急情況需要關(guān)閉井口時,依次關(guān)閉地面安全閥和井下安全閥。

2)完全關(guān)井時地面安全閥和井下安全閥的先后關(guān)井時間在0～80 s內(nèi)可調(diào)節(jié);任何關(guān)井狀態(tài)必須手動復(fù)位,重新手動開井。

3)井口注采管線上的低壓限壓閥檢測到低壓信號時關(guān)閉采氣樹上的地面安全閥,切斷氣源。

4)地面安全閥和井下安全閥的液壓控制回路可自動補壓，超壓自動排放,以維持安全閥正常開啟。

5)井場失火時易熔塞在超過允許溫度時融化,井口液壓控制柜自動關(guān)斷地面安全閥、井下安全閥,實現(xiàn)關(guān)井。

6)井口安全控制系統(tǒng)上傳8個信號(井口壓力/溫度、油套壓力/溫度、易熔塞狀態(tài)、注采管線壓力、地面及井下安全閥狀態(tài)),接受中控室1個ESD系統(tǒng)遠程關(guān)斷信號。

2　設(shè)計與實現(xiàn)

井口安全控制系統(tǒng)設(shè)計采用地面安全閥、井下安全閥、低壓限壓閥和易熔塞4個控制點實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測和緊急關(guān)斷控制,井口安全控制系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2　井口安全控制系統(tǒng)示意圖

注采井井口安全閥關(guān)斷控制邏輯見表1。在緊急情況下,地面安全閥和井下安全閥均可實現(xiàn)手動控制和自動控制。地面安全閥采用遠程ESD、易熔塞和低壓傳感器3種方式實現(xiàn)自動控制,井下安全閥采用遠程和易熔塞2種方式實現(xiàn)自動控制。

2.1　井口液壓控制系統(tǒng)

井口液壓控制系統(tǒng)是井口安全控制系統(tǒng)的一個重要組成部分[15],主要包括液壓動力部分、低壓先導(dǎo)部分及控制模塊,流程見圖3。采用自帶液壓裝置驅(qū)動,不需要外部高壓動力設(shè)備即可實現(xiàn)井下安全閥、地面安全閥的開啟和關(guān)閉;當(dāng)閥后壓力超低、火災(zāi)易熔塞熔化或管線破裂時可實現(xiàn)安全閥的自動關(guān)閉。井口液壓控制柜選用電-液綜合控制系統(tǒng)[16],具有旁路控制、就地ESD和遠程ESD功能。液壓主體控制分地面安全閥控制及井下安全閥控制兩部分,基于液壓油先導(dǎo)低壓路控制高壓動力路的工作方式,通過先導(dǎo)壓力控制液控閥動作,液控閥控制動力路導(dǎo)通或關(guān)閉,從而對管線進行控制,達到打開地面安全閥和井下安全閥的目的。

表1注采井井口安全閥關(guān)斷控制邏輯

控制方式自動控制動作遠程ESD易熔塞低壓傳感器手動控制地面安全閥√√√√井下安全閥√√×√

地面安全閥采用帶有活塞式執(zhí)行機構(gòu)的逆向動作的閘閥,閘閥的開、關(guān)由執(zhí)行機構(gòu)完成;通過地面關(guān)斷閥的低壓先導(dǎo)路控制地面安全閥動力路液控三通的開關(guān),實現(xiàn)對地面安全閥的控制;地面安全閥頂部設(shè)置備帽,當(dāng)對井口液壓管線檢修時,可擰緊備帽,強制打開地面安全閥,實現(xiàn)對地面安全閥的屏蔽。井下安全閥設(shè)在井下90 m處，主要由閥體、鎖定裝置、傳壓通道、活塞、彈簧及閥瓣等組成[17],井下安全閥設(shè)為常閉閥門;采氣樹設(shè)置井邊針閥,正常生產(chǎn)時,井邊針閥處于常開狀態(tài);關(guān)閉井邊針閥可實現(xiàn)對井下安全閥的屏蔽。

圖3　井口液壓控制系統(tǒng)流程

2.2　遠程控制終端

井場設(shè)置遠程控制終端(RTU),負(fù)責(zé)采集井場智能儀表及井口液壓控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù),并通過通信光纖將數(shù)據(jù)上傳至注采站SCADA系統(tǒng)上位機,從而實現(xiàn)注采站對井場的遠程監(jiān)控;同時接受注采站對井口設(shè)備的遠程操作,井口安全控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向見圖4。

圖4　井口安全控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

RTU控制系統(tǒng)采用高度集成的冗余架構(gòu)方案[18],通過光纖傳輸與注采站SCADA系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。其主要功能:1)采用預(yù)留兩線制RS-485接口,通過MODBUS協(xié)議與井口液壓控制系統(tǒng)進行通訊,上傳井口壓力/溫度、油套壓力/溫度、易熔塞狀態(tài)、注采管線壓力、地面安全閥和井下安全閥狀態(tài)等信號;2)通過數(shù)據(jù)采集模塊采集井口管線上的壓力和溫度,并對壓力信號進行邏輯判斷是否為超低壓報警;3)將井口數(shù)據(jù)按照邏輯運算后打包發(fā)送到注采站ESD控制系統(tǒng),并將注采站SCADA系統(tǒng)下發(fā)的關(guān)斷信號傳輸至井口液壓控制系統(tǒng),按順序關(guān)斷SCSSV、SSV閥[19-20]。RTU控制系統(tǒng)配置見圖5。

2.3　井場ESD系統(tǒng)

文96地下儲氣庫工藝系統(tǒng)按照功能可分為注氣工藝與采氣處理工藝。ESD控制系統(tǒng)分四級：一級，火災(zāi)全站關(guān)斷、泄壓;二級，超限(可燃?xì)怏w濃度、壓力)全站關(guān)斷;三級，單元關(guān)斷、保壓;四級，單體關(guān)斷、保壓。注采站內(nèi)站控室設(shè)置輔助操作臺,設(shè)置一級關(guān)斷、二級關(guān)斷、三級關(guān)斷、四級關(guān)斷按鈕,均由人工觸發(fā)。

圖5　RTU控制系統(tǒng)配置

井場ESD的控制屬于第四級控制，主要實現(xiàn)以下功能:

1)注采井單井管線壓力過低時,觸發(fā)井口低壓限壓閥動作,井口液壓控制系統(tǒng)關(guān)斷地面安全閥;同時RTU檢測到現(xiàn)場智能儀表低壓數(shù)據(jù),經(jīng)邏輯運算觸發(fā)單井管線超低壓報警,并將該報警上傳至SCADA系統(tǒng);由人工確認(rèn)報警信息,觸發(fā)ESD輔操臺第四級關(guān)斷按鈕,ESD系統(tǒng)經(jīng)邏輯運算觸發(fā)注采站對應(yīng)單井管線緊急關(guān)斷閥緊急關(guān)斷。

2)注采井井場發(fā)生火災(zāi)時,井口易熔塞融化,井口液壓控制系統(tǒng)關(guān)斷地面安全閥、井下安全閥;同時RTU檢測到井口液控系統(tǒng)易熔塞狀態(tài)變化,并將火災(zāi)信息上傳至SCADA系統(tǒng);由人工確認(rèn)報警信息,觸發(fā)ESD輔操臺第四級關(guān)斷按鈕,ESD系統(tǒng)經(jīng)邏輯運算觸發(fā)注采站對應(yīng)井場所有單井管線緊急關(guān)斷閥緊急關(guān)斷。

3　現(xiàn)場實施

文96地下儲氣庫地處中原油區(qū),為了實施井口集中管理,滿足后期生產(chǎn)頻繁操作的要求,14口注采井采用叢式井組布井,分布在5個井場,設(shè)計、實施了5套注采井井口安全控制系統(tǒng)。注采井井口安全控制系統(tǒng)安裝在距井口不小于50 m范圍內(nèi),能夠?qū)崟r監(jiān)測注采井的井口、套管壓力和溫度，以及地面安全閥、井下安全閥的開關(guān)狀態(tài)、易融塞狀態(tài),可實現(xiàn)同一井場1～5口井井下安全閥和地面安全閥的有效控制;既可人工現(xiàn)場控制,又可遠程控制,具有低壓限壓保護、防火安全控制功能。自文96地下儲氣庫投產(chǎn)以來,井口安全控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項性能可靠,基本實現(xiàn)了對注采井井口生產(chǎn)的自動化控制,緊急情況下可達到快速、有效關(guān)井的目的,較好地保障了儲氣庫安全、平穩(wěn)運行。

4　結(jié)論與建議

基于系統(tǒng)化設(shè)計思想,注采井井口安全控制系統(tǒng)充分運用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信及自動控制技術(shù),將RTU、ESD、液壓控制及SCADA系統(tǒng)等有機地連接起來,實現(xiàn)了對注采井快速、準(zhǔn)確的控制。

建議在SSV/SCSSV液壓管路上安裝壓力變送器,將數(shù)據(jù)經(jīng)RTU遠傳至中控室,在線監(jiān)控液壓壓力,實時掌握井口液壓控制柜運行狀況,確保井口安全控制系統(tǒng)緊急關(guān)斷功能可靠;因地面安全閥、井下安全閥為常開閥門,運行人員不便從SCADA系統(tǒng)中判斷注采井是否參與注采氣生產(chǎn),后期考慮在井口管線上增加1臺電動閥門,接入RTU并上傳至SCADA系統(tǒng),以方便生產(chǎn)調(diào)度。