試析儀表與自動化技術(shù)在海油平臺的應(yīng)用與發(fā)展

張磊

【摘 ?要】我國有著豐富的海洋油氣資源，進行海洋油氣開采對我國經(jīng)濟發(fā)展有著重要的影響。儀表是海油平臺中重要的部件，起到控制和顯示壓力、溫度、流量和濃度等參數(shù)的作用，是海油平臺正常工作的基礎(chǔ)。海上平臺的儀表控制系統(tǒng)是海上油氣田安全生產(chǎn)的核心設(shè)備，也是海上平臺的大腦與安全衛(wèi)士。但海洋石油開發(fā)的技術(shù)難度大、投入資金多、不可預(yù)知因素多，制約著人們對海洋石油的利用，尤其是海洋石油鉆井自動化技術(shù)的先進程度直接影響著石油開采的效率。

【關(guān)鍵詞】海油平臺;儀表;自動化技術(shù)

海上平臺的儀表與控制系統(tǒng)（簡稱儀控系統(tǒng)）是整個平臺生產(chǎn)設(shè)施的中央控制系統(tǒng)，是實現(xiàn)海上油氣田生產(chǎn)高度自動化與設(shè)備安全可靠運行的核心設(shè)備。隨著自動化技術(shù)和控制系統(tǒng)設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展，海上平臺的儀控系統(tǒng)自動化程度與安全可靠性得到了很大的提升。海洋石油鉆井自動化中的關(guān)鍵技術(shù)，包含了鉆井自動控制技術(shù)、海上鉆井平臺控制系統(tǒng)、鉆井信息系統(tǒng)，并展望了鉆井自動化技術(shù)的發(fā)展方向，以期為深入研究鉆井自動化技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

一、海上平臺儀控系統(tǒng)的組成

儀控系統(tǒng)是海上油氣田開發(fā)工程中的關(guān)鍵設(shè)備，也是海上平臺的大腦與安全衛(wèi)士。海上平臺的儀控系統(tǒng)大多采用集中監(jiān)視管理、分散控制的方式。根據(jù)海上油氣田規(guī)模大小和平臺工藝流程的不同，海上平臺的儀控系統(tǒng)一般由位于中控室的中央控制系統(tǒng)、現(xiàn)場儀表、井口控制盤、就地控制盤、計量系統(tǒng)等組成。

1、中控系統(tǒng)。海上平臺的中控系統(tǒng)一般由過程控制系統(tǒng)（PCS）、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）和火氣探測系統(tǒng)（FGS）三套獨立的控制系統(tǒng)組成。也有一些小規(guī)模的井口平臺中控系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)（PCS）和設(shè)備保護系統(tǒng)（FPS）兩套獨立的控制系統(tǒng)組成。PCS、ESD和FGS三套控制系統(tǒng)或PCS和FPS兩套控制系統(tǒng)在控制層及其以下相互獨立，在管理層則共享人機界面和通信網(wǎng)絡(luò)。控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般分為三層，即設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)和信息管理網(wǎng)絡(luò)，這種分層控制結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在海上平臺控制系統(tǒng)中比較典型的做法。中控系統(tǒng)硬件配置主要包括控制系統(tǒng)、操作員/工程師站、ESD/FGS應(yīng)急操作盤和打印機等。PCS是海上平臺的工藝公用生產(chǎn)控制系統(tǒng)，它的主要功能是實現(xiàn)對海上平臺生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的實時采集、過程監(jiān)控、故障報警，并產(chǎn)生生產(chǎn)日報與報警記錄等。ESD是海上平臺的安全保護系統(tǒng)。它主要功能是在危險發(fā)生時，確保平臺上人員和生產(chǎn)設(shè)施的安全，防止環(huán)境污染，將事故的損失降低到最小。ESD一般為四級關(guān)斷，即ESD-1棄平臺關(guān)斷、ESD-2火氣關(guān)斷、ESD-3生產(chǎn)/公用系統(tǒng)關(guān)斷、ESD-4單元關(guān)斷。ESD關(guān)斷的設(shè)計原則為某一級別關(guān)斷均不能引起較高級別的關(guān)斷，只能啟動本級和所有較低級別的關(guān)斷。FGS的主要功能是能及時、準(zhǔn)確地探測到可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的火情和可燃?xì)怏w泄漏事故，并及時采取相應(yīng)措施以保護平臺人員和設(shè)施的安全。海上平臺的FGS一般由位于中控室的主火氣系統(tǒng)、位于生活樓的可尋址火氣盤、鉆修機火氣盤、現(xiàn)場火氣探測與報警設(shè)備幾部分組成?，F(xiàn)場火氣探測與報警設(shè)備有：煙探頭、熱探頭、火焰探頭、可燃?xì)怏w探頭、H2S探頭與H2探頭、手動報警站、平臺狀態(tài)燈等。ESD與PCS系統(tǒng)的區(qū)別就是前者是靜態(tài)的控制系統(tǒng)，后者是動態(tài)的控制系統(tǒng)。

2、現(xiàn)場儀表。現(xiàn)場儀表是海上平臺儀控系統(tǒng)的重要組成部分。海上平臺現(xiàn)場儀表主要包括檢測儀表和執(zhí)行機構(gòu)兩部分，如：壓力儀表、溫度儀表、液位儀表、流量計、調(diào)節(jié)閥、關(guān)斷閥、放空閥和含水分析儀等。

3、井口控制盤。井口平臺或帶有井口區(qū)的中心處理平臺上均設(shè)有井口控制盤，井口控制盤主要用于對井口采油/采氣樹的井口壓力、井上安全閥、井下安全閥以及電潛泵等設(shè)施進行就地控制。它通過監(jiān)測每一口井管線的壓力和井口控制盤內(nèi)設(shè)置的邏輯來控制井口設(shè)施的關(guān)停，并將關(guān)斷信號送給中控系統(tǒng)報警，同時接收平臺ESD系統(tǒng)的關(guān)斷指令。井口控制盤包括公用模塊和單井模塊兩部分。根據(jù)海上平臺公用系統(tǒng)的設(shè)置情況，井口控制盤通常分為氣動液壓驅(qū)動井口盤和電液驅(qū)動井口盤兩類。

4、計量。海上平臺的計量一般分為3部分，即單井計量、總量計量和能耗計量。單井計量一般是通過多相流量計或測試分離器等設(shè)施對單井產(chǎn)出的油、氣、水量進行計量?？偭坑嬃恳话阋彩峭ㄟ^多相流量計或生產(chǎn)分離器等設(shè)施對平臺上生產(chǎn)的總油、氣、水量進行計量。能耗計量主要是按照國家的能耗計量標(biāo)準(zhǔn)，對平臺上用能設(shè)備的油、氣、水消耗量進行總量計量。有的大型平臺還設(shè)有貿(mào)易交接計量，貿(mào)易交接計量分原油和天然氣的外輸貿(mào)易交接計量，一般由專門的外輸計量撬來完成。

二、海上油田自動化控制技術(shù)運用

1、自動化系統(tǒng)管理模式。設(shè)置陸地中心站?？梢詫⒅行恼驹O(shè)置在總部。陸地控制中心主要是監(jiān)測和控制油田平臺的生產(chǎn)情況，并對油田信息進行處理，自動生成油田生產(chǎn)報表，展開動態(tài)分析、實時數(shù)據(jù)模擬。衛(wèi)星平臺站。在每個采油平臺上設(shè)置衛(wèi)生平臺站。衛(wèi)星平臺站主要是應(yīng)用了遠程終端（RTU），從而完成采油平臺數(shù)據(jù)判斷與分析，并采用無線信道發(fā)往中心平臺站，同時也可以接收中心平臺站所發(fā)送的控制指令，這樣即可遙測遙控衛(wèi)星平臺。

2、機采井監(jiān)控。對于海上石油開采平臺來說，通常都是采用電潛泵、螺桿泵井，所以機采井管理是最為重要的安全管理環(huán)節(jié)。在自動化技術(shù)應(yīng)用中即可考慮該方面因素，每口電泵井都設(shè)置三相電流傳感器、電壓變送器、運行數(shù)據(jù)檢測、油溫傳感器、油套回壓壓力變送器、啟停控制器、保護中心器。螺桿泵井安裝了電壓變送器、電流傳感器、啟?？刂破?，這樣即可對油井設(shè)備系統(tǒng)進行遠程的控制和啟停，套壓、回壓、溫度、油壓檢測系統(tǒng)，可以為自動化安全管理提供技術(shù)支持。在日常管理當(dāng)中，機采井巡檢工作十分繁瑣，而采用自動化技術(shù)，可以實時提供機采井的壓力與溫度，不需要人工到采油現(xiàn)場檢查，只需要設(shè)備管理人員定期對現(xiàn)場設(shè)備進行運維即可。電泵控制柜可以起到保護作用。

3、資料錄取。自動化安全管理控制技術(shù)下，電泵、螺桿泵在運營中的所有參數(shù)信息，如電壓、電流、套壓等，都可以實現(xiàn)自動化采集。人工監(jiān)測中所獲得資料的精準(zhǔn)度、可靠性都無從考證，而儀器儀表可以精準(zhǔn)的獲取運行參數(shù)，保證資料獲取的精準(zhǔn)性，資料錄取性能得到了極大的改善。再加上自動化控制技術(shù)可以大大降低人為因素的干預(yù)，油壓、油溫等數(shù)據(jù)參數(shù)更加貼合生產(chǎn)實際，可以保證數(shù)據(jù)信息的可靠性，確保中心平臺控制室時刻觀察到精準(zhǔn)的運行數(shù)據(jù)。同時在陸地以及中心平臺控制室當(dāng)中，工作人員結(jié)合實時生成的資料，對機泵運行狀態(tài)進行判斷，及時提出設(shè)備的維護方案，保證油田現(xiàn)場開采安全。

4、自動選井計量。安裝具有編程功能的控制器，井口電動三通閥、液氣兩相分離器、旋進漩渦流量計、質(zhì)量流量計等，即可實現(xiàn)自動化選井功能。在油井計量當(dāng)中，質(zhì)量流量計可以對液體展開計量，旋進旋渦流量計可以計量氣體，同時將所采集的數(shù)據(jù)信息傳輸大陸地站和中心站。處理油井含水問題，工作人員定期展開油樣化驗，并將試驗結(jié)果錄入到計算機中處理，這樣即可實現(xiàn)油氣水三相計量的目標(biāo)。

從海上平臺儀控系統(tǒng)的組成來看，雖然規(guī)模不是很大，但是麻雀雖小五臟俱全，平臺上控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表涉及的種類之多，安全可靠性之高，絕對不亞于陸地油氣田?？傊詣踊刂萍夹g(shù)對推動海上石油事業(yè)有著重要意義，將自動化技術(shù)應(yīng)用到海上油田管理中，可以減少人為因素的影響，并通過多個傳感器、變送器、控制器、關(guān)斷閥等，實現(xiàn)系統(tǒng)終端的統(tǒng)一控制以及遠程操作，這對提高海上油田開采安全有著極大的助益

（作者單位：天津修船技術(shù)研究所）