海上數字化無人井口平臺設計研究與思考
——以渤海某高凝油田無人井口平臺設計為例

陳 迪，朱春麗，鐘雨桐

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

鑒于無人井口平臺投資少、運營成本低，因此通常將其應用于規模小、經濟效益低的邊際油氣田開發。但隨著油氣田開發難度的增加，人員和設備成本的不斷升高，無人平臺也開始在常規油氣田開發中進行嘗試應用，并且隨著人工智能技術的發展，無人平臺代替有人平臺將逐步成為可能。

目前無人井口平臺應用于海上氣田開發的效果較好，用于油田開發則不是十分理想且應用范圍較窄，其原因主要受電潛泵管控、海管應急置換操作、設備維護以及平臺生產安全環保等因素制約，導致平臺自持天數短，現場人員登平臺作業頻率高，因此影響了無人井口平臺在油田開發的實際應用效果。

本文以渤海某高凝油田無人井口平臺設計為例，探討和總結了海上無人井口平臺的總體設計思路，并針對高凝油田采用無人井口平臺開發方案，給出了相應設計思路和設計案例，擴大了無人平臺技術的應用范圍，為后續更加先進的數字化無人平臺的設計提供了參考和借鑒。

渤海某高凝油田產量規模小，生產井數為5 口，為高凝輕質原油（凝點27 ℃），采用一座獨腿三樁簡易無人井口平臺WHP 開發，原油處理和電力依托周邊已建中心平臺CEP。

1 無人井口平臺設計要點與方案研究

1.1 總體設計思路

在保證平臺生產安全、環保，滿足設計規范要求的前提下，方案設計應實現：

（1）簡易化、集成化、數字化、自動化和智能化，同時兼顧可操作性與安全性。

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

最終實現平臺低成本、低能耗、高效率運行。

1.2 設計要點與方案研究

1.2.1 簡易化設計 通過簡化平臺設備設施配置，減少設備數量和維護工作量，進而減小平臺甲板面積，簡化平臺結構，最終降低平臺投資。通常無人井口平臺功能簡單、設施較少，能夠優化掉的設備主要有：應急機、置換泵、壓井泵、柴油系統、化學藥劑系統等。

以WHP 平臺設計為例，主要從流程優化和設備維護兩方面實現平臺的簡易化。經過方案比選和優化，平臺最終優化掉：應急機、置換泵、壓井泵、閉排泵、消防泵、柴油系統、海水系統。

1.2.1.1 優化設計流程 通過共享依托的CEP 設施資源，優化設計流程，減少WHP 設備配置。海管設計為子母管形式，正常生產時，殺菌劑和緩蝕劑通過子管由CEP 輸送至WHP 實現注入；預熱或置換工況下，利用CEP 生產水增壓泵或井用泵，通過子管將生產水輸送至WHP，并經加熱器加熱后，打入輸油母管進行預熱或置換。此設計流程取消了置換泵、海水系統和部分化學藥劑系統的配置（平臺僅保留設置防蠟藥劑罐，由于防蠟劑需注入井口，采用子管注入將提高子管設計壓力等級），生產流程（見圖1）。

1.2.1.2 減少動設備配置 減少動設備配置可大量減少設備檢查維護工作量，從而降低人員登平臺頻率，增加平臺自持天數。

取消應急發電機配置[1]，免除了應急機定期啟機檢查維護工作；

取消壓井泵配置，油井停井時，壓井采用支持船壓井方案；

由于平臺無其他柴油用戶，取消柴油系統；

取消閉排泵配置，通過優化設備布置，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；

無人平臺不配置消防泵，消防水系統采用干式管網，配置通岸接頭[2]，免除了消防泵定期檢驗和維護工作。

1.2.2 集成化設計 通過設備設施功能共享、空間集成，實現集成化設計，減小占地空間，降低平臺投資。

圖1 WHP 生產流程示意圖

本文案例WHP 無人井口平臺在設計上首次將集成化設計理念應用于無人井口平臺電儀房間的設計。房間采用一體化集成設計，通過設備選型和優化布置，實現了功能和空間的集成；工程設計、建造和調試的集成，實現了房間整體測試、整體安裝、整體拆除。本方案最終減少了電儀房間建造、調試時間和占地面積，WHP平臺一體化電儀房間較常規電儀房間可減少占地面積約20 %。集成化設計對于無人簡易平臺是一個較好的方案，本設計案例為后續項目提供了新思路（見圖2）。

圖2 電儀一體化房間示意圖

1.2.3 數字化設計 利用數字信息化技術實現對平臺的遠程監測和遙控控制，進而實現平臺的生產操作無人化，生產信息采集傳輸數字化，油田日常管理信息化，從而減少人員登平臺操作次數，延長平臺自持時間，提高平臺生產效率。

借助平臺中控系統對生產數據和現場設備狀態進行采集，將采集的數據和信息通過通訊鏈路傳輸至依托的中心平臺進行集中監控，根據生產需求，對無人井口平臺進行遠程遙控操作。與以往無人平臺設計相比，本文案例WHP 平臺數字化設計更為完善：

1.2.3.1 簡化系統網絡架構 為減少新建WHP 與依托的CEP 間系統和數據接口，設計上將WHP 控制網外延至CEP，WHP 遠程操作站接入外延控制網實現遠程監控功能。此設計使WHP 與CEP 的系統和網絡各自獨立，簡化了網絡結構和接口的復雜性，降低了工程實施難度，提高了系統運行的可靠性。

1.2.3.2 數據信息采集更加豐富 通過設置更多傳感類儀器儀表，對生產數據、設備參數、消防設施狀態、電儀房間溫/濕度以及平臺實況視頻等信息進行采集，使操作人員可遠程實時監測無人平臺狀況，全面了解平臺運行狀態，當設備參數異常時，可及時干預處理。監測信息采集（見表1）。

1.2.3.3 通訊鏈路設計更加可靠 主通訊鏈路采用光纖，可滿足數據信息實時傳輸及遠程控制指令傳輸的要求。但考慮到本油田為高凝原油，光纖鏈路如出現故障，將可能導致由于無法實施海管遠程置換操作而造成海管凝管問題，因此設計上配置了微波作為備用通訊鏈路，以提高信號傳輸的可靠性，當主通訊鏈路故障時，可自動切換至備用通訊鏈路。

表1 WHP 平臺設備設施監測信號采集一覽表

圖3 有主電時海管置換操作流程

1.2.4 自動化設計 除常規的生產流程及關斷、消防自動控制設計外，為延長平臺自持時間，降低人員登平臺操作頻率，中控系統組態均設置了各設備的遠程手動控制功能（修改參數設定點、控制設備啟停等），操作人員可通過實時監測數據對平臺進行遠程干預。此外，針對高凝原油海管置換問題，中控系統設計上做了相關特殊考慮，實現了海管的遠程置換，解決了高凝油田的置換問題。

高凝原油海管遠程遙控應急置換設計方案：由于平臺取消應急發電機，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，置換生產水經加熱器加熱至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 處于關閉狀態（見圖3）。

1.2.4.2 失主電工況 該工況下，加熱器不能使用，隔離球將用于低溫生產水與高溫高凝原油間的隔離，因此需遠程發射隔離球進行置換。此置換工況，閥門遙控開啟順序：2→4→6→7；閥門1/3/5 處于關閉狀態（見圖4）。

相關系統的特殊/優化設計：清管隔離球預先裝入發球筒備用。

設置一套小型控制系統，用于失主電時海管應急置換操控。該小型控制系統僅接入海管置換相關控制信號，以減小供電蓄電池容量。

整個置換時間約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置換流程的監控和操作，另配置了9 h 電池組為小型控制系統供電。

置換相關閥門設置為可以遠程開啟，采用液壓驅動，由井口盤為其提供液壓動力，井口盤蓄能器容量設計可保證閥門開啟。

關鍵回路上的傳感儀表和信號傳輸設備（3 選2）采用冗余設計，減少平臺誤關斷導致的海管置換操作，增加系統的可靠性和可用性。

主流程設置關斷閥（圖4，3 號SDV），確保海管在啟動應急置換時不會發生超壓風險（海管為降壓設計），保證遠程置換操作的安全。

對中控室、電池間及FM200 房間進行保溫設計，在暖通系統失電停止運行時，保證房間9 h 溫降后不低于-10 ℃，確保FM200 設備可以正常啟動，實現消防功能。

1.2.5 智能化設計 在平臺數字信息化設計基礎上，通過增加專家決策系統指導操作人員解決生產問題，同時根據專家系統給出的設備健康狀況預測評估結果，有計劃安排維修維護工作，減少現場人員登平臺作業次數，提升平臺的自持能力。

圖4 失主電時海管置換操作流程

由于本文案例WHP 平臺所設設備較少，設計上僅對油井電潛泵實施智能化管控，設置了“油井生產優化遠程專家決策系統”用于實現對電潛泵的實時監測、診斷、分析和狀態跟蹤，并依靠專家決策系統輔助解決油井生產及電潛泵維護問題。現場操作人員根據專家系統的指導，可在問題出現早期進行提前干預和處理，從而避免設備故障的發生或擴大，最大限度保證生產的連續性，減少人員登平臺次數。

1.2.6 安全及可操作性

1.2.6.1 登平臺方式 設計上既要考慮操作人員登平臺的便捷性，同時也要防止非作業人員侵入。WHP 登平臺方式采用遙控懸梯+懸掛軟梯，在失主電時電動遙控懸梯無法使用，操作人員通過固定梯道懸掛軟梯登陸平臺。為防止非作業人員登陸平臺，設置了反恐門。

1.2.6.2 平臺關斷后的復產方式 對于由外部原因（依托的中心平臺故障）導致的無人井口平臺關斷，可根據依托平臺的實際生產情況并結合現場人員操作習慣，選擇無人平臺關斷后的復產方式。如采用遠程復位啟動生產，需遠程確認各設備參數正常，且電氣盤柜在設計上需考慮增加電操執行器，實現遠程電源合閘功能，但由此將會增加電氣盤柜數量，從而增加電氣房間及甲板面積，導致投資增加。

對于本文案例WHP 平臺關斷后復產方式，考慮到依托的CEP 每年出現故障關停次數很少，因此綜合考慮選擇采用人員登平臺現場復位后啟動生產方式。

1.2.6.3 防入侵及溢油監測 為保證無人平臺生產安全和環保，需考慮配置防入侵和溢油監測系統。

本文案例WHP 平臺防入侵系統配置了視頻/熱成像攝像頭和報警設備，用于監控和驅逐非作業人員登平臺；溢油監測系統用于實時監控平臺周邊是否出現溢油狀況，設計上考慮節省投資，與防入侵系統共用視頻攝像頭，對于監控覆蓋不到的區域，增設攝像頭作為補充。

2 結語

本文通過渤海某高凝油田WHP 平臺設計案例，系統闡述了無人平臺的設計要點，并針對高凝油田海管遙控置換問題提供了設計思路和方案，為擴大無人平臺的應用提供了相關參考。

對于無人平臺的設計，核心在于實現平臺生產和管理的長期無人化。設計上，平臺應盡可能簡易化和集成化，以降低投資和維保工作量，同時應充分利用數字化、自動化、智能化等技術手段保證平臺生產的安全性、可靠性和連續性，減少操作人員的干預，最終實現油田低成本、低能耗、高效率的開發。