大慶油田叢式井場電控一體化集成裝置應(yīng)用研究

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

為進(jìn)一步促進(jìn)油氣田地面建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)工作常態(tài)化開展，實(shí)現(xiàn)地面建設(shè)方式的根本轉(zhuǎn)變，勘探與生產(chǎn)公司組織開展了一體化集成裝置的研發(fā)和驗(yàn)收，一體化集成裝置的研發(fā)和推廣是中石油油氣田地面建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。一體化集成裝置是指應(yīng)用于油氣田地面生產(chǎn)的一類設(shè)施，結(jié)合油氣田地面工程的建設(shè)規(guī)模和工藝流程的優(yōu)化簡化，通過將機(jī)械、電工、自控、信息等技術(shù)有機(jī)結(jié)合、高度集成，根據(jù)功能目標(biāo)對(duì)各功能單元進(jìn)行合理配置與布局，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的基礎(chǔ)上自成系統(tǒng)，獨(dú)立完成油氣田地面工程中常規(guī)需要一個(gè)中小型站場多個(gè)生產(chǎn)單元共同完成生產(chǎn)環(huán)節(jié)的全部功能[1]。其中，電控一體化集成裝置在塔里木油田、新疆油田、長慶油田的井場和站場得到了廣泛推廣應(yīng)用。該裝置具有配電、自控、通信集成優(yōu)化、安全性可靠性高、耐候性適應(yīng)性強(qiáng)、可搬遷的特點(diǎn)，采用工廠化預(yù)制和測試，縮短了現(xiàn)場施工建設(shè)和調(diào)試周期[2]。結(jié)合油田快速建設(shè)及數(shù)字化建設(shè)的需要，開展了大慶油田叢式井場電控一體化集成裝置應(yīng)用可行性研究工作。

1 叢式井場配電及數(shù)字化建設(shè)現(xiàn)狀

大慶油田已建叢式井場的配電主要采用兩種形式：柱上變壓器和箱式變電站。

常規(guī)的叢式井場配電采用單變壓器對(duì)多井或多變壓器對(duì)多井的配電方式，當(dāng)叢式井?dāng)?shù)量大于5口時(shí)，一般配2～3座柱上變電站，呈三聯(lián)桿或四聯(lián)桿排列。變壓器低壓側(cè)出線先至柱上變配電箱，再敷設(shè)至井場用電設(shè)備。柱上變配電箱的數(shù)量一般根據(jù)叢式井場油井?dāng)?shù)量選擇1～3面配電箱。

箱式變電站一般是將高壓配電裝置、變壓器、低壓配電柜安裝在一個(gè)箱體內(nèi)，呈“品”字形或“目”字形排列，用于分配電能，適合油井開發(fā)所處的區(qū)域?yàn)橹鞒菂^(qū)、對(duì)城市市容要求較高的地域。

大慶油田采油三廠是較早開展數(shù)字化建設(shè)的采油廠，實(shí)施數(shù)字化井場多為單井，變配電設(shè)備及控制裝置為分散式安裝，變電設(shè)備為柱上變壓器，配電設(shè)備為柱上配電箱。自控及通信設(shè)備為控制箱、RTU箱。井場變壓器將6(10)kV高壓電源變?yōu)?.4 kV低壓電源，送到柱上配電箱，由柱上配電箱將電源分配到各個(gè)井場用電設(shè)備。

大慶油田數(shù)字化油井自控系統(tǒng)現(xiàn)狀為：井場設(shè)置RTU控制系統(tǒng)，通過無線方式接收井場載荷/位移、油壓、綜合電參等信號(hào)，其中綜合電參通過設(shè)置在配電箱內(nèi)的綜合電量變送器檢測，RTU控制器和綜合電參分別放置在兩個(gè)控制箱內(nèi)。

2 電控一體化裝置優(yōu)化方案

油田中小型站場采用電控一體化裝置供電，裝置內(nèi)除集成了變配電系統(tǒng)和儀表通信系統(tǒng)外，均安裝了智能管理系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)橇內(nèi)環(huán)境的溫濕度。站場的視頻信號(hào)、柱塞泵的運(yùn)行信號(hào)及電氣參數(shù)采集到裝置內(nèi)，然后統(tǒng)一送至附近聯(lián)合站中控室，實(shí)現(xiàn)了無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)字化管理。

叢式井場橇裝電控一體化裝置相對(duì)站場配電系統(tǒng)而言，主要從以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）通風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)大慶的氣候特點(diǎn)，冬長嚴(yán)寒，夏秋涼爽，全年平均氣溫4.2 ℃，橇裝一體化裝置在設(shè)計(jì)時(shí)考慮適當(dāng)增加機(jī)械式通風(fēng)換氣設(shè)施，省去空調(diào)，確保夏季裝置內(nèi)溫度在簡單溫度管理控制下不會(huì)超過設(shè)備的極限工作溫度。

（2）智能管理系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。通過研究股份公司《油氣田地面工程數(shù)字化建設(shè)規(guī)定》，并依據(jù)近年來井場數(shù)字化建設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于井場的電控一體化裝置可簡化智能管理系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

（3）UPS系統(tǒng)。裝置內(nèi)無需安裝UPS系統(tǒng)。

（4）總配置優(yōu)化。電控一體化裝置優(yōu)化配置后，裝置本身耗電大大降低，其功能模塊主要由變配電系統(tǒng)、自控通信系統(tǒng)組成，并輔以簡單的采暖、通風(fēng)及散熱，充分考慮了儀控、通信等相關(guān)專業(yè)的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)電、控、信標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和一體化建設(shè)。

（5）兼容性。橇裝電控一體化裝置采用完善的抗電磁干擾設(shè)計(jì)，硬件上采用“屏蔽、接地、隔離、器件選擇、布線技術(shù)”措施，軟件上采取抗干擾設(shè)計(jì)。

2.1 建設(shè)規(guī)模及系列

根據(jù)目前調(diào)研結(jié)果，叢式井場油井?dāng)?shù)量一般在2～8口，加密建設(shè)的區(qū)塊可達(dá)到9口以上，配電變壓器容量一般分布在80～250 kVA，考慮到后期加密產(chǎn)能建設(shè)，橇裝電控一體化裝置的建設(shè)規(guī)模按叢式井場油井?dāng)?shù)量可分為2～5口井及6～10口井兩個(gè)系列，在兩個(gè)系列下又可按變壓器容量進(jìn)一步細(xì)分出若干個(gè)小系列，見表1。

表1 叢式井場橇裝電控一體化裝置系列劃分Tab.1 Series dividing of skid-mounted devices for cluster wells sites

2.2 橇內(nèi)設(shè)備平面布置

橇內(nèi)設(shè)備主要分為高壓單元、變壓器單元、低壓單元，根據(jù)需要，低壓單元部分可增設(shè)PLC自控單元及通信單元。橇內(nèi)設(shè)備分兩種布置方案：第一種布置方案是各單元集中布置于一間隔室，呈一字形排列（圖1）；第二種布置方案為各單元分開布置，呈品字形排列（圖2）。由圖2可知，第二種方案占地面積較小，且變壓器及高低壓單元分開，便于進(jìn)行任何操作和維護(hù)[3]。

圖1 橇內(nèi)設(shè)備高低壓集中布置Fig.1 Centralized layout of high and low voltage devices on skid

圖2 橇內(nèi)設(shè)備高低壓分開布置Fig.2 Seperated layout of high and low voltage devices on skid

2.3 電氣主接線形式

根據(jù)井場負(fù)荷性質(zhì)及規(guī)模，井場按三級(jí)負(fù)荷供電，采用單變壓器單母線接線形式。6 kV電源引自附近6 kV線路，采用電纜進(jìn)線方式。主接線見圖3及圖4。

由圖3、圖4可知，對(duì)于任一座叢式井場，油井?dāng)?shù)量及其他用電負(fù)荷決定低壓出線的數(shù)量，高壓電源均經(jīng)過一進(jìn)一出2面環(huán)網(wǎng)柜送到變壓器，變壓器的容量可根據(jù)井場用電設(shè)備計(jì)算負(fù)荷選取。低壓配電柜數(shù)量：當(dāng)油井?dāng)?shù)量在5口及以下時(shí)，選1面低壓柜；當(dāng)油井?dāng)?shù)量在6～10口時(shí)，選2面低壓柜。

2.4 電氣主接線形式主要電氣設(shè)備選擇

變配電系統(tǒng)主要由高壓環(huán)網(wǎng)柜、變壓器及低壓配電柜組成，高壓環(huán)網(wǎng)柜對(duì)高壓電源進(jìn)行開斷，隔離保護(hù)后送至變壓器變成低壓電源，由低壓配電柜將電源分配至井場各個(gè)用電設(shè)備。

高壓環(huán)網(wǎng)柜選用結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧的XGN15系列，內(nèi)設(shè)負(fù)荷開關(guān)并配有高壓熔斷器保護(hù)。變壓器選擇SCB11系列干式變壓器，無污染、免維護(hù)，運(yùn)行可靠。低壓柜采用GHL系列低壓配電柜，列配電柜適用于額定電流不大于630 A的動(dòng)力配電系統(tǒng)，柜內(nèi)可安裝的出線回路彈性較大，配電方式靈活，價(jià)格低。具體電氣設(shè)備選擇如下：

環(huán)網(wǎng)柜：XGN15-12(Z)，負(fù)荷開關(guān)，電動(dòng)分合閘。

變壓器：SCB11系列干式變壓器，冷卻方式為風(fēng)冷。

圖3 2～5口井接線圖Fig.3 Wiring diagram for 2 wells to 5 wells

圖4 6～10口井接線圖Fig.4 Wiring diagram for 6 wells to 10 wells

低壓柜：GHL系列固定式低壓開關(guān)柜。

2.5 電控一體化集成裝置的橇體

橇裝電控一體化集成裝置的橇體[4]具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、布置合理科學(xué)、密封保溫性能良好等特點(diǎn)，配合內(nèi)部配置的照明、應(yīng)急照明、采暖、通風(fēng)換氣設(shè)施，確保電控一體化集成裝置可應(yīng)用于嚴(yán)寒、酷熱、風(fēng)沙、干燥等極端環(huán)境條件，為橇內(nèi)設(shè)備提供良好的運(yùn)行環(huán)境，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）橇體外殼采用厚度不小于2.5 mm的優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板滿焊處理，具有良好的防雨雪和風(fēng)沙性能，滿足防噴水、防震、防腐、防塵、防火及防電燃要求。橇體防護(hù)等級(jí)為IP55，橇體壁板材料燃燒性能依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于A2級(jí)。橇體底座采用重度環(huán)氧煤瀝青漆或冷涂鋅外噴防腐漆進(jìn)行工藝處理，有效提高橇座防腐能力。

（2）根據(jù)井場實(shí)際需要可實(shí)現(xiàn)智能化與數(shù)字化。對(duì)橇內(nèi)設(shè)備及環(huán)境條件進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測和控制，并通過通信系統(tǒng)與上級(jí)管理平臺(tái)連接，可以在遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控和日常管理。

（3）具備完善的抗電磁干擾設(shè)計(jì)。橇體及設(shè)備硬件采用屏蔽、有效接地、合理布線、器件選擇、隔離等技術(shù)措施，有效保障設(shè)備的運(yùn)行安全。裝置自控及通信系統(tǒng)通過國家權(quán)威部門的抗電磁干擾性能試驗(yàn)。

（4）電纜密封。裝置的進(jìn)出線電纜采用防火隔離密封措施，集中進(jìn)出線處應(yīng)采用專用電纜防火密封模塊。

3 電控一體化裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

3.1 技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

（1）組裝、調(diào)試及試車均在工廠完成，現(xiàn)場安裝調(diào)試工作量少。無需建筑物，占地面積大幅減少，現(xiàn)場土建施工工作量少，縮短項(xiàng)目完工周期。

（2）采用無基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，便于拆裝和搬運(yùn)。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，組合靈活，更換快捷，互換性好。

（4）多項(xiàng)集成一體化設(shè)計(jì)，安全可靠，簡化了業(yè)主一對(duì)多的設(shè)備管理程序，運(yùn)行管理更加高效。

3.2 投資估算及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

由表2和表3可知，對(duì)于同一規(guī)模叢式井場配電，絕對(duì)投資額最小的是柱上變配電方式，投資額最大的是橇裝電控一體化裝置。橇裝電控一體化裝置的優(yōu)化方案投資會(huì)大大降低，但相比一體化兩種方案，柱上變和箱式變因?yàn)槭┕び玫剌^多，施工工藝繁雜，周期較長，同時(shí)現(xiàn)場規(guī)范化程度低，后期維護(hù)成本巨大，整體經(jīng)濟(jì)效益反而更低。

表2 叢式井場數(shù)字化建設(shè)方案投資對(duì)比Tab.2 Investcomparisonamong constructionplansofdigital clusterwells site

4 應(yīng)用前景及效果分析

橇裝電控一體化裝置可在工廠預(yù)制、裝配、整體運(yùn)輸，現(xiàn)場就位后，只需完成外部聯(lián)線即可。工廠預(yù)制部分不受天氣、季節(jié)的限制，加快了建設(shè)速度，縮短了建設(shè)周期，在一定程度上緩解了交通受限區(qū)域運(yùn)輸建材的壓力。下面從幾個(gè)方面來討論橇裝電控一體化裝置的適應(yīng)性。

（1）利于實(shí)現(xiàn)叢式井場數(shù)字化。近年來，集團(tuán)公司將信息化作為企業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。橇裝電控信一體化集成裝置集成度高、功能完善，利于實(shí)現(xiàn)油田數(shù)字化。電控一體化橇集成高壓受電、變電、低壓配電、自控與通信、UPS于一體，可以方便地采集工藝及電氣設(shè)備的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過橇內(nèi)RTU上傳至調(diào)控中心，對(duì)于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田、滿足A11的要求具有極大的便利性。

表3 叢式井場數(shù)字化三種配電方式綜合經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Tab.3 Comprehensive benefits comparison among different power distribution methods for digital cluster wells site

（2）提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性及安全性。產(chǎn)品有效保證了設(shè)備運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)所要求的環(huán)境條件下，提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性和安全性，減少了因環(huán)境因素所造成的拒動(dòng)或誤動(dòng)等機(jī)構(gòu)失靈狀況，以及電子設(shè)備由于環(huán)境溫濕度影響所造成的硬件故障，避免了非設(shè)備本身問題對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的安全威脅，保障了穩(wěn)產(chǎn)和增效。

（3）利于快速建產(chǎn)。產(chǎn)能區(qū)塊配電采用橇裝設(shè)備的突出特點(diǎn)就是能夠快速建成投產(chǎn)、安裝便捷。工程設(shè)計(jì)只需按叢式井場的井?dāng)?shù)選擇系列標(biāo)準(zhǔn)化的相應(yīng)系列，并確定變壓器高壓側(cè)電壓等級(jí)，即可提交訂單，免去了各種電氣設(shè)備提交數(shù)據(jù)、訂貨、生產(chǎn)、分別運(yùn)輸?shù)沫h(huán)節(jié)。

（4）設(shè)備重復(fù)利用降低投資。橇裝電控一體化裝置雖初次投資較高，但在全壽命周期對(duì)比下，可實(shí)現(xiàn)橇裝電控一體化裝置的完整循環(huán)利用。橇裝設(shè)備為可移式橇裝結(jié)構(gòu)，堅(jiān)固耐用，具有較強(qiáng)的互換性和通用性，可重復(fù)利用性強(qiáng)，降低投資，具有很高的經(jīng)濟(jì)性[5]。

5 結(jié)束語

近年來，油田地面工程建設(shè)質(zhì)量和水平得到了很大的提高，電控一體化裝置技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。實(shí)踐證明，“一體化集成裝置”是優(yōu)化工藝、優(yōu)化地面設(shè)施、優(yōu)化管理模式、減少布站層次、減少現(xiàn)場用工、節(jié)能降耗的標(biāo)志性載體，也是轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、創(chuàng)新油氣田管理模式的重要舉措。在今后油田地面建設(shè)中應(yīng)該注重一體化技術(shù)的研發(fā)、創(chuàng)新和推廣，為大慶油田降本增效、精益管理發(fā)揮更大的作用。