海上油田注聚自动化控制系统设计与应用＊

邹万勤 谢祥恩 刘 敏 张 君 续 伟 王 瑶

(中海油能源发展股份有限公司采油技术服务分公司)

海上油田注聚自动化控制系统设计与应用＊

邹万勤 谢祥恩 刘 敏 张 君 续 伟 王 瑶

(中海油能源发展股份有限公司采油技术服务分公司)

为保障海上油田注聚工艺的实施,设计了注聚自动化控制系统。该系统采用橇装化技术、组态技术、PLC控制技术、Darwin控制器技术,以及注聚系统配电与平台配电既独立又有机结合的方式,实现了系统集中、自动、一体化控制功能,具有设备小巧、结构紧凑、控制精度高的特点,目前已在渤海SZ36-1、LD10-1、LD5-2、J Z9-3、NB35-2等油田成功应用。

海上油田 注聚 自动化控制系统

注聚合物驱油技术是油田进入开采中后期广泛应用的三次采油的有效方法之一,是确保油田稳产、增效的重要手段。聚合物驱油技术目前已在国内陆地较多油田推广,并已进入工业应用阶段,但由于该项技术应用需要大量空间和场地,对水、电、吊机等公共资源也有较高要求,因此聚合物驱油技术在空间有限的海上采油平台的应用受到了制约,海上注聚的工业化发展进程比较缓慢。近年来,为了满足海上油气田开发的需要,通过不断的技术创新,研发了一套适合于海上油田的注聚工艺[1]及与之配套的自动化控制系统。本文主要对海上油田注聚自动化控制系统设计关键技术与应用进行总结。

1 系统设计

1.1 注聚工艺与控制方式

海上油田注聚工艺采用间歇配注[2]或连续配注两种模式,注入方式采用一泵一井或一泵多井。注聚系统由上料系统、分散溶解系统、熟化系统、注入系统等子系统组成。各子系统相对独立,均采用橇装式结构[3]设计,便于在海上平台吊装、布置。图1为海上油田注聚基本工艺流程图。

根据注聚系统工艺与控制要求,结合海上采油平台工艺特点,整个控制系统采用PLC控制系统和分散控制系统两种控制方式。PLC控制系统适用于单个海上采油平台、注入井数量少的可移动式中小型橇装式注聚系统;而分散控制系统适用于化学驱各系统分散在多个海上采油平台、注入井数量多、平台空间大的固定式大中型化学驱设备。

1.2 关键技术与措施

(1)采用集成橇装式中央控制室实现中控功能

针对海上采油平台空间有限的特点,整个注聚自动化控制系统除现场仪器仪表外,都集成在一个橇装的集装箱内,用它作为注聚系统的中央控制室。在海上生产、作业要求移位时,可快速移位,系统恢复时间短。

图1 海上油田注聚基本工艺流程图[1]

集成橇装式中央控制室不仅做了防火、防冻、防腐蚀等特殊处理,还设置了可燃气探测、火灾自动报警装置等消防措施,并为正压防爆型结构,所以该控制室可在海上采油平台井口区、油气处理区、公共设施区、动力和其它辅助设备区等Ⅰ类、Ⅱ类危险区域和安全区域布置、吊装及移动使用。

集成橇装式中央控制室内部设计为三室结构,三室为机柜室、操作室、缓冲室;整个控制室占地面积6～9m2,结构小巧、紧凑,很方便在海上采油井口平台布置。

橇内控制系统的机柜及操作台按照人体工程学原理设计,采用立式控制柜,整体结构紧凑,布置单元化,布线少,并采用防尘、散热和抗干扰设计;同时还设计了各种电气线路的连接接口,使控制系统线路便于铺设和连接。

(2)采用组态技术实现集中监控功能

注聚下位机编程设计使注聚设备的各种工艺参数能够得到有效采集和控制,也使得注聚作业过程实现了逻辑控制的自动化。但是,下位机控制环境界面并不友好,一条条控制指令使得现场人员不便观察和监控注聚工艺流程;所以,开发出了具有良好人机对话环境的组态监控程序,从而实现了智能化的管理模式,操作也简捷方便。

在组态监控软件里[4],通过程序的编写,完成注聚系统的图形界面设计、设备的定义、数据库的构造、动画连接的建立、运行和调试等,从而完成了注聚控制系统的组态工程设计。

在组态好了的注聚流程监控界面里,工作人员能很容易监测整个注聚系统的实时工作状态、工艺参数的变化、实时和历史数据记录、系统报警情况,操作性好。海上油田注聚流程监控界面如图2所示。

图2 海上油田注聚流程监控界面(以SZ36-1A油田为例)

(3)采用PLC控制技术实现注聚系统全自动控制

海上油田注聚自动化控制系统使用西门子SIMATIC S7-300系列控制器[5];该控制器向用户提供具有前瞻性和最优可靠的解决方案。它具有通用性和特别丰富的CPU及模块种类,高性能、模块化设计、紧凑型模块,非常适用于注聚控制系统中。

在注聚系统工作时,程序自动启动配液程序, PLC控制软件检测熟化罐液位。当熟化罐液位处于系统设定的低液位时,熟化罐进口阀自动打开,阀门开到位后将信号传递给鼓风机,鼓风机启动后在预定时间开水,水达到设定流量后给料,水和聚合物料在水粉混合头混合进溶解罐,溶解罐液位淹没搅拌器叶片时搅拌器自动启动;当溶解罐液位达到设定的高液位时,输送螺杆泵自动启动送液至熟化罐。随着配液的进行,溶解罐液位不断降低。当溶解罐液位降低到低液位时,输送螺杆泵自动停泵;当溶解罐液位升高到高液位时,自动启动输送螺杆泵。如此反复,直到其中一个熟化罐配液完成(到熟化罐高液位),熟化罐进口阀自动关闭,给料机停机,水至溶解罐高液位时配液供水调节阀自动关闭(配液供水电磁阀与溶解罐高限开关联锁),预定时间后停鼓风机,配液自控流程完成。

一个熟化罐配液完成后,按照以上程序进行下一罐的配液,同时已配完液的熟化罐进入熟化阶段,熟化时间为系统设定。熟化完成后启动注入程序,程序根据熟化时间和熟化罐液位满足系统设定后自动开启熟化罐出口阀,阀门开到位后变频器控制喂入泵和注入泵启动,进入注入流程。注入时,按设计的注入量调节流量调节器(电动、手动),按电磁流量计示值及设定的注入浓度,水阀组的自动混配比阀自动调节高压水量。当熟化罐液位到低液位时,切换熟化罐注入,而打空的熟化罐进行配液。如此循环,完成整个作业流程。

以上整个注聚过程都是在基于 PLC控制技术开发出的控制程序下完成的。采用PLC控制技术,实现了注聚的逻辑控制功能,以及流量计量和数据采集,压力、液位计量和数据采集,阀门自动控制,变频器控制,注聚系统的集中控制、显示和数据的记录、查询等功能。

(4)采用Darwin控制器技术实现电气自动化

Darwin控制器由 MSC紧凑型马达启动器、PROFIBUS-DP网关、SWIRE-DIL接触器模块、数据连接线、24VDC电源模块等组成,它为马达启动器和自动化设备的连接设计了专门的数据连接线和插头,取代了自动化I/O模块与开关设备间的传统接线,大幅度地简化了控制柜内的繁杂接线。采用Darwin控制器技术,实现了注聚控制系统的控制、开关、保护和HMI操作等功能,提高了注聚自动化程度,使整个注聚自动化控制系统配置更加合理、优化,同时也减少了系统在平台上的占地空间。

(5)采用注聚系统配电与平台配电既独立又有机结合的方式实现注聚电气系统平台一体化管理

注聚系统中的所有用电均来自海上采油平台的供电系统,系统配电和控制在注聚控制系统中完成。结合平台开关间低压供电的形式和配电情况,注聚系统配电采用配电回路自成系统又与平台配电有机结合的方式。回路设置照明电源回路、溶熟电源回路、高压注入系统电源回路;注聚系统的罐体、流程管汇保温所用的电伴热均采用漏电保护,统一接入海上平台电伴热系统。同时,在注聚系统规模较大(用电负荷一般在几百千瓦以上),平台低压配电不能满足注聚系统要求时,可利用所设置的注聚专用电网回路,通过变电装置将高压电变成低压进行集中配电和管理。

2 系统应用

自主研制开发的海上油田注聚自动化控制系统具有稳定可靠、易于扩展、便于维护、操作简单、实时性好、自动化程度高等特点,能够使聚合物溶解彻底、不产生鱼眼、粘度保留率高,可以满足海上油田注聚工艺技术的应用要求,目前已在渤海SZ36-1、LD10-1、LD5-2、J Z9-3和NB35-2等油田成功应用。随着聚合物驱油技术在海上油田的深入推广,对聚合物装置控制系统的要求也越来越高,也将使注聚自动化控制系统在实际应用中不断得到改进、完善和升级。

3 结束语

海上油田注聚自动化控制系统采用橇装化设计,结构轻巧、布置紧凑、设计合理、功能齐全,适应于海上平台作业条件,可实现设备的重复利用。该系统的开发与应用,为海上聚驱工艺技术发展提供了强有力的技术支持,实现了注聚工艺参数的在线监测和有效控制,满足了三次采油聚合物驱技术在海洋石油领域的应用,对海上油田提高采收率和海上油田的长期稳产具有积极作用。

[1] 刘敏,邹明华,吴华晓,等.海上油田聚合物驱平台配注工艺技术[J].中国海上油气,2010,22(4):259-261.

[2] 申秀丽,刘勤,李环.聚合物配注工艺的应用和改进[J].石油矿场机械,2004,33(S1):111-114.

[3] 于新哉,余泽华,郑波.橇装式模块化注聚合物站的设计[J].石油机械,2003,31(2):47-49,62.

[4] 何新军,张明赞,基于组态王的污水处理系统通讯设计[J].化工自动化及仪表,2004,31(5):38-40.

[5] 吴东升,李彬.基于西门子S7-300PLC的焊管生产线活套控制系统[J].焊管,2009,32(6):49-53.

(编辑:孙丰成)

Abstract:The automatic polymer injecting control system was designed to improve offshore polymer injecting technique.This system is designed with the techniques of skid,configuration,PLC control, Darwin controller and polymer-injecting system electric distribution independent-combined platform electric distribution.The integration and automation of the system are realized with small size,compact conformation and high degree of accuracy.This system have been applied in the oilfields SZ36-1,LD10-1,LD5-2, JZ9-3and NB35-2in Bohai Sea.

Key words:offshore oilfield;polymer injecting;automatic control system

Design and application of offshore oilfield automatic polymer injecting control system

Zou Wanqin Xie Xiang’en Liu Min Zhang Jun Xu Wei Wang Yao
(CNOOC Energy Technology&Services-Oilf ield Technology Services Co.,Tianjin,300452)

2010-05-21 改回日期:2010-07-02

＊国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(编号:2008ZX05057)部分研究成果。

邹万勤,男,工程师,2004年毕业于原西南石油学院测控技术与仪器专业,目前主要从事海洋石油三次采油装备的开发设计工作。地址:天津市塘沽区渤海石油路688号港建2号楼(邮编:300452)。