海上石油平台井口控制盘的设计方法

刘健，薛海林

(1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451; 2. 中海石油(中国)有限公司 上海分公司，上海 200030)



海上石油平台井口控制盘的设计方法

刘健1，薛海林2

(1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451; 2. 中海石油(中国)有限公司 上海分公司，上海 200030)

摘要：海上石油平台井口控制盘在油气生产过程中控制着所有井上井下安全阀的开启与关闭，为整个平台的安全生产发挥重要的保护作用。介绍了井口控制盘的工作原理与内部组成结构，并详细说明了井口控制盘液压油箱、液压泵、蓄能器、共用模块、单井模块、远传信号的设计方法与计算公式，为井口控制盘的工程设计及操作维护提供了参考。

关键词：井口控制盘蓄能器海上石油平台设计

井口控制盘在海上平台油气井的安全生产中发挥着重要的作用，可有效地防止油气井事故发生，减少碳氢化合物排放。油田井口安全控制系统是油田安全生产、运输不可缺少的主要控制系统之一。

1井口控制盘工作原理

井口控制盘是海上石油平台油气田生产过程中一个重要的井口控制设备，主要作用是控制采油/采气树的井上安全阀、井下安全阀和电潜泵等设施，根据有关监测信号控制井口设施顺序关停，以保证海上平台或装置处于安全状态。

井口控制盘的气控回路部分控制液压泵向采油/采气树注入液压油，通过液压油传导控制压力以实现对采油/采气树的井上井下安全阀开启。当气控部分失效时，液压泵不再工作，液压油回流到油箱内，安全阀失去控制压力，阀门自动关闭。

2井口控制盘的组成

井口控制盘内部主要的控制模块包括共用模块和单井模块，动力源可分为气源、电源或液动。

公共模块为井上井下安全阀控制提供液压驱动力和(或)气源驱动力，用于实现所有井上井下安全阀的开关逻辑控制，实现对液压驱动单元和气源控制单元的监控。单井模块为每口井提供气动和(或)液压驱动控制，实现每口井井上井下安全阀的开关逻辑控制，监测和反馈安全阀阀位状态。外围设备包括易熔塞、手动关断站等。

井口控制盘盘体为全封闭式结构，正面操作面板上有井上井下阀的开关按钮、充气按钮以及各井口的压力指示器，背面为手动开启的维修门，侧面分别设有防爆接线箱和外部仪表管接口。

3井口控制盘的设计

井口控制盘在设计时应满足《海上固定平台安全规则》的要求，采用失效安全型的控制方式，可实现井上井下阀的本地关断或远程的开启与关断，并能够发出远程报警信号。开井顺序为先开启井下安全阀，再开启井上安全阀，最后开启井上翼阀；关井顺序为先关闭井上翼阀，再关闭井上安全阀，最后关闭井下安全阀。

3.1液压油箱设计

液压油箱储存了用于驱动井上井下阀开启或关闭的液压油，油箱在设计时需至少满足如下配置要求：

1) 油箱体积应不小于所有蓄能器与井口阀用油量的2倍。

2) 为保障油箱安全，油箱顶部应设有注液口、排气口与阻火器。

3) 油箱内设置堰板用于回油沉淀，底部设置排污阀。

4) 油箱内的油被液压泵抽出，在出口应设有过滤器，用于过滤油箱内的杂质。

5) 油箱上应装有本地显示的液位计或远程液位变送器，用于显示当前油箱内液压油的存储量。

6) 根据海洋高盐雾环境，油箱箱体材质应选用316不锈钢。

液压油箱容积计算公式如下所示：

Vr=2(VA+VB+VC)

(1)

式中：Vr——液压油箱有效容积；VA——供油回路蓄能器有效容积值；VB——所有井口井上井下阀门的执行机构容积；VC——供油管线容积的压缩裕量。

3.2液压泵设计

3.2.1驱动方式

液压泵为井口控制盘内液压系统提供液压驱动力，液压泵的驱动方式如下：

1) 对于具有气源的平台，液压泵采用气源驱动，可选用气动往复泵，气源可以是处理合格后的仪表气或者天然气。

2) 对于无气源的平台，可采用电动液压泵，电动液压泵由应急电源供电。

通常而言，井上井下安全阀的执行器的容积与操作压力差别很大，因而需要分别独立设置2套液压泵来驱动井上和井下安全阀。此外，应配置1台手动液压泵作为备用动力源。

3.2.2配置要求

液压泵在设计时需至少满足如下配置要求：

1) 应根据井上井下安全阀的执行器的容积、压力及具体液压泵工作曲线选型。

2) 液压泵的排量应考虑在规定时间内使蓄能器系统从预充压力升到井上井下安全阀执行机构最大工作压力。

3) 液压泵气源入口与泵出口都应配置压力保护以限制泵输出压力。

4) 每台液压泵的出口应安装单流阀，防止液压油回流。

以井下安全阀供油回路为例，液压泵排量计算公式如下：

qVsc=ΔVsc/t

(2)

式中：qVsc——井下安全阀供油回路单台液压泵排量；ΔVsc——井下安全阀供油回路蓄能器有效容积；t——蓄能器系统从预充压力升到执行器最大工作压力所需的充液时间。

根据式(2)，最终选用的液压泵排量应不小于qVsc的计算结果。而井上安全阀液压泵计算方法与井下安全阀的一致，因而不再重复叙述。

3.3蓄能器设计

蓄能器是液压系统中的能量储存装置，在安全可操作范围内，用于平衡和补充液压系统压力。常见的蓄能器形式有气体加载式(又细分为气囊式、活塞式和气瓶式)、弹簧式和重锤式三种。海上石油平台井口控制盘内的蓄能器多选用气囊式。通常情况下，井下安全阀与井上安全阀各设置1套独立的蓄能器。由于蓄能器容积较大，造成井口盘整体尺寸过大，影响经济成本，因而在设计过程中通常按照2×50%的方式来缩小单一蓄能器的体积。

蓄能器在设计时需至少满足如下配置要求：

1) 初始充装时预充气为氮气，禁止使用压缩空气或氧气。

2) 满足所有井下安全阀与井上安全阀的驱动压力。

3) 在不启动液压泵的情况下，建议井上与井下安全阀蓄能器容积需至少满足单井开关三次。

蓄能器有效容积指蓄能器在最低工作压力和最大工作压力状态下的容积变化量。井下安全阀回路蓄能器有效容积需满足单井的井下安全阀完成N次循环的操作。

井下安全阀蓄能器有效容积ΔVsc可通过下式计算：

ΔVsc=N Vsc+N Vsl

(3)

式中：Vsc——单口井井下安全阀执行机构需液压油容积；Vsl——单口井井下安全阀供油管路液压油的压缩量。

井下安全阀蓄能器容积Vsc可通过下式计算：

Vsc=CaΔVsc/[(p0sc/p1sc)k-(p0sc/p2sc)k]

(4)

式中：Ca——修正系数，取1.2；p0sc——井下安全阀蓄能器预充压力值；p1sc——井下安全阀最小操作压力；p2sc——井下安全阀最大操作压力；k——绝热系数，取1.4。

根据式(4)，最终选用的井下安全阀蓄能器的容积应不小于Vsc的计算结果。而井上安全阀蓄能器容积计算方法与井下安全阀的一致，不再重复叙述。

3.4共用模块设计

共用模块部分即井口控制盘气动控制单元，主要包括气源调节回路、易熔塞控制回路、手动关断站控制回路、关断执行回路以及必需的逻辑控制回路。在共用模块中的手动操作按钮、压力表等常需要安装在井口控制盘操作盘面上。

1) 气源调节回路。气源调节回路对气源气体进行两级降压处理： 一级过滤减压，用于驱动液压泵；二级减压，用于为易熔塞控制回路、手动关断站控制回路和关断执行回路提供气源。

2) 易熔塞控制回路。井口区域温度上升致易熔塞熔化，控制回路气源泄压，通过关断液压回路实现所有井口的井上井下安全阀的关闭。回路上应配备充气装置、压力表和压力变送器(或压力开关)。充气装置包括充压按钮、单向阀和限流孔板。为方便易熔塞维修或测试需要，一般设有易熔塞回路旁通功能。

3) 手动关断站控制回路。手动关断站触发后，实现所有井口的井上井下安全阀的关闭。手动关断站控制回路常规采用气动控制，回路上应配备充气装置、压力表和压力变送器(或压力开关)。充气装置包括充压按钮、单向阀和限流孔板。为方便手动关断站维修或测试需要，一般设有手动关断站回路旁通功能。

4) 关断执行回路。关断执行回路应能够接收本地和远程控制信号，实现所有井口的井上井下安全阀的关闭，关断执行回路通常采用气动控制。关断执行回路应配有压力表、压力变送器(或压力开关)、电磁阀及必需的三通换向阀等。

3.5单井模块设计

单井模块部分用于控制每个井口的井上井下安全阀的开启和关闭，其余共用模块之间设有隔离阀和单流阀，以便于每个单井模块各自独立操作与维护。

井口控制盘的单井模块一般应采用抽屉式安装结构，可有效实现后期井口控制盘的维修更换与功能扩展。

单井模块中配有压力表、压力变送器(或压力开关)、电磁阀、安全阀、延时装置及各种用于控制的三通换向阀。延时回路由节流孔板和体积瓶组成，保证井上井下安全阀按照正确的顺序开启和关闭。在单井模块中的手动操作按钮、压力表等往往都需要安装在井口控制盘操作盘面上。

3.6远传信号设计

井口控制盘除能够依靠自身气动与液压控制回路实现对井上井下阀门的开启与关闭之外，在设计时还需要考虑将必要的报警信号远传到平台的中控系统，在必要时通过中控系统主动发信号给井口控制盘来实现对井上井下阀的快速关闭。

井口控制盘主要的远传信号包括： 液压油箱液位报警信号；井上井下阀液压源主回路压力报警信号；公用模块中控制井上井下阀的气控部分压力报警信号；易熔塞与手动关断站回路压力报警信号；接受来自中控系统的关闭所有井上井下安全阀信号；接受来自中控系统的关闭所有井上安全阀信号；接受来自中控系统的关闭每个单井的井上安全阀信号。

4结束语

笔者主要介绍了海上石油平台井口控制盘的工作原理与内部组成结构，并重点说明了井口控制盘内部各个设备与功能模块的计算方法与设计过程中需要考虑的细节，不仅为后续海上石油平台井口控制盘的工程设计提供了指导，还为生产作业人员提供了井口控制盘操作与维护的指导方法。

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[7]武玉贵.井口安全系统设计与研究[D].青岛： 中国石油大学(华东)，2013.

Design Method of Offshore Oil Platform Wellhead Control Panel

Liu Jian1, Xue Hailin2

(1. Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin, 300451, China;

2. Shanghai Branch, CNOOC China Limited, Shanghai, 200030, China)

Abstracts： Wellhead control panel in offshore oil platform controls switch on/off of all the inoue and subsurface safety control valves, which plays an important protection role for safety production of whole offshore oil platform. Working principle and internal composition structure of wellhead control panel are introduced. Detailed design methods and formulas of hydraulic fluid chamber, oil hydraulic pump, energy accumulator, shared module, single well module and remote transmitting signal for wellhead control panel are detailed explained, which provide reference for engineering design operation and maintenance of wellhead control panel.

Key words：wellhead control panel; energy accumulator; offshore oil platform; design

中图分类号：TE951

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)06-0025-03

作者简介：刘健，男，毕业于天津大学自动化专业，现就职于海洋石油工程股份有限公司，主要从事海上石油钻井平台仪表控制设计工作，任工程师。

稿件收到日期： 2015-08-21。