滩海油田人工岛井口控制盘的设计及应用研究

屈少林，安健辰，杨建义，李艳慧，张扬

滩海油田人工岛井口控制盘的设计及应用研究

屈少林，安健辰，杨建义，李艳慧，张扬

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司,天津300452)

针对滩海油田人工岛井口控制盘进行研究并与海上平台同类产品进行了对比分析，该系统主要以远程终端单元(RTU)为控制核心，主系统采用液压控制模式，系统由公用主系统、单井模块、RTU及声光报警控制系统及易熔塞/紧急关断系统组成，并对系统组成部分做了详细介绍和说明。为便于后期井口控制盘的生产维护，参照海上石油平台常规井口控制盘设计，部分产品可设计为抽屉式结构，并形成为3～8井的标准系列化产品。

滩海油田 人工岛 井口控制盘 安全控制系统

滩浅海油气资源蕴藏量丰富，中国浅海石油总资源量约2.4×1010t，天然气资源量达1.4×1013m3[1-2]。其中，渤海滩浅海地区是国内滩浅海油田开发历史最长、数量相对较多的地区，拥有丰富的油气资源。中石油所属辽河、冀东、大港以及中石化所属胜利等油田均在该区域进行油气勘探开发[3]。

安全控制是石油行业一项极其重要的技术，随着滩海油田人工岛大规模开发建设，受到人工岛自身地理条件及油气集中开发特点的影响，安全问题日益突出[4]，对井口安全控制系统提出了更高的要求，井口控制盘作为油田安全控制系统的重要组成部分[5 -7]，不仅在海洋平台得到规模应用，也在滩海油气田开发中发挥重要作用。本文以冀东南堡油田井口控制盘为例，介绍了滩海油田人工岛井口安全控制系统的设计特点，并与海上平台井口控制盘进行了对比分析。

1 人工岛井口控制盘

1.1 冀东油田概况

冀东油田人工岛位于河北省唐山市南部海域，曹妃甸新区西侧浅滩，各岛水深差异较大，滩面高程5m左右不等，相继建造了数个南堡人工岛[8]，采用 “人工岛+海底管线”的开发模式，产出液汇合后通过海底管线登陆上岸处理[9]。

1.2 人工岛井口控制盘系统设计

井口控制盘是海上油气田生产中的重要设备，用于控制采油树的地面主阀(MSSV)、翼阀(WSSV)、井下安全阀(SCSSV)和电潜泵等设施，根据相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的就地控制装置。目前冀东南堡油田人工岛井口控制盘主要采用以远程终端单元(RTU)为核心的液压控制模式，系统设计压力为40MPa，控制井数为3～8口井，可以形成标准化的产品。因而与海上石油平台井口控制盘相比，存在一些异同。

1.2.1 人工岛井口控制盘系统组成

冀东井口控制盘主要分为公用主系统、单井模块、RTU及声光报警控制系统及易熔塞/紧急关断系统(ESD)。公用主系统主要由液压系统、马达控制箱、液压油箱、蓄能器单元、低压控制单元组成，通过公用主系统提供液压动力及逻辑控制，能实现对所有井进行控制。通过单井模块电磁阀，能够实现对每口井的本地及远程4级关断。井口区易熔塞及ESD关断站系统可以实现火灾或者紧急情况对油井的生产关断。典型冀东人工岛井口控制盘结构如图1所示。

图1 典型冀东人工岛井口控制盘结构示意

1.2.2 液压系统及马达控制箱

海上平台具有仪表气，液压泵一般选用气动往复泵较多。冀东人工岛提供了380V(AC)电源，因而井口控制盘选用电动液压泵，液压泵选用径向柱塞泵，设计输出压力为40MPa，排量要求在10 min内能够使整个蓄能器系统从预充压力升到控制系统的最大工作压力，电机选用隔爆型三相异步电动机，电机功率根据泵的排量和压力要求进行选型，泵的驱动功率计算如下：

(1)

式中：PKW——泵的驱动功率，kW；p——泵的输出压力，MPa；qV——泵的流量，L/min；η——泵的总效率，约0.80～0.85。

根据式(1)，最终选用的电机考虑到功率因素，应不小于PKW的计算结果。

电动液压泵和1个手动泵为液压系统的增压设备，手动泵作为特殊情况备用，为采油树安全阀执行器和低压控制系统提供压力。电动液压泵液压输出分为两路，一路为高压端，调节输出压力为30MPa左右，为采油树安全阀执行机构提供驱动力，液压输出端设有蓄能器，用于补偿系统的微量泄漏和缓冲电动泵运行时对液控系统的冲击，减少电动泵频繁启动。另一路为低压控制单元，调节输出压力为0.5MPa左右，为单井模块及易熔塞、ESD关断站提供压力，根据逻辑控制，确保安全阀的顺序开启和关断。

马达控制箱可以实现对电机的自动和手动控制。通过电动液压泵液压输出端的压力信号可以实现泵的自动控制，电动液压泵通过马达控制箱内压力开关来控制，启泵压力设定点为27MPa，停泵压力为31MPa。马达控制箱控制开关有3个位置状态： 自动、停止、手动，井口控制盘正常工作时在自动的位置上，当压力降低到27MPa以下时泵自动启动为系统补充压力，压力升高到31MPa或者油箱液位低报警时实现电机自动关断。

1.2.3 RTU及声光报警控制系统

人工岛井口控制盘主要以RTU为控制核心，实现数据的采集及处理和传输。RTU是一种针对通信距离较长和工业现场环境恶劣而设计的嵌入式计算机控制系统，它将末端检测仪表和执行机构与远程主计算机连接起来，具有数据采集、控制和通信功能，能接收远程主计算机的操作指令，控制末端的执行机构动作的功能，通常由信号输入/输出模块、微处理器、有线/无线通信设备、电源及外壳等组成。人工岛井口控制盘内置接线箱，将采油树安全阀开关状态信号、系统控制压力、液压油油位等相关模拟和状态信号通过压力开关或变送器先传至RTU，RTU通过RS-485标准接口与中心控制室相连，信号最终上传到中心控制室。中心控制室可实现远程紧急关断控制，实现对单井和所有采油树安全阀的远程关断，或者通过RTU进行远程关断，两种关断方式，互为备用。在通信线路故障后，RTU可转换为手动控制，实现远程控制。

断电声光报警控制系统如图2所示： 在主供电电源异常断电后，实现声光报警，同时将断电信息上传到中心控制室。在异常断电后12 h内，通过不间断电源UPS给RTU供电，使油井不会因为异常断电导致生产关断。

图2 声光报警控制系统示意

2 对比海上常规井口控制盘设计差异

人工岛油田开发受到开发海域及岛体的影响较

大，与陆地油田相比，环境比较恶劣。但相比海上石油平台有一定优势： 作业空间较为富裕，受气候影响小，作业风险和安全风险相对较低，这也导致了在开发模式和安全控制方面与海上石油平台存在一些差异。

海上石油平台井口控制盘主要以DCS为控制核心，实现统一集中控制，设计压力覆盖40，69，103MPa 3个等级，由于平台空间限制，采油树井为丛式布局，井口控制盘也相应为多井模块式设计，单井模块数量一般为20井左右，同时由于油藏地质和采油树安全阀设计的差异，井口控制盘原理不尽相同，因而海上石油平台井口控制盘基本为非标产品。

人工岛作业空间相对富裕，采油树按照3～8个固定1组布局，每个人工岛可实现多组布局，且采油树安全阀技术参数相对固定，同时为便于后期井口控制盘的生产及维护，可借鉴参照海上石油平台常规井口控制盘设计，部分产品可设计为抽屉式结构，并形成为3～8井的标准系列化产品。

综上所述，综合分析两类井口控制盘的设计方案对比见表1所列。

表1 两类井口控制盘设计方案对比

3 结 论

1) 国内滩海油田人工岛井口控制盘，主要由公用主系统、单井模块、RTU及声光报警控制系统及易熔塞/ESD组成。公用主系统主要由液压系统、马达控制箱、液压油箱、蓄能器单元、低压控制单元组成，通过公用主系统提供液压动力及逻辑控制，能实现对所有井进行控制。

2) 滩海油田人工岛井口控制盘选用电动液压泵，液压泵选用径向柱塞泵，设计输出压力为40MPa。电动液压泵通过马达控制箱内压力开关信号来实现泵的自动控制，启泵压力设定点为27MPa，停泵压力为31MPa。

3) 人工岛井口控制盘主要采用以RTU为核心的液压控制模式，与海上石油平台井口控制盘主要以DCS为控制核心的模式存在一定差异；其次，人工岛由于井数和逻辑要求相对固定，同时为便于后期井口控制盘的生产维护，参照海上石油平台常规井口控制盘设计，部分产品可设计为抽屉式结构，并形成为3～8井的标准系列化产品。

[1] 胡文瑞，鲍敬伟，胡滨．全球油气勘探进展与趋势[J].石油勘探与开发，2013，40(04)： 409-413.

[2] 肖国林，董贺平，何拥军．我国近海海洋油气产量接替现状与面临的问题及应对策略[J].海洋地质与第四纪地质，2011，31(05)： 147-152.

[3] 崔国庆，邵光帅，沈德建．滩海油田开发模式的选择及应用[J].中国造船，2015，56(02)： 137-142.

[4] 宋君妍，许朝旭，桑大钊．油田人工岛开发建设风险控制措施分析[J].安全、健康和环境，2013，13(01)： 45-49.

[5] 刘松，廖强，孙法强，等. 海洋石油平台井口控制盘的设计与调试[J].中国海洋平台，2012，27(01)： 35-39.

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[8] 王爱利，杨波．冀东油田人工岛试油安全环保管理探讨与实践[J].油气井测试，2012，21(05)： 55-58.

[9] 崔国庆，邵光帅，沈德建.滩海油田开发模式的选择及应用[J].中国造船，2015，56(02)： 137-142.

Wellhead Control Panel Design and Application Study of Artificial Island in Seabeach Oilfield

Qu Shaolin, An Jianchen, Yang Jianyi, Li Yanhui, Zhang Yang

(CNOOC Ener.Tech-Drilling & Production Co.Ltd., Tianjin,300452, China)

s: The wellhead control panel of artificial island in seabeach oilfield is studied. It is compared and analyzed with that of similar equipment in offshore platform. Remote terminal unit(RTU) is used as control core in the system, main system adopts hydraulic control mode. The system consists of communal main system, single well module, RTU, sound/light alarm control system and fusible plug/emergency shutdown system. The system components are introduced and illustrated in detail. To facilitate production and maintenance of wellhead control panel in later period, some equipments can be designed as a drawer-type structure with reference to design of conventional wellhead control panel of offshore oil platforms. Serialized standard products for 3 to 8 wells are manufactured.

seabeach oilfield; artificial island; wellhead control panel; safety control system

屈少林，男，2007年毕业于西安石油大学机械设计制造及其自动化专业，获学士学位，2016年毕业于中国石油大学(北京)石油与天然气工程专业，获工程硕士学位，现主要从事海上油田井口安全控制系统及HPU技术研究和现场应用等工作，任工程师。

TE951

B

1007-7324(2017)02-0006-03

稿件收到日期： 2016-10-19，修改稿收到日期： 2017-01-03。