自动化控制技术在海上油田安全管理中的实践

马振超，李会通，申秋华

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司；2.海军勤务学院，天津 300450）

海上油田在油气开发阶段油气泄漏事故发生概率较高，不仅会大面积污染大海，而且会产生较大的爆炸事故。因此，强化海上油田安全管理具有非常重要的意义。由于海上作业环境存在较大不确定风险因素，单一依靠作业平台人工管理并不能完全保证油田安全管理效果。因此，探究基于自动化控制技术的海上油田安全管理新模式具有非常重要的意义。

1 自动化控制技术在海上油田安全管理中的应用意义

一般来说，海上油田开发阶段会应用一些工作成效较低、自动化水平较低的泵机组。上述泵机组在运行过程中不仅无法进行精确的数据测量，而且增加了安全事故的出现概率。这种情况下，单一人力资源管理的模式就无法保证海上油田的安全管理效力。而利用自动化安全控制管理的方式，可以充分利用自动化控制技术自动化、智能化特性，灵活观测、管理海上油田的运转情况。随后在其监测到危险信号后，直接通过图表信号的方式进行预警，保证相关问题及时有效的解决，进而降低事故发生概率，缩小事故波及范围。

2 基于自动化控制的海上油田安全管理设计方案

2.1 基于自动化控制的海上油田安全管理系统概述

在我国对油气资源开发利用程度不断增加的背景下，油气勘探开发也由陆地转入海洋，此时海洋钻井平台稳定性、安全性就至关重要。特别是在作业水深300 英尺范围内，自升式钻井平台被广泛应用。自升式钻井平台内具有可以自动控制升降的桩腿。在作业时，桩腿可以直接伸入海洋底部，以海床为平面，托起船壳。并促使船壳底部距离海面存在一定缝隙。随后在拖航时，中心控制系统可回收桩腿，促使船壳处于漂浮状态。现阶段常用的自升式钻井平台自动化控制模式具有独立桩腿式、沉垫式两种形式。其中独立桩腿式应用较广泛，其主要包括液压缸插桩式升降装置、齿条/齿轮箱几个模块。独立桩腿式自升式钻井平台桩腿结构形式为筒型，桩腿数量主要分为三腿、四腿、六腿几种形式；部分独立桩腿式自升式钻井平台具有槽口，部分独立桩腿式自升式钻井平台没有槽口。生活楼布置形式主要包括周边布置、横向布置两种形式。在海上油田安全自动化管理系统进行火灾气体检测、可燃气体检测时，可以根据自升式钻井平台中控系统中标准高低限度，确定异常报警信息。

2.2 基于自动化控制的海上油田安全管理软硬件配置

一方面，在基于自动化控制的海上油田安全管理硬件配置过程中，除中心服务器外，相关技术人员还需要设置前置数据采集计算机、数据传输系统等模块。其中，中心服务器主要采用双机或者集群IBM/HP 服务器形式，可以实现海上油田安全管理数据冗余备份。同时，为进一步提高海上油田安全自动化管理的便捷高效性，相关技术人员可以选择具有弹性伸缩功能的云服务器。其可以提供全网位移IP 地质、高效域名解析及云盘数据，整体系统自动转移可靠性在99%以上，且具有防密码破解、安全组规则保护、多用户隔离等多种功能；而前置数据采集计算机主要为工业控制计算机。根据海上油田安全管理需求，相关技术人员可以选择适当的工业控制计算机型号。数据传输模块主要为电台、GPRS 方式及WCF 全双工传输方式。其中WCF 全双工通信方式主要是通过电子门禁系统特有的机械执行机构，在特定数据传输时刻，经NetTCPBinding 回调机制执行客户端特性程序，实现实时数据通信。

另一方面，在基于自动化控制的海上油田安全管理软件配置过程中，DCS（集散系统）是自升式钻井平台自动化控制的核心，通过自升式钻井平台中DCS 的设置，可以实现对整体自升式钻井平台及重要设备的控制、记录、状态检测及报警。因此，在自升式钻井平台DCS 配置过程中，相关技术人员可以从过程控制系统、安全系统或应急关断系统、人机界面等方面，进行自升式钻井平台DCS 设置。其中，过程控制系统又可称为PCS，主要包括液位遥测系统、预压载系统、水密门及舱口门报警系统、平台监视及报警系统、散料输送系统等。平台监视及报警系统又包括污水井系统、柴油柜高低位系统、变频驱动系统、防火风闸系统等几个模块。主要用于接收自升式钻井平台第三方系统及自升式钻井平台其他设备信息。并将接收到的信息显示在人机界面（HMI）上。在自升式钻井平台过程控制系统设置过程中，根据海洋自升式钻井平台硬件配置情况，可以增加阀门类、开关控制对象跨域及本地智能控制模块。而安全系统及应急处理系统是自升式钻井平台火情探测的主要依据，其主要包括不间断电源关断、应急柴油机关断、通风系统关断、非重要设备关断等几个模块；人机界面主要是自升式钻井平台离散系统值守人员进行人机对话的枢纽。

3 基于自动化控制的海上油田安全管理实践措施

3.1 基于自动化控制的海上油田安全管理系统验证

首先设定油田开采瞬时速度在0.015m3/s，稳定实验时间120.0h，油田开采水位误差在0.010mm 左右。随后根据基于自动化控制的海上油田安全管理系统开发情况，在海上油田上进行自升式钻井平台应用试验，模拟海上油田场站计量间可燃气体探测器信号触发机制。通过自升式钻井平台中控系统传输获得了探测器报警信号。将模拟数字信号转换为二进制信号后，经生产网络，上传到了工业级计算机及云服务数据库内，在工业级计算机内部署数据分发服务。并将信号分发各油田场站控制室。在信号到达油田场站控制室后，在控制室内可进行电子门禁系统设置，以激活信号控制服务。在门禁系统激活后，可实现自动开启闭合。而在门禁系统开启后，云服务可以将报警信号，依据预设规则，分发至指定技术人员手机或PC 端。在制定技术人员接收到报警信息后，可以及时地处理报警信息，保证安全管理工作的有效地进行。

3.2 基于自动化控制的海上油田安全管理系统现场应用

基于自动化控制的海上油田安全管理在实际应用中，主要以过程控制为主。即依据工业自动化过程控制理论，依托计算机互联网系统，在自升式钻井平台中控系统运行的基础上，面向海上油田全部过程控制应用场合，利用开放现场总线、工业以太网，实现现场信息采集、系统通信。以某海上油田安全自动化管理为例，2017 年11 月12 日10 时某油田管理处B 试采作业区3#压缩机三级排气压力突然升高至5.856MPa，报警限制为5.90MPa。同时三级换热器后管束箱封头出现水分渗漏情况。在事故出现后，该油田管理处自升式钻井平台中控系统立即采集了异常信号。并经NetTCPBinding 回调机制，将相关信号传输给了中心控制平台。在中心控制平台接收到报警信号后，相关技术人员立即组织人员停机。并第一时间到达现场，拆除了一只三级换热器后管束箱封头丝堵，确定三级换热器后管束封头丝堵内存在冰堵情况。随后将该三级换热器后管束封头其他丝堵拆除后，进行了解堵作业。2017年11 月13 日15 时18 分完成了拆除作业。通过进一步空气置换及试启动检查后，开始了首次闭路小循环，确定该压缩机故障完全排除。由上述案例可知，通过自升式钻井平台自动化安全管理系统中的应用，可以通过实时动态温度、压力、液位检测，及时发现海上油田各设备设施运行故障。并第一时间通知技术维修人员，降低相关故障危害程度，保证海上油田开采作业顺利进行。

3.3 基于自动化控制的海上油田安全管理系统应用拓展

为进一步保证海上油田开采安全效力，相关技术人员可以将自升式钻井平台自动化管理控制系统扩展至红外闯入监控、高清摄像头、烟雾报警设备、明火探测设备等其他联网设备。通过对红外传入监控等相关联网设备数据参数进行解析，可以实时采集相关联网设备信号，并将其传输至海上油田开采云服务系统。同时，关联海上油田应急设备管控机构及人员。

4 结语

综上所述，在计算机技术、信息通信技术飞速发展的背景下，自动化控制技术在社会各行业得到了广泛的应用。通过自动化控制指令的形式，可以实现对海上油田管理体系范围内全部设施设备及仪表器具进行自动化操控。因此，为保证安全管理效力，海上油田安全管理人员应合理利用自动化控制技术，在内部构建完善的自动化安全管理系统，并细化自动化安全管理系统运行标准，保证自动化控制技术在海上油田安全管理中优势的充分发挥。