渤海小型边际油气田开发电仪讯方案新方法研究

陈建玲，万宇飞，金 秋，梁 鹏，高 阳

[中海石油（中国）有限公司天津分公司 天津 300452]

0 引 言

对于小型边际油气田，一般采用“三一模式”开发，即新建一座无人简易海洋平台，通过铺设一条海底管道和一条海底电缆来实现油田开发。若距离周边依托平台较远，则需铺设海管，费用高且经济效益差，故拟新建一座无人简易井口平台，但由于产量低且依托距离远，铺设海缆引电或自设电站供电均造成较大工程投资。面对此类开发项目，只有打破常规，采用新技术、新方法才能降低投资和提升效益。

1 项目背景

A油气田拟新建的简易无人井口平台，设3 井槽，生产物流通过多相流量计计量后直接接入海底管道，外输至周边已建平台。为简化工艺流程配置，仅设置发球阀、化学药剂橇、开排槽、公用仪表风系统及相应的控制系统。由于平台设施极其简易，无大型用电设施，仪控设施的用电量小，铺设长距离电缆或自设电站为其供电显然不经济。

2 优化方案

通过优化设备选型，分别对井口控制盘、中控系统、关断阀进行优化选型分析，从而降低平台用电量和缩减平台规模。

2.1 中控系统

常规无人井口平台多采用过程控制系统（PCS）、应急关断系统（ESD）和火气系统（FGS）［1］，其架构复杂，机柜数量较多。常规采用SIL3 等级系统，所需控制器、电源模块、卡件要冗余设计，因负载的耗电量相对较大，不能有效降低设备用电负荷。为了减小平台规模，不考虑设置专用房间，需要对中控系统进行简化设计。

相较于应用较为广泛的分布式控制系统（DCS）产品，可编程逻辑控制器（PLC）已经非常成熟［2］，具有较好的通讯能力。远程测控终端（RTU）是对传统PLC在远程和分布式应用的产品补充，适用于远距离无人操作井场数据采集与控制，能够采取无线和有线方式与中央控制系统信号传输，可用于恶劣的外部环境，适用环境温度为-40～70 ℃，具备对外部电源失电进行数据存储、回填功能。PLC和RTU可满足无人平台的控制需求。

控制方案推荐采用满足SIL2 等级的RTU 或PLC，并将系统机柜布置于室外，能够简化冗余配置、减少系统负载、降低平台耗电量。经计算，控制点数约100 点，耗电量约500 W。在平台设置工程师站和操作站即可进行监控，采用微波系统进行无线通信。

2.2 井口控制盘

常规简易无人井口平台一般不设置仪表气系统，井口控制盘采用电力驱动，即2 套电动液压泵和1 套手动液压泵控制液压回路，耗电量为1.2 kW，如果同时考虑关断阀的驱动，则耗电量为1.6 kW。

A气田井口气体压力较高，可考虑采用高压天然气作为驱动源，即设置2 台气动液压泵和1 台手动泵控制液压回路。相比于常规仪表气驱动方式，天然气不能直接泄放，需要集中收集后高处放空。在气田正式投产前，采用手动泵驱动液压回路，开启井上、井下安全阀；正常运行时，天然气气源可从集输管线中分离；紧急关断工况下，可从输气海管中引少量气体作为气源。井口高压天然气驱动方案打破了常规设计方式、优化了设备用电。

2.3 关断阀

关断阀作为海上平台保护安全生产的关键设备，要求性能必须可靠，平台上常规采用液动关断阀，液压源引自井口控制盘，需要增加井口盘液压泵功率400 W。同时，需要铺设液压油管线至阀门，故接口较多。为了减少耗电量，创新采用天然气作为仪表气驱动关断阀形式，对管道直接气驱关断阀、自力式液压驱动关断阀、气动关断阀进行比选分析。

管道直接气驱阀门采用管道内的天然气作为动力源，对管道内介质成本要求较高，缸体长期接触管道内介质，可能会造成腐蚀，需要配备专门的净化、干燥装备。自力式液压驱动阀门，通过手动液压系统来驱动液动执行机构开启阀门，执行完一次动作后需要人工到现场重新补充液压源压力，不具备远程开阀功能。

气动关断阀是一种海上常用的关断阀，需要单独提供仪表气作为动力源驱动执行机构，此阀门反应快速，能够远程和就地操作，且功能完善，具备PST、FC、FO等功能，现场铺设管路，需设置仪表气处理流程。综合考虑安全性、自动化需求，建议采用气动关断阀，工艺设置天然气处理流程作为仪表气使用，对释放的天然气进行回收。

3 供电方案

该气田井底压力高，实施自喷开发，且平台无较大用电设施，故用电负荷较低，共计1.3 kW，其中雾笛导航系统0.5 kW、中控控制盘0.5 kW、微波通信0.2 kW、摄像头0.1 kW，如选择常规透平电站，占用平台空间大、人员维护工作量大、经济性较差。为积极响应国家“碳达峰、碳中和”号召降低碳排放，考虑采用低碳新能源技术作为主要研究方向，针对光伏发电和风力发电方案进行研究。

3.1 光伏发电方案

光伏发电技术在陆地的应用较为成熟和广泛，其在海上平台的应用还处于探索阶段。光伏发电系统的构成为太阳能板、蓄电池组、控制保护单元、低压配电箱、电源逆变器等。太阳能的发电效率受日照强度、环境温度等多方面的影响。设计方案充分考虑到发电效率、天气变化等因素，考虑设置3 d的后备电池容量。对于太阳能板的安装位置，需最大化减少平台空间的占用，并尽可能提高发电效率，方案设计如下。

对耗电量1.3 kW常用额定功耗设备进行配置，电池组若放置于防爆箱体内，散热问题难以解决，所以考虑设置一个撬装房间用于布置太阳能控制机柜、电池组、配电柜等。房间内设备以低功耗设备选型为主，空调和风机采用太阳能直驱形式，撬装小屋尺寸5 m×2.5 m×2 m，撬装房间内设置太阳能直驱空调（0.38 kW）、风机（0.20 kW），多用于夏季，太阳能发电采用冬季（全年最短）日照时间进行计算，以保证冬季发电稳定。经过计算，需设置太阳能板42 块，单块尺寸1.2 m×0.6 m，单块电量330 W，单块重量15 kg，考虑在甲板朝南侧按照多层布置。

对于光伏发电方案在海上平台的应用，受天气影响，太阳能发电时效按季节每天2～6 h不等，考虑到需应对天气变化设置的发电规模，太阳能板数量较多，需进行多层布置，同时还需考虑太阳能板的朝向等因素，以提高发电效率。由于本平台空间有限，布置难度较大，综合以上因素考虑，光伏发电方案在海上平台不具备良好的适用性。

3.2 风力发电方案

作为清洁能源技术，风力发电现在越来越得到广泛应用，海上风力资源较好，风力发电技术在海上已经逐步得到应用。对于无依托供电的海上平台，风力发电技术的应用探索具有很重要的意义［3］。本项目针对风力发电方案进行设计如下。

风力发电系统构成：风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及拉索、控制器、蓄电池、逆变器等。采用智能风机控制系统，功能包含震动检测、叶片健康检测、智能润滑、智能解缆、抗台风策略、变桨无线通信、激光测风等功能。

设计方案选择2 kW额定功耗，在无风状态下，储能装置使用7 d。设备配置说明：选择6 套400 W风轮机布置于甲板边缘，电池分散布置于室外，风机智能控制；电池采用分散布置方式置于防爆箱内；风轮安装高度1.68 m，重量48 kg，风轮直径1.5 m。

采用垂直轴风力发电机作为风力发电方案，垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，这相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，也减少了风轮对风时的陀螺力。发电机和变速箱可安装在地上，易于维护和维修，而且不需要尾翼和偏航系统来驱动桨叶，塔架设计简单。考虑将风机布置在平台边缘通风处，安装需满足风机工作高度要求，电池分组布置在室外，如图1 所示。

图1 风机及电池布置示意图Fig.1 Schematic diagram of wind turbine and battery layout

风力发电方案应用分析：设备布置占地面积较光伏发电小，海上风力资源较好，发电时效较长，技术应用较为成熟，故风力发电方案更优。

4 结论与建议

对于小型边际气田的开发，要打破常规设计思路、创新技术，从而推动降本增效。通过各专业优化方案，降低了平台设备耗电量，创新了供电形式，探索了采用新能源风力发电或光伏发电方案，较新建电站或依托平台供电费用大幅减少，整体简化了平台设计，降低了工程投资，提升了开发效益，为后续小型边际油气田开发提供了很好的借鉴意义。■