海上石油平臺井口控制盤的設計方法

劉健，薛海林

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

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海上石油平臺井口控制盤的設計方法

劉健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(中國)有限公司 上海分公司，上海 200030)

摘要：海上石油平臺井口控制盤在油氣生產過程中控制著所有井上井下安全閥的開啟與關閉，為整個平臺的安全生產發揮重要的保護作用。介紹了井口控制盤的工作原理與內部組成結構，并詳細說明了井口控制盤液壓油箱、液壓泵、蓄能器、共用模塊、單井模塊、遠傳信號的設計方法與計算公式，為井口控制盤的工程設計及操作維護提供了參考。

關鍵詞：井口控制盤蓄能器海上石油平臺設計

井口控制盤在海上平臺油氣井的安全生產中發揮著重要的作用，可有效地防止油氣井事故發生，減少碳氫化合物排放。油田井口安全控制系統是油田安全生產、運輸不可缺少的主要控制系統之一。

1井口控制盤工作原理

井口控制盤是海上石油平臺油氣田生產過程中一個重要的井口控制設備，主要作用是控制采油/采氣樹的井上安全閥、井下安全閥和電潛泵等設施，根據有關監測信號控制井口設施順序關停，以保證海上平臺或裝置處于安全狀態。

井口控制盤的氣控回路部分控制液壓泵向采油/采氣樹注入液壓油，通過液壓油傳導控制壓力以實現對采油/采氣樹的井上井下安全閥開啟。當氣控部分失效時，液壓泵不再工作，液壓油回流到油箱內，安全閥失去控制壓力，閥門自動關閉。

2井口控制盤的組成

井口控制盤內部主要的控制模塊包括共用模塊和單井模塊，動力源可分為氣源、電源或液動。

公共模塊為井上井下安全閥控制提供液壓驅動力和(或)氣源驅動力，用于實現所有井上井下安全閥的開關邏輯控制，實現對液壓驅動單元和氣源控制單元的監控。單井模塊為每口井提供氣動和(或)液壓驅動控制，實現每口井井上井下安全閥的開關邏輯控制，監測和反饋安全閥閥位狀態。外圍設備包括易熔塞、手動關斷站等。

井口控制盤盤體為全封閉式結構，正面操作面板上有井上井下閥的開關按鈕、充氣按鈕以及各井口的壓力指示器，背面為手動開啟的維修門，側面分別設有防爆接線箱和外部儀表管接口。

3井口控制盤的設計

井口控制盤在設計時應滿足《海上固定平臺安全規則》的要求，采用失效安全型的控制方式，可實現井上井下閥的本地關斷或遠程的開啟與關斷，并能夠發出遠程報警信號。開井順序為先開啟井下安全閥，再開啟井上安全閥，最后開啟井上翼閥；關井順序為先關閉井上翼閥，再關閉井上安全閥，最后關閉井下安全閥。

3.1液壓油箱設計

液壓油箱儲存了用于驅動井上井下閥開啟或關閉的液壓油，油箱在設計時需至少滿足如下配置要求：

1) 油箱體積應不小于所有蓄能器與井口閥用油量的2倍。

2) 為保障油箱安全，油箱頂部應設有注液口、排氣口與阻火器。

3) 油箱內設置堰板用于回油沉淀，底部設置排污閥。

4) 油箱內的油被液壓泵抽出，在出口應設有過濾器，用于過濾油箱內的雜質。

5) 油箱上應裝有本地顯示的液位計或遠程液位變送器，用于顯示當前油箱內液壓油的存儲量。

6) 根據海洋高鹽霧環境，油箱箱體材質應選用316不銹鋼。

液壓油箱容積計算公式如下所示：

Vr=2(VA+VB+VC)

(1)

式中：Vr——液壓油箱有效容積；VA——供油回路蓄能器有效容積值；VB——所有井口井上井下閥門的執行機構容積；VC——供油管線容積的壓縮裕量。

3.2液壓泵設計

3.2.1驅動方式

液壓泵為井口控制盤內液壓系統提供液壓驅動力，液壓泵的驅動方式如下：

1) 對于具有氣源的平臺，液壓泵采用氣源驅動，可選用氣動往復泵，氣源可以是處理合格后的儀表氣或者天然氣。

2) 對于無氣源的平臺，可采用電動液壓泵，電動液壓泵由應急電源供電。

通常而言，井上井下安全閥的執行器的容積與操作壓力差別很大，因而需要分別獨立設置2套液壓泵來驅動井上和井下安全閥。此外，應配置1臺手動液壓泵作為備用動力源。

3.2.2配置要求

液壓泵在設計時需至少滿足如下配置要求：

1) 應根據井上井下安全閥的執行器的容積、壓力及具體液壓泵工作曲線選型。

2) 液壓泵的排量應考慮在規定時間內使蓄能器系統從預充壓力升到井上井下安全閥執行機構最大工作壓力。

3) 液壓泵氣源入口與泵出口都應配置壓力保護以限制泵輸出壓力。

4) 每臺液壓泵的出口應安裝單流閥，防止液壓油回流。

以井下安全閥供油回路為例，液壓泵排量計算公式如下：

qVsc=ΔVsc/t

(2)

式中：qVsc——井下安全閥供油回路單臺液壓泵排量；ΔVsc——井下安全閥供油回路蓄能器有效容積；t——蓄能器系統從預充壓力升到執行器最大工作壓力所需的充液時間。

根據式(2)，最終選用的液壓泵排量應不小于qVsc的計算結果。而井上安全閥液壓泵計算方法與井下安全閥的一致，因而不再重復敘述。

3.3蓄能器設計

蓄能器是液壓系統中的能量儲存裝置，在安全可操作范圍內，用于平衡和補充液壓系統壓力。常見的蓄能器形式有氣體加載式(又細分為氣囊式、活塞式和氣瓶式)、彈簧式和重錘式三種。海上石油平臺井口控制盤內的蓄能器多選用氣囊式。通常情況下，井下安全閥與井上安全閥各設置1套獨立的蓄能器。由于蓄能器容積較大，造成井口盤整體尺寸過大，影響經濟成本，因而在設計過程中通常按照2×50%的方式來縮小單一蓄能器的體積。

蓄能器在設計時需至少滿足如下配置要求：

1) 初始充裝時預充氣為氮氣，禁止使用壓縮空氣或氧氣。

2) 滿足所有井下安全閥與井上安全閥的驅動壓力。

3) 在不啟動液壓泵的情況下，建議井上與井下安全閥蓄能器容積需至少滿足單井開關三次。

蓄能器有效容積指蓄能器在最低工作壓力和最大工作壓力狀態下的容積變化量。井下安全閥回路蓄能器有效容積需滿足單井的井下安全閥完成N次循環的操作。

井下安全閥蓄能器有效容積ΔVsc可通過下式計算：

ΔVsc=N Vsc+N Vsl

(3)

式中：Vsc——單口井井下安全閥執行機構需液壓油容積；Vsl——單口井井下安全閥供油管路液壓油的壓縮量。

井下安全閥蓄能器容積Vsc可通過下式計算：

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

(4)

式中：Ca——修正系數，取1.2；p0sc——井下安全閥蓄能器預充壓力值；p1sc——井下安全閥最小操作壓力；p2sc——井下安全閥最大操作壓力；k——絕熱系數，取1.4。

根據式(4)，最終選用的井下安全閥蓄能器的容積應不小于Vsc的計算結果。而井上安全閥蓄能器容積計算方法與井下安全閥的一致，不再重復敘述。

3.4共用模塊設計

共用模塊部分即井口控制盤氣動控制單元，主要包括氣源調節回路、易熔塞控制回路、手動關斷站控制回路、關斷執行回路以及必需的邏輯控制回路。在共用模塊中的手動操作按鈕、壓力表等常需要安裝在井口控制盤操作盤面上。

1) 氣源調節回路。氣源調節回路對氣源氣體進行兩級降壓處理： 一級過濾減壓，用于驅動液壓泵；二級減壓，用于為易熔塞控制回路、手動關斷站控制回路和關斷執行回路提供氣源。

2) 易熔塞控制回路。井口區域溫度上升致易熔塞熔化，控制回路氣源泄壓，通過關斷液壓回路實現所有井口的井上井下安全閥的關閉?；芈飞蠎鋫涑錃庋b置、壓力表和壓力變送器(或壓力開關)。充氣裝置包括充壓按鈕、單向閥和限流孔板。為方便易熔塞維修或測試需要，一般設有易熔塞回路旁通功能。

3) 手動關斷站控制回路。手動關斷站觸發后，實現所有井口的井上井下安全閥的關閉。手動關斷站控制回路常規采用氣動控制，回路上應配備充氣裝置、壓力表和壓力變送器(或壓力開關)。充氣裝置包括充壓按鈕、單向閥和限流孔板。為方便手動關斷站維修或測試需要，一般設有手動關斷站回路旁通功能。

4) 關斷執行回路。關斷執行回路應能夠接收本地和遠程控制信號，實現所有井口的井上井下安全閥的關閉，關斷執行回路通常采用氣動控制。關斷執行回路應配有壓力表、壓力變送器(或壓力開關)、電磁閥及必需的三通換向閥等。

3.5單井模塊設計

單井模塊部分用于控制每個井口的井上井下安全閥的開啟和關閉，其余共用模塊之間設有隔離閥和單流閥，以便于每個單井模塊各自獨立操作與維護。

井口控制盤的單井模塊一般應采用抽屜式安裝結構，可有效實現后期井口控制盤的維修更換與功能擴展。

單井模塊中配有壓力表、壓力變送器(或壓力開關)、電磁閥、安全閥、延時裝置及各種用于控制的三通換向閥。延時回路由節流孔板和體積瓶組成，保證井上井下安全閥按照正確的順序開啟和關閉。在單井模塊中的手動操作按鈕、壓力表等往往都需要安裝在井口控制盤操作盤面上。

3.6遠傳信號設計

井口控制盤除能夠依靠自身氣動與液壓控制回路實現對井上井下閥門的開啟與關閉之外，在設計時還需要考慮將必要的報警信號遠傳到平臺的中控系統，在必要時通過中控系統主動發信號給井口控制盤來實現對井上井下閥的快速關閉。

井口控制盤主要的遠傳信號包括： 液壓油箱液位報警信號；井上井下閥液壓源主回路壓力報警信號；公用模塊中控制井上井下閥的氣控部分壓力報警信號；易熔塞與手動關斷站回路壓力報警信號；接受來自中控系統的關閉所有井上井下安全閥信號；接受來自中控系統的關閉所有井上安全閥信號；接受來自中控系統的關閉每個單井的井上安全閥信號。

4結束語

筆者主要介紹了海上石油平臺井口控制盤的工作原理與內部組成結構，并重點說明了井口控制盤內部各個設備與功能模塊的計算方法與設計過程中需要考慮的細節，不僅為后續海上石油平臺井口控制盤的工程設計提供了指導，還為生產作業人員提供了井口控制盤操作與維護的指導方法。

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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

中圖分類號：TE951

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)06-0025-03

作者簡介：劉健，男，畢業于天津大學自動化專業，現就職于海洋石油工程股份有限公司，主要從事海上石油鉆井平臺儀表控制設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-08-21。