一種優化海上平臺油井控制系統的設計方案

孫文高

摘要：本文論述了中海油渤海油田的海上生產平臺的主要控制方案設計和油井部分的控制策略，針對當前存在的問題從建造到后期改造方面展開論證，結合目前主流的控制廠商的控制方式，考慮油田生產期間的實際情況，提出自己的優化設計方案。對兩種控制模式從安全生產、建造費用和實際施工等方面進行對比，對以后新建海上平臺提出自己的參考方案。

關鍵詞：模塊化設計生產安全資產完整性節省費用

中海油渤海油田的控制系統絕大部分都是由三套系統組成：生產控制系統PCS（Process Control System）；應急關斷系統ESD（Emergency ShutDown System）和火氣監控系統FGS（Fire& Gas System）；其中PCS、ESD和FGS在控制層及以下相互獨立，在管理層則共享人機界面和通訊網絡。另外為保證系統連續穩定的運行，三套系統的電源模塊、CPU模塊、通訊模塊和數據通訊網絡采用1：1的冗余設計。整套控制系統在海上平臺的建造已經整體考慮，且在以后的生產過程中總體框架就不在發生變化；但是在生產過程中發生變化最大的就是生產井部分；在邊鉆井邊生產的模式越來越盛行的渤海油田，生產井隨時都要隨著油藏的變化而變化；而隨著生產的進行，地下油藏的不斷變化，生產井在生產過程中也不斷發生變化，從油井變為注水井、新投入的生產井、需要更換電泵功率的油井，需要改為變頻的油井等等，而生產井是整個海上平臺最重要，也是最危險的部分，所以生產井的控制系統要隨著不斷的發生變化，而在建造新平臺時并沒有考慮這些因素，所以在生產過程中更改控制系統時存在很大的風險，更改控制系統的承包廠商也不是最初投產時的廠家人員，這也無形中增大了施工的風險，也嚴重影響了設備管理的資產完整性。

生產井的概述

1、工藝概述

渤海油田的生產井主要分為油井、注水井和水源井三種類型；油井是生產原油的井，主要采用變頻器拖帶電潛泵的采油方式；從油井采油樹出來的工業油流經過每口油井生產管匯流入到公用的原油管匯，進而進入各個處理設備進行流體的處理。注水井是把生產中分離出的水和水源井的水注入到地層，而保護油井生產的地層能量。注水井是水經過注水泵增壓后進入公用的注水管匯，然后分經各個單井的注水管匯計量后注入每個注水井。水源井是從地下抽取水的生產井，也是采用電潛泵ESP的抽取方式，在油田生產期間變化不大。

2、生產井的主要特點

油田投產初期：主要存在兩種模式，一種是在油田生產開始時，已經完成所有生產井的鉆完井；一種是先鉆完幾口井，油田就開始生產，在生產過程中根據井下壓力的變化和油藏的調整邊生產邊鉆完井。后一種方式越來越在更多的新建海上平臺采用。

油田生產過程中：隨著生產的逐步進行，生產井也需要根據具體油藏需要作出調整；部分油井要根據需要轉為注水井，部分油井需要更換更大的電潛泵，部分油井要進行側鉆重新下泵。

整個生產井位于一個比較集中的井口區域，設備擺放非常集中，且每次測井和修井時部分電氣和儀表設備需要拆除。

3、生產井的控制

油井的儀表控制：每口油井采油樹上均安裝了油壓和套壓的測量儀表；單井生產管匯安裝了壓力和溫度測量儀表；每口油井對應一個井口控制盤的控制模塊；每口油井對應一個變頻器的控制系統；這些儀表都要經過中控系統的PCS和ESD來完成監控和關斷保護。

油井的電力系統：渤海油田絕大部分為電潛泵驅動采油方式。一臺變頻器對應控制一臺潛油電機，通過現場總線將各電泵數據在中央控制柜中進行集中處理和顯示；可實現變頻軟啟動、調產運行、數據采集、歷史數據查詢、故障查詢、狀態監視等功能。下圖是典型的系統原理圖：

注水井的儀表控制：每口注水井單井管匯有壓力測量和流量測量。

注水井的電力系統：注水井不用配置電力系統。

中控系統的生產井部分控制方案

中控PCS系統接收到現場的控制信息在人機界面作出操作提示或者報警；ESD系統接收到現場的關斷信息作出表決來關斷現場設備，二者在控制層是相互獨立的。渤海油田的中控系統主要采用了Emerson、Honeywell和Yokogawa等幾家的控制系統，而這幾家的控制系統均能滿足在線修改量程、報警值和人機界面等內容，且軟件在線下裝這些功能時風險不大，平臺生產人員就可以完成。而如果修改底層的控制策略一般需要外委承包商來完成。

中控PCS系統要監控生產井的參數，井口控制盤的狀態和變頻器的各項運行參數，下圖是各個系統之間的邏輯框圖（module）：

中控ESD系統要接收生產井的參數，關斷井口控制盤的部分電磁閥和變頻器運行，下圖是各個系統之間的邏輯框圖（module）：

與生產井有關各個模塊（module）的實際現狀

海上儀表的安裝，絕大部分都是電纜通過位于下層甲板的電纜橋架，通過在甲板上開專用的電纜孔穿墻而上連接到各個單體儀表，然后把電纜孔用專用密封劑密封。

單井生產/注水管匯集中安裝在井口區域的一側；電潛泵變頻器統一放置在一個房間內；井口盤的所有部件集中安裝在一個不銹鋼柜體內；井口采油樹也是集中分布。

很多與油井有關的作業都需要拆卸采油樹，而輔裝在采油樹的儀表都要拆除，海上儀表安裝都是鎧裝電纜通過電纜密封函安裝，拆卸非常麻煩，且容易造成中控系統短路；

由于海上儀表電纜的特殊的布線方式，一旦生產井發生變化，以前的電纜很少移動位置重復使用，只能重復敷設電纜、安裝，浪費了大量的人力物力，也在現場產生了大量的剩余電纜，埋下了安全隱患。

中控系統方面：如果出現生產井的變動，則需要把變頻器廠商、ESD和PCS的服務廠商動員到海上平臺來施工。由于油田出于生產階段，很難滿足對新增的部分進行調試要求。原來的廢舊程序處于安全考慮也不敢刪除，留下了大量的碎片。

優化控制系統方案的提出

通過對前面系統結構的分析和對實際安裝現場的充分考察，針對當前存在的問題進行綜合分析，結合海上平臺常用的儀表選型和安裝規范以及各大儀表廠商的新技術，在充分考慮油田生產安全的前提下，對現有的生產井控制部分的設計提出優化方案，使系統工作更加穩定，減少施工風險，降低施工費用。

1、采油樹上安裝的儀表優化

簽于采油樹經常需要拆卸或者更換的特性，且采油樹安裝的儀表在設計上不作為關斷，只作為報警而接入PCS系統，且現場的安裝位置相對集中，而各個大型儀表廠家的無線儀表越來越成熟，故采油樹上安裝的儀表在選型上采用無線儀表，在井口區域相對的兩個位置安裝無線接收器做到1：1冗余，保證穩定性。油井發生變化時，只需要把變送器重新安裝到新采油樹上即可，中控不需要系統組態，只需要更改人機界面即可。

2、單井生產/注水管匯、井口控制盤和變頻器設計優化

單井生產/注水管匯都是安裝在井口區集中的區域，在附近設計特殊接線箱，把所有管匯儀表都接入特殊接線箱的現場側。

3、中控PCS和ESD的設計優化

中控系統在設計時要采用擴展設計。因中控系統在工程項目階段均預留30%的容量為后期的改造設計，所以此優化在于工程項目階段就把預留工作稍作深入。不但預留容量且把預留的一部分容量稍作深化，暨根據平臺設計推算出最大油井數量和最大注水井數量，在工程項目階段把中控系統按照此數量做好底層控制模塊，完成柜內接線并接線到特殊現場接線箱的中控側。

4、完成關鍵優化的特殊現場接線箱

本次提出的優化方案就是借鑒我們70年代的電話呼叫系統。70年代的電話轉接呼叫系統根據客戶提供的目標不同，而手動插拔選擇插針來達到接入目標電話局的目的。我們的接線箱接線端子采用適合震動場合的插接類型，且提供在用端子和空置端子的1：1的設置。在中控側和現場側根據實際需要用專門的插接端子線去連接中控和現場儀表端子。如圖：

優化控制系統方案的評價

安全評價：通過這樣的設計方案，大大減少了井口區域的電纜數量，降低了生產井作業的風險，降低了因電纜損壞等原因造成的故障。通過增加特殊的接線箱設計，在工程項目完成后的生產階段不用進行二次底層組態，大大降低了關斷風險，也減少了中控系統組態碎片的產生，提高了生產的穩定性。由于系統組態調試原因造成了渤海油田多次的關斷不下幾十次。

經濟評價：由于不需要二次組態，也就大大節省了費用。以單口油井為例，中控廠家組態費，現場電纜施工費和材料費，變頻器廠家服務費，廠商人員動復員費等大約需要20萬元。以蓬勃作業公司每年油井變化約15次為例，這樣一年可節省300萬費用。

通過這樣的優化設計可以減少各個階段的工作量，降低工作風險，節省了大量重復的施工費用。

參考文獻：

[1]海上采油工程手冊.《海上采油工程手冊》編委會.北京：石油工業出版社，1983.[2]儀表工手冊.樂嘉謙.北京：化學工業出版社，1998.[3]集散控制系統.劉翠玲黃建兵.北京大學出版社.2006.

[4]海上工程設計實用手冊.中國海洋石油總公司翻譯.北京：石油化工出版社，1992.

[5]GENERALINSTRUMENTATIONDESIGNREQUIREMENTS.Fluor Daniel， Inc.2003.

（作者單位：中海石油（中國）有限公司蓬勃作業公司）