大慶油田叢式井場電控一體化集成裝置應用研究

大慶油田設計院有限公司

為進一步促進油氣田地面建設標準化設計工作常態化開展，實現地面建設方式的根本轉變，勘探與生產公司組織開展了一體化集成裝置的研發和驗收，一體化集成裝置的研發和推廣是中石油油氣田地面建設標準化設計工作的重點。一體化集成裝置是指應用于油氣田地面生產的一類設施，結合油氣田地面工程的建設規模和工藝流程的優化簡化，通過將機械、電工、自控、信息等技術有機結合、高度集成，根據功能目標對各功能單元進行合理配置與布局，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的基礎上自成系統，獨立完成油氣田地面工程中常規需要一個中小型站場多個生產單元共同完成生產環節的全部功能[1]。其中，電控一體化集成裝置在塔里木油田、新疆油田、長慶油田的井場和站場得到了廣泛推廣應用。該裝置具有配電、自控、通信集成優化、安全性可靠性高、耐候性適應性強、可搬遷的特點，采用工廠化預制和測試，縮短了現場施工建設和調試周期[2]。結合油田快速建設及數字化建設的需要，開展了大慶油田叢式井場電控一體化集成裝置應用可行性研究工作。

1 叢式井場配電及數字化建設現狀

大慶油田已建叢式井場的配電主要采用兩種形式：柱上變壓器和箱式變電站。

常規的叢式井場配電采用單變壓器對多井或多變壓器對多井的配電方式，當叢式井數量大于5口時，一般配2～3座柱上變電站，呈三聯桿或四聯桿排列。變壓器低壓側出線先至柱上變配電箱，再敷設至井場用電設備。柱上變配電箱的數量一般根據叢式井場油井數量選擇1～3面配電箱。

箱式變電站一般是將高壓配電裝置、變壓器、低壓配電柜安裝在一個箱體內，呈“品”字形或“目”字形排列，用于分配電能，適合油井開發所處的區域為主城區、對城市市容要求較高的地域。

大慶油田采油三廠是較早開展數字化建設的采油廠，實施數字化井場多為單井，變配電設備及控制裝置為分散式安裝，變電設備為柱上變壓器，配電設備為柱上配電箱。自控及通信設備為控制箱、RTU箱。井場變壓器將6(10)kV高壓電源變為0.4 kV低壓電源，送到柱上配電箱，由柱上配電箱將電源分配到各個井場用電設備。

大慶油田數字化油井自控系統現狀為：井場設置RTU控制系統，通過無線方式接收井場載荷/位移、油壓、綜合電參等信號，其中綜合電參通過設置在配電箱內的綜合電量變送器檢測，RTU控制器和綜合電參分別放置在兩個控制箱內。

2 電控一體化裝置優化方案

油田中小型站場采用電控一體化裝置供電，裝置內除集成了變配電系統和儀表通信系統外，均安裝了智能管理系統、通風系統、UPS系統及火災報警系統，可實時調節橇內環境的溫濕度。站場的視頻信號、柱塞泵的運行信號及電氣參數采集到裝置內，然后統一送至附近聯合站中控室，實現了無人值守、遠程監控的數字化管理。

叢式井場橇裝電控一體化裝置相對站場配電系統而言，主要從以下幾方面進行優化：

（1）通風系統。根據大慶的氣候特點，冬長嚴寒，夏秋涼爽，全年平均氣溫4.2 ℃，橇裝一體化裝置在設計時考慮適當增加機械式通風換氣設施，省去空調，確保夏季裝置內溫度在簡單溫度管理控制下不會超過設備的極限工作溫度。

（2）智能管理系統、火災報警系統。通過研究股份公司《油氣田地面工程數字化建設規定》，并依據近年來井場數字化建設設計標準，應用于井場的電控一體化裝置可簡化智能管理系統、火災報警系統。

（3）UPS系統。裝置內無需安裝UPS系統。

（4）總配置優化。電控一體化裝置優化配置后，裝置本身耗電大大降低，其功能模塊主要由變配電系統、自控通信系統組成，并輔以簡單的采暖、通風及散熱，充分考慮了儀控、通信等相關專業的要求，能夠實現電、控、信標準化、模塊化和一體化建設。

（5）兼容性。橇裝電控一體化裝置采用完善的抗電磁干擾設計，硬件上采用“屏蔽、接地、隔離、器件選擇、布線技術”措施，軟件上采取抗干擾設計。

2.1 建設規模及系列

根據目前調研結果，叢式井場油井數量一般在2～8口，加密建設的區塊可達到9口以上，配電變壓器容量一般分布在80～250 kVA，考慮到后期加密產能建設，橇裝電控一體化裝置的建設規模按叢式井場油井數量可分為2～5口井及6～10口井兩個系列，在兩個系列下又可按變壓器容量進一步細分出若干個小系列，見表1。

表1 叢式井場橇裝電控一體化裝置系列劃分Tab.1 Series dividing of skid-mounted devices for cluster wells sites

2.2 橇內設備平面布置

橇內設備主要分為高壓單元、變壓器單元、低壓單元，根據需要，低壓單元部分可增設PLC自控單元及通信單元。橇內設備分兩種布置方案：第一種布置方案是各單元集中布置于一間隔室，呈一字形排列（圖1）；第二種布置方案為各單元分開布置，呈品字形排列（圖2）。由圖2可知，第二種方案占地面積較小，且變壓器及高低壓單元分開，便于進行任何操作和維護[3]。

圖1 橇內設備高低壓集中布置Fig.1 Centralized layout of high and low voltage devices on skid

圖2 橇內設備高低壓分開布置Fig.2 Seperated layout of high and low voltage devices on skid

2.3 電氣主接線形式

根據井場負荷性質及規模，井場按三級負荷供電，采用單變壓器單母線接線形式。6 kV電源引自附近6 kV線路，采用電纜進線方式。主接線見圖3及圖4。

由圖3、圖4可知，對于任一座叢式井場，油井數量及其他用電負荷決定低壓出線的數量，高壓電源均經過一進一出2面環網柜送到變壓器，變壓器的容量可根據井場用電設備計算負荷選取。低壓配電柜數量：當油井數量在5口及以下時，選1面低壓柜；當油井數量在6～10口時，選2面低壓柜。

2.4 電氣主接線形式主要電氣設備選擇

變配電系統主要由高壓環網柜、變壓器及低壓配電柜組成，高壓環網柜對高壓電源進行開斷，隔離保護后送至變壓器變成低壓電源，由低壓配電柜將電源分配至井場各個用電設備。

高壓環網柜選用結構簡單、體積小巧的XGN15系列，內設負荷開關并配有高壓熔斷器保護。變壓器選擇SCB11系列干式變壓器，無污染、免維護，運行可靠。低壓柜采用GHL系列低壓配電柜，列配電柜適用于額定電流不大于630 A的動力配電系統，柜內可安裝的出線回路彈性較大，配電方式靈活，價格低。具體電氣設備選擇如下：

環網柜：XGN15-12(Z)，負荷開關，電動分合閘。

變壓器：SCB11系列干式變壓器，冷卻方式為風冷。

圖3 2～5口井接線圖Fig.3 Wiring diagram for 2 wells to 5 wells

圖4 6～10口井接線圖Fig.4 Wiring diagram for 6 wells to 10 wells

低壓柜：GHL系列固定式低壓開關柜。

2.5 電控一體化集成裝置的橇體

橇裝電控一體化集成裝置的橇體[4]具有結構穩固、布置合理科學、密封保溫性能良好等特點，配合內部配置的照明、應急照明、采暖、通風換氣設施，確保電控一體化集成裝置可應用于嚴寒、酷熱、風沙、干燥等極端環境條件，為橇內設備提供良好的運行環境，確保設備安全穩定運行。

（1）橇體外殼采用厚度不小于2.5 mm的優質冷軋鋼板滿焊處理，具有良好的防雨雪和風沙性能，滿足防噴水、防震、防腐、防塵、防火及防電燃要求。橇體防護等級為IP55，橇體壁板材料燃燒性能依據國家標準應不低于A2級。橇體底座采用重度環氧煤瀝青漆或冷涂鋅外噴防腐漆進行工藝處理，有效提高橇座防腐能力。

（2）根據井場實際需要可實現智能化與數字化。對橇內設備及環境條件進行運行參數監測和控制，并通過通信系統與上級管理平臺連接，可以在遠程進行監控和日常管理。

（3）具備完善的抗電磁干擾設計。橇體及設備硬件采用屏蔽、有效接地、合理布線、器件選擇、隔離等技術措施，有效保障設備的運行安全。裝置自控及通信系統通過國家權威部門的抗電磁干擾性能試驗。

（4）電纜密封。裝置的進出線電纜采用防火隔離密封措施，集中進出線處應采用專用電纜防火密封模塊。

3 電控一體化裝置的技術經濟對比

3.1 技術特點與優勢

（1）組裝、調試及試車均在工廠完成，現場安裝調試工作量少。無需建筑物，占地面積大幅減少，現場土建施工工作量少，縮短項目完工周期。

（2）采用無基礎設計，便于拆裝和搬運。

（3）標準化、模塊化設計，組合靈活，更換快捷，互換性好。

（4）多項集成一體化設計，安全可靠，簡化了業主一對多的設備管理程序，運行管理更加高效。

3.2 投資估算及經濟效益對比

由表2和表3可知，對于同一規模叢式井場配電，絕對投資額最小的是柱上變配電方式，投資額最大的是橇裝電控一體化裝置。橇裝電控一體化裝置的優化方案投資會大大降低，但相比一體化兩種方案，柱上變和箱式變因為施工用地較多，施工工藝繁雜，周期較長，同時現場規范化程度低，后期維護成本巨大，整體經濟效益反而更低。

表2 叢式井場數字化建設方案投資對比Tab.2 Investcomparisonamong constructionplansofdigital clusterwells site

4 應用前景及效果分析

橇裝電控一體化裝置可在工廠預制、裝配、整體運輸，現場就位后，只需完成外部聯線即可。工廠預制部分不受天氣、季節的限制，加快了建設速度，縮短了建設周期，在一定程度上緩解了交通受限區域運輸建材的壓力。下面從幾個方面來討論橇裝電控一體化裝置的適應性。

（1）利于實現叢式井場數字化。近年來，集團公司將信息化作為企業發展的重要戰略目標。橇裝電控信一體化集成裝置集成度高、功能完善，利于實現油田數字化。電控一體化橇集成高壓受電、變電、低壓配電、自控與通信、UPS于一體，可以方便地采集工藝及電氣設備的各種運行數據，并通過橇內RTU上傳至調控中心，對于實現數字化油田、滿足A11的要求具有極大的便利性。

表3 叢式井場數字化三種配電方式綜合經濟效益對比Tab.3 Comprehensive benefits comparison among different power distribution methods for digital cluster wells site

（2）提高了設備運行可靠性及安全性。產品有效保證了設備運行在標準所要求的環境條件下，提高了設備運行可靠性和安全性，減少了因環境因素所造成的拒動或誤動等機構失靈狀況，以及電子設備由于環境溫濕度影響所造成的硬件故障，避免了非設備本身問題對生產運行的安全威脅，保障了穩產和增效。

（3）利于快速建產。產能區塊配電采用橇裝設備的突出特點就是能夠快速建成投產、安裝便捷。工程設計只需按叢式井場的井數選擇系列標準化的相應系列，并確定變壓器高壓側電壓等級，即可提交訂單，免去了各種電氣設備提交數據、訂貨、生產、分別運輸的環節。

（4）設備重復利用降低投資。橇裝電控一體化裝置雖初次投資較高，但在全壽命周期對比下，可實現橇裝電控一體化裝置的完整循環利用。橇裝設備為可移式橇裝結構，堅固耐用，具有較強的互換性和通用性，可重復利用性強，降低投資，具有很高的經濟性[5]。

5 結束語

近年來，油田地面工程建設質量和水平得到了很大的提高，電控一體化裝置技術取得了長足的進步。實踐證明，“一體化集成裝置”是優化工藝、優化地面設施、優化管理模式、減少布站層次、減少現場用工、節能降耗的標志性載體，也是轉變發展方式、創新油氣田管理模式的重要舉措。在今后油田地面建設中應該注重一體化技術的研發、創新和推廣，為大慶油田降本增效、精益管理發揮更大的作用。