無人井口平臺(tái)井口盤氮驅(qū)裝置遠(yuǎn)程控制

摘 要 目前海上油氣生產(chǎn)裝置的井口控制盤大多是模塊化設(shè)計(jì)，雖然部分關(guān)鍵參數(shù)及緊急關(guān)斷功能可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，但在無人井口平臺(tái)井口盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，其關(guān)鍵的氮?dú)怛?qū)動(dòng)裝置卻主要依賴人工維護(hù)。因此，在原方案基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)無人井口平臺(tái)井口盤氮驅(qū)裝置遠(yuǎn)程控制邏輯。實(shí)際應(yīng)用表明：應(yīng)用該系統(tǒng)后大幅提高了無人平臺(tái)井口盤的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 遠(yuǎn)程監(jiān)控 無人平臺(tái) 井口控制盤 自主切換

中圖分類號(hào) TP273"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B"" 文章編號(hào) 1000 3932（2025）01 0144 04

某海上采油平臺(tái)為無人駐守井口平臺(tái)，平臺(tái)未設(shè)計(jì)儀表風(fēng)供給系統(tǒng)，而是利用兩個(gè)氮?dú)馄浚?20 L/15 MPa）通過一次減壓后為井口控制盤的先導(dǎo)控制回路提供驅(qū)動(dòng)氣。兩瓶氮?dú)馄恳挥靡粋洌谠O(shè)計(jì)中只能通過管線上的球閥手動(dòng)切換主、備瓶，氮?dú)馄抗┙o壓力也無法實(shí)時(shí)傳輸至中控系統(tǒng)。在實(shí)際使用中，中心平臺(tái)不能及時(shí)掌握氮?dú)庀到y(tǒng)的運(yùn)行工況，如果出現(xiàn)主氮?dú)馄繅毫Φ偷那闆r，工作人員無法及時(shí)登臨平臺(tái)手動(dòng)切換氮?dú)馄浚坏┯龅酱箫L(fēng)等惡劣天氣，氮?dú)庀到y(tǒng)壓力持續(xù)降低會(huì)影響井口控制盤的正常功能。以上設(shè)計(jì)過度依賴操作人員的日常巡檢和維保，極大地增加了無人平臺(tái)生產(chǎn)關(guān)停風(fēng)險(xiǎn)，不利于現(xiàn)場安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 井口控制盤氮?dú)庀到y(tǒng)原理

1.1 井口控制盤工作原理

井口控制盤主要用于控制油井的地面安全閥和井下安全閥，兼具緊急關(guān)停保護(hù)功能，是海上采油平臺(tái)油氣生產(chǎn)的重要設(shè)備。

某海上無人駐守平臺(tái)井口控制盤設(shè)計(jì)為抽屜式結(jié)構(gòu)（圖1），即每口井對(duì)應(yīng)一個(gè)抽屜，每個(gè)抽屜為一個(gè)獨(dú)立的控制單元，具有完善的控制功能。井口控制盤主要用來控制采油樹的地面安全閥、井下安全閥和放氣閥，其主要結(jié)構(gòu)分為公共模塊和單井模塊。公共模塊通過液壓泵打壓，建立起液壓控制回路，為每個(gè)單井模塊提供液壓動(dòng)力源。公共模塊通過氮?dú)怛?qū)動(dòng)裝置為每個(gè)單井模塊先導(dǎo)閥提供先導(dǎo)氣，通過先導(dǎo)閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)液控回路的導(dǎo)通與泄放，最終實(shí)現(xiàn)井上安全閥、井下安全閥和放氣閥的控制。同時(shí)，井口控制盤通過電氣接口實(shí)現(xiàn)液壓油液位、壓力和開關(guān)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與緊急關(guān)斷功能。

1.2 氮?dú)怛?qū)動(dòng)系統(tǒng)控制原理

如圖2所示，在原設(shè)計(jì)中，井口盤利用兩個(gè)氮?dú)馄浚?20 L/15 MPa）通過一次減壓至500 kPa后為井口控制盤的先導(dǎo)控制回路提供驅(qū)動(dòng)氣。兩個(gè)氮?dú)馄恳挥靡粋洌ㄟ^管線上的球閥手動(dòng)切換主、備瓶，氮?dú)馄抗┙o壓力可通過現(xiàn)場壓力表查看，無法實(shí)時(shí)傳輸至中控系統(tǒng)。在初始設(shè)計(jì)時(shí)偏重經(jīng)濟(jì)因素，缺少遠(yuǎn)程監(jiān)控控制功能，給現(xiàn)場使用帶來極大不便。

2 無人平臺(tái)井口盤氮?dú)庀到y(tǒng)存在問題分析

由于現(xiàn)有井口控制盤大多是根據(jù)有人操作的模塊化設(shè)計(jì)，其氮?dú)怛?qū)動(dòng)系統(tǒng)未能有效針對(duì)無人駐守平臺(tái)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，仍為本地手動(dòng)設(shè)計(jì)，不適于無人平臺(tái)的生產(chǎn)管理，在無人平臺(tái)日常生產(chǎn)過程中存在諸多問題：

a. 氮?dú)庀到y(tǒng)供給壓力就地顯示，不利于數(shù)據(jù)監(jiān)控。有人中心平臺(tái)與無人平臺(tái)間通過海底光纜通信，無人平臺(tái)設(shè)置有單獨(dú)的中控系統(tǒng)，工作人員在中心平臺(tái)便可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人平臺(tái)的生產(chǎn)流程，一旦發(fā)現(xiàn)異常可及時(shí)采取應(yīng)急措施。在原設(shè)計(jì)中，氮?dú)庀到y(tǒng)僅安裝了壓力表，系統(tǒng)壓力只能就地顯示，中心平臺(tái)不能及時(shí)掌握氮?dú)庀到y(tǒng)的運(yùn)行工況，操作人員每周定期前往無人平臺(tái)巡檢時(shí)才可以查看氮?dú)馄繅毫ΑＨ绯霈F(xiàn)主氮?dú)馄繅毫Φ偷那闆r，而工作人員又未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致生產(chǎn)關(guān)停事故。

b. 氮?dú)庀到y(tǒng)手動(dòng)主/備切換，智能化水平低。兩瓶氮?dú)馄恳挥靡粋洌诓僮魅藛T定期巡檢維保過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)主瓶壓力低于2 MPa時(shí)，通過現(xiàn)場球閥手動(dòng)切換至備用瓶，并及時(shí)更換壓力不足的氮?dú)馄俊＞诒P氮?dú)馄拷M在理想工況下，單瓶可使用約50天，當(dāng)壓力低于2 MPa時(shí)，需手動(dòng)切換備用氮?dú)馄俊Ｊ芄芫€接頭密封性、環(huán)境溫度等因素影響，氮?dú)馄康母鼡Q周期遠(yuǎn)少于50天，且周期不定。這種設(shè)計(jì)增加了工作人員的工作量，出于安全考慮，操作人員通常在氮?dú)馄窟€有3 MPa時(shí)便提前手動(dòng)切換備用氮?dú)馄浚黾恿说獨(dú)馄扛鼡Q頻次。另一方面，在大風(fēng)等惡劣天氣情況下，工作人員長時(shí)間無法登臨無人平臺(tái)巡檢，同時(shí)無法實(shí)時(shí)監(jiān)控氮?dú)庀到y(tǒng)的供給壓力，如出現(xiàn)主氮?dú)馄繅毫Φ偷那闆r，工作人員無法及時(shí)登臨平臺(tái)手動(dòng)切換備用氮?dú)馄俊Ｒ陨显O(shè)計(jì)智能化水平低，過度依賴于操作人員的日常巡檢維保，大幅增加了WHPB平臺(tái)生產(chǎn)關(guān)停風(fēng)險(xiǎn)，不利于安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

c. 管線設(shè)計(jì)不合理，存在安全隱患。氮?dú)馄恐辆诒P間的氣路管線由儀表針閥、減壓閥、3/8＂OD儀表管及儀表接頭配管連接而成。出口處未安裝減壓閥，只在匯流總管處安裝有減壓閥，且直接將15 MPa的壓力減壓至500 kPa。氮?dú)馄砍隹谥翜p壓閥這段管線長期處于高壓狀態(tài)，儀表管線刺漏及泄漏風(fēng)險(xiǎn)較高，氣瓶更換周期短。氮?dú)夤芫€出口處未安裝單流閥，當(dāng)中間任何一處管線接頭松動(dòng)時(shí)系統(tǒng)直接泄壓，將會(huì)導(dǎo)致井口盤關(guān)停。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制功能設(shè)計(jì)方案

3.1 原理圖設(shè)計(jì)

現(xiàn)從穩(wěn)定性、安全性、智能化等多方面綜合考慮，在原方案基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新，重新設(shè)計(jì)了無人平臺(tái)井口盤氮?dú)怛?qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制原理（圖3），分別在主、備氮?dú)馄砍隹谔幵黾拥獨(dú)鉁p壓閥、單流閥，在備用氮?dú)馄砍隹谔幵黾与姶砰y，在匯流總管處增加壓力變送器，以實(shí)現(xiàn)無人井口平臺(tái)井口盤氮?dú)怛?qū)動(dòng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制功能［1］。

3.2 氮?dú)庀到y(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能

通過在氮?dú)馄考骺偣芴幮略鰤毫ψ兯推鳎瑢毫π盘?hào)引入無人平臺(tái)中控系統(tǒng)，并在中控系統(tǒng)上組態(tài)壓力監(jiān)測回路與畫面，實(shí)現(xiàn)氮?dú)庀到y(tǒng)供給壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控。再利用霍尼韋爾中控DSA通信協(xié)議，在中心平臺(tái)的遠(yuǎn)程操作界面進(jìn)行同步設(shè)置，便可實(shí)現(xiàn)在中心平臺(tái)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人平臺(tái)井口盤氮?dú)庀到y(tǒng)供給壓力的監(jiān)控。

3.3 氮?dú)馄拷M自動(dòng)主/備切換及中控遠(yuǎn)程手動(dòng)切換功能

儀表技術(shù)人員重新設(shè)計(jì)了氮?dú)庀到y(tǒng)的控制邏輯，采用以自動(dòng)主備切換為主、中控遠(yuǎn)程手動(dòng)切換為輔的控制策略，以降低因主氮?dú)馄拷M壓力低而人員無法及時(shí)登臨平臺(tái)導(dǎo)致生產(chǎn)關(guān)停風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生。在備用氮?dú)馄砍隹谔幵黾与姶砰y，在匯流總管處增加壓力變送器，相關(guān)信號(hào)引入中控系統(tǒng)，并組態(tài)電磁閥控制邏輯程序。

在自動(dòng)模式下，通過引入壓力信號(hào)，利用GTA比較功能塊及RSA置復(fù)位功能塊實(shí)現(xiàn)電磁閥的自動(dòng)控制。當(dāng)主氮?dú)馄繅毫Σ蛔悖到y(tǒng)壓力低于1 MPa時(shí)，電磁閥動(dòng)作，備用氮?dú)馄块_始為系統(tǒng)供氣（備用氮?dú)鈿馄砍隹趬毫υO(shè)定為1 MPa），更換主氮?dú)馄亢螅到y(tǒng)壓力上升至2.5 MPa后，電磁閥關(guān)閉，備用氮?dú)馄坎辉俟狻?/p>

用BYPASS功能塊實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)切換功能。手動(dòng)模式下可通過手動(dòng)更改DEVCTLA塊的OP值控制電磁閥開關(guān)。

圖4所示的邏輯組態(tài)完畢后，對(duì)流程畫面進(jìn)行編譯，新增壓力顯示及手自動(dòng)切換按鈕。手動(dòng)模式下，可以通過中心平臺(tái)或無人平臺(tái)上位機(jī)界面的軟按鈕遠(yuǎn)程控制電磁閥切換，實(shí)現(xiàn)氮?dú)馄康闹?備手自動(dòng)切換功能。

4 改造后效果驗(yàn)證分析

4.1 效果驗(yàn)證

改造前（2019-04～2023-04）與改造后（2023-04～2024-04）的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。從歷史巡檢報(bào)表及故障報(bào)告統(tǒng)計(jì)來看，在2019～2023年期間，主氮?dú)馄繅毫Φ陀? MPa而未及時(shí)切換備用氣瓶的次數(shù)共9次，因井口盤氮?dú)庀到y(tǒng)壓力低贊成生產(chǎn)關(guān)斷險(xiǎn)兆事件4次，氣瓶更換頻次為平均每年8.5次。2023年4月對(duì)某無人平臺(tái)井口但氮?dú)庀到y(tǒng)技術(shù)改造完成，增加了遠(yuǎn)程監(jiān)測與主/備氣瓶自動(dòng)切換功能，并進(jìn)行管線系統(tǒng)優(yōu)化。通過對(duì)比，改造效果十分明顯，無人平臺(tái)井口控制盤的運(yùn)行狀況一直比較穩(wěn)定。

4.2 創(chuàng)新成果

成功解決了氮?dú)庀到y(tǒng)只有本地壓力顯示的問題，實(shí)現(xiàn)了氮?dú)庀到y(tǒng)供給壓力實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

解決了惡劣天氣人員無法登臨平臺(tái)手動(dòng)切換備用氣瓶的問題，實(shí)現(xiàn)氮?dú)馄拷M自動(dòng)主備切換及中控遠(yuǎn)程手動(dòng)切換功能，大幅降低了因主氮?dú)馄拷M壓力低而人員無法及時(shí)登臨平臺(tái)導(dǎo)致生產(chǎn)關(guān)停風(fēng)險(xiǎn)。

降低儀表管線刺漏風(fēng)險(xiǎn)，延長氣瓶更換周期，將氣瓶更換周期從50天1次延長至130天以上，有效減少了氮?dú)馄拷M的吊裝、倒運(yùn)、更換頻次，減少了人力成本，降低了相應(yīng)的施工風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

大多無人井口平臺(tái)井口控制盤氮?dú)怛?qū)動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初便沒有遠(yuǎn)程監(jiān)控及自主切換功能，此項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新在渤海地區(qū)無人平臺(tái)井口盤的氮?dú)饪刂葡到y(tǒng)中屬首次應(yīng)用。之后，計(jì)劃在渤海地區(qū)多個(gè)無人平臺(tái)試點(diǎn)推廣應(yīng)用，預(yù)計(jì)各平臺(tái)改造完成后，將提高整個(gè)平臺(tái)生產(chǎn)、運(yùn)行的自動(dòng)化程度和控制精度，有效減少因井口盤氮?dú)庀到y(tǒng)壓力不足導(dǎo)致的意外關(guān)停事故，經(jīng)濟(jì)效益顯著。此次創(chuàng)新性的改造大幅提升了無人平臺(tái)井口控制盤的穩(wěn)定性，推進(jìn)了無人平臺(tái)智能化改造工作，為無人平臺(tái)的智能化建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)參考，具有很高的推廣價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 顧常月.適用于海上無人化平臺(tái)的中控系統(tǒng)優(yōu)化分析［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2023，36（1）：4-5；7.

（收稿日期：2024-05-15，修回日期：2024-06-08）