海上石油平台井口控制盘的设计方法.pdf

第 5 1 卷第 6 期 2 0 1 5 年 1 2月 石油化工自动化 AUToM ATI oN I N PETR CH EM I CAL I NDUSTRY Vo 1 ． 5 1 ，No ． 6 Nov e mbe r，20 15 海上石 油平 台井 口控 制盘 的设计 方法 刘健 ， 薛海林 1 ．海洋石油工程股份有限公司， 天津 3 0 0 4 5 1 ； 2 ．中海石油 中国 有限公司 上海分公司， 上海 2 0 0 0 3 0 摘 要 海上石油平台井 口 控制盘在油气生产过程中控制着所有井上井下安全阀的开启与关闭， 为整个平台的安全生产发挥重 要的保护作用 。介绍了井 口控制盘的工作原 理与内部组成 结构 ， 并 详细说 明 了井 口控制盘液 压油箱 、 液压泵 、 蓄能器 、 共用 模 块 、 单井模块 、 远传信号的设计方法与计算公式 ， 为井 口控 制盘 的工程设计及操作维护提供 了参考 。 关键词 井V I 控制盘蓄能器海上石油平台设计 中图分类号 T E 9 5 1 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 6 0 0 2 5 0 3 De s i g n M e t h o d o f Of f s ho r e Oi l Pl a t f og i n W e l l h e a d Co nt r o l Pa n e l Li u J i a n ，Xu e Ha i l i n 。 1 ．Of f s h o r e Oi l E n g i n e e r i n g C o ．L t d ． ， Ti a n j i n ， 3 0 0 4 5 1 ，C h i n a ； 2 ．S h a n g h a i Br a n c h，CNOOC Ch i n a Li mi t e d，S h a n g h a i ，2 0 0 0 3 0 ，Ch i n a A b s t r a c t s We l l h e a d c o n t r o l p a n e l i n o f f s h o r e o i l p l a t f o r m c o n t r o l s s wi t c h o n ／ o f f o f a l l t h e i n o u e a n d s u b s u r f a c e s a f e t y c o n t r o l v a l v e s ，wh i c h p l a y s a n i mp o r t a n t p r o t e c t i o n r o l e f o r s a f e t y p r o d u c t i o n o f wh o l e o f f s h o r e o i l p l a t f o r m．W o r k i n g p r i n c i p l e a n d i n t e r n a l c o mp o s i t i o n s t r u c t u r e o f we l l h e a d c o n t r o l p a n e l a r e i n t r o d u c e d ．De t a i l e d d e s i g n me t h o d s a n d f o r mu l a s o f h y d r a u l i c f l u i d c h a mb e r ，o i l h y d r a u l i c p u mp，e n e r g y a c c u mu l a t o r ，s h a r e d mo d u l e ，s i n g l e we l l mo d u l e a n d r e mo t e t r a n s mi t t i n g s i g n a l f o r we l l h e a d c o n t r o l p a n e l a r e d e t a i l e d e x p l a i n e d，wh i c h p r o v i d e r e f e r e n c e f o r e n g i n e e r i n g d e s i g n o p e r a t i o n a n d ma i n t e n a n c e o f we l l h e a d c o n t r o l p a n e 1 ． Ke y wo r d s we l l h e a d c o n t r o l p a n e l ；e n e r g y a c c u mu l a t o r ；o f f s h o r e o i l p l a t f o r m ；d e s i g n 井 口控制盘在海上平 台油气井的安全 生产 中 发挥着重要 的作用 ， 可有效 地防止油气 井事故发 生 ， 减少碳氢化合物排放 。油田井 口安全控制系统 是油 田安全生产 、 运输不 可缺少 的主要 控制系统 之一 。 1 井口控制盘工作原理 井 口控制盘是海上石油平台油气 田生产过程 中一个重要的井 口控制设备 ， 主要作用是控制采油 ／ 采气树的井上安全 阀、 井下安全 阀和电潜 泵等设 施 ， 根据有关监测信号控制井 口设施顺序关停 ， 以 保证海上平台或装置处于安全状态。 井 口控制盘的气控 回路部分控制液压泵向采 油／ 采气树注入液压油 ， 通过液压油传导控制压力 以实现对采油／ 采气树的井上井下安全阀开启 。当 气控部分失效时 ， 液压泵不再 工作 ， 液压油 回流到 油箱内， 安全阀失去控制压力， 阀门自动关闭。 2 井口控制盘的组成 井 口控制盘 内部主要 的控制模块包括共用模 块和单井模块 ， 动力源可分为气源、 电源或液动。 公共模块为井上井下安全阀控制提供液压驱 动力和 或 气源驱动力 ， 用于实现所有井上井下安 全阀的开关逻辑控制 ， 实现对液压驱动单元和气源 控制单元 的监控 。单井模块为每 口井提供气动和 或 液压驱动控制 ， 实现每 口井井上井下安全阀的 开关逻辑控制 ， 监测和反馈安全阀阀位状态 。外 围 设备包括易熔塞、 手动关断站等 。 井口控制盘盘体为全封闭式结构， 正面操作面 板上有井上井下阀的开关按钮 、 充气按钮以及各井 口的压力指示器 ， 背 面为手动开启 的维修 门， 侧面 分别设有 防爆接线箱和外部仪表管接 口。 3 井口控制盘的设计 井 口控制盘在设计时应满足 海上固定平台安 全规则 的要求 ， 采用失效安全型的控制方式 ， 可实 现井上井下阀的本地关断或远程 的开启与关断 ， 并 能够发出远程报警信号。开井顺序为先开启井下 稿件 收到 日期 2 0 1 5 0 8 2 1 。 作者简介 刘健 ， 男 ， 毕业于天津大学 自动化专业 ， 现就职于海洋石 油工程股份有限公 司 ， 主要从 事海上 石油钻 井平 台仪表控 制设计 工作 ， 任工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化上 自动化 第 5 1 卷 安全 阀， 再开启井上安全阀， 最后开启井上翼阀； 关 井顺序为先关闭井上翼 阀， 再关 闭井上安全阀， 最 后关闭井下安全阀。 3 ． 1 液压油箱设计 液压油箱储存 了用于驱动井上井下阀开启或 关闭的液压油 ， 油箱在设计时需至少满足如下配置 要求 1 油箱体积应不小于所有蓄能器 与井 口阀用 油量的 2倍。 2 为保障油箱安全 ， 油箱顶部应设有注液 口、 排气 口与阻火器。 3 油箱 内设置堰板用 于回油沉淀 ， 底部设置 排污阀。 4 油箱 内的油被液压泵抽 出， 在 出 口应设有 过滤器 ， 用于过滤油箱内的杂质。 5 油箱上应装有本地显示 的液位计或远程液 位变送器 ， 用于显示 当前油箱 内液压油的存储量 。 6 根据海洋高盐雾环境 ， 油箱箱体材质应选 用 3 1 6不锈钢 。 液压油箱容积计算公式如下所示 Vr一 2 VA 、 1 式中 r 液压油箱有效容积； V 供油 回 路蓄能器有效容积值 ； V 所有井 口井上井 下 阀门的执行机构容积； V t 供油管线容积的压 缩裕量 。 3 ． 2 液压泵设计 3 ． 2 ． 1 驱动方式 液压泵为井 口控制盘内液压系统提供液压驱 动力 ， 液压泵的驱动方式如下 1 对 于具有气源 的平台， 液压泵采用气源驱 动 ， 可选用气动往复泵 ， 气源可 以是处理合格后 的 仪表气或者天然气 。 2 对于无气源的平台 ， 可采用电动液压泵 ， 电 动液压泵 由应急电源供电。 通常而言 ， 井上井下安全阀的执行器的容积与 操作压力差别很大 ， 因而需要分别独立设置 2套液 压泵来驱动井上和井下安全阀。此外 ， 应配置 1台 手动液压泵作为备用动力源 。 3 ． 2 ． 2 配置要求 液压泵在设计时需至少满足如下配置要求 1 应根据井上井下安全 阀的执行器 的容积 、 压力及具体液压泵工作曲线选型。 2 液压泵 的排量应考虑在规定时间内使蓄能 器系统从预充压力升到井上井下安全 阀执行机构 最大工作压力。 3 液压泵气源入 口与泵出口都应配置压力保 护 以限制泵输出压力 。 4 每 台液压泵的出 口应安装单流阀 ， 防止液 压油回流。 以井下安全 阀供油 回路为例 ， 液压泵排量计算 公式如下 q 一 A V ／ t 2 式 中 q v s c 井下安全 阀供油 回路单台液压泵排 量 ； A V 井下 安全 阀供 油 回路 蓄能器 有效 容 积 ； ￡ 蓄能器系统从预充压力升 到执行器最 大 工作压力所需的充液时间。 根据式 2 ， 最终选用的液压泵排量应不小于 q 的计算结果 。而井上安全 阀液压泵计算方法与 井下安全阀的一致 ， 因而不再重复叙述 。 3 ． 3 蓄能器设计 蓄能器是液压系统中的能量储存装置 ， 在安全 可操作范围内， 用于平衡和补充液压系统压力。常 见的蓄能器形式有气体加载式 又细分为气囊式 、 活塞式和气瓶式 、 弹簧式和重锤式三种。海上石 油平 台井 口控制盘 内的蓄能器多选 用气囊式 。通 常情况下， 井下安全阀与井上安全阀各设置 l 套独 立的蓄能器 。由于蓄能器容积较大 ， 造成井 口盘整 体尺寸过大， 影响经济成本， 因而在设计过程中通 常按照 2 5 0 的方式来缩小单一蓄能器的体积。 蓄能器在设计时需至少满足如下配置要求 1 初始充装时预充气为氮气 ， 禁止使用压缩 空气或氧气 。 2 满足所有井下安全 阀与井上安全阀的驱动 压力 。 3 在不启动液压泵的情况下 ， 建议 井 与井 下安全阀蓄能器容积需至少满足单井开关三次。 蓄能器有效容积指 蓄能器在最低工作压力 和 最大工作压力状态下的容积变化量 。井下安全 阀 回路蓄能器有效容积需满足单井 的井下安全 阀完 成 N次循环的操作。 井下安全阀蓄能器有效容积 A V 可通过下式 计算 AV 。一 N N 1 3 式 中 单 口井井下安全 阀执行机构需液压 油容积 ； ～单 口井井下安 全阀供油管路 液压 油 的 压缩量 。 井下安全 阀蓄能器容积 V 可通过下式计算 V 一 C a A v s c ／ [- p ／ P 一 p ／ p 2 。 ] 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 刘健等．海上石油平台井口控制盘的设计方法 2 7 式 中 修正系数 ， 取 1 ． 2 ； P ～井下安全 阀蓄能器预充压力值 ； p 井下安全阀最 小操 作压力 ； P 井下安全 阀最大操作压力 ； 绝热系数， 取 1 ． 4 。 根据式 4 ， 最终选用 的井下安全 阀蓄能器的 容积应不小于 的计算结果。而井上安全阀蓄能 器容积计算方法 与井下安全 阀的一致 ， 不再重复 叙述 。 3 ． 4 共用模块设计 共用模块部分 即井 口控制盘气动控制单元 ， 主 要包括气源调节 回路、 易熔塞控 制回路 、 手动关断 站控制回路、 关断执行 回路以及必需的逻辑控制回 路。在共用模块中的手动操作按钮、 压力表等常需 要安装在井 口控制盘操作盘面上 。 1 气源调节 回路 。气源调节 回路对气源气体 进行两级降压处理 一级过滤减压 ， 用于驱动液压 泵 ； 二级减压 ， 用于为易熔塞控制 回路 、 手动关断站 控制 回路和关断执行回路提供气源。 2 易熔塞控制回路 。井 口区域温度上升致易 熔塞熔化 ， 控制 回路气源泄压 ， 通过关断液压 回路 实现所有井 口的井 上井下安全 阀的关闭。回路上 应配备充气装置、 压力表和压力变送器 或压力开 关 。充气装置包括充压按钮 、 单向阀和限流孔板 。 为方便易熔塞维修或测试需要 ， 一般设有易熔塞 回 路旁通功能 。 3 手动关 断站控 制 回路 。手动关 断站触 发 后 ， 实现所有井 口的井上井下安全阀的关闭。手动 关断站控制 回路常规采用气动控制 ， 回路上应配备 充气装置 、 压力表和压力变送器 或压力开关 。充 气装置包括充压按钮 、 单向阀和限流孔板。为方便 手动关断站维修或测试需要 ， 一般设有手动关断站 回路旁通功能。 4 关断执行 回路。关断执行回路应能够接收 本地和远程控制信号 ， 实现所有井 口的井上井下安 全 阀的关闭， 关断执行回路通常采用气动控制。关 断执行 回路应配有压力表、 压力变送器 或压力开 关 、 电磁阀及必需的三通换向阀等。 3 ． 5 单井模块设计 单井模块部分用 于控制每个井 口的井上井下 安全阀的开启和关闭 ， 其余共用模块之间设有隔离 阀和单流阀 ， 以便于每个单井模块各 自独立操作与 维护 。 井 口控制盘的单井模块一般应采用抽屉式安 装结构 ， 可有效实现后期井 1 2 I 控制盘的维修更换 与 功能扩展。 单井模块 中配有压力表 、 压力变送器 或压力 开关 、 电磁 阀、 安全 阀、 延 时装置及各种用 于控制 的三通换 向阀。延时 回路 由节流孔板和体积瓶组 成 ， 保证井上井下安全阀按照正确的顺序开启和关 闭 。在单井模块中的手动操作按钮、 压力表等往往 都需要安装在井 口控制盘操作盘面上 。 3 ． 6 远传信号设计 井 口控制盘除能够依靠 自身气动与液压控制 回路实现对井上井下阀门的开启与关闭之外 ， 在设 计 时还需要考虑将必要 的报警信 号远传到平台的 中控系统 ， 在必要时通过 中控系统主动发信号给井 口控制盘来实现对井上井下阀的快速关闭。 井 口控制盘主要 的远传信号包括 液压油箱 液位报警信号 ； 井上井 下 阀液压 源主 回路压 力报 警信号 ； 公用模块 中控制井上井下 阀的气控部分 压力报警信 号 ； 易熔塞与手动关断站 回路 压力报 警信号 ； 接受来 自中控系统 的关 闭所有井 上井下 安全阀信号 ； 接受来 自中控系统的关闭所有井上 安全 阀信号 ； 接受来 自中控系统 的关 闭每个 单井 的井上安全 阀信号 。 4 结束语 笔者主要介绍 了海上石油平台井 口控制盘 的 工作原理与 内部组成结构 ， 并重点说明了井 口控制 盘 内部各个设备与功能模块 的计算方法与设计过 程 中需要考虑的细节 ， 不仅为后续海上石油平台井 口控制盘的工程设计提供了指导， 还为生产作业人 员提供了井 口控制盘操作与维护的指导方法。 参考文献 [1 ] 杨洪庆 ， 范玉扬 ， 张风 红． 井 口盘液 压 回路 蓄能器 和液压泵 的设计与计算E J ] ． 中国修船 ， 2 0 0 8 2 1 6 6 6 8 ． [ 2] 代文． 海上油 田井 口控制盘 日常操 作与管 理 [ J ] ． 石油工业 技术监督 ， 2 0 1 4 0 7 5 1 5 2 ． [ 3] 张艺 ， 洪 毅． 海上无人简易平 台上井 口控制盘 的动力 源研究 l_ II ] ． 科学技术 ， 2 0 1 0 0 3 8 2 ． [ 4] 周守为． 海洋石油工程设计指南 第 3册 海洋石油工程 电 气 、 仪控 、 通讯设计[ s ] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 5] 齐桂卿 ， 吴朝晖 ， 张 玉斌． 井 口盘气囊 式蓄 能器 的一种新计 算方法探讨E C ] ／ ／ 十五届 中国海洋 岸 工 程学术讨 论会论 文集 下 ． 太原 海洋出版社 ， 2 0 1 1 3 1 6 3 1 8 ． [6 ] 刘松 ， 廖强 ， 孙法强 ， 等． 海洋石油平 台井 口控制盘 的设计 与 调试E J ] ． 中国海洋平 台， 2 0 1 2 0 4 3 5 3 9 ． [ 7] 武玉贵． 井 口安全 系统 设计 与研究 E D] 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