海上石油平台井口控制盘设计类型分析

屈少林

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

海上石油平台井口控制盘设计类型分析

屈少林

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

针对海上平台应用的井口控制盘产品，根据操作元器件设计及其使用环境特征，总结归纳了每种类型的设计特点，并对设计方案进行了详细说明和对比分析，研究总结出电子按钮式、机械先导阀式两大类六种类型的井口控制盘模式。电子按钮式分为正压防爆型和隔爆型；机械先导阀式根据平台设计要求不同，分为液动控制和气液控制两种类型，并对每种类型的设计和应用特点进行了分析。机械先导阀式井口控制盘成本及维护费用较低，以DCS为控制核心的设计是目前的主流趋势，从成本及维护性考虑，推荐优先使用。

海上石油平台 井口控制盘 控制方式 正压防爆型 隔爆型

井口控制盘是海上平台安全控制系统的重要组成部分，无论是国外还是合资或自营海洋石油平台，井口控制盘都是必不可少的配置，主要用于控制采油/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，对海洋平台的安全生产和平稳运行起着非常重要的作用。

在中国现代石油工业向海洋发展的过程中，国外先进的现代海洋工程被快速地引入到国内海油市场[1]，2008年以前，国内海上石油平台井口控制盘主要依赖进口，国外井口安全控制系统技术相对成熟，主要遵从API-RP-14C《海上生产平台地面安全系统的分析、设计、安装和测试》的有关规定，生产厂家主要为PETRICO和TEST等[2-3]，国内在2005年以前只有一些高危气井，即在高含硫或特高产量气井上安装了进口的地面井口安全系统。随着国家对安全和环境的高度重视，在GB 50350—2005《天然气集输设计规范》中明确规定“气井井口应安装井口高低压紧急关断阀”，以便在采集气站场发生意外和失控的情况下快速截断井口气源[4-5]。在此之后，中国海洋石油总公司自主进行了井口控制盘的研究和开发，目前产品已覆盖整个海洋石油市场。2014年，由中国海洋石油总公司发布了井口控制盘设计指南及相关企业标准[6]，使得井口控制盘的设计进一步得到了规范。

由于海上平台井口安全控制系统基本为多井式，即井口控制盘由1套主系统和多个单井模块组成，工艺比陆上的系统复杂很多，李瑜等人[7]针对国内外井口安全系统的现状及基本做法进行了分析研究，刘松[8]、刘健[9]等人对海上石油平台井口控制盘的设计及调试进行了研究。

但由于海上石油平台地质油藏、井口平台条件和逻辑控制等技术要求的差异，井口控制盘的控制原理和工作方式不尽相同，决定了该产品基本都为非标的单体设计产品，目前还没有从该产品的操作元器件设计或者使用环境等因素对其类型或者设计特点进行对比分析。因此，有必要以中国海洋石油总公司所属的海上平台为例，对其所使用的井口控制盘的产品类型进行归类总结，并对每种类型的设计特点进行分析。

1 井口控制盘类型

根据目前海上石油平台应用状况，井口控制盘基本类型如图1所示。海上平台井口控制盘依据井口控制盘操作元器件设计的不同，分为两大类： 电子按钮式和机械先导阀式，其中电子按钮式分为正压防爆型和隔爆型。机械先导阀式井口控制盘根据海上石油平台的不同，分别在边际油田的无人平台和有人平台存在着不同的设计应用，根据低压控制管路介质的不同，机械先导阀式井口控制盘又分为液动控制和气液控制两种类型。

图1 井口控制盘类型示意

1.1 电子按钮式井口控制盘

1.1.1 设计特点

井口控制盘一般安装在采油树附近井口危险区域，在室外易爆气体长期存在的危险环境下使用。在一些合资的海上油田多采用电子按钮式井口控制盘。

电子按钮式井口控制盘主要有以下特点：

1) 单井采用防爆电子按钮、高压电磁阀及梭阀组合控制形式，进行开阀和关阀操作。开阀信号传输给设备两侧内置的正压防爆箱内远程终端单元(RTU)，RTU发出确认信号给高压电磁阀，电磁阀得电导致高压液压进出口端导通，通过梭阀压力选择，完成液压输出。

开关磁阻电机是系统中实现能量转换的部件，它与传统的感应电动机相比，具有本质的区别。在结构上SRM采用双凸极形式，即定子、转子均为凸极式结构，定子线圈采用集中式而不是分布式绕组；加在定子绕组上的电压为不连续的矩形波而非连续的正弦波；转子仅由硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体［1-4］。

2) 压力源多采用电动液压泵，通过泵后配置的压力变送器进行泵出口压力的控制。泵后配置液压调压阀，将低压控制压力调节到0.5～0.8 MPa，根据采油树安全阀的设计参数，将操作压力调节到40，69，103 MPa的相应等级。

3) 结构上，由于电子按钮和电磁阀的大量使用，造成模块式装配和维修有一定困难。而单井多采用面板式安装，其次设备内置RTU模块在工作时不可避免地会产生电火花和热量，它们一旦与现场的爆炸性气体混合物相遇，就会导致爆炸事故的发生，直接危及油田和人员生命安全。因此，设备壳体选择采用防爆正压柜以及正压吹扫控制系统来满足现场要求。

1.1.2 防爆设计区别

电子按钮式井口控制盘根据仪表接线箱防爆类型的差异，分为正压防爆型和隔爆型，表1为两种形式的设计方案对比。主要区别如下：

1) 隔爆型井口控制盘内一般不配置RTU，以分散式控制系统(DCS)为控制核心。压力变送器、压力开关、电磁阀等元器件的信号接入防爆接线箱内部，通过仪表信号电缆连接至平台中心控制室，通过平台中心控制室DCS完成实时监测和远程控制。

2) 隔爆型井口控制盘单井内部，采用低压电磁阀加先导阀的控制方式来代替高压电磁阀，既满足了功能需求，又进一步降低了产品成本。

表1 电子按钮式井口控制盘防爆设计方案对比

1.2.1 无人平台井口控制盘设计特点

进入21世纪后，社会发展对石油能源的需求日趋旺盛，油田开发建设所需的原材料和各类资源的价格也在上浮，大幅促进了海上边际油田的开发。在常规的开发模式和技术下难以投入生产的油田，属于边际油田[10]，随着边际油田的开发以及降低开发工程投资的需求，无人驻守平台的应用在一定程度上使一些边际油田更具有开发价值[11]。根据图1所示，无人平台井口控制盘按照低压回路的控制介质，可分为气动和液动井口控制盘。

1) 气动井口控制盘。一般采用1组氮气瓶作为仪表气，氮气瓶出口配置调压阀和安全阀，气源压力调节为0.6 MPa，2个氮气瓶之间通过梭阀连接成为1组，替代仪表气为设备内单井控制回路、易熔塞回路和紧急停车系统(ESD)回路提供仪表气。氮气更换周期是设计阶段重点考虑的重要参数，它主要取决于开关采油树安全阀或ESD及易熔塞回路的操作次数。根据计算，单个容积40 L、压力为12 MPa的1组氮气瓶，可以同时满足易熔塞回路、ESD紧急关断站、开启单井安全阀约100次操作。

2) 液动井口控制盘。电动液压泵为无人平台井口控制盘提供液压驱动力，如果不采用氮气作为控制气源，则通过泵后输出压力进行二次调节，同时在低压回路配置蓄能器，用于低压系统压力补偿，使低压控制介质压力维持在0.6 MPa左右。在设计及工艺阶段，需要考虑先导阀、换向阀、推拉阀等元器件的回油管线布置。同时，无人平台原油管汇经常存在一些外部液动关断阀(SDV)，需要井口控制盘为其提供相应的液压动力，因而通常会从井口控制盘引出1条独立支路，根据SDV阀的操作压力和执行器容积的不同，配置相应的压力等级操作回路和应急蓄能器。

无人平台井口控制盘生产运行的一些重要参数需通过终端远传到中心平台，同时也接受中心平台的远程ESD关断，远程控制主要通过井口控制盘内的电磁阀来实现，当远程关断后井口控制盘系统重新开启时，需要在本地进行手动操作确认。

1.2.2 有人平台井口控制盘设计特点

机械先导阀式井口控制盘近年在自营油田应用比较广泛，气液控制井口控制盘占比应用较大。其中单井模块配置高低压导阀是较为常规的一种方式，由高压(PSH)和低压(PSL)2个设定点的不同压力开关组成串联类型，进行液压系统管路控制。当感应压力高于高压导阀PSH的设定值或低于低压导阀PSL的设定值时，压力感应器会自动关断控制压力进口气源，并通过相应排放口卸掉出口回路压力，并引起相应换向阀失压，导致机械先导阀先导端失压，从而引起井上安全阀的联锁关闭，因而是一种不需要通过中心控制室的直接联锁式关断。机械先导阀通过配置旁通按钮，在投产前期或维修更换先导阀时起到旁通作用。

原油管汇的压力检测目前有两种形式：

1) 采用高低压导阀式或者压力变送器，但配置高低压导阀，需要在井口控制盘内增加压力开关、仪表阀及换向阀等元器件，会导致单井成本增加。因此，原油管汇上采用压力变送器方式是较为经济、适用的一种方式，压力变送器将管汇压力传递给中心控制室，由中心控制室程序进行压力判断决策，达到远程监控和关断的目的。

2) 采油树地面安全阀主要分气压驱动或者液压驱动两类，地面安全阀为气压驱动，则地面控制回路设计压力较低，单井核心元器件主要采用机械先导阀加换向阀的组合形式，选用耐压较低的元器件，相对成本较低。地面安全阀及井下安全阀[12](SCSSV)采用液压驱动的生产平台，按照采油树安全阀的个数，一般分为由地面主阀、地面翼阀、井下安全阀组成的三阀式，或者由地面主阀、地面翼阀组成的两阀式，液压按照压力等级分为40，69，103 MPa三个等级。

2 井口控制盘方案设计及适用性分析

电子按钮式井口控制盘和机械先导阀式井口控制盘体现了两类不同的设计思路和理念。目前电子按钮式井口控制盘应用于合资油田较多，体现了以RTU为核心的设计理念，实现了数据的采集、处理、传输。机械先导阀式主要应用于自营油田，以DCS为控制核心，实现统一集中控制。因此，设计理念的不同，两类设备的核心元器件选型及控制形式也存在一些差异，设计方案对比见表2所列。

1) 电子按钮式井口控制盘单井普遍采用梭阀与高压电磁阀组合的形式，需要井口配置RTU，考虑成本因素，井数较少的平台不适宜，适合20井左右的平台。由于满足设计要求的核心元器件品牌种类较少，因而单井成本较高，元器件采用面板式安装且接线箱顶置的结构，导致安装过程及后期在线维护不方便，目前多用于合资油田，且应用数量较少。

2) 机械先导阀式井口控制盘单井成本及维护费用较低，采用模块式结构，后期在线维护方便，以DCS为控制核心的设计，是目前海上平台设计的主流趋势，因而近年应用数量较多，且控制系统压力为低压，从成本及安全性和维护性考虑，是目前推荐优先使用的形式。

两类井口控制盘应用特点对比见表3所列，由于井口控制盘属于单体设计产品，需要根据油田开发模式、地质油藏、井口平台条件、逻辑控制等不同要求，通过设计不同原理和功能的井口控制盘，来满足油田开发需求。

表2 井口控制盘设计方案对比

表3 井口控制盘应用特点对比

3 结束语

针对海上平台应用的井口控制盘产品，根据操作元器件设计及其使用环境特征，总结归纳每种类型的设计特点，并对设计方案进行详细说明和对比分析，介绍了不同类型井口控制盘的适用性，并对应用特点进行了对比说明，不仅为后续海上石油平台井口控制盘的工程设计及选型提供了指导，还为井口控制盘进一步的产品标准化技术升级和设计改进提供了依据。

[1] 杨立平.海洋石油完井技术现状及发展趋势[J].石油钻采工艺，2008(01)： 1-6.

[2] American Petroleum Institute. Recommended Practice for Analysis, Design, Installation, and Testing of Basic Surface Safety Systems for Offshore Production Platforms[S]. 7th ed. Washington： American Petroleum Institute, 2001.

[3] American Petroleum Institute. Specification for Wellhead Surface Safety Valves and Underwater Safety Valves Offshore Service[S]. Washington： American Petroleum Institute, 2001.

[4] 武玉贵.井口安全系统设计与研究[D].青岛： 中国石油大学(华东)，2013.

[5] 李杰训，娄玉华，杨春明，等.GB 50350—2005油气集输设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2005.

[6] 刘鸿雁，赵波，张伟娜，等.QHS 3025—2014海上油气田固定式生产平台井口控制盘设计指南[S].北京： 石油工业出版社，2014.

[7] 李瑜，钟谨瑞，张运生，等.国内外井口安全系统的现状及基本做法[J].天然气工业，2008，28(01)： 140-142.

[8] 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[J].中国海洋平台，2012，27(01)： 35-39.

[9] 刘健，薛海林.海上石油平台井口控制盘的设计方法[J].石油化工自动化，2015，51(06)： 25-27.

[10] 李茂.南海西部海域边际油田开发浅谈[J].石油钻采工艺，2007(06)： 61-64，139.

[11] 王建文.无人驻守平台在“三一模式”开发边际油田中的应用[J].中国海洋平台，2010，25(01)： 46-50.

[12] 彭作如，张俊斌，程仲，等.南海M深水气田完井关键技术分析[J].石油钻采工艺，2015(01)： 124-128.

Design Type Analysis of Offshore Oil Platform Wellhead Control Panel

Qu Shaolin

(CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co.Ltd., Tianjin, 300452, China)

Aiming at wellhead control panel applied in offshore platform, according to characteristics of operating components and the application environment, design features of each type of wellhead control panel are summarized. The design scheme is described in detail and contrasted. Two kinds of electronic push-button and mechanical pilot valve with six types for wellhead control panel mode are researched and concluded. Electronic push-button type is divided into positive pressure explosion-proof and flameproof; According to platform design requirements, mechanical pilot valve is divided into two types of hydraulic control and gas-liquid control. Design and application characteristics of each type are analyzed. The cost and maintenance cost of mechanical pilot valve control panel is low. The design of taking DCS as control core, is mainstream trend. It is recommended to use the design in view of cost and maintenance.

offshore oil platform; wellhead control panel; control method; positive pressure explosion-proof type; flameproof type

屈少林，男，2007年毕业于西安石油大学机械设计制造及其自动化专业，获学士学位，2016年毕业于中国石油大学(北京)石油与天然气工程专业，获工程硕士学位，现主要从事海上油田井口安全控制系统及HPU技术研究和现场应用等工作，任工程师。

TE951

B

1007-7324(2017)03-0011-04

稿件收到日期： 2016-10-31，修改稿收到日期： 2017-02-20。