试析仪表与自动化技术在海油平台的应用与发展

张磊

【摘  要】我国有着丰富的海洋油气资源，进行海洋油气开采对我国经济发展有着重要的影响。仪表是海油平台中重要的部件，起到控制和显示压力、温度、流量和浓度等参数的作用，是海油平台正常工作的基础。海上平台的仪表控制系统是海上油气田安全生产的核心设备，也是海上平台的大脑与安全卫士。但海洋石油开发的技术难度大、投入资金多、不可预知因素多，制约着人们对海洋石油的利用，尤其是海洋石油钻井自动化技术的先进程度直接影响着石油开采的效率。

【关键词】海油平台;仪表;自动化技术

海上平台的仪表与控制系统（简称仪控系统）是整个平台生产设施的中央控制系统，是实现海上油气田生产高度自动化与设备安全可靠运行的核心设备。随着自动化技术和控制系统设备制造技术的发展，海上平台的仪控系统自动化程度与安全可靠性得到了很大的提升。海洋石油钻井自动化中的关键技术，包含了钻井自动控制技术、海上钻井平台控制系统、钻井信息系统，并展望了钻井自动化技术的发展方向，以期为深入研究钻井自动化技术奠定基础。

一、海上平台仪控系统的组成

仪控系统是海上油气田开发工程中的关键设备，也是海上平台的大脑与安全卫士。海上平台的仪控系统大多采用集中监视管理、分散控制的方式。根据海上油气田规模大小和平台工艺流程的不同，海上平台的仪控系统一般由位于中控室的中央控制系统、现场仪表、井口控制盘、就地控制盘、计量系统等组成。

1、中控系统。海上平台的中控系统一般由过程控制系统（PCS）、应急关断系统（ESD）和火气探测系统（FGS）三套独立的控制系统组成。也有一些小规模的井口平台中控系统由过程控制系统（PCS）和设备保护系统（FPS）两套独立的控制系统组成。PCS、ESD和FGS三套控制系统或PCS和FPS两套控制系统在控制层及其以下相互独立，在管理層则共享人机界面和通信网络。控制系统的网络结构一般分为三层，即设备网络、控制网络和信息管理网络，这种分层控制结构是现在海上平台控制系统中比较典型的做法。中控系统硬件配置主要包括控制系统、操作员/工程师站、ESD/FGS应急操作盘和打印机等。PCS是海上平台的工艺公用生产控制系统，它的主要功能是实现对海上平台生产过程数据的实时采集、过程监控、故障报警，并产生生产日报与报警记录等。ESD是海上平台的安全保护系统。它主要功能是在危险发生时，确保平台上人员和生产设施的安全，防止环境污染，将事故的损失降低到最小。ESD一般为四级关断，即ESD-1弃平台关断、ESD-2火气关断、ESD-3生产/公用系统关断、ESD-4单元关断。ESD关断的设计原则为某一级别关断均不能引起较高级别的关断，只能启动本级和所有较低级别的关断。FGS的主要功能是能及时、准确地探测到可能发生或已经发生的火情和可燃气体泄漏事故，并及时采取相应措施以保护平台人员和设施的安全。海上平台的FGS一般由位于中控室的主火气系统、位于生活楼的可寻址火气盘、钻修机火气盘、现场火气探测与报警设备几部分组成。现场火气探测与报警设备有：烟探头、热探头、火焰探头、可燃气体探头、H2S探头与H2探头、手动报警站、平台状态灯等。ESD与PCS系统的区别就是前者是静态的控制系统，后者是动态的控制系统。

2、现场仪表。现场仪表是海上平台仪控系统的重要组成部分。海上平台现场仪表主要包括检测仪表和执行机构两部分，如：压力仪表、温度仪表、液位仪表、流量计、调节阀、关断阀、放空阀和含水分析仪等。

3、井口控制盘。井口平台或带有井口区的中心处理平台上均设有井口控制盘，井口控制盘主要用于对井口采油/采气树的井口压力、井上安全阀、井下安全阀以及电潜泵等设施进行就地控制。它通过监测每一口井管线的压力和井口控制盘内设置的逻辑来控制井口设施的关停，并将关断信号送给中控系统报警，同时接收平台ESD系统的关断指令。井口控制盘包括公用模块和单井模块两部分。根据海上平台公用系统的设置情况，井口控制盘通常分为气动液压驱动井口盘和电液驱动井口盘两类。

4、计量。海上平台的计量一般分为3部分，即单井计量、总量计量和能耗计量。单井计量一般是通过多相流量计或测试分离器等设施对单井产出的油、气、水量进行计量。总量计量一般也是通过多相流量计或生产分离器等设施对平台上生产的总油、气、水量进行计量。能耗计量主要是按照国家的能耗计量标准，对平台上用能设备的油、气、水消耗量进行总量计量。有的大型平台还设有贸易交接计量，贸易交接计量分原油和天然气的外输贸易交接计量，一般由专门的外输计量撬来完成。

二、海上油田自动化控制技术运用

1、自动化系统管理模式。设置陆地中心站。可以将中心站设置在总部。陆地控制中心主要是监测和控制油田平台的生产情况，并对油田信息进行处理，自动生成油田生产报表，展开动态分析、实时数据模拟。卫星平台站。在每个采油平台上设置卫生平台站。卫星平台站主要是应用了远程终端（RTU），从而完成采油平台数据判断与分析，并采用无线信道发往中心平台站，同时也可以接收中心平台站所发送的控制指令，这样即可遥测遥控卫星平台。

2、机采井监控。对于海上石油开采平台来说，通常都是采用电潜泵、螺杆泵井，所以机采井管理是最为重要的安全管理环节。在自动化技术应用中即可考虑该方面因素，每口电泵井都设置三相电流传感器、电压变送器、运行数据检测、油温传感器、油套回压压力变送器、启停控制器、保护中心器。螺杆泵井安装了电压变送器、电流传感器、启停控制器，这样即可对油井设备系统进行远程的控制和启停，套压、回压、温度、油压检测系统，可以为自动化安全管理提供技术支持。在日常管理当中，机采井巡检工作十分繁琐，而采用自动化技术，可以实时提供机采井的压力与温度，不需要人工到采油现场检查，只需要设备管理人员定期对现场设备进行运维即可。电泵控制柜可以起到保护作用。

3、资料录取。自动化安全管理控制技术下，电泵、螺杆泵在运营中的所有参数信息，如电压、电流、套压等，都可以实现自动化采集。人工监测中所获得资料的精准度、可靠性都无从考证，而仪器仪表可以精准的获取运行参数，保证资料获取的精准性，资料录取性能得到了极大的改善。再加上自动化控制技术可以大大降低人为因素的干预，油压、油温等数据参数更加贴合生产实际，可以保证数据信息的可靠性，确保中心平台控制室时刻观察到精准的运行数据。同时在陆地以及中心平台控制室当中，工作人员结合实时生成的资料，对机泵运行状态进行判断，及时提出设备的维护方案，保证油田现场开采安全。

4、自动选井计量。安装具有编程功能的控制器，井口电动三通阀、液气两相分离器、旋进漩涡流量计、质量流量计等，即可实现自动化选井功能。在油井计量当中，质量流量计可以对液体展开计量，旋进旋涡流量计可以计量气体，同时将所采集的数据信息传输大陆地站和中心站。处理油井含水问题，工作人员定期展开油样化验，并将试验结果录入到计算机中处理，这样即可实现油气水三相计量的目标。

从海上平台仪控系统的组成来看，虽然规模不是很大，但是麻雀虽小五脏俱全，平台上控制系统和现场仪表涉及的种类之多，安全可靠性之高，绝对不亚于陆地油气田。总之，自动化控制技术对推动海上石油事业有着重要意义，将自动化技术应用到海上油田管理中，可以减少人为因素的影响，并通过多个传感器、变送器、控制器、关断阀等，实现系统终端的统一控制以及远程操作，这对提高海上油田开采安全有着极大的助益

（作者单位：天津修船技术研究所）