一种海上平台井口控制盘优化方案

汪开拓

（中海石油（中国）有限公司蓬勃作业公司，天津 300000）

油井是海上油田整个流程的起点，它将油气从井下采出，并汇入井口平台管汇中。井口控制盘主要用来保证油井的安全运行。按照结构和工作原理，可以分为单井模块和公共模块。每口油井对应一个井口控制盘的单井模块；也对应一个变频器的控制系统；这些仪表都要经过中控系统的PCS和ESD来完成监控和关断保护[1]。而公用模块则可以对所有油井进行控制。

1 液压单元

液压单元主要为所有井下安全阀[2]（SCSSV）的开关提供液压动力，由液压油储罐、两个电动液压泵、一个手动增压泵、一个蓄能器和两个调压阀组成。

其中液压泵也叫增压泵，主要由压力变送器[3]来控制泵的启停：当压力高于9 000 psi时，逻辑控制的两个电动增压泵都处于停止状态；当压力低于5 000 psi时，启动主液压泵，如果压力依然低，并且低于4 800 psi时，启动辅助液压泵；如果压力继续降低，到4 500 psi时液压单元会产生低压力报警[4]；当压力低到3 750 psi时，系统可能存在液压油的泄露，所以会关停液压系统。

2 井口控制盘

井口控制盘主要用来对平台上的油、水井的井上安全阀（生产井有2个井上安全阀，而注水井只有1个）、井下安全阀进行控制：正常生产过程中井上安全阀和井下安全阀都是打开状态。井口控制盘还包括易熔塞回路和ESD回路[5]，一旦发生紧急情况，立即关闭井上、井下安全阀，保证人员和设备安全，此外停井后的启井操作也要在井口盘上进行。

2.1 控制原理概述

2.1.1 初始状态

井口控制盘P&ID[6]简图见图1，从仪表气储罐过来的仪表气，经过调节阀A的调节，压力由140 psi降为100 psi的标准气信号，作为驱动气使用。还有一路从仪表气储罐过来的仪表气，经过调节阀B的调节，压力由140 psi降为50 psi左右的气信号，作为控制气使用。此外，50 psi的气信号再分为六路，每一路各有一个节流阀，保证在ESD回路和易熔塞回路内气体泄放时轻微补气，避免因轻微漏气造成关闭；同时也要保证补气的速度要小于ESD或易熔塞回路释放时的速度，回路压力变送器不能及时检测到压力低的信号，进而不能及时输出关断信号而使系统存在安全隐患。

图1 井口控制盘P&ID简图Fig. 1 P&ID diagram of wellhead control panel

从液压油储罐出来的经过液压泵增压后的液压油[7]，经过减压阀减压到5 200 psi左右，作为动力油，可以打开井下安全阀。

2.1.2 工作状态

按下充气阀一分钟左右松开，给整个系统充气，此时6个压力控制阀（V2～V7）全部打开。经过调节的50 psi的仪表气通过对应调节阀，ESD回路得到充气，由五个易熔塞回路组成的回路也得到充气，同时使控制阀（V8～V12）的控制气冲压，控制阀（V8～V12）打开。在test/in service[8]阀处于in service时，导通井口盘上公共模块的气路，这一路气压可以驱动导通井口控制盘上，井上安全阀的气路和井下安全阀的液压油路。一旦有确认的ESD信号，或者是易熔塞回路触发，则立即关闭该井口控制盘控制的所有单井模块的井上安全阀和井下安全阀。此外，经过调节阀A减压后的100 psi的气，还被用来驱动打开井口盘公共模块上液压油路上的控制阀，液压油就可以从井口盘公共模块分配到单井模块控制单井井下安全阀的开关。

2.2 井下安全阀

井下安全阀的开关由井口控制盘的单井模块控制，井下安全阀P&ID图见图2，其液压控制油路如下。

图2 井下安全阀P&ID图Fig. 2 P&ID diagram of SCSSV

来自液压单元的液压油经过压力调节阀的调节，压力保持在4 500至4 800 psi之间，然后经过由ESD信号控制的电磁阀[9]，最后到达井下安全阀，控制其开关。

液压控制油路上还有一个旁通阀[10]，正常的时候是打在in service位置，当要维修减压阀或者是电磁阀的时候，就要把旁通阀打到bypass的位置，这样就能实现在线维修，不影响正常生产。

2.3 井上安全阀

井上安全阀的开关由井口控制盘的单井模块控制，井上安全阀P&ID图见图3，其控制气路如下。

图3 井上安全阀P&ID图Fig. 3 P&ID diagram of SSV

井上安全阀的控制气路由于油井和注水井的不同而有略微的差别，和注水井相比油井除了原油路的井上安全阀，还有天然气路的井上安全阀。因为在控制原理上是一致的，故下文介绍原油路的井上安全阀的气路控制原理。

控制气路过来的100 psi左右的仪表气先后通过由PSD信号控制的电磁阀和一个由ESD信号控制的电磁阀，最终到达井上安全阀，用来实现对井上安全阀的开关进行控制。相比于井下安全阀，井上安全阀的控制路上多了一个由PSD控制的信号控制的电磁阀。

3 井口控制盘关断逻辑

井口控制盘的关断主要体现在关闭井上安全阀和井下安全阀上。

当井口控制盘的单井模块上的ESD回路压力变送器或五路易熔塞回路的压力变送器检测到相应回路压力低于175 kPa时，会发出压力低的报警，触发二级关断。

当生产区发生生产关断时，由于井上安全阀气路PSD信号控制的两个电磁阀失电，井上安全阀立即开始关闭，而井下安全阀无动作，井下安全阀油路正常导通；当生产区发生ESD关断时，井上安全阀气路ESD控制的电磁阀失电，井上安全阀立即开始关闭，而井下安全阀程序控制2 min后电磁阀才失电，即井下安全阀延迟2 min后开始关闭（注水井程序控制30 s电磁阀开始失电）。

同样触发井上安全阀关闭按钮后，井上安全阀立即开始关闭，井下安全阀无动作；但当触发井下安全阀关闭按钮后，井上安全阀立即开始关闭，油井井下安全阀延迟2 min（水井30 s）后开始关闭。

3.1 三级关断（PSD）

三级关断（PSD）又称生产关断，一旦被触发，井口控制盘井上安全阀控制气路的电磁阀将动作，泄放掉原油井上安全阀和天然气井上安全阀的100 psi的控制气，进而关闭井上安全阀。

3.2 二级关断（ESD）

二级关断又称紧急关断，二级关断被触发，井口控制盘中井下安全阀控制液压油路的电磁阀、井上安全阀控制气路的电磁阀失电并动作，控制井下安全阀的液压油将沿液压油回油管线回到液压单元的储罐，进而井下安全阀开始关闭，井上安全阀的气路将排放到大气中，进而关闭井上安全阀。

4 优化方案

4.1 问题描述

如图3，由PSD控制的电磁阀对井上安全阀的控制起到至关重要的作用。

正常状态下，电磁阀处于打开状态，为本控制盘所控制的所有井的井上安全阀控制气路提供气源。当发生生产关断时，井口控制盘公共模块的电磁阀和井口控制盘单井模块的电磁阀关闭，共同作用泄放掉井上安全阀控制气路的气体，为关掉井上安全阀提供双保险。

为防止因电磁阀故障造成井上安全阀意外关闭，系统还设置了旁通回路，相关电磁阀出现故障时，可以导通旁通回路，既可以保证正常生产，又有条件维修故障电磁阀。

但如图1中，由井口控制盘公共模块给单井模块供气回路上由PSD控制的电磁阀却没有类似的旁通回路，当该电磁阀失效时，会关闭该控制盘控制的所有井的井上安全阀。除非维修人员将故障排除或更换新的电磁阀，该控制盘控制的所有油井无法进行生产，进而造成生产损失。

4.2 解决方案

井口控制盘优化图见图4，只要在井口控制盘公共模块上的原控制回路上增加两个隔离阀且并联一条带旁通阀的油路即可解决该问题。

图4 井口控制盘优化图Fig. 4 Optimization diagram of the wellhead control panel

正常状态下，打开隔离阀A和隔离阀B，关闭旁通阀，控制气通过隔离阀A、电磁阀、隔离阀B给相应控制盘控制的所有井的井上安全阀提供气源；当PSD控制的电磁阀处于故障状态，在维修或等待备件过程中我们可以手动关闭隔离阀A和隔离阀B，并打开旁通阀，导通流程。这样在维修该电磁阀时，不会影响生产作业，待电磁阀维修完毕或更换新电磁阀后，尽快将控制回路恢复正常状态，这样就可保证生产的连续性，不会因该电磁阀故障或相关维修作业，造成油气产量的损失。