鄒萬(wàn)勤 謝祥恩 劉 敏 張 君 續(xù) 偉 王 瑤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司)

海上油田注聚自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用＊

鄒萬(wàn)勤 謝祥恩 劉 敏 張 君 續(xù) 偉 王 瑤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司)

為保障海上油田注聚工藝的實(shí)施,設(shè)計(jì)了注聚自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用橇裝化技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、Darwin控制器技術(shù),以及注聚系統(tǒng)配電與平臺(tái)配電既獨(dú)立又有機(jī)結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集中、自動(dòng)、一體化控制功能,具有設(shè)備小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、控制精度高的特點(diǎn),目前已在渤海SZ36-1、LD10-1、LD5-2、J Z9-3、NB35-2等油田成功應(yīng)用。

海上油田 注聚 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

注聚合物驅(qū)油技術(shù)是油田進(jìn)入開(kāi)采中后期廣泛應(yīng)用的三次采油的有效方法之一,是確保油田穩(wěn)產(chǎn)、增效的重要手段。聚合物驅(qū)油技術(shù)目前已在國(guó)內(nèi)陸地較多油田推廣,并已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段,但由于該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用需要大量空間和場(chǎng)地,對(duì)水、電、吊機(jī)等公共資源也有較高要求,因此聚合物驅(qū)油技術(shù)在空間有限的海上采油平臺(tái)的應(yīng)用受到了制約,海上注聚的工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程比較緩慢。近年來(lái),為了滿足海上油氣田開(kāi)發(fā)的需要,通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新,研發(fā)了一套適合于海上油田的注聚工藝[1]及與之配套的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。本文主要對(duì)海上油田注聚自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 注聚工藝與控制方式

海上油田注聚工藝采用間歇配注[2]或連續(xù)配注兩種模式,注入方式采用一泵一井或一泵多井。注聚系統(tǒng)由上料系統(tǒng)、分散溶解系統(tǒng)、熟化系統(tǒng)、注入系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,均采用橇裝式結(jié)構(gòu)[3]設(shè)計(jì),便于在海上平臺(tái)吊裝、布置。圖1為海上油田注聚基本工藝流程圖。

根據(jù)注聚系統(tǒng)工藝與控制要求,結(jié)合海上采油平臺(tái)工藝特點(diǎn),整個(gè)控制系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)和分散控制系統(tǒng)兩種控制方式。PLC控制系統(tǒng)適用于單個(gè)海上采油平臺(tái)、注入井?dāng)?shù)量少的可移動(dòng)式中小型橇裝式注聚系統(tǒng);而分散控制系統(tǒng)適用于化學(xué)驅(qū)各系統(tǒng)分散在多個(gè)海上采油平臺(tái)、注入井?dāng)?shù)量多、平臺(tái)空間大的固定式大中型化學(xué)驅(qū)設(shè)備。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)與措施

(1)采用集成橇裝式中央控制室實(shí)現(xiàn)中控功能

針對(duì)海上采油平臺(tái)空間有限的特點(diǎn),整個(gè)注聚自動(dòng)化控制系統(tǒng)除現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表外,都集成在一個(gè)橇裝的集裝箱內(nèi),用它作為注聚系統(tǒng)的中央控制室。在海上生產(chǎn)、作業(yè)要求移位時(shí),可快速移位,系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間短。

圖1 海上油田注聚基本工藝流程圖[1]

集成橇裝式中央控制室不僅做了防火、防凍、防腐蝕等特殊處理,還設(shè)置了可燃?xì)馓綔y(cè)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警裝置等消防措施,并為正壓防爆型結(jié)構(gòu),所以該控制室可在海上采油平臺(tái)井口區(qū)、油氣處理區(qū)、公共設(shè)施區(qū)、動(dòng)力和其它輔助設(shè)備區(qū)等Ⅰ類、Ⅱ類危險(xiǎn)區(qū)域和安全區(qū)域布置、吊裝及移動(dòng)使用。

集成橇裝式中央控制室內(nèi)部設(shè)計(jì)為三室結(jié)構(gòu),三室為機(jī)柜室、操作室、緩沖室;整個(gè)控制室占地面積6～9m2,結(jié)構(gòu)小巧、緊湊,很方便在海上采油井口平臺(tái)布置。

橇內(nèi)控制系統(tǒng)的機(jī)柜及操作臺(tái)按照人體工程學(xué)原理設(shè)計(jì),采用立式控制柜,整體結(jié)構(gòu)緊湊,布置單元化,布線少,并采用防塵、散熱和抗干擾設(shè)計(jì);同時(shí)還設(shè)計(jì)了各種電氣線路的連接接口,使控制系統(tǒng)線路便于鋪設(shè)和連接。

(2)采用組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控功能

注聚下位機(jī)編程設(shè)計(jì)使注聚設(shè)備的各種工藝參數(shù)能夠得到有效采集和控制,也使得注聚作業(yè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了邏輯控制的自動(dòng)化。但是,下位機(jī)控制環(huán)境界面并不友好,一條條控制指令使得現(xiàn)場(chǎng)人員不便觀察和監(jiān)控注聚工藝流程;所以,開(kāi)發(fā)出了具有良好人機(jī)對(duì)話環(huán)境的組態(tài)監(jiān)控程序,從而實(shí)現(xiàn)了智能化的管理模式,操作也簡(jiǎn)捷方便。

在組態(tài)監(jiān)控軟件里[4],通過(guò)程序的編寫,完成注聚系統(tǒng)的圖形界面設(shè)計(jì)、設(shè)備的定義、數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)造、動(dòng)畫連接的建立、運(yùn)行和調(diào)試等,從而完成了注聚控制系統(tǒng)的組態(tài)工程設(shè)計(jì)。

在組態(tài)好了的注聚流程監(jiān)控界面里,工作人員能很容易監(jiān)測(cè)整個(gè)注聚系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、工藝參數(shù)的變化、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)記錄、系統(tǒng)報(bào)警情況,操作性好。海上油田注聚流程監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 海上油田注聚流程監(jiān)控界面(以SZ36-1A油田為例)

(3)采用PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)注聚系統(tǒng)全自動(dòng)控制

海上油田注聚自動(dòng)化控制系統(tǒng)使用西門子SIMATIC S7-300系列控制器[5];該控制器向用戶提供具有前瞻性和最優(yōu)可靠的解決方案。它具有通用性和特別豐富的CPU及模塊種類,高性能、模塊化設(shè)計(jì)、緊湊型模塊,非常適用于注聚控制系統(tǒng)中。

在注聚系統(tǒng)工作時(shí),程序自動(dòng)啟動(dòng)配液程序, PLC控制軟件檢測(cè)熟化罐液位。當(dāng)熟化罐液位處于系統(tǒng)設(shè)定的低液位時(shí),熟化罐進(jìn)口閥自動(dòng)打開(kāi),閥門開(kāi)到位后將信號(hào)傳遞給鼓風(fēng)機(jī),鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后在預(yù)定時(shí)間開(kāi)水,水達(dá)到設(shè)定流量后給料,水和聚合物料在水粉混合頭混合進(jìn)溶解罐,溶解罐液位淹沒(méi)攪拌器葉片時(shí)攪拌器自動(dòng)啟動(dòng);當(dāng)溶解罐液位達(dá)到設(shè)定的高液位時(shí),輸送螺桿泵自動(dòng)啟動(dòng)送液至熟化罐。隨著配液的進(jìn)行,溶解罐液位不斷降低。當(dāng)溶解罐液位降低到低液位時(shí),輸送螺桿泵自動(dòng)停泵;當(dāng)溶解罐液位升高到高液位時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)輸送螺桿泵。如此反復(fù),直到其中一個(gè)熟化罐配液完成(到熟化罐高液位),熟化罐進(jìn)口閥自動(dòng)關(guān)閉,給料機(jī)停機(jī),水至溶解罐高液位時(shí)配液供水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)關(guān)閉(配液供水電磁閥與溶解罐高限開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖),預(yù)定時(shí)間后停鼓風(fēng)機(jī),配液自控流程完成。

一個(gè)熟化罐配液完成后,按照以上程序進(jìn)行下一罐的配液,同時(shí)已配完液的熟化罐進(jìn)入熟化階段,熟化時(shí)間為系統(tǒng)設(shè)定。熟化完成后啟動(dòng)注入程序,程序根據(jù)熟化時(shí)間和熟化罐液位滿足系統(tǒng)設(shè)定后自動(dòng)開(kāi)啟熟化罐出口閥,閥門開(kāi)到位后變頻器控制喂入泵和注入泵啟動(dòng),進(jìn)入注入流程。注入時(shí),按設(shè)計(jì)的注入量調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)器(電動(dòng)、手動(dòng)),按電磁流量計(jì)示值及設(shè)定的注入濃度,水閥組的自動(dòng)混配比閥自動(dòng)調(diào)節(jié)高壓水量。當(dāng)熟化罐液位到低液位時(shí),切換熟化罐注入,而打空的熟化罐進(jìn)行配液。如此循環(huán),完成整個(gè)作業(yè)流程。

以上整個(gè)注聚過(guò)程都是在基于 PLC控制技術(shù)開(kāi)發(fā)出的控制程序下完成的。采用PLC控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了注聚的邏輯控制功能,以及流量計(jì)量和數(shù)據(jù)采集,壓力、液位計(jì)量和數(shù)據(jù)采集,閥門自動(dòng)控制,變頻器控制,注聚系統(tǒng)的集中控制、顯示和數(shù)據(jù)的記錄、查詢等功能。

(4)采用Darwin控制器技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化

Darwin控制器由 MSC緊湊型馬達(dá)啟動(dòng)器、PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)、SWIRE-DIL接觸器模塊、數(shù)據(jù)連接線、24VDC電源模塊等組成,它為馬達(dá)啟動(dòng)器和自動(dòng)化設(shè)備的連接設(shè)計(jì)了專門的數(shù)據(jù)連接線和插頭,取代了自動(dòng)化I/O模塊與開(kāi)關(guān)設(shè)備間的傳統(tǒng)接線,大幅度地簡(jiǎn)化了控制柜內(nèi)的繁雜接線。采用Darwin控制器技術(shù),實(shí)現(xiàn)了注聚控制系統(tǒng)的控制、開(kāi)關(guān)、保護(hù)和HMI操作等功能,提高了注聚自動(dòng)化程度,使整個(gè)注聚自動(dòng)化控制系統(tǒng)配置更加合理、優(yōu)化,同時(shí)也減少了系統(tǒng)在平臺(tái)上的占地空間。

(5)采用注聚系統(tǒng)配電與平臺(tái)配電既獨(dú)立又有機(jī)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)注聚電氣系統(tǒng)平臺(tái)一體化管理

注聚系統(tǒng)中的所有用電均來(lái)自海上采油平臺(tái)的供電系統(tǒng),系統(tǒng)配電和控制在注聚控制系統(tǒng)中完成。結(jié)合平臺(tái)開(kāi)關(guān)間低壓供電的形式和配電情況,注聚系統(tǒng)配電采用配電回路自成系統(tǒng)又與平臺(tái)配電有機(jī)結(jié)合的方式?；芈吩O(shè)置照明電源回路、溶熟電源回路、高壓注入系統(tǒng)電源回路;注聚系統(tǒng)的罐體、流程管匯保溫所用的電伴熱均采用漏電保護(hù),統(tǒng)一接入海上平臺(tái)電伴熱系統(tǒng)。同時(shí),在注聚系統(tǒng)規(guī)模較大(用電負(fù)荷一般在幾百千瓦以上),平臺(tái)低壓配電不能滿足注聚系統(tǒng)要求時(shí),可利用所設(shè)置的注聚專用電網(wǎng)回路,通過(guò)變電裝置將高壓電變成低壓進(jìn)行集中配電和管理。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

自主研制開(kāi)發(fā)的海上油田注聚自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、易于擴(kuò)展、便于維護(hù)、操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),能夠使聚合物溶解徹底、不產(chǎn)生魚眼、粘度保留率高,可以滿足海上油田注聚工藝技術(shù)的應(yīng)用要求,目前已在渤海SZ36-1、LD10-1、LD5-2、J Z9-3和NB35-2等油田成功應(yīng)用。隨著聚合物驅(qū)油技術(shù)在海上油田的深入推廣,對(duì)聚合物裝置控制系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高,也將使注聚自動(dòng)化控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中不斷得到改進(jìn)、完善和升級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

海上油田注聚自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用橇裝化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)輕巧、布置緊湊、設(shè)計(jì)合理、功能齊全,適應(yīng)于海上平臺(tái)作業(yè)條件,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的重復(fù)利用。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,為海上聚驅(qū)工藝技術(shù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持,實(shí)現(xiàn)了注聚工藝參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)和有效控制,滿足了三次采油聚合物驅(qū)技術(shù)在海洋石油領(lǐng)域的應(yīng)用,對(duì)海上油田提高采收率和海上油田的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)具有積極作用。

[1] 劉敏,鄒明華,吳華曉,等.海上油田聚合物驅(qū)平臺(tái)配注工藝技術(shù)[J].中國(guó)海上油氣,2010,22(4):259-261.

[2] 申秀麗,劉勤,李環(huán).聚合物配注工藝的應(yīng)用和改進(jìn)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2004,33(S1):111-114.

[3] 于新哉,余澤華,鄭波.橇裝式模塊化注聚合物站的設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械,2003,31(2):47-49,62.

[4] 何新軍,張明贊,基于組態(tài)王的污水處理系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2004,31(5):38-40.

[5] 吳東升,李彬.基于西門子S7-300PLC的焊管生產(chǎn)線活套控制系統(tǒng)[J].焊管,2009,32(6):49-53.

(編輯:孫豐成)

Abstract:The automatic polymer injecting control system was designed to improve offshore polymer injecting technique.This system is designed with the techniques of skid,configuration,PLC control, Darwin controller and polymer-injecting system electric distribution independent-combined platform electric distribution.The integration and automation of the system are realized with small size,compact conformation and high degree of accuracy.This system have been applied in the oilfields SZ36-1,LD10-1,LD5-2, JZ9-3and NB35-2in Bohai Sea.

Key words:offshore oilfield;polymer injecting;automatic control system

Design and application of offshore oilfield automatic polymer injecting control system

Zou Wanqin Xie Xiang’en Liu Min Zhang Jun Xu Wei Wang Yao
(CNOOC Energy Technology&Services-Oilf ield Technology Services Co.,Tianjin,300452)

2010-05-21 改回日期:2010-07-02

＊國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”(編號(hào):2008ZX05057)部分研究成果。

鄒萬(wàn)勤,男,工程師,2004年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè),目前主要從事海洋石油三次采油裝備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。地址:天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號(hào)港建2號(hào)樓(郵編:300452)。