汪開拓

（中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300000）

油井是海上油田整個流程的起點，它將油氣從井下采出，并匯入井口平臺管匯中。井口控制盤主要用來保證油井的安全運行。按照結(jié)構(gòu)和工作原理，可以分為單井模塊和公共模塊。每口油井對應(yīng)一個井口控制盤的單井模塊；也對應(yīng)一個變頻器的控制系統(tǒng)；這些儀表都要經(jīng)過中控系統(tǒng)的PCS和ESD來完成監(jiān)控和關(guān)斷保護[1]。而公用模塊則可以對所有油井進行控制。

1 液壓單元

液壓單元主要為所有井下安全閥[2]（SCSSV）的開關(guān)提供液壓動力，由液壓油儲罐、兩個電動液壓泵、一個手動增壓泵、一個蓄能器和兩個調(diào)壓閥組成。

其中液壓泵也叫增壓泵，主要由壓力變送器[3]來控制泵的啟停：當(dāng)壓力高于9 000 psi時，邏輯控制的兩個電動增壓泵都處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)壓力低于5 000 psi時，啟動主液壓泵，如果壓力依然低，并且低于4 800 psi時，啟動輔助液壓泵；如果壓力繼續(xù)降低，到4 500 psi時液壓單元會產(chǎn)生低壓力報警[4]；當(dāng)壓力低到3 750 psi時，系統(tǒng)可能存在液壓油的泄露，所以會關(guān)停液壓系統(tǒng)。

2 井口控制盤

井口控制盤主要用來對平臺上的油、水井的井上安全閥（生產(chǎn)井有2個井上安全閥，而注水井只有1個）、井下安全閥進行控制：正常生產(chǎn)過程中井上安全閥和井下安全閥都是打開狀態(tài)。井口控制盤還包括易熔塞回路和ESD回路[5]，一旦發(fā)生緊急情況，立即關(guān)閉井上、井下安全閥，保證人員和設(shè)備安全，此外停井后的啟井操作也要在井口盤上進行。

2.1 控制原理概述

2.1.1 初始狀態(tài)

井口控制盤P&ID[6]簡圖見圖1，從儀表氣儲罐過來的儀表氣，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥A的調(diào)節(jié)，壓力由140 psi降為100 psi的標(biāo)準(zhǔn)氣信號，作為驅(qū)動氣使用。還有一路從儀表氣儲罐過來的儀表氣，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥B的調(diào)節(jié)，壓力由140 psi降為50 psi左右的氣信號，作為控制氣使用。此外，50 psi的氣信號再分為六路，每一路各有一個節(jié)流閥，保證在ESD回路和易熔塞回路內(nèi)氣體泄放時輕微補氣，避免因輕微漏氣造成關(guān)閉；同時也要保證補氣的速度要小于ESD或易熔塞回路釋放時的速度，回路壓力變送器不能及時檢測到壓力低的信號，進而不能及時輸出關(guān)斷信號而使系統(tǒng)存在安全隱患。

圖1 井口控制盤P&ID簡圖Fig. 1 P&ID diagram of wellhead control panel

從液壓油儲罐出來的經(jīng)過液壓泵增壓后的液壓油[7]，經(jīng)過減壓閥減壓到5 200 psi左右，作為動力油，可以打開井下安全閥。

2.1.2 工作狀態(tài)

按下充氣閥一分鐘左右松開，給整個系統(tǒng)充氣，此時6個壓力控制閥（V2～V7）全部打開。經(jīng)過調(diào)節(jié)的50 psi的儀表氣通過對應(yīng)調(diào)節(jié)閥，ESD回路得到充氣，由五個易熔塞回路組成的回路也得到充氣，同時使控制閥（V8～V12）的控制氣沖壓，控制閥（V8～V12）打開。在test/in service[8]閥處于in service時，導(dǎo)通井口盤上公共模塊的氣路，這一路氣壓可以驅(qū)動導(dǎo)通井口控制盤上，井上安全閥的氣路和井下安全閥的液壓油路。一旦有確認(rèn)的ESD信號，或者是易熔塞回路觸發(fā)，則立即關(guān)閉該井口控制盤控制的所有單井模塊的井上安全閥和井下安全閥。此外，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥A減壓后的100 psi的氣，還被用來驅(qū)動打開井口盤公共模塊上液壓油路上的控制閥，液壓油就可以從井口盤公共模塊分配到單井模塊控制單井井下安全閥的開關(guān)。

2.2 井下安全閥

井下安全閥的開關(guān)由井口控制盤的單井模塊控制，井下安全閥P&ID圖見圖2，其液壓控制油路如下。

圖2 井下安全閥P&ID圖Fig. 2 P&ID diagram of SCSSV

來自液壓單元的液壓油經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)，壓力保持在4 500至4 800 psi之間，然后經(jīng)過由ESD信號控制的電磁閥[9]，最后到達(dá)井下安全閥，控制其開關(guān)。

液壓控制油路上還有一個旁通閥[10]，正常的時候是打在in service位置，當(dāng)要維修減壓閥或者是電磁閥的時候，就要把旁通閥打到bypass的位置，這樣就能實現(xiàn)在線維修，不影響正常生產(chǎn)。

2.3 井上安全閥

井上安全閥的開關(guān)由井口控制盤的單井模塊控制，井上安全閥P&ID圖見圖3，其控制氣路如下。

圖3 井上安全閥P&ID圖Fig. 3 P&ID diagram of SSV

井上安全閥的控制氣路由于油井和注水井的不同而有略微的差別，和注水井相比油井除了原油路的井上安全閥，還有天然氣路的井上安全閥。因為在控制原理上是一致的，故下文介紹原油路的井上安全閥的氣路控制原理。

控制氣路過來的100 psi左右的儀表氣先后通過由PSD信號控制的電磁閥和一個由ESD信號控制的電磁閥，最終到達(dá)井上安全閥，用來實現(xiàn)對井上安全閥的開關(guān)進行控制。相比于井下安全閥，井上安全閥的控制路上多了一個由PSD控制的信號控制的電磁閥。

3 井口控制盤關(guān)斷邏輯

井口控制盤的關(guān)斷主要體現(xiàn)在關(guān)閉井上安全閥和井下安全閥上。

當(dāng)井口控制盤的單井模塊上的ESD回路壓力變送器或五路易熔塞回路的壓力變送器檢測到相應(yīng)回路壓力低于175 kPa時，會發(fā)出壓力低的報警，觸發(fā)二級關(guān)斷。

當(dāng)生產(chǎn)區(qū)發(fā)生生產(chǎn)關(guān)斷時，由于井上安全閥氣路PSD信號控制的兩個電磁閥失電，井上安全閥立即開始關(guān)閉，而井下安全閥無動作，井下安全閥油路正常導(dǎo)通；當(dāng)生產(chǎn)區(qū)發(fā)生ESD關(guān)斷時，井上安全閥氣路ESD控制的電磁閥失電，井上安全閥立即開始關(guān)閉，而井下安全閥程序控制2 min后電磁閥才失電，即井下安全閥延遲2 min后開始關(guān)閉（注水井程序控制30 s電磁閥開始失電）。

同樣觸發(fā)井上安全閥關(guān)閉按鈕后，井上安全閥立即開始關(guān)閉，井下安全閥無動作；但當(dāng)觸發(fā)井下安全閥關(guān)閉按鈕后，井上安全閥立即開始關(guān)閉，油井井下安全閥延遲2 min（水井30 s）后開始關(guān)閉。

3.1 三級關(guān)斷（PSD）

三級關(guān)斷（PSD）又稱生產(chǎn)關(guān)斷，一旦被觸發(fā)，井口控制盤井上安全閥控制氣路的電磁閥將動作，泄放掉原油井上安全閥和天然氣井上安全閥的100 psi的控制氣，進而關(guān)閉井上安全閥。

3.2 二級關(guān)斷（ESD）

二級關(guān)斷又稱緊急關(guān)斷，二級關(guān)斷被觸發(fā)，井口控制盤中井下安全閥控制液壓油路的電磁閥、井上安全閥控制氣路的電磁閥失電并動作，控制井下安全閥的液壓油將沿液壓油回油管線回到液壓單元的儲罐，進而井下安全閥開始關(guān)閉，井上安全閥的氣路將排放到大氣中，進而關(guān)閉井上安全閥。

4 優(yōu)化方案

4.1 問題描述

如圖3，由PSD控制的電磁閥對井上安全閥的控制起到至關(guān)重要的作用。

正常狀態(tài)下，電磁閥處于打開狀態(tài)，為本控制盤所控制的所有井的井上安全閥控制氣路提供氣源。當(dāng)發(fā)生生產(chǎn)關(guān)斷時，井口控制盤公共模塊的電磁閥和井口控制盤單井模塊的電磁閥關(guān)閉，共同作用泄放掉井上安全閥控制氣路的氣體，為關(guān)掉井上安全閥提供雙保險。

為防止因電磁閥故障造成井上安全閥意外關(guān)閉，系統(tǒng)還設(shè)置了旁通回路，相關(guān)電磁閥出現(xiàn)故障時，可以導(dǎo)通旁通回路，既可以保證正常生產(chǎn)，又有條件維修故障電磁閥。

但如圖1中，由井口控制盤公共模塊給單井模塊供氣回路上由PSD控制的電磁閥卻沒有類似的旁通回路，當(dāng)該電磁閥失效時，會關(guān)閉該控制盤控制的所有井的井上安全閥。除非維修人員將故障排除或更換新的電磁閥，該控制盤控制的所有油井無法進行生產(chǎn)，進而造成生產(chǎn)損失。

4.2 解決方案

井口控制盤優(yōu)化圖見圖4，只要在井口控制盤公共模塊上的原控制回路上增加兩個隔離閥且并聯(lián)一條帶旁通閥的油路即可解決該問題。

圖4 井口控制盤優(yōu)化圖Fig. 4 Optimization diagram of the wellhead control panel

正常狀態(tài)下，打開隔離閥A和隔離閥B，關(guān)閉旁通閥，控制氣通過隔離閥A、電磁閥、隔離閥B給相應(yīng)控制盤控制的所有井的井上安全閥提供氣源；當(dāng)PSD控制的電磁閥處于故障狀態(tài)，在維修或等待備件過程中我們可以手動關(guān)閉隔離閥A和隔離閥B，并打開旁通閥，導(dǎo)通流程。這樣在維修該電磁閥時，不會影響生產(chǎn)作業(yè)，待電磁閥維修完畢或更換新電磁閥后，盡快將控制回路恢復(fù)正常狀態(tài)，這樣就可保證生產(chǎn)的連續(xù)性，不會因該電磁閥故障或相關(guān)維修作業(yè)，造成油氣產(chǎn)量的損失。