第５３卷第３期 石油化工自动化 Ｖｏ１．５３，Ｎｏ．３ ２０１７年６月 ＡＵＴＯＭＡＴ１０Ｎ ＩＮ ＰＥＴＲＯ—ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ Ｊｕｎｅ，２０１７ 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３ＯＯ４５２） 摘要：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。 关键词：海上石油平台井口控制盘控制方式正压防爆型隔爆型 中图分类号：ＴＥ９５１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００７—７３２４（２０１７）０３—００１１—０４ Ｄｅｓｉｇｎ Ｔｙｐｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｏｉｌ Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｗｅｌｌｈｅａｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐａｎｅｌ Ｑｕ Ｓｈａｏｌｉｎ （ＣＮＯＯＣ ＥｎｅｒＴｅｃｈ－Ｄｒｉｌｌｉｎｇ＆Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ，３００４５２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：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 ｃｏｎｔｒｏ１．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｔｙｐｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａ１ ｐｉｌｏｔ ｖａｌｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｎｅｌ ｉｓ １ＯＷ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔａｋｉｎｇ ＤＣＳ ａｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ，ｉｓ ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ ｔｒｅｎｄ．Ｉｔ ｉｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｏ订ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｗｅｌｌｈｅａｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｎｅｌ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ；ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ－ｐｒｏｏｆ ｔｙｐｅ；ｆｌａｍｅｐｒｏｏｆ ｔｙｐｅ 井口控制盘是海上平台安全控制系统的重要 生产厂家主要为ＰＥＴＲＩＣＯ和ＴＥＳＴ等 Ｊ，国内 组成部分，无论是国外还是合资或自营海洋石油平 在２００５年以前只有一些高危气井，即在高含硫或 台，井口控制盘都是必不可少的配置，主要用于控 特高产量气井上安装了进口的地面井口安全系统。 制采油／采气树的井上安全阀、井下安全阀和电潜 随着国家对安全和环境的高度重视，在ＧＢ 泵等设施。根据有关监测信号控制井口设施顺序 ５０３５０－－２００５＜＜天然气集输设计规范》中明确规定 关停，以保证海上平台或装置处于安全状态，对海 “气井井口应安装井口高低压紧急关断阀”，以便在 洋平台的安全生产和平稳运行起着非常重要的 采集气站场发生意外和失控的情况下快速截断井 作用。 口气源 。在此之后，中国海洋石油总公司自主 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 稿件收到日期：２０１６—１０—３１，修改稿收到日期：２０１７—０２—２０。 市场ｌ＿１］，２００８年以前，国内海上石油平台井口控制 作者简介：屈少林，男，２００７年毕业于西安石油大学机械设计制造 盘主要依赖进口，国外井口安全控制系统技术相对 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） 成熟，主要遵从ＡＰＩ—ＲＰ一１４Ｃ（（海上生产平台地面 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 安全系统的分析、设计、安装和测试》的有关规定， 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。 １２ 石油化工自动化 第５３卷 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 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 准 Ｊ，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Ｌ７Ｊ针对 国内外井口安全系统的现状及基本做法进行了分 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 析研究，刘松Ｌ８ｊ、刘健ｌ＿９ 等人对海上石油平台井口 阀组合控制形式，进行开阀和关阀操作。开阀信号 控制盘的设计及调试进行了研究。 传输给设备两侧内置的正压防爆箱内远程终端单 但由于海上石油平台地质油藏、井口平台条件 元（ＲＴＵ），ＲＴＵ发出确认信号给高压电磁阀，电 和逻辑控制等技术要求的差异，井口控制盘的控制 磁阀得电导致高压液压进出口端导通，通过梭阀压 原理和工作方式不尽相同，决定了该产品基本都为 力选择，完成液压输出。 非标的单体设计产品，目前还没有从该产品的操作 ２）压力源多采用电动液压泵，通过泵后配置 元器件设计或者使用环境等因素对其类型或者设 的压力变送器进行泵出口压力的控制。泵后配置 计特点进行对比分析。因此，有必要以中国海洋石 液压调压阀，将低压控制压力调节到０．５～ 油总公司所属的海上平台为例，对其所使用的井口 Ｏ．８ ＭＰａ，根据采油树安全阀的设计参数，将操作 控制盘的产品类型进行归类总结，并对每种类型的 压力调节到４０，６９，１０３ ＭＰａ的相应等级。 设计特点进行分析。 ３）结构上，由于电子按钮和电磁阀的大量使 １井口控制盘类型 用，造成模块式装配和维修有一定困难。而单井多 根据目前海上石油平台应用状况，井口控制盘 采用面板式安装，其次设备内置ＲＴＵ模块在工作 基本类型如图１所示。海上平台井口控制盘依据 时不可避免地会产生电火花和热量，它们一旦与现 井口控制盘操作元器件设计的不同，分为两大类： 场的爆炸性气体混合物相遇，就会导致爆炸事故的 电子按钮式和机械先导阀式，其中电子按钮式分为 发生，直接危及油田和人员生命安全。因此，设备 正压防爆型和隔爆型。机械先导阀式井口控制盘 壳体选择采用防爆正压柜以及正压吹扫控制系统 根据海上石油平台的不同，分别在边际油田的无人 来满足现场要求。 平台和有人平台存在着不同的设计应用，根据低压 １．１．２防爆设计区别 控制管路介质的不同，机械先导阀式井口控制盘又 电子按钮式井口控制盘根据仪表接线箱防爆 分为液动控制和气液控制两种类型。 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人防爆接线箱 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 图１井口控制盘类型示意 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 第３期 屈少林．海上石油平台井口控制盘设计类型分析 １３ １．２机械先导阀式井口控制盘 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 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Ｌｌ ，随着边际油田的开发以及降低开 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： 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Ｌ１ 。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Ｅｌ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 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＿１２Ｊ （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１２Ｖ￣ 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２Ｏ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 １４ 石油化工自动化 第５３卷 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 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。 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 表２井口控制盘设计方案对比 应用情况 合资平台，应用数量较少 井口需配置ＲＴＵ 自营平台，应用数量较多 井口不需配置ＲＴＵ ［ ［ 适用平台要求 适用井数 单井形式 仪表接线箱加工难度 井数较少的平台不适宜，适合２Ｏ井左右平台 元器件面板式安装 电子元器件较多，仪表接线箱填料函较多， 加工难度大 无限制 元器件模块式组装 比较容易 ］ ］ 明 仪表接线箱位置 功能差异 控制系统压力 成本 仪表接线箱一般放置井口控制盘顶部，安 接线箱可以侧置和前置，安装过程及后期 装过程及后期维护不方便 维护方便 可以实现远程自动旁通功能 高压 无远程自动旁通功能，需本地操作 低压控制，安全性较高 单井成本较高 品牌种类较少，成本较高 单井成本较低 品牌种类较多，成本较低 核心元器件 维护 安装过程复杂，维修成本高，在线维修比较 困难 单井模块设计，安装简单，在线维修方便 ３结束语 Ｓｅｒｖｉｃｅ［ｓ３．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＡｍｅｒｉｃａｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，２００１． 针对海上平台应用的井口控制盘产品，根据操 武玉贵．井口安全系统设计与研究Ｉ－Ｄ］．青岛：中国石油大学 （华东），２０１３． 李杰训，娄玉华，杨春明，等．ＧＢ ５０３５０－－２００５油气集输设计 规范ｒ－ｓ］．北京：中国计划出版社，２００５． 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。 参考文献： ［１］杨立平．海洋石油完井技术现状及发展趋势口］．石油钻采工 艺，２００８（０１）：１—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． 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． 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． 刘健，薛海林．海上石油平台井口控制盘的设计方法ｒ－Ｊ］．石 油化工自动化，２０１５，５１（Ｏ６）：２５—２７． ［２］Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｄｅｓｉｇｎ，Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｂａｓｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅ 李茂．南海西部海域边际油田开发浅谈ｒ－Ｊ］．石油钻采工艺， ２００７（Ｏ６）：６１—６４，１３９． Ｓａｆｅｔｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆｒ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｌａｔｆｏｒｍｓｒ－Ｓ＇１．７ｔｈ ｅｄ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２００１． 王建文．无人驻守平台在“三一模式”开发边际油田中的应用 －ｒＪ］．中国海洋平台，２０１０，２５（０１）：４６—５０． 彭作如，张俊斌，程仲，等．南海Ｍ深水气田完井关键技术分 析ｒ－Ｊ］．石油钻采工艺，２０１５（０１）：１２４—１２８． ［３］Ａｍｅｉｒｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｗｅｌｌｈｅａｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｖａｌｖｅｓ ａｎｄ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｓａｆｅｔｙ Ｖａｌｖｅｓ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ
