自動化控制技術在海上油田安全管理中的實踐

馬振超，李會通，申秋華

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司；2.海軍勤務學院，天津 300450）

海上油田在油氣開發(fā)階段油氣泄漏事故發(fā)生概率較高，不僅會大面積污染大海，而且會產(chǎn)生較大的爆炸事故。因此，強化海上油田安全管理具有非常重要的意義。由于海上作業(yè)環(huán)境存在較大不確定風險因素，單一依靠作業(yè)平臺人工管理并不能完全保證油田安全管理效果。因此，探究基于自動化控制技術的海上油田安全管理新模式具有非常重要的意義。

1 自動化控制技術在海上油田安全管理中的應用意義

一般來說，海上油田開發(fā)階段會應用一些工作成效較低、自動化水平較低的泵機組。上述泵機組在運行過程中不僅無法進行精確的數(shù)據(jù)測量，而且增加了安全事故的出現(xiàn)概率。這種情況下，單一人力資源管理的模式就無法保證海上油田的安全管理效力。而利用自動化安全控制管理的方式，可以充分利用自動化控制技術自動化、智能化特性，靈活觀測、管理海上油田的運轉情況。隨后在其監(jiān)測到危險信號后，直接通過圖表信號的方式進行預警，保證相關問題及時有效的解決，進而降低事故發(fā)生概率，縮小事故波及范圍。

2 基于自動化控制的海上油田安全管理設計方案

2.1 基于自動化控制的海上油田安全管理系統(tǒng)概述

在我國對油氣資源開發(fā)利用程度不斷增加的背景下，油氣勘探開發(fā)也由陸地轉入海洋，此時海洋鉆井平臺穩(wěn)定性、安全性就至關重要。特別是在作業(yè)水深300 英尺范圍內(nèi)，自升式鉆井平臺被廣泛應用。自升式鉆井平臺內(nèi)具有可以自動控制升降的樁腿。在作業(yè)時，樁腿可以直接伸入海洋底部，以海床為平面，托起船殼。并促使船殼底部距離海面存在一定縫隙。隨后在拖航時，中心控制系統(tǒng)可回收樁腿，促使船殼處于漂浮狀態(tài)?，F(xiàn)階段常用的自升式鉆井平臺自動化控制模式具有獨立樁腿式、沉墊式兩種形式。其中獨立樁腿式應用較廣泛，其主要包括液壓缸插樁式升降裝置、齒條/齒輪箱幾個模塊。獨立樁腿式自升式鉆井平臺樁腿結構形式為筒型，樁腿數(shù)量主要分為三腿、四腿、六腿幾種形式；部分獨立樁腿式自升式鉆井平臺具有槽口，部分獨立樁腿式自升式鉆井平臺沒有槽口。生活樓布置形式主要包括周邊布置、橫向布置兩種形式。在海上油田安全自動化管理系統(tǒng)進行火災氣體檢測、可燃氣體檢測時，可以根據(jù)自升式鉆井平臺中控系統(tǒng)中標準高低限度，確定異常報警信息。

2.2 基于自動化控制的海上油田安全管理軟硬件配置

一方面，在基于自動化控制的海上油田安全管理硬件配置過程中，除中心服務器外，相關技術人員還需要設置前置數(shù)據(jù)采集計算機、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等模塊。其中，中心服務器主要采用雙機或者集群IBM/HP 服務器形式，可以實現(xiàn)海上油田安全管理數(shù)據(jù)冗余備份。同時，為進一步提高海上油田安全自動化管理的便捷高效性，相關技術人員可以選擇具有彈性伸縮功能的云服務器。其可以提供全網(wǎng)位移IP 地質、高效域名解析及云盤數(shù)據(jù)，整體系統(tǒng)自動轉移可靠性在99%以上，且具有防密碼破解、安全組規(guī)則保護、多用戶隔離等多種功能；而前置數(shù)據(jù)采集計算機主要為工業(yè)控制計算機。根據(jù)海上油田安全管理需求，相關技術人員可以選擇適當?shù)墓I(yè)控制計算機型號。數(shù)據(jù)傳輸模塊主要為電臺、GPRS 方式及WCF 全雙工傳輸方式。其中WCF 全雙工通信方式主要是通過電子門禁系統(tǒng)特有的機械執(zhí)行機構，在特定數(shù)據(jù)傳輸時刻，經(jīng)NetTCPBinding 回調機制執(zhí)行客戶端特性程序，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通信。

另一方面，在基于自動化控制的海上油田安全管理軟件配置過程中，DCS（集散系統(tǒng)）是自升式鉆井平臺自動化控制的核心，通過自升式鉆井平臺中DCS 的設置，可以實現(xiàn)對整體自升式鉆井平臺及重要設備的控制、記錄、狀態(tài)檢測及報警。因此，在自升式鉆井平臺DCS 配置過程中，相關技術人員可以從過程控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)或應急關斷系統(tǒng)、人機界面等方面，進行自升式鉆井平臺DCS 設置。其中，過程控制系統(tǒng)又可稱為PCS，主要包括液位遙測系統(tǒng)、預壓載系統(tǒng)、水密門及艙口門報警系統(tǒng)、平臺監(jiān)視及報警系統(tǒng)、散料輸送系統(tǒng)等。平臺監(jiān)視及報警系統(tǒng)又包括污水井系統(tǒng)、柴油柜高低位系統(tǒng)、變頻驅動系統(tǒng)、防火風閘系統(tǒng)等幾個模塊。主要用于接收自升式鉆井平臺第三方系統(tǒng)及自升式鉆井平臺其他設備信息。并將接收到的信息顯示在人機界面（HMI）上。在自升式鉆井平臺過程控制系統(tǒng)設置過程中，根據(jù)海洋自升式鉆井平臺硬件配置情況，可以增加閥門類、開關控制對象跨域及本地智能控制模塊。而安全系統(tǒng)及應急處理系統(tǒng)是自升式鉆井平臺火情探測的主要依據(jù)，其主要包括不間斷電源關斷、應急柴油機關斷、通風系統(tǒng)關斷、非重要設備關斷等幾個模塊；人機界面主要是自升式鉆井平臺離散系統(tǒng)值守人員進行人機對話的樞紐。

3 基于自動化控制的海上油田安全管理實踐措施

3.1 基于自動化控制的海上油田安全管理系統(tǒng)驗證

首先設定油田開采瞬時速度在0.015m3/s，穩(wěn)定實驗時間120.0h，油田開采水位誤差在0.010mm 左右。隨后根據(jù)基于自動化控制的海上油田安全管理系統(tǒng)開發(fā)情況，在海上油田上進行自升式鉆井平臺應用試驗，模擬海上油田場站計量間可燃氣體探測器信號觸發(fā)機制。通過自升式鉆井平臺中控系統(tǒng)傳輸獲得了探測器報警信號。將模擬數(shù)字信號轉換為二進制信號后，經(jīng)生產(chǎn)網(wǎng)絡，上傳到了工業(yè)級計算機及云服務數(shù)據(jù)庫內(nèi)，在工業(yè)級計算機內(nèi)部署數(shù)據(jù)分發(fā)服務。并將信號分發(fā)各油田場站控制室。在信號到達油田場站控制室后，在控制室內(nèi)可進行電子門禁系統(tǒng)設置，以激活信號控制服務。在門禁系統(tǒng)激活后，可實現(xiàn)自動開啟閉合。而在門禁系統(tǒng)開啟后，云服務可以將報警信號，依據(jù)預設規(guī)則，分發(fā)至指定技術人員手機或PC 端。在制定技術人員接收到報警信息后，可以及時地處理報警信息，保證安全管理工作的有效地進行。

3.2 基于自動化控制的海上油田安全管理系統(tǒng)現(xiàn)場應用

基于自動化控制的海上油田安全管理在實際應用中，主要以過程控制為主。即依據(jù)工業(yè)自動化過程控制理論，依托計算機互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在自升式鉆井平臺中控系統(tǒng)運行的基礎上，面向海上油田全部過程控制應用場合，利用開放現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集、系統(tǒng)通信。以某海上油田安全自動化管理為例，2017 年11 月12 日10 時某油田管理處B 試采作業(yè)區(qū)3#壓縮機三級排氣壓力突然升高至5.856MPa，報警限制為5.90MPa。同時三級換熱器后管束箱封頭出現(xiàn)水分滲漏情況。在事故出現(xiàn)后，該油田管理處自升式鉆井平臺中控系統(tǒng)立即采集了異常信號。并經(jīng)NetTCPBinding 回調機制，將相關信號傳輸給了中心控制平臺。在中心控制平臺接收到報警信號后，相關技術人員立即組織人員停機。并第一時間到達現(xiàn)場，拆除了一只三級換熱器后管束箱封頭絲堵，確定三級換熱器后管束封頭絲堵內(nèi)存在冰堵情況。隨后將該三級換熱器后管束封頭其他絲堵拆除后，進行了解堵作業(yè)。2017年11 月13 日15 時18 分完成了拆除作業(yè)。通過進一步空氣置換及試啟動檢查后，開始了首次閉路小循環(huán)，確定該壓縮機故障完全排除。由上述案例可知，通過自升式鉆井平臺自動化安全管理系統(tǒng)中的應用，可以通過實時動態(tài)溫度、壓力、液位檢測，及時發(fā)現(xiàn)海上油田各設備設施運行故障。并第一時間通知技術維修人員，降低相關故障危害程度，保證海上油田開采作業(yè)順利進行。

3.3 基于自動化控制的海上油田安全管理系統(tǒng)應用拓展

為進一步保證海上油田開采安全效力，相關技術人員可以將自升式鉆井平臺自動化管理控制系統(tǒng)擴展至紅外闖入監(jiān)控、高清攝像頭、煙霧報警設備、明火探測設備等其他聯(lián)網(wǎng)設備。通過對紅外傳入監(jiān)控等相關聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)參數(shù)進行解析，可以實時采集相關聯(lián)網(wǎng)設備信號，并將其傳輸至海上油田開采云服務系統(tǒng)。同時，關聯(lián)海上油田應急設備管控機構及人員。

4 結語

綜上所述，在計算機技術、信息通信技術飛速發(fā)展的背景下，自動化控制技術在社會各行業(yè)得到了廣泛的應用。通過自動化控制指令的形式，可以實現(xiàn)對海上油田管理體系范圍內(nèi)全部設施設備及儀表器具進行自動化操控。因此，為保證安全管理效力，海上油田安全管理人員應合理利用自動化控制技術，在內(nèi)部構建完善的自動化安全管理系統(tǒng)，并細化自動化安全管理系統(tǒng)運行標準，保證自動化控制技術在海上油田安全管理中優(yōu)勢的充分發(fā)揮。