海上油田注水井遠(yuǎn)程控制優(yōu)化設(shè)計(jì)與改造效果

王 昆，王 松，劉曉亮，馮海濤，于昊成，王利剛

（中海石油（中國）有限公司天津分公司工程建設(shè)中心 天津 300457）

0 引 言

注水泵、注水井是油田生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，在海上石油平臺(tái)的日常生產(chǎn)過程中通過注水泵將注水壓力升高以使油田符合注入壓力，進(jìn)而通過注水管匯對(duì)各個(gè)注水井進(jìn)行注水作業(yè)。海上某石油平臺(tái)共有3臺(tái)注水泵，正常工況下注水泵為兩用一備，由于油田中控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)未在注水泵異常停泵后設(shè)置調(diào)節(jié)注水井相關(guān)邏輯，當(dāng)單臺(tái)注水泵異常停泵時(shí)另外一臺(tái)注水泵負(fù)荷將突然增大，操作人員無法即刻實(shí)現(xiàn)啟泵或者關(guān)停相關(guān)注水井等操作，不利于設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可能出現(xiàn)過載停泵情況，從而導(dǎo)致注水緩沖罐液位高報(bào)警，還可能造成次生的生產(chǎn)關(guān)斷等事件。針對(duì)這類問題，在經(jīng)濟(jì)和效率的雙重考慮下，對(duì)中控系統(tǒng)程序進(jìn)行了適應(yīng)性改造。圖1為單臺(tái)注水泵運(yùn)行溫度曲線。

圖1 單臺(tái)注水泵運(yùn)行溫度曲線Fig.1 Operating temperature curve of single water injection pump

本次改造主要基于以下3個(gè)方面考慮：①經(jīng)濟(jì)性；②可操作性；③人員工作效率。根據(jù)運(yùn)行機(jī)理，同時(shí)兼顧設(shè)備的本質(zhì)安全性，避免由于添加設(shè)備而造成的經(jīng)濟(jì)和設(shè)計(jì)問題，計(jì)劃在中控系統(tǒng)中通過程序組態(tài)在監(jiān)控界面（HMI）增加軟按鈕，在不改變?cè)羞壿嫼驮O(shè)計(jì)基礎(chǔ)的前提下進(jìn)行中控系統(tǒng)的組態(tài)工作。

當(dāng)中控系統(tǒng)檢測(cè)到注水泵異常停泵后，由操作人員確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)流程和設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際情況選擇遠(yuǎn)程手動(dòng)關(guān)停注水井，以降低注水泵運(yùn)行負(fù)荷，保證應(yīng)急反應(yīng)處理時(shí)間，有效控制生產(chǎn)流程的穩(wěn)定。

1 改造方案研究

油田現(xiàn)有注水井 11 口，注水井壓力由注水泵提供，井口裝置配備有地面安全閥、井下安全閥，當(dāng)注水泵異常停泵時(shí)，從中控遠(yuǎn)程選擇關(guān)閉注水井的地面安全閥即可實(shí)現(xiàn)停運(yùn)注水井，從而有效緩沖注水量變化對(duì)流程和注水泵的沖擊。在操作人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，對(duì)備用注水泵進(jìn)行啟泵操作，并在井口控制盤處恢復(fù)地面安全閥的狀態(tài)。

注水井地面安全閥通過 ESD 系統(tǒng)進(jìn)行輸出控制，對(duì)地面安全閥控制邏輯進(jìn)行檢查修改后，在 SM系統(tǒng)組態(tài)中增加手動(dòng)/自動(dòng)切換功能和強(qiáng)制開關(guān)功能，在 Quick Builder 第三方通信軟件中新建點(diǎn)位并將SM系統(tǒng)相關(guān)點(diǎn)位地址建立連接，在 HMI 畫面增加地面安全閥的手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕和強(qiáng)制開關(guān)按鈕并與Quick Builder 第三方通信點(diǎn)建立連接，保存并下裝相關(guān)組態(tài)。進(jìn)行功能測(cè)試，確保功能正常［1］。

2 設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)過程

海上某在生產(chǎn)油田中心平臺(tái)和井口平臺(tái)中控系統(tǒng)分別使用 Honeywell 和 BB 兩種不同品牌的控制器，通過 Quick Builder 實(shí)現(xiàn)兩種控制器的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的組態(tài)工作，即通過將 ESD 系統(tǒng)中開關(guān)地面安全閥地址寫入 Quick Builder 中，在 HMI 畫面上鏈接相應(yīng)地址實(shí)現(xiàn)地面安全閥的動(dòng)作。

①對(duì)中控系統(tǒng)當(dāng)前程序進(jìn)行備份，避免由于下裝或操作失誤導(dǎo)致的程序丟失。

②本方案計(jì)劃使用ESD信號(hào)發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)地面安全閥開關(guān)動(dòng)作，檢查井口的控制盤注水井地面安全閥電磁閥信號(hào)線接入中控ESD系統(tǒng)［2］。

③檢查WHPA-ESD邏輯組態(tài)，檢查確認(rèn)注水井地面安全閥對(duì)應(yīng)的輸入輸出回路，若無手自動(dòng)切換和強(qiáng)制動(dòng)作點(diǎn)則進(jìn)行添加并下裝組態(tài)。圖2為地面安全閥對(duì)應(yīng)的輸入輸出回路。

圖2 地面安全閥對(duì)應(yīng)的輸入輸出回路Fig.2 Input and output circuit corresponding to ground safety valve

④檢查ESD系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)的PLC地址和SOE地址，每個(gè)電磁閥需檢查4個(gè)點(diǎn)：WHPA-UYWH1010（輸出點(diǎn)）、 WHPA-UY-WH1010IND（狀態(tài)顯示點(diǎn)）、 WHPA-UY-WH1010-M（手自動(dòng)切換點(diǎn)）、WHPA-UY-WH1010-F（強(qiáng)制輸出點(diǎn)）。

⑤在Quick Builder通信軟件中建立注水井地面安全閥通信點(diǎn)，每個(gè)電磁閥建立4個(gè)點(diǎn)（與ESD系統(tǒng)一致），檢查所有點(diǎn)位的MAIN菜單下的PV source address，將該地址鏈接至ESD系統(tǒng)的地址。

⑥將Quick Builder點(diǎn)中WHPA-UY-WH1010（輸出點(diǎn)）建立與WHPA-UY-WH1010-F（強(qiáng)制輸出點(diǎn)）的控制關(guān)系，在輸出點(diǎn)的control菜單中的output中輸入WHPA-UY-WH1010-F的地址。

⑦將Quick Builder點(diǎn)中WHPA-UY-WH1010IND（狀態(tài)顯示點(diǎn)）建立與WHPA-UY-WH1010-M（手自動(dòng)切換點(diǎn)）的控制關(guān)系，在狀態(tài)顯示點(diǎn)的control菜單中的mode中輸入WHPA-UY-WH1010-M的地址。

⑧Quick Builder通信點(diǎn)建立完成后對(duì)修改點(diǎn)進(jìn)行download下裝。

⑨在HMI畫面組態(tài)中建立注水井地面安全閥手自動(dòng)選擇及強(qiáng)制開關(guān)按鈕，將參數(shù)連接至Quick Builder點(diǎn)。圖3為強(qiáng)制開關(guān)按鈕及鏈點(diǎn)。

圖3 強(qiáng)制開關(guān)按鈕及鏈點(diǎn)Fig.3 Forced switch button and chain point

⑩在HMI畫面組態(tài)中建立注水井地面安全閥手動(dòng)/自動(dòng)選擇及強(qiáng)制開關(guān)按鈕，并將參數(shù)連接至Quick Builder點(diǎn)。

?保存畫面數(shù)據(jù)，自動(dòng)同步至各服務(wù)器和操作站。

?對(duì)單口注水井關(guān)閉地面安全閥進(jìn)行功能測(cè)試，將現(xiàn)場(chǎng)地面安全閥鎖定，防止意外關(guān)井造成不良影響，從中控畫面手動(dòng)關(guān)閉地面安全閥，井口盤對(duì)應(yīng)電磁閥關(guān)閉則判斷功能正常?；謴?fù)注水井地面安全閥正常工作狀態(tài)，并交接至中控人員［3］。圖4為測(cè)試地面安全閥功能反饋。

圖4 地面安全閥功能測(cè)試Fig.4 Function test of ground safety valve

3 改造優(yōu)化效果

該油田現(xiàn)有11口注水井，本次實(shí)踐根據(jù)生產(chǎn)專業(yè)需求對(duì)其中5口流量較大的注水井添加中控遠(yuǎn)程停井按鈕，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可手動(dòng)關(guān)閉單口注水井地面安全閥。

當(dāng)中控人員發(fā)現(xiàn)注水泵異常停泵后，根據(jù)流程調(diào)節(jié)需求，在油井監(jiān)控畫面中找到對(duì)應(yīng)注水井地面安全閥按鈕，將控制模式由自動(dòng)打至手動(dòng)，然后選擇關(guān)閉即可實(shí)現(xiàn)單口注水井停井，從而有效緩沖注水量變化對(duì)流程的沖擊，避免由于單臺(tái)泵運(yùn)行而造成的高溫停泵，以保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及生產(chǎn)流程的穩(wěn)定。經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)完畢后，再由現(xiàn)場(chǎng)操作人員手動(dòng)啟動(dòng)備用注水泵，并將注水井流程恢復(fù)正常。圖5為單臺(tái)注水泵運(yùn)行溫度曲線，可見在單臺(tái)注水泵運(yùn)行后，泵體溫度有輕微幅度上升，并能夠保持平穩(wěn)運(yùn)行。

圖5 單臺(tái)注水泵運(yùn)行溫度曲線Fig.5 Operating temperature curve of single water injection pump

4 總 結(jié)

本次注水井遠(yuǎn)程關(guān)停優(yōu)化項(xiàng)目可以很好地避免因注水泵異常停泵人員無法即刻操作而引發(fā)的生產(chǎn)關(guān)斷問題，提高了人員應(yīng)急反應(yīng)的效率。本次改造基于原有SIS系統(tǒng)和PKS系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改造，通過第三方通信軟件實(shí)現(xiàn)了多個(gè)控制系統(tǒng)的融合，實(shí)現(xiàn)了較好的聯(lián)動(dòng)功能，提高了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作效率，降低了油田注水泵的故障率，提高了設(shè)備的本質(zhì)安全性，為海上油田注夠水、注好水提供了技術(shù)保障，有效減少了生產(chǎn)損失，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益?！?/p>