高酸性氣田井口安全控制系統設計分析

吳慶倫 李 捷

(1.中國石油西南油氣田公司川東北高含硫開發建設項目部)

(2.中國石油西南油氣田公司規劃計劃處)

1 國內外常規的井口安全控制系統

在天然氣工業的發展過程中,地面井口安全系統的實質是在傳統安全閥(PSV)的基礎上,增加在意外和失控的情況下緊急截斷井口氣源的保護發展起來的,并在陸地高壓、高產、高危天然氣井及海上平臺天然氣井的安全生產上發揮著重要的作用[1]。

1.1 常規的井口安全控制系統基本功能[2]

井口安全系統的功能是監視井口管線壓力,作為緊急切斷系統(ESD)界面,控制井口主安全閥(MSSV)、翼安全閥(WSSV)及井下安全閥(SCSSV),并進行邏輯性關井。根據API 14C第四章的要求,需要對井場或工廠超壓、泄漏、高溫或火災等情況進行安全保護,因此井口安全系統具備以下基本功能:

(1)易熔塞在井口安全系統回路中熔化關斷井口,一般易熔塞在大于120℃時會融化導致井口控制面板自動關井。

(2)井口管線上的設置壓力超高開關PSH(通常我們稱為高壓導閥)檢測到高壓關閉井口。

(3)井口管線上的設置壓力超低開關 PSL(通常我們稱為低壓導閥)檢測到低壓關閉井口。

(4)在井口控制面板上可以進行手動關井。

(5)以上任何一種關井方式導致了井口的關閉,都必須到現場手動復位,才能重新開井。

(6)隨著大型控制系統的應用,例如DCS系統在天然氣處理廠的應用,SCADA系統在各井場集輸系統的應用,給井口安全系統賦予了新的功能,即井口安全系統可以接受DCS或SCADA的指令對井口進行順序關井。

1.2 井口安全系統主要元件及選型

常用的井口安全系統主要由井口安全閥(WSSV,MSSV,SCSSV)、井口控制面板、高低壓導閥、易熔塞、儀表風管線等組成。其中井口控制面板又主要由液壓泵(開SCSSV用)、控制氣過濾及調壓閥、中繼閥、電磁閥(接受控制系統的關井信號)、氣及液壓力管線等組成。井口安全閥(WSSV, MSSV,SCSSV):根據API 6A(SY/T 5127)要求安全閥是非螺紋式設計的驅動閥,設計應保證在失去動力時能關閉。

2 以ESD為控制核心的井口安全控制系統設計方案

結合國外類似項目的實施經驗以及本項目的實際情況,經過多次論證確定了以ESD為控制核心的井口安全控制系統設計方案如下所述。

2.1 設計的基本原理

井口控制面板用來本地開/關井口安全閥(WSSV,MSSV,SCSSV)。同時在 ESD安全儀表系統通過客戶程序端可以在緊急時刻對井口進行聯鎖關閉,當需要開井時則在現場井口控制面板上進行復位后才能在遠程客戶程序端或本地控制面板上進行開井操作。ESD安全儀表系統是由具有SIL3安全等級認證的PLC控制器、客戶程序端口及現場安全儀表等組成。ESD安全儀表系統與井口控制面板是通過硬線干節點進行連接,井口控制面板內設有足夠的接線端子排,并通過ESD安全儀表系統對井口控制面板提供24V DC供電。

主安全閥、翼安全閥及井下安全閥的開啟及關閉是按照ESD安全儀表系統的程序設計進行有序的動作,閥門的開啟、關閉順序及延時時間將依照API 14A的要求順序執行。井口的火災、可燃氣體及H2S氣體保護將由井場獨立設置的火氣系統進行保護,井場的火氣系統連接到 ESD安全儀表系統,當井場有火災發生或可燃氣體、硫化氫含量達到設定極限時火氣系統將觸發ESD安全儀表系統進行聯鎖關閉主安全閥、翼安全閥及井下安全閥。

2.2 與常規設計不同之處的對比

(1)由ESD安全儀表系統執行井口主閥、翼閥及井下安全閥在事故情況下的關閉順序及延時時間。常規作法是由控制面板內的機械回路來決定井口的主閥、翼閥及井下安全閥關閉順序及延遲時間。

(2)采用與ESD安全儀表系統相連,精度更高的智能壓力變送器取代傳統的機械式壓力導閥。

(3)采用火氣系統取代傳統的易熔塞,并增加了可燃氣體及H2S濃度高于設定值時將聯鎖關井。

(4)取消了SCADA控制系統的關井信號,由ESD儀表安全系統代替。

常規的井口安全控制系統和以ESD為控制核心的井口安全控制系統見圖1與圖2。

3 兩種不同的井口控制系統方案的對比分析

常規的井口安全控制系統的設計思路是將整個井口安全控制系統看作一個自立式安全閥,當遇到如機械式高低壓力導閥起跳,易熔塞融化等外界因素時自動關閉井口。

而以ESD為控制核心的井口安全控制系統設計思路是將整個井口安全控制系統看作帶控制功能的安全切斷閥,它將接受來自ESD儀表安全系統的關井信號進行動作,同時又具有本地控制的功能。以ESD為控制核心的井口安全控制系統的設計方案有效地避免了常規的設計方案中的不足:

(1)由精度更高的智能壓力變送器取代傳統的機械式壓力導閥避免了由于高低壓導閥因自身的機械故障或靈敏度較低導致的不能及時關井問題。同時壓力變送器與高低壓導閥相比,調校將更加方便快捷。

(2)采用火氣系統取代傳統的易熔塞,避免了因易熔塞無法調校、失效等不確定因素。

(3)增加了可燃氣體及 H2S濃度高于設定值時的聯鎖關井,彌補了常規井口安全系統的功能不足。

(4)由ESD安全儀表系統執行井口主閥、翼閥及井下安全閥在事故情況下的關閉順序及延時時間,使新的井口安全控制面板功能極大地簡化,使整個系統更容易進行功能的測試、檢修及維護。

4 結束語

以ESD為控制核心的井口安全控制系統設計方案雖然有很多優點,但考慮到該方案中包括有ESD儀表安全系統及火氣系統等控制系統,該方案的投資高于常規的井口安全控制系統方案。任何井口安全控制系統方案的采用都必須做到因地制宜,與項目的具體實際情況相結合。由于羅家寨氣田屬高酸性氣田,各井場控制系統設計中本身就存在ESD儀表安全系統及火氣系統的設計,因此與井場共用同一個ESD儀表安全系統及火氣系統就不會增加任何投資。經過對比分析,推薦在羅家寨氣田采用以ESD為控制核心的井口安全控制系統方案。

1 李 瑜,鐘謹瑞,等.國內外井口安全系統的現狀及基本做法.天然氣工業,2008 ,28 (1 ):140 -142

2 《wellhead Control Systems》CVX-ICM 170 0