高酸性气田井口安全控制系统设计分析
Outline:
1. 中国石油西南油气田公司川东北高含硫开发建设项目部;
2. 中国石油西南油气田公司规划计划处
收稿日期：2010-01-06；修回日期：2010-05-28
摘要：中国石油西南油气田公司川东北高含硫气田项目合作开发一年有余，目前已全部进入详细设计阶段。根据前期的设计讨论，川东北项目井口安全控制系统的设计思路与国内外常规的井口控制系统设计思路存在较大变化，同时也存在较大争议; 本文从设计角度出发，阐述国内外常规的井口控制系统设计思路，也结合目前项目井口安全控制系统的设计方案与常规方案进行对比与分析，并推荐适合项目的最佳设计方案。
关键词：井口 安全 控制 ESD 分析
Design Analysis of Wellhead Safety Control System Applied in High-Sour Gas Field
Outline:
1. CDB High-Sour Development Construction Departmen, Dazhou 635000, Sichuan;
2. Planning Department, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu 610051, Sichuan
Abstract: The cooperative development of CDB high-sour gas field has lasted for more than 1 year. Currently, it is in the stage of Detailed Design (DD). According to the design discussion in the phase of preliminary design, the design of CDB wellhead control system is of great differences from oversea design philosophy, and resulting in great disagreement. The typical wellhead safety control system design proposals both oversea and domestical are presented, meanwhile, the current wellhead control design is compared with the conventional ones. The optimal design proposal fitting for this program is recommended.
Key words:
wellhead safety control ESD analysis
1 国内外常规的井口安全控制系统
在天然气工业的发展过程中，地面井口安全系统的实质是在传统安全阀(PSV)的基础上，增加在意外和失控的情况下紧急截断井口气源的保护发展起来的，并在陆地高压、高产、高危天然气井及海上平台天然气井的安全生产上发挥着重要的作用[1]。
井口安全系统的功能是监视井口管线压力，作为紧急切断系统(ESD)界面，控制井口主安全阀(MSSV)、翼安全阀(WSSV)及井下安全阀(SCSSV)，并进行逻辑性关井。根据API 14C第四章的要求，需要对井场或工厂超压、泄漏、高温或火灾等情况进行安全保护，因此井口安全系统具备以下基本功能:
(1) 易熔塞在井口安全系统回路中熔化关断井口，一般易熔塞在大于120℃时会融化导致井口控制面板自动关井。
(2) 井口管线上的设置压力超高开关PSH(通常我们称为高压导阀)检测到高压关闭井口。
(3) 井口管线上的设置压力超低开关PSL(通常我们称为低压导阀)检测到低压关闭井口。
(4) 在井口控制面板上可以进行手动关井。
(5) 以上任何一种关井方式导致了井口的关闭，都必须到现场手动复位，才能重新开井。
(6) 随着大型控制系统的应用，例如DCS系统在天然气处理厂的应用，SCADA系统在各井场集输系统的应用，给井口安全系统赋予了新的功能，即井口安全系统可以接受DCS或SCADA的指令对井口进行顺序关井。
1.2 井口安全系统主要元件及选型
常用的井口安全系统主要由井口安全阀(WSSV, MSSV, SCSSV)、井口控制面板、高低压导阀、易熔塞、仪表风管线等组成。其中井口控制面板又主要由液压泵(开SCSSV用)、控制气过滤及调压阀、中继阀、电磁阀(接受控制系统的关井信号)、气及液压力管线等组成。井口安全阀(WSSV, MSSV, SCSSV):根据API 6A(SY/T 5127)要求安全阀是非螺纹式设计的驱动阀，设计应保证在失去动力时能关闭。
2 以ESD为控制核心的井口安全控制系统设计方案
结合国外类似项目的实施经验以及本项目的实际情况，经过多次论证确定了以ESD为控制核心的井口安全控制系统设计方案如下所述。
2.1 设计的基本原理
井口控制面板用来本地开/关井口安全阀(WSSV, MSSV, SCSSV)。同时在ESD安全仪表系统通过客户程序端可以在紧急时刻对井口进行联锁关闭，当需要开井时则在现场井口控制面板上进行复位后才能在远程客户程序端或本地控制面板上进行开井操作。ESD安全仪表系统是由具有SIL3安全等级认证的PLC控制器、客户程序端口及现场安全仪表等组成。ESD安全仪表系统与井口控制面板是通过硬线干节点进行连接，井口控制面板内设有足够的接线端子排，并通过ESD安全仪表系统对井口控制面板提供24Ⅴ DC供电。
主安全阀、翼安全阀及井下安全阀的开启及关闭是按照ESD安全仪表系统的程序设计进行有序的动作，阀门的开启、关闭顺序及延时时间将依照API 14A的要求顺序执行。井口的火灾、可燃气体及H2S气体保护将由井场独立设置的火气系统进行保护，井场的火气系统连接到ESD安全仪表系统，当井场有火灾发生或可燃气体、硫化氢含量达到设定极限时火气系统将触发ESD安全仪表系统进行联锁关闭主安全阀、翼安全阀及井下安全阀。
2.2 与常规设计不同之处的对比
(1) 由ESD安全仪表系统执行井口主阀、翼阀及井下安全阀在事故情况下的关闭顺序及延时时间。常规作法是由控制面板内的机械回路来决定井口的主阀、翼阀及井下安全阀关闭顺序及延迟时间。
(2) 采用与ESD安全仪表系统相连，精度更高的智能压力变送器取代传统的机械式压力导阀。
(3) 采用火气系统取代传统的易熔塞，并增加了可燃气体及H2S浓度高于设定值时将联锁关井。
(4) 取消了SCADA控制系统的关井信号，由ESD仪表安全系统代替。
常规的井口安全控制系统和以ESD为控制核心的井口安全控制系统见图 1与图 2。
3 两种不同的井口控制系统方案的对比分析
常规的井口安全控制系统的设计思路是将整个井口安全控制系统看作一个自立式安全阀，当遇到如机械式高低压力导阀起跳，易熔塞融化等外界因素时自动关闭井口。
而以ESD为控制核心的井口安全控制系统设计思路是将整个井口安全控制系统看作带控制功能的安全切断阀，它将接受来自ESD仪表安全系统的关井信号进行动作，同时又具有本地控制的功能。以ESD为控制核心的井口安全控制系统的设计方案有效地避免了常规的设计方案中的不足:
(1) 由精度更高的智能压力变送器取代传统的机械式压力导阀避免了由于高低压导阀因自身的机械故障或灵敏度较低导致的不能及时关井问题。同时压力变送器与高低压导阀相比，调校将更加方便快捷。
(2) 采用火气系统取代传统的易熔塞，避免了因易熔塞无法调校、失效等不确定因素。
(3) 增加了可燃气体及H2S浓度高于设定值时的联锁关井，弥补了常规井口安全系统的功能不足。
(4) 由ESD安全仪表系统执行井口主阀、翼阀及井下安全阀在事故情况下的关闭顺序及延时时间，使新的井口安全控制面板功能极大地简化，使整个系统更容易进行功能的测试、检修及维护。
4 结束语
以ESD为控制核心的井口安全控制系统设计方案虽然有很多优点，但考虑到该方案中包括有ESD仪表安全系统及火气系统等控制系统，该方案的投资高于常规的井口安全控制系统方案。任何井口安全控制系统方案的采用都必须做到因地制宜，与项目的具体实际情况相结合。由于罗家寨气田属高酸性气田，各井场控制系统设计中本身就存在ESD仪表安全系统及火气系统的设计，因此与井场共用同一个ESD仪表安全系统及火气系统就不会增加任何投资。经过对比分析，推荐在罗家寨气田采用以ESD为控制核心的井口安全控制系统方案。
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《wellhead Control Systems》 CVX-ICM 1700
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2010, Vol. 39