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(shù)分公司；2.海軍勤務(wù)學(xué)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(qiáng)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(fēng)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(shù)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(shù)在海上油田安全管理中的應(yīng)用意義

一般來說，海上油田開發(fā)階段會應(yīng)用一些工作成效較低、自動化水平較低的泵機(jī)組。上述泵機(jī)組在運(yùn)行過程中不僅無法進(jìn)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(shù)自動化、智能化特性，靈活觀測、管理海上油田的運(yùn)轉(zhuǎn)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(jìn)行預(yù)警，保證相關(guān)問題及時有效的解決，進(jìn)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)入海洋，此時海洋鉆井平臺穩(wěn)定性、安全性就至關(guān)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(yīng)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)。現(xiàn)階段常用的自升式鉆井平臺自動化控制模式具有獨(dú)立樁腿式、沉墊式兩種形式。其中獨(dú)立樁腿式應(yīng)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(dú)立樁腿式自升式鉆井平臺樁腿結(jié)構(gòu)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(dú)立樁腿式自升式鉆井平臺具有槽口，部分獨(dú)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(jìn)行火災(zāi)氣體檢測、可燃?xì)怏w檢測時，可以根據(jù)自升式鉆井平臺中控系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)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(wù)器外，相關(guān)技術(shù)人員還需要設(shè)置前置數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等模塊。其中，中心服務(wù)器主要采用雙機(jī)或者集群IBM/HP 服務(wù)器形式，可以實(shí)現(xiàn)海上油田安全管理數(shù)據(jù)冗余備份。同時，為進(jìn)一步提高海上油田安全自動化管理的便捷高效性，相關(guān)技術(shù)人員可以選擇具有彈性伸縮功能的云服務(wù)器。其可以提供全網(wǎng)位移IP 地質(zhì)、高效域名解析及云盤數(shù)據(jù)，整體系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)移可靠性在99%以上，且具有防密碼破解、安全組規(guī)則保護(hù)、多用戶隔離等多種功能；而前置數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)主要為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。根據(jù)海上油田安全管理需求，相關(guān)技術(shù)人員可以選擇適當(dāng)?shù)墓I(yè)控制計(jì)算機(jī)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(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在特定數(shù)據(jù)傳輸時刻，經(jīng)NetTCPBinding 回調(diào)機(jī)制執(zhí)行客戶端特性程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)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(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對整體自升式鉆井平臺及重要設(shè)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(guān)技術(shù)人員可以從過程控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)或應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、人機(jī)界面等方面，進(jìn)行自升式鉆井平臺DCS 設(shè)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(yù)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(qū)動系統(tǒng)、防火風(fēng)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(shè)備信息。并將接收到的信息顯示在人機(jī)界面（HMI）上。在自升式鉆井平臺過程控制系統(tǒng)設(shè)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(guān)控制對象跨域及本地智能控制模塊。而安全系統(tǒng)及應(yīng)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(guān)斷、應(yīng)急柴油機(jī)關(guān)斷、通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)斷、非重要設(shè)備關(guān)斷等幾個模塊；人機(jī)界面主要是自升式鉆井平臺離散系統(tǒng)值守人員進(jìn)行人機(jī)對話的樞紐。

3 基于自動化控制的海上油田安全管理實(shí)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(yàn)證

首先設(shè)定油田開采瞬時速度在0.015m3/s，穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)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(jìn)行自升式鉆井平臺應(yīng)用試驗(yàn)，模擬海上油田場站計(jì)量間可燃?xì)怏w探測器信號觸發(fā)機(jī)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(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號后，經(jīng)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，上傳到了工業(yè)級計(jì)算機(jī)及云服務(wù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，在工業(yè)級計(jì)算機(jī)內(nèi)部署數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。并將信號分發(fā)各油田場站控制室。在信號到達(dá)油田場站控制室后，在控制室內(nèi)可進(jìn)行電子門禁系統(tǒng)設(shè)置，以激活信號控制服務(wù)。在門禁系統(tǒng)激活后，可實(shí)現(xiàn)自動開啟閉合。而在門禁系統(tǒng)開啟后，云服務(wù)可以將報警信號，依據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則，分發(fā)至指定技術(shù)人員手機(jī)或PC 端。在制定技術(shù)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(jìn)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(yīng)用

基于自動化控制的海上油田安全管理在實(shí)際應(yīng)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(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在自升式鉆井平臺中控系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，面向海上油田全部過程控制應(yīng)用場合，利用開放現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)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(jī)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(diào)機(jī)制，將相關(guān)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(guān)技術(shù)人員立即組織人員停機(jī)。并第一時間到達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(yīng)用，可以通過實(shí)時動態(tài)溫度、壓力、液位檢測，及時發(fā)現(xiàn)海上油田各設(shè)備設(shè)施運(yùn)行故障。并第一時間通知技術(shù)維修人員，降低相關(guān)故障危害程度，保證海上油田開采作業(yè)順利進(jìn)行。

3.3 基于自動化控制的海上油田安全管理系統(tǒng)應(yīng)用拓展

為進(jìn)一步保證海上油田開采安全效力，相關(guān)技術(shù)人員可以將自升式鉆井平臺自動化管理控制系統(tǒng)擴(kuò)展至紅外闖入監(jiān)控、高清攝像頭、煙霧報警設(shè)備、明火探測設(shè)備等其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。通過對紅外傳入監(jiān)控等相關(guān)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行解析，可以實(shí)時采集相關(guān)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備信號，并將其傳輸至海上油田開采云服務(wù)系統(tǒng)。同時，關(guān)聯(lián)海上油田應(yīng)急設(shè)備管控機(jī)構(gòu)及人員。

4 結(jié)語

綜上所述，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息通信技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，自動化控制技術(shù)在社會各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。通過自動化控制指令的形式，可以實(shí)現(xiàn)對海上油田管理體系范圍內(nèi)全部設(shè)施設(shè)備及儀表器具進(jìn)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(yīng)合理利用自動化控制技術(shù)，在內(nèi)部構(gòu)建完善的自動化安全管理系統(tǒng)，并細(xì)化自動化安全管理系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，保證自動化控制技術(shù)在海上油田安全管理中優(yōu)勢的充分發(fā)揮。