渤海水下油氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)適應(yīng)性分析

俞 華，孫恪成，鄧 欣，于 超，岳元龍

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300457）

0 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)在海洋油氣田開發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，特別在現(xiàn)階段深海油氣資源開發(fā)中更是占據(jù)著主導(dǎo)地位。作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心組成，水下控制系統(tǒng)相關(guān)的工程技術(shù)已趨于成熟。但是，對(duì)于應(yīng)用在深水和淺水的水下生產(chǎn)系統(tǒng)工程，水下控制系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的選取存在一定的差異。目前，我國(guó)渤海受限區(qū)域存在數(shù)億噸探明儲(chǔ)量的油氣田，由于通航或安全問題等原因無法開發(fā)。本文通過介紹目前的幾種水下控制系統(tǒng)類型，對(duì)比深水與淺水水下控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)等方面差異性，最后結(jié)合渤海海域工程應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索適用于渤海海域開發(fā)的水下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 水下控制系統(tǒng)類型

水下控制系統(tǒng)的類型可概括為3種：全液壓控系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)及全電控系統(tǒng)。

1.1 全液壓控制系統(tǒng)

全液壓控制系統(tǒng)是指水下閥門驅(qū)動(dòng)器的控制全靠液壓控制來完成。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，全液壓控制又分為直接液壓、先導(dǎo)液壓和順序液壓等3種結(jié)構(gòu)[1]。相比直接液壓控制，先導(dǎo)液壓與順序液壓增加了水下控制模塊，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。全液壓控制系統(tǒng)的性能受控制距離影響較大，當(dāng)控制距離較長(zhǎng)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢。由于全液壓控制采用了純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，比電液控制具有更高的可靠性。3種全液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全液壓控制系統(tǒng)

1.2 電液控制

根據(jù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成劃分，電液控制系統(tǒng)可分為直接電液控制系統(tǒng)和電液復(fù)合控制系統(tǒng)兩種。直接電液控制系統(tǒng)如圖2所示，與全液壓控制系統(tǒng)相比，其采用電信號(hào)取代了液壓先導(dǎo)信號(hào)，水上設(shè)備除液壓動(dòng)力單元（HPU）和電液控制盤外，增加了用于控制電磁換向閥的直流控制模塊[2]。直接電液控制系統(tǒng)每一個(gè)電磁閥的控制功能都對(duì)應(yīng)臍帶纜內(nèi)的一根控制電纜，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是直流控制信號(hào)的電壓衰減嚴(yán)重，不適用于長(zhǎng)距離、大區(qū)快開發(fā)。

圖2 直接電液控制

電液復(fù)合控制系統(tǒng)的水下設(shè)備包括水下控制模塊、水下分配單元、臍帶纜、電液飛線；水上設(shè)備包括主控站、電力單元、液壓動(dòng)力單元、通信設(shè)備、化學(xué)藥劑注入單元和水上臍帶纜終端[3]。水下控制模塊內(nèi)部配置電子模塊，通過光纖或電力載波與主控站通信，接收平臺(tái)的操作指令。相比直接電液控制系統(tǒng)，水下控制模塊解析操作指令后，直接發(fā)出電液換向閥的控制信號(hào)，即電液換向閥的控制信號(hào)來自水下本地的控制模塊，所以電液復(fù)合控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，減少了臍帶纜內(nèi)的功能管線數(shù)量，一根臍帶纜可以通過水下路由的方式控制多個(gè)水下井口，易于在大規(guī)模、長(zhǎng)距離油氣田開發(fā)中推廣應(yīng)用，也是目前主流的控制方案[4]。電液復(fù)合控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電液復(fù)合控制系統(tǒng)

1.3 全電控制

全電式控制系統(tǒng)擁有功能靈活、響應(yīng)時(shí)間短、控制距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但成本高、技術(shù)復(fù)雜。由于全電井下安全閥仍處于研制階段，所以全電控制系統(tǒng)只是針對(duì)采油樹上的閥門進(jìn)行了全電執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)替換，平臺(tái)上保留了用于控制井下安全閥的高壓液壓動(dòng)力單元[5]。臍帶纜液壓動(dòng)力配送管保留兩路高壓和一路回油，降低了對(duì)海水環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。全電控系統(tǒng)僅在北海的K5F開發(fā)項(xiàng)目上投入使用[6]。目前，水下全電系統(tǒng)實(shí)際工程應(yīng)用案例尚不太多，而且配套的全電IWOCS也沒有推向工程應(yīng)用。

2 淺水與深水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)差異化

水下控制系統(tǒng)因油田的開發(fā)水深、使用環(huán)境的不同而產(chǎn)生差異化，主要體現(xiàn)在控制對(duì)象、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、水下分配單元、響應(yīng)時(shí)間、控制液壓油、控制距離等方面的差異化。

2.1 控制對(duì)象差異化

水下控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下裝備的安全控制和水下生產(chǎn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而保證水下裝備可靠運(yùn)行、油氣田安全生產(chǎn)[7]。深水和淺水的控制對(duì)象差異化主要體現(xiàn)在水下采油樹上的閥門控制方式不同。深水井口距離生產(chǎn)平臺(tái)較遠(yuǎn)，受水深影響，深水采油樹閥門的控制方式主要是液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并配置水下機(jī)器人（ROV）操作接口，便于在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行ROV操作維修及緊急處理。

淺水區(qū)域受使用環(huán)境、操作維護(hù)方式影響，可進(jìn)行節(jié)約成本設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，提升可靠性。淺水水下采油樹閥門的控制方式也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，達(dá)到油氣田生產(chǎn)效益的最大化[8]。與深水控制對(duì)象的區(qū)別在于采油樹可以減少帶有液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥門數(shù)量，部分設(shè)備可以采用人工干預(yù)的方式進(jìn)行操作、維修，減小了采油樹體積和重量，便于吊裝及水下布置。在確保淺水水下采油樹具備緊急關(guān)斷功能的條件下，對(duì)非安全操作功能的閥門，可采用潛水員進(jìn)行操作[9]。淺水與深水采油樹閥門操作方式的差異化如表1所示。

表1 淺水與深水采油樹閥門操作方式的差異化

2.2 水下控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異化

深水油氣田開發(fā)需要實(shí)現(xiàn)水下設(shè)備的長(zhǎng)距離控制，開發(fā)較為困難，通常采用多井、多區(qū)塊的聯(lián)合開發(fā)。長(zhǎng)距離控制液壓動(dòng)力沿程損失嚴(yán)重，全液壓控制不適用于深水油氣田的開發(fā)。全電控制系統(tǒng)的可靠性需要更長(zhǎng)時(shí)間和更多的工程案例進(jìn)行驗(yàn)證[10]。因此深水通常采用電液復(fù)合控制系統(tǒng)。

淺水控制距離短，控制系統(tǒng)成本低，對(duì)邊際小型油氣田，可采用全液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行單井的獨(dú)立開發(fā)，也可依托附近平臺(tái)設(shè)施開發(fā)規(guī)?；氖芟抻蜌馓颷11]。因此，淺水采油樹控制系統(tǒng)可考慮全液壓控制與電液復(fù)合兩種控制方式。

相比深水的電液復(fù)合控制，淺水電液復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能可進(jìn)行簡(jiǎn)化，可優(yōu)化或取消SCM的安裝基座。SCM推薦使用方形結(jié)構(gòu)，如圖4所示，控制接口放置在側(cè)面，便于潛水員和ROV操作，如圖5所示，通過潛水員手動(dòng)拔插；SCM的鎖緊機(jī)構(gòu)可優(yōu)化為螺栓或壓板連接鎖緊，利用潛水員完成安裝[12]。這樣可以最大地降低SCM設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。淺水電液復(fù)合控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖4 方形SCM

圖5 側(cè)面接口

圖6 淺水電液復(fù)合控制系統(tǒng)

依據(jù)淺水海域的特點(diǎn)，通過多井槽基盤方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)SCM控制多個(gè)水下采油樹，同時(shí)水下控制系統(tǒng)的耐壓等級(jí)、公用儀表儀表配置數(shù)量和油田內(nèi)部臍帶纜長(zhǎng)度也有所降低[13]。淺水水下控制系統(tǒng)可采用“單井控制模塊”與“臍帶纜終端”集成設(shè)計(jì)的方案，將水下控制系統(tǒng)的所有信號(hào)直接從樹體上配置的臍帶纜終端引到依托平臺(tái)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理由依托平臺(tái)上的監(jiān)控系統(tǒng)完成。針對(duì)單井開發(fā)方案，臍帶纜終端集成在水下采油樹上，整體吊裝，縮短了電液飛線的連接距離，減少海上吊裝或鋪設(shè)安裝的作業(yè)次數(shù)，降低施工成本[14]。

2.3 水下分配單元結(jié)構(gòu)差異化

水下分配單元根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和安裝方法，可以分為單體式、模塊式和管匯集成式3種結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示。水下分配單元的使用形式較為靈活，可采用單獨(dú)其中一種，也可采用多種方式共同完成水下液壓、電氣和化學(xué)藥劑的分配。水下分配單元的具體形式，應(yīng)依據(jù)油氣田開發(fā)需求確定[15]。

圖7 水下分配單元

深水油氣田由于水深增加，開發(fā)困難，通常采用多區(qū)域塊聯(lián)合開發(fā)。因此，深水水下分配單元采用模塊式與管匯集成式，也可適當(dāng)采用單體式共同完成水下分配。

由于淺水油氣田可采用單井獨(dú)立開發(fā)模式，所以水下分配單元的設(shè)備規(guī)模、尺寸及重量同深水相比大大降低，水下分配單元連接的采油樹數(shù)量也相應(yīng)減少。因此，淺水水下分配單元通常采用單體式與模塊式完成對(duì)采油樹的電氣及液壓分配，與采油樹成撬后整體下放。

2.4 響應(yīng)時(shí)間差異化

水下控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間由控制信號(hào)通訊時(shí)間與液壓操作響應(yīng)時(shí)間共同決定。針對(duì)電液復(fù)合控制系統(tǒng)，控制信號(hào)通訊時(shí)間受水深影響可以忽略不計(jì)，深水淺水控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的差異化主要體現(xiàn)在液壓操作響應(yīng)時(shí)間[16]。

深水水下控制系統(tǒng)由于受水深影響，控制液壓油所需壓力增加，承受外部海洋環(huán)境壓力增加。如果液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供油腔和彈簧腔之間采用非環(huán)回結(jié)構(gòu)，關(guān)閉閥門時(shí)水壓作用與彈簧腔作用相反，水深越深，關(guān)閉閥門所需時(shí)間越長(zhǎng)，控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。

淺水水下控制系統(tǒng)水深較淺，控制液壓油壓力相比于深水有所降低。環(huán)境背壓對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間影響較小，有利于閥門的關(guān)閉，控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間主要取決于高壓控制液的流量。

2.5 控制液壓油差異化

水下控制系統(tǒng)采用的液壓油受環(huán)境溫度影響較大，同時(shí)液壓油的選擇也受海域影響。水下控制系統(tǒng)液壓油的選擇通常有水基液壓油與礦物液壓油兩種[17]。目前深水控制通常采用水基液壓油，水基液壓油與海水兼容，可以直接排海，對(duì)海洋環(huán)境無污染。淺水水下控制系統(tǒng)通常采用礦物油，不涉及結(jié)冰問題。水基液壓油在-20℃開始結(jié)冰，在溫度較低的油田可使用礦物液壓油或?qū)δ殠Ю|采取局部保溫措施。

2.6 控制距離差異化

水深會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的控制距離產(chǎn)生影響?？刂凭嚯x的長(zhǎng)短主要由液壓管線的壓降程度決定的，在其他條件不變的情況下，壓損與液壓管線的長(zhǎng)度成正比，當(dāng)距離超出一定范圍時(shí)，壓力損失過大將引起控制失效，距離較遠(yuǎn)時(shí)也將引起控制失效[18]。

深水水下控制系統(tǒng)的水下設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)距離水上平臺(tái)較遠(yuǎn)，所需控制管線長(zhǎng)度即垂直控制距離大大增加，由于水深及控制壓力的增加，比較適用于遠(yuǎn)距離、大區(qū)塊開發(fā)。

針對(duì)淺水油田，與深水相比垂直控制距離減少。為合理有效地開發(fā)油田，在減少垂直控制距離的同時(shí)，可以適當(dāng)增加水平控制距離，擴(kuò)大油田開發(fā)范圍，增加油田的經(jīng)濟(jì)效益。

3 渤海水下控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

目前在渤海區(qū)域使用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)受限區(qū)域的油氣田，與深水環(huán)境相比，海水能見度低，海生物生長(zhǎng)迅速，附著嚴(yán)重，土壤都是比較軟的粉質(zhì)粘土、松散粉土和淤泥，且溫度較低，臍帶纜水面接觸位置會(huì)有海冰凍結(jié)。在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮環(huán)境溫度、水質(zhì)條件、地質(zhì)條件以及海生物對(duì)水下閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的影響，以及相關(guān)法規(guī)對(duì)船舶通航、航道疏浚、落物拋錨、防漁網(wǎng)、信息安全保障等因素影響。

（1）考慮到生產(chǎn)過程中需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，以及保證遇到安全事故時(shí)的響應(yīng)時(shí)間，若回接長(zhǎng)度較短，可采用直接液壓控制方案，以節(jié)約成本；回接距離較長(zhǎng)時(shí)則考慮采用電液復(fù)合控制以確保系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

（2）對(duì)于渤海受限區(qū)域規(guī)模油氣田開發(fā)，可以考慮使用一個(gè)SCM控制多個(gè)采油樹的方案，采用SCM與采油樹、管匯集成的結(jié)構(gòu)，水下分配單元可以簡(jiǎn)化為直接采用UTH與水上臍帶纜終端TUTA連接，由UTH進(jìn)行電液分配后直接通過電、液飛線接入SCM。

（3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于簡(jiǎn)化，易操作，部分閥門可由潛水員進(jìn)行操作，鎖緊機(jī)構(gòu)也可優(yōu)化為簡(jiǎn)易鎖緊，安裝過程可由簡(jiǎn)易工具和潛水員進(jìn)行輔助安裝。

（4）渤海水深較淺，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)承受外部環(huán)境壓力較低，受背壓影響較小，無需考慮可能因背壓導(dǎo)致閥門開啟的問題。淺水對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器液壓油排海的回油壓力大大減少，水下控制系統(tǒng)可考慮環(huán)形控制回路，仍能保證系統(tǒng)的響應(yīng)的速度。

（5）渤海海域具有冰封期，水基液壓油在-20℃開始結(jié)冰，所以不宜采用水基液壓油，在渤海海域礦物油不涉及結(jié)冰問題，更適宜使用礦物油作為控制系統(tǒng)液壓油。

（6）由于渤海受限開發(fā)區(qū)域特殊性，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮安全和法規(guī)的相關(guān)因素。水下控制模塊可考慮向承壓式和一體化的方向改進(jìn)，以便在泥面下沉箱工況中使用；在通航區(qū)時(shí)要采用一定的防護(hù)措施，保證水下設(shè)備的運(yùn)行安全，同時(shí)還要兼顧安裝維修時(shí)方便潛水員進(jìn)行操作。

（7）渤海海域淺水區(qū)水深10～50 m，針對(duì)泥沙大、海生物附著多的特點(diǎn)，為了方便安裝維護(hù)，安裝時(shí)考慮采用沉箱結(jié)構(gòu)，將水下采油樹整體置于泥面以下，修井維護(hù)時(shí)將沉箱蓋孔提起。對(duì)控制系統(tǒng)的供電可以考慮岸上引出臍帶纜的方式。產(chǎn)出油氣在通航區(qū)可以經(jīng)管匯匯入海管，在敏感區(qū)生產(chǎn)可以與FPSO或自升式生產(chǎn)平臺(tái)聯(lián)合開發(fā)。

4 結(jié)束語

目前，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為水下井口開發(fā)模式中的重要組成部分，國(guó)際上具備水下生產(chǎn)系統(tǒng)工程總承包能力的供貨商均已全面掌握了水下控制系統(tǒng)的配套技術(shù)。本文研究了全液壓控制系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)及全電控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍，從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制距離、分配單元、控制對(duì)象、響應(yīng)時(shí)間等5個(gè)方面，分析了深水與淺水水下控制系統(tǒng)的差異性。綜合渤海海域的氣候和海況條件，在滿足標(biāo)準(zhǔn)和安全生產(chǎn)的要求下，提出了適用于渤海淺水區(qū)域油氣田航道區(qū)、敏感區(qū)開發(fā)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為適用于渤海海域的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品研制及其工程應(yīng)用提供參考。