水下采油樹控制模塊設(shè)計(jì)要素分析

朱高磊，趙宏林，段夢(mèng)蘭，劉振鵬

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）a.海洋油氣研究中心；b.機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）①

水下采油樹于20世紀(jì)60年代在北海油田開始應(yīng)用，作為海洋油氣田生產(chǎn)和井下作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，肩負(fù)著控制生產(chǎn)時(shí)井口的壓力和流量、清蠟和化學(xué)藥劑注入等重任。我國(guó)在水下采油樹的研究開發(fā)方面起步晚，技術(shù)落后。深水采油樹的關(guān)鍵技術(shù)受到國(guó)外知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，很大程度上影響我國(guó)深水油氣田的開發(fā)和發(fā)展。國(guó)外在水下采油樹的研發(fā)、制造和使用上都遙遙領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，最具有代表性的海洋石油發(fā)展強(qiáng)國(guó)有美國(guó)、挪威、巴西等。目前，國(guó)內(nèi)海洋石油的裝備主要靠進(jìn)口，因此對(duì)水下采油樹相關(guān)技術(shù)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究，對(duì)突破國(guó)外技術(shù)封鎖有著重大意義［1－3］。

1 水下采油樹控制模塊研究現(xiàn)狀

水下控制模塊位于采油樹上，其功能包括：控制采油樹閥門、管匯閥門、油嘴調(diào)節(jié)、閥門位置指示、壓力溫度監(jiān)測(cè)、井下智能監(jiān)測(cè)、出砂監(jiān)測(cè)、腐蝕監(jiān)測(cè)和流量監(jiān)測(cè)；監(jiān)控內(nèi)部液壓（壓力和流量）和電子部分；進(jìn)行常規(guī)自檢，對(duì)電子系統(tǒng)故障糾錯(cuò)，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬷骺叵到y(tǒng)。它作為水下和水上進(jìn)行信息交流的中轉(zhuǎn)站，長(zhǎng)期工作在高壓、強(qiáng)腐蝕和海水流動(dòng)的惡劣環(huán)境中，對(duì)其密封性、耐腐蝕性和穩(wěn)定性都有嚴(yán)格的要求。此外，水下控制模塊因某一部件損壞不能正常工作時(shí)，需將控制模塊回收維修，所以水下控制模塊還必須具有良好的可拆卸和再安裝能力。水下控制模塊作為單獨(dú)的模塊，必須有單獨(dú)的回收和下放工具，以便控制模塊更好、更有效地服務(wù)于采油樹。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外在水下采油樹的研發(fā)上已經(jīng)形成了自己的專利和知識(shí)產(chǎn)權(quán)。世界上生產(chǎn)采油樹控制模塊的廠家主要有美國(guó)的FMC公司和CAMERON公司、英國(guó)的VETCOGRAY公司等。

1.1.1 FMC公司的水下控制模塊

FMC公司作為世界上最大的水下完井設(shè)備供應(yīng)商，迄今已為250個(gè)項(xiàng)目提供了超過1 200臺(tái)水下采油樹。第1臺(tái)水下采油樹于1967安裝在墨西哥灣，水深20m。長(zhǎng)時(shí)間以來，標(biāo)準(zhǔn)水下采油樹壓力為34.5MPa（5 000psi），現(xiàn)在大多數(shù)超過69 MPa（10 000psi）。

FMC公司的水下控制模塊已經(jīng)成功應(yīng)用于1 000個(gè)水下采油樹的控制系統(tǒng)，大部分系統(tǒng)的可靠性達(dá)到99%～100%，控制距離達(dá)到120km，使用水深達(dá)到3 000m。水下電子模塊作為水下控制模塊關(guān)鍵部件，采用雙冗余結(jié)構(gòu)，并具有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口，具有高速的長(zhǎng)距離通信功能。圖1為FMC公司的水下控制模塊。

圖1 FMC公司水下控制模塊

1.1.2 CAMERON公司的水下控制模塊

CAMERON公司是水下完井設(shè)備的供應(yīng)商之一，其特點(diǎn)是采用直流電驅(qū)動(dòng)水下采油樹，不需要通過控制纜線發(fā)送液壓信號(hào)，控制更快捷，反饋更迅速。水下控制模塊作為開發(fā)海洋油氣資源設(shè)備的核心部件，控制著水下各種設(shè)備。CAMERON公司的水下控制模塊外形尺寸736mm×736mm×860 mm，質(zhì)量小于1 000kg，適用水深為到3 000m。由于其體積小、質(zhì)量輕，從而成為水下控制行業(yè)中集成度最高的控制模塊。圖2為CAMERON公司的水下控制模塊。

圖2 CAMERON公司水下控制模塊

1.1.3 VETCOGRAY公司的水下控制模塊

VETCOGRAY公司的水下控制模塊是一套技術(shù)先進(jìn)、可應(yīng)用于多種水下生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)，其采用復(fù)合電液控制方案，能夠監(jiān)控水下采油樹、管匯閥門狀態(tài)和采集水下儀表的測(cè)量數(shù)據(jù)。

VETCOGRAY公司在水下控制模塊的設(shè)計(jì)過程中引入了靈活性、模塊化和集成的設(shè)計(jì)理念，能夠滿足不同復(fù)雜程度的工況需求，為用戶提供了價(jià)格低廉、方便硬件組態(tài)的水下控制系統(tǒng)解決方案。其特征是：標(biāo)準(zhǔn)模塊化系統(tǒng)；高靈活性的控制功能；標(biāo)準(zhǔn)的外形尺寸1 350mm×770mm×770mm，44路液壓控制通道，水下電子模塊采用雙冗余結(jié)構(gòu)，具有壓力補(bǔ)償功能的密封艙；高溫／高壓兼容性好；液壓控制壓力達(dá)103.5MPa（15 000psi），適用水深達(dá)3 000m。圖3為VETCOGRAY公司的水下控制模塊。

圖3 VETCOGRAY公司水下控制模塊

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)海洋石油的開采起步晚、技術(shù)落后，沒有高水平的海洋裝備，加之南海水深在500～2 000 m，國(guó)外對(duì)關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵技術(shù)嚴(yán)格封鎖，所以國(guó)內(nèi)還沒有廠家能自主設(shè)計(jì)和制造水下采油樹。

近年來，我國(guó)對(duì)南海加大了開采力度，例如流花1－1油田、流花4－1油田和荔灣3－1氣田的相繼開采，但對(duì)深海石油開采的關(guān)鍵設(shè)備依然完全依賴進(jìn)口。流花1－1油田和流花4－1油田的采油設(shè)備來自FMC公司，荔灣3－1氣田的采油設(shè)備來自CAMERON公司，我國(guó)并不擁有深水采油裝備的核心技術(shù)。

2 水下采油樹控制模塊設(shè)計(jì)要素分析

水下控制模塊主要由內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和外部封裝系統(tǒng)組成（如圖4）。由于長(zhǎng)期工作在壓力高、腐蝕性強(qiáng)和海水流動(dòng)的環(huán)境中，所以水下控制模塊的設(shè)計(jì)需要綜合考慮密封、腐蝕、溫度、鎖緊、測(cè)試和選材等因素［4－5］。水下控制模塊采用獨(dú)立模塊安裝在采油樹上，所以整個(gè)設(shè)計(jì)有幾個(gè)難點(diǎn)：①內(nèi)部電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)及外部的封裝系統(tǒng)要有高可靠性；②水下控制模塊要有良好的可拆卸性、再安裝性；③水下控制模塊的鎖緊機(jī)構(gòu)要具有良好的操作性。

圖4 水下控制模塊結(jié)構(gòu)

2.1 封裝系統(tǒng)

水下控制模塊的封裝系統(tǒng)是為保護(hù)水下采油樹的控制系統(tǒng)正常運(yùn)行而設(shè)計(jì)的，故封裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮各種復(fù)雜因素的影響。

2.1.1 設(shè)計(jì)因素

封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮密封、溫度、壓力、海水腐蝕和海水流動(dòng)等因素的影響，每個(gè)因素都值得設(shè)計(jì)者重視。

1） 密封 封裝系統(tǒng)密封主要采用金屬密封和非金屬密封組合的方式，金屬密封和非金屬密封機(jī)理都是通過預(yù)緊力使密封件發(fā)生彈性變形或彈塑性變形與密封面貼合。封裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮密封件具有安裝和拆卸的方便性。

2） 工作壓力 封裝系統(tǒng)主要受到外部海水的靜水壓力和內(nèi)部硅油的靜壓力，其次就是海水流動(dòng)產(chǎn)生的沖擊壓力。封裝系統(tǒng)應(yīng)用于水下時(shí)，外部的靜水壓力可能會(huì)超過控制系統(tǒng)內(nèi)部的壓力，所以應(yīng)考慮封裝系統(tǒng)的外部載荷，特別是與密封設(shè)計(jì)，密封連接和常壓外殼相關(guān)的部分。在考慮外部壓力的同時(shí)，還要考慮因內(nèi)部液壓管線爆裂時(shí)壓力急劇升高的影響。

3） 工作環(huán)境腐蝕 控制模塊長(zhǎng)期工作在海底，腐蝕對(duì)整個(gè)控制模塊的正常運(yùn)行影響極大。封裝系統(tǒng)的腐蝕主要來自海水的強(qiáng)腐蝕性，只要與海水接觸的表面都會(huì)受到海水的腐蝕，所以封裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)留有足夠的腐蝕余量，或考慮采用犧牲陽極的方法減少封裝系統(tǒng)的腐蝕。

2.1.2 設(shè)計(jì)原則

水下采油樹控制模塊的封裝系統(tǒng)作為控制模塊的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)原則概括起來有以下幾點(diǎn)［6－8］：

1） 設(shè)計(jì)規(guī)范 封裝系統(tǒng)的壁厚設(shè)計(jì)應(yīng)滿足GB150—2011壓力容器標(biāo)準(zhǔn)、ASME VIII－1壓力容器規(guī)范和 ASME BPVC XII－2007ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅻ卷（運(yùn)輸罐的建造和連續(xù)使用規(guī)則）；封裝系統(tǒng)密封件的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足ISO 13628－4、API 6A 及 API 17D 等相關(guān)規(guī)定。

2） 工作狀況 封裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)有控制模塊正常工作時(shí)所需的電力、通信和控制功能接口；封裝系統(tǒng)應(yīng)有耐海水腐蝕、防止海水進(jìn)入的功能；封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足系統(tǒng)散熱要求，防止內(nèi)部電子元件工作時(shí)溫度過高。封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足的工況應(yīng)與所在采油樹的工況保持一致，例如壓力等級(jí)、溫度等級(jí)、防腐蝕等。

3） 正常工作下的壁厚要求 由壓力容器規(guī)范［7］可知，外壓元件的失效主要是因剛度不足而導(dǎo)致失穩(wěn)和因強(qiáng)度不足而導(dǎo)致破壞。對(duì)于D0／δe≥10（D0為中間殼體外徑、δe為中間殼體壁厚）薄壁外筒受橫向外壓，軸向失穩(wěn)總是發(fā)生在強(qiáng)度破壞之前，所以彈性穩(wěn)定性計(jì)算是薄壁圓筒首要考慮的問題。

由彈性穩(wěn)定理論可得封裝系統(tǒng)外殼臨界壓力為

式中：K為L(zhǎng)／D0；L為封裝外殼的高度；E為材料彈性模量。

失穩(wěn)時(shí)的周向應(yīng)變是通過臨界壓力求得周向應(yīng)力，進(jìn)而由周向應(yīng)力轉(zhuǎn)換為周向應(yīng)變。周向應(yīng)力可用符號(hào)A（即圖5～6中的系數(shù)A）表示為

根據(jù)規(guī)范：用L／D0為縱坐標(biāo)，A為橫坐標(biāo)，D0／δe為參變量的幾何參數(shù)計(jì)算圖如圖5所示。

圖5 幾何參數(shù)計(jì)算圖

表示圓筒在失穩(wěn)時(shí)周向應(yīng)力的1／2用B（即圖6中的系數(shù)B）表示為

式中：pa為封裝外殼的許用外壓；m為穩(wěn)定性安全系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范，B作為縱坐標(biāo)，A為橫坐標(biāo)得出外壓材料的壁厚計(jì)算圖（如圖6）。

圖6 壁厚計(jì)算圖

根據(jù)厚度計(jì)算圖，由A查到B，利用pa＝求得封裝外殼的許用壓力pa。根據(jù)規(guī)范許用外壓力pa≥設(shè)計(jì)壓力p為滿足要求。

2.2 水下控制模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)要素

水下控制模塊的所有功能都是通過內(nèi)部工作性能可靠的硬件組態(tài)和基于硬件的軟件組態(tài)實(shí)現(xiàn)的，其硬件組態(tài)主要包括水下電子模塊、通信模塊、穩(wěn)壓電源模塊、換向閥和電液附屬元件。

根據(jù)控制模塊內(nèi)部硬件組態(tài)的工作情況，可將控制模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)要素歸結(jié)為3點(diǎn)：

1） 冗余設(shè)計(jì) 水下控制系統(tǒng)需要有可靠性高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，故控制模塊內(nèi)部的部分元件必須要有冗余設(shè)計(jì)，例如水下電子模塊、換向閥組、電液接頭等。

2） 防腐設(shè)計(jì) 控制模塊內(nèi)部元件要求性能好、精度高，如果腐蝕氧化將會(huì)影響通信質(zhì)量，甚至影響整個(gè)控制系統(tǒng)，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須在控制模塊內(nèi)充滿防腐介質(zhì)（硅油或惰性氣體），在電子模塊內(nèi)充滿防腐氣體。

3） 壓力補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì) 壓力補(bǔ)償系統(tǒng)包括控制模塊內(nèi)絕緣油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)和電子模塊密封艙壓力補(bǔ)償系統(tǒng)。在計(jì)算補(bǔ)償壓力時(shí)，不僅要考慮水深引起的體積變化，同時(shí)還要考慮從陸地到海底之間溫差引起的影響，以及補(bǔ)償裝置內(nèi)部空氣的影響。電子模塊密封腔壓力補(bǔ)償系統(tǒng)為了補(bǔ)償電子模塊密封腔泄漏的氮?dú)?，在控制模塊腔內(nèi)設(shè)計(jì)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，利用蓄能器補(bǔ)償泄漏的氮?dú)狻?/p>

2.3 水下控制模塊試驗(yàn)測(cè)試

水下控制模塊在投產(chǎn)前只有進(jìn)行充分的理論分析和嚴(yán)格的試驗(yàn)測(cè)試，才能保證控制模塊工作時(shí)的安全、可靠、可行，才能消除采油過程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)ISO 13628－4、ISO 13628－6以及 API 17D的有關(guān)規(guī)定，水下控制模塊的試驗(yàn)測(cè)試包括以下幾個(gè)方面［6－11］。

2.3.1 材料的檢測(cè)與測(cè)試

水下控制模塊所用到的材料都要根據(jù)ASTM E790規(guī)定進(jìn)行無損檢測(cè)，檢驗(yàn)材料是否存在裂痕等缺陷。對(duì)控制模塊的封裝系統(tǒng)頂部、底座和安裝基座進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試；中間殼體屬于壓力容器結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行穩(wěn)定性和強(qiáng)度測(cè)試。

2.3.2 壓力和密封試驗(yàn)

控制模塊的壓力測(cè)試主要是對(duì)封裝系統(tǒng)進(jìn)行外壓測(cè)試，外壓測(cè)試設(shè)備使用高壓艙。測(cè)試時(shí)封裝系統(tǒng)內(nèi)部充滿硅油，采用迅速加壓進(jìn)行壓力沖擊測(cè)試，壓力變化率的上限需要與控制模塊最快下放速度一致。密封性能測(cè)試時(shí)，需要將壓力升高至工作水深處?kù)o水壓力的1.5倍，然后停止加壓，進(jìn)行保壓測(cè)試，壓力保持10min后，檢測(cè)壓力變化，檢查是否有硅油漏出。若壓力在允許的變化范圍內(nèi)，硅油無泄漏，說明密封性能良好。

2.3.3 通信系統(tǒng)測(cè)試

通信系統(tǒng)測(cè)試主要是通過電子測(cè)試單元對(duì)水下電子模塊進(jìn)行測(cè)試，目的是核實(shí)在電子測(cè)試單元和水下電子模塊之間是否具有良好的通信功能。電子模塊測(cè)試包括自身測(cè)試和對(duì)其他元件進(jìn)行控制測(cè)試：自身測(cè)試包括狀態(tài)緩沖器測(cè)試、長(zhǎng)時(shí)間通信測(cè)試和接收信息、更新信息測(cè)試；控制測(cè)試主要是對(duì)電磁換向閥測(cè)試以及通過電磁換向閥控制采油樹上各種閥的開啟和關(guān)閉。通信測(cè)試的每一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)影響整個(gè)控制模塊的正常工作，所以要對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試。

除了以上幾種重要測(cè)試之外，還有液壓接頭測(cè)試、閥門功能驗(yàn)證、內(nèi)部傳感器功能驗(yàn)證和流量計(jì)功能驗(yàn)證。

3 結(jié)語

1） 水下采油樹控制模塊是開發(fā)深海油氣資源的關(guān)鍵設(shè)備之一，產(chǎn)品應(yīng)適用于3 000m水深，壓力可達(dá)103MPa。

2） 控制模塊的設(shè)計(jì)需要機(jī)械、安全、控制工程、自動(dòng)化、工藝等多學(xué)科知識(shí)。本文分析了需要考慮的設(shè)計(jì)要素，例如：密封、腐蝕、強(qiáng)度等。

3） 為了開發(fā)我國(guó)的深海油氣資源，應(yīng)加強(qiáng)水下采油樹控制模塊的研究。

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