水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

譚壯壯，李小瑞，張鳳紅

(中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028)

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水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

譚壯壯，李小瑞，張鳳紅

(中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028)

摘要：作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)(SPCS)提供了數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制和異常情況監(jiān)測(cè)處理等功能。為了滿足SPCS在安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性等方面的要求，研究了SPCS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),介紹了SPCS的功能、組成，對(duì)比了獨(dú)立式、平衡式、組合式和環(huán)式等多種SPCS結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了SPCS設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素。最后，得出了SPCS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，可供SPCS設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：深水油氣田開發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，水下生產(chǎn)系統(tǒng)已成為深水油氣田開發(fā)中最常用的開發(fā)方式[1-3]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)水下井口、水下生產(chǎn)設(shè)施、海底管線和臍帶纜，將油氣井生產(chǎn)的油氣混合物輸送至依托設(shè)施或陸上終端。水下生產(chǎn)系統(tǒng)能夠適應(yīng)深水油氣田的開發(fā)，具有開發(fā)成本低、建設(shè)周期短、開發(fā)效益高的特點(diǎn)[4-5]。

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)SPCS(subsea production control system)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，為水下生產(chǎn)提供安全、可靠、高效的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能。SPCS通過(guò)控制水下采油樹、水下管匯等水下設(shè)施來(lái)保證生產(chǎn)的安全進(jìn)行，并對(duì)水下儀表和各控制模塊進(jìn)行監(jiān)控。SPCS通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)與浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油船F(xiàn)PSO(floating production storage and offloading,)、浮式生產(chǎn)裝置FPU(floating production unit)或陸上終端等依托設(shè)施的控制系統(tǒng)相連，向依托設(shè)施提供數(shù)據(jù)，并執(zhí)行來(lái)自依托設(shè)施的操作指令[6-7]。

SPCS的結(jié)構(gòu)是指SPCS的控制設(shè)備在水下的分布方式、水下安裝設(shè)備與上部安裝設(shè)備的連接方式以及水下設(shè)備相互之間的連接方式等，主要包括獨(dú)立式、平衡式、組合式、環(huán)形等結(jié)構(gòu)。由于每個(gè)項(xiàng)目的控制距離、水下井口分布、依托設(shè)施各不相同，需要根據(jù)項(xiàng)目具體情況選擇不同的SPCS結(jié)構(gòu)。SPCS結(jié)構(gòu)的選擇是SPCS設(shè)計(jì)初期的重點(diǎn)工作，不僅要滿足生產(chǎn)系統(tǒng)的功能要求，還必須考慮職業(yè)健康、安全和環(huán)境(HSE)、可靠性、可操作性、經(jīng)濟(jì)性以及技術(shù)成熟度。筆者以目前較為常用的復(fù)合電液控制系統(tǒng)[8-10]為例，結(jié)合較為先進(jìn)的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)[11-12],介紹了SPCS的基本組成、各種SPCS結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素。

1水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的組成

SPCS由上部安裝的控制設(shè)備、水下安裝的控制設(shè)備以及連接上部和水下設(shè)備的臍帶纜組成。

1.1上部安裝的SPCS控制設(shè)備

上部安裝的SPCS控制設(shè)備與依托設(shè)施的控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)相連，能夠執(zhí)行依托設(shè)施的操作指令，并向依托設(shè)施上傳采集到的水下生產(chǎn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，上部安裝的SPCS控制設(shè)備還通過(guò)臍帶纜為水下安裝的控制設(shè)備提供控制信號(hào)、電源和液壓源。上部安裝的SPCS控制設(shè)備如圖1所示，主要由以下部分組成：

1) 主控站MCS(master control station)。為上部安裝和水下安裝的SPCS控制設(shè)備提供監(jiān)控功能，并提供了與依托設(shè)施控制系統(tǒng)的接口。

2) 液壓動(dòng)力單元HPU(hydraulic power unit)。為水下采油樹和管匯上的閥門提供穩(wěn)定、清潔的液壓液。

3) 電力單元EPU(electrical power unit)。由UPS供電，為SPCS提供電源。

4) 上部臍帶纜終端單元TUTU(topside umbilical termination unit)?？刂齐娎|、電力電纜、液壓管線以及化學(xué)藥劑管線通過(guò)TUTU進(jìn)入臍帶纜，供給水下生產(chǎn)系統(tǒng)。

圖1　上部安裝的SPCS控制設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

1.2水下安裝的SPCS控制設(shè)備

水下安裝的SPCS控制設(shè)備能夠接受依托設(shè)施傳來(lái)的控制信號(hào)，執(zhí)行水下閥門操作等控制功能，并可以向依托設(shè)施傳輸水下儀表的數(shù)據(jù)。水下安裝的SPCS控制設(shè)備主要由以下部分組成：

1) 水下臍帶纜終端總成UTA(umbilical termination assembly)和水下分配單元SDU(subsea distribution unit)。UTA與臍帶纜相連，將臍帶纜內(nèi)的信號(hào)分配到跨接纜FL(flying lead)中，通過(guò)FL與SDU相連。SDU可將1組FL中的信號(hào)分配到多組FL中，F(xiàn)L可以直接與采油樹或管匯上的水下控制模塊連接。

2) 水下控制模塊SCM(subsea control module)。SCM接受來(lái)自依托設(shè)施的控制信號(hào)，通過(guò)電液控制完成對(duì)采油樹、管匯上閥門的操作，并能讀取采油樹、管匯上儀表的數(shù)據(jù)，上傳到依托設(shè)施。

3) 水下儀表和閥門。包括水下采油樹和管匯上安裝的儀表，如壓力溫度傳感器、油嘴閥位指示器、沙含量探測(cè)儀、井下壓力溫度傳感器，閥門包括上部控制井下安全閥、生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥、環(huán)空主閥、環(huán)空翼閥、轉(zhuǎn)換閥、化學(xué)藥劑注入閥和生產(chǎn)油嘴等。

1.3臍帶纜

臍帶纜中包含多根控制通信電纜、電力電纜、液壓管線和化學(xué)藥劑管線等，能夠傳輸信號(hào)、電力、液壓和化學(xué)藥劑。臍帶纜按照連接對(duì)象，可分為主臍帶纜和內(nèi)部臍帶纜。主臍帶纜用于連接上部安裝的SPCS控制設(shè)備與水下安裝的SPCS控制設(shè)備，在依托設(shè)施上與TUTU連接，在水下與UTA連接；內(nèi)部臍帶纜用于水下設(shè)備之間的連接，兩端與UTA連接。

2水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

SPCS常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有獨(dú)立式、平衡式、組合形和環(huán)形結(jié)構(gòu)等，主要由臍帶纜、UTA和SDU等組成。

以圖2所示的水下油田井口布置為例分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。從圖2中可以看出，該油田依托設(shè)施為FPSO，水下生產(chǎn)系統(tǒng)包含3個(gè)井群，每個(gè)井群包含1個(gè)水下管匯和若干個(gè)水下采油樹。其中，A井群與FPSO最近，與B和C井群相距較遠(yuǎn)；B井群與FPSO距離較遠(yuǎn)，與C井群較近；C井群離FPSO最遠(yuǎn)。

圖2　水下油田井口布置示意

2.1獨(dú)立式結(jié)構(gòu)

獨(dú)立式結(jié)構(gòu)如圖3所示，每個(gè)井群都有獨(dú)立的主臍帶纜。主臍帶纜在水下與井群附近的UTA連接，通過(guò)SDU與水下采油樹、管匯連接，井群之間沒(méi)有內(nèi)部臍帶纜。

獨(dú)立式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： 水下設(shè)備少，且設(shè)備類型統(tǒng)一；無(wú)內(nèi)部臍帶纜，每根主臍帶纜的截面結(jié)構(gòu)相同；每根臍帶纜只需供給1個(gè)井群，可以縮小電纜、管線的尺寸，減小了臍帶纜的截面積，且控制距離短，響應(yīng)速度快；1個(gè)井群出現(xiàn)故障不影響其他井群的生產(chǎn)。缺點(diǎn)： 需要3條主臍帶纜，同時(shí)意味著需要3套懸掛裝置，占據(jù)較多的轉(zhuǎn)塔空間；主臍帶纜總長(zhǎng)較長(zhǎng)；各種電纜和管線的數(shù)量多。

2.2平衡式結(jié)構(gòu)

平衡式結(jié)構(gòu)如圖4所示，F(xiàn)PSO通過(guò)1條主臍帶纜與中間的井群連接，其他2個(gè)井群使用內(nèi)部臍帶纜與中間井群連接。

圖3　獨(dú)立式結(jié)構(gòu)示意

圖4　平衡式結(jié)構(gòu)示意

平衡式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： 只需要1條臍帶纜，1套懸掛裝置；主臍帶纜長(zhǎng)度最短；臍帶纜總長(zhǎng)較短。缺點(diǎn)： 遠(yuǎn)端井群的控制距離長(zhǎng)，響應(yīng)速度慢；UTA的數(shù)量較多；SDU類型不一；水下連接較多，潛在的水下泄漏點(diǎn)多；每條臍帶纜供給的井群數(shù)不一樣，都需要單獨(dú)設(shè)計(jì)截面結(jié)構(gòu)；可靠性低，主臍帶纜故障會(huì)造成3個(gè)井群的停產(chǎn)。

2.3組合式結(jié)構(gòu)

組合式結(jié)構(gòu)為獨(dú)立式結(jié)構(gòu)和平衡式結(jié)構(gòu)的組合，如圖5所示。最近的1個(gè)井群由1條主臍帶纜直接連接，其他2個(gè)井群共用1條主臍帶纜，并用內(nèi)部臍帶纜連接。

組合式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： 控制距離較短，數(shù)據(jù)更新和閥門響應(yīng)速度較快；每根主臍帶纜供給的設(shè)備較少，主臍帶纜截面積較??；臍帶纜長(zhǎng)度與獨(dú)立式相比較短。缺點(diǎn)： 與平衡式結(jié)構(gòu)相比，主臍帶纜和懸掛裝置的數(shù)量較多；SDU類型不一；2條主臍帶纜供給的水下設(shè)備數(shù)量不同，截面結(jié)構(gòu)可能不同；包含1條內(nèi)部臍帶纜，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。

2.4環(huán)形結(jié)構(gòu)

如圖6所示，環(huán)形結(jié)構(gòu)通過(guò)2根主臍帶纜連接兩端的井群，再用內(nèi)部臍帶纜與中間的井群連接，形成環(huán)形連接。

環(huán)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： 可靠性高，任何1條主臍帶纜或內(nèi)部臍帶纜故障都不會(huì)引起系統(tǒng)失效；每條臍帶纜供給的井群數(shù)量相同，具有相同的截面結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)： 臍帶纜長(zhǎng)度長(zhǎng)；每條內(nèi)部臍帶都需要具備供給2個(gè)井群的能力，因而截面積大；水下連接點(diǎn)多，潛在的泄漏點(diǎn)多；需要的UTA與SDU數(shù)量最多。

圖5　組合式結(jié)構(gòu)示意

圖6　環(huán)形結(jié)構(gòu)示意

3設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素

設(shè)計(jì)過(guò)程中，SPCS結(jié)構(gòu)的選擇，應(yīng)綜合考慮HSE、控制技術(shù)、投資以及可操作性等因素。

1) HSE方面需要考慮系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響。SPCS對(duì)環(huán)境的影響主要是液壓液和化學(xué)藥劑的泄漏，而水下連接點(diǎn)越多，泄漏的可能性越大。在本文所述的結(jié)構(gòu)中，獨(dú)立式結(jié)構(gòu)的水下連接點(diǎn)最少，環(huán)形結(jié)構(gòu)最多。

2) 技術(shù)方面應(yīng)考慮技術(shù)成熟程度、臍帶纜設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化程度、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度等。本文所述結(jié)構(gòu)中，獨(dú)立式結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于井群數(shù)量較少、主臍帶纜數(shù)量少、總長(zhǎng)短的項(xiàng)目；平衡式結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于井口區(qū)域距離依托設(shè)施較遠(yuǎn)的項(xiàng)目；環(huán)形結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于臍帶纜故障風(fēng)險(xiǎn)較大的項(xiàng)目中。臍帶纜方面，獨(dú)立式結(jié)構(gòu)只有主臍帶纜，且3條主臍帶纜的設(shè)計(jì)相同，設(shè)計(jì)過(guò)程最簡(jiǎn)單；組合式結(jié)構(gòu)有2條主臍帶纜和1條內(nèi)部臍帶纜，且2條主臍帶纜供給的井群數(shù)不同，截面結(jié)構(gòu)有差異，因而共需要設(shè)計(jì)3條臍帶纜，設(shè)計(jì)過(guò)程最為復(fù)雜。設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度方面，獨(dú)立式結(jié)構(gòu)的SDU和UTA均為同種類型；其他結(jié)構(gòu)均需要2種不同類型的SDU。

3) 投資方面主要考慮設(shè)備數(shù)量和臍帶纜長(zhǎng)度。獨(dú)立式結(jié)構(gòu)的SDU和UTA的數(shù)量最少，但臍帶纜長(zhǎng)度最多；平衡式結(jié)構(gòu)的UTA數(shù)量較多，并且在中間井群處需要1個(gè)較大型的SDU，但臍帶纜總長(zhǎng)較短，尤其是主臍帶纜少；環(huán)形結(jié)構(gòu)的設(shè)備數(shù)量最多，且需要較大型的SDU，臍帶纜長(zhǎng)度也是最長(zhǎng)的。組合式結(jié)構(gòu)的設(shè)備數(shù)量和臍帶纜長(zhǎng)度介于獨(dú)立式結(jié)構(gòu)和平衡式結(jié)構(gòu)之間。

4) 可操作性方面主要考慮響應(yīng)時(shí)間和停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。獨(dú)立式結(jié)構(gòu)每個(gè)井群有獨(dú)立的臍帶纜，且控制距離較短，響應(yīng)速度快，每條主臍帶纜的失效會(huì)引起1個(gè)井群停產(chǎn)；平衡式結(jié)構(gòu)兩端井群的控制距離長(zhǎng)，且3個(gè)井群共用1條主臍帶纜，響應(yīng)速度較獨(dú)立式慢，主臍帶纜的失效會(huì)引起3個(gè)井群停產(chǎn)，每條內(nèi)部臍帶纜的失效會(huì)引起1個(gè)井群停產(chǎn)；環(huán)形結(jié)構(gòu)由于采用了環(huán)形連接，任何1條臍帶纜的失效都不會(huì)引起停產(chǎn)；組合式結(jié)構(gòu)中，第1個(gè)井群有獨(dú)立主臍帶纜，響應(yīng)速度快，主臍帶纜故障會(huì)引起1個(gè)井群停產(chǎn)；第2個(gè)和第3個(gè)井群共用主臍帶纜，遠(yuǎn)端井群響應(yīng)較慢，主臍帶纜故障會(huì)引起2個(gè)井群停產(chǎn)，內(nèi)部臍帶纜故障會(huì)引起1個(gè)井群停產(chǎn)。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，得出結(jié)論如下：

1) 獨(dú)立式結(jié)構(gòu)控制距離短、響應(yīng)速度快、水下設(shè)備少且類型統(tǒng)一，該結(jié)構(gòu)適用于井群較少、井口區(qū)距離依托設(shè)施較近、轉(zhuǎn)塔空間充足的項(xiàng)目。

2) 平衡式結(jié)構(gòu)主臍帶纜少、總臍帶纜長(zhǎng)度短，適用于井群較為集中且距離依托設(shè)施遠(yuǎn)的項(xiàng)目。

3) 組合式結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能居于獨(dú)立式和平衡式結(jié)構(gòu)之間，適用于一部分井群集中，而與其他井群距離較遠(yuǎn)的項(xiàng)目。

4) 環(huán)形結(jié)構(gòu)具有最低的停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，但水下設(shè)備多、臍帶纜總長(zhǎng)長(zhǎng)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于臍帶纜故障風(fēng)險(xiǎn)較高的項(xiàng)目。

筆者介紹了獨(dú)立式、平衡式、組合式和環(huán)形的SPCS結(jié)構(gòu)，對(duì)比了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了SPCS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮的因素，不同的項(xiàng)目需要根據(jù)具體情況選擇不同的SPCS結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn):

[1]高原，魏會(huì)東，姜瑛，等.深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)及工藝設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)海上油氣，2014，26(04)： 84-90.

[2]王瑋，孫麗萍，白勇.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2009，24(06)： 41-45.

[3]宋琳，楊樹耕，劉寶瓏.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)備發(fā)展與研究[J].海洋開發(fā)與管理，2013(06)： 91-95.

[4]張理.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[C]//2010年度海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.廣州： 《中國(guó)造船》編輯部，2010： 197-203.

[5]International Organization for Standardization. ISO 13628-1： Petroleum and Natural Gas Industries — Design and Operation of Subsea Production Systems — Part 1： General Requirements and Recommendations[S]. Switzerland： International Organization for Standardization, 2005： 64-82.

[6]BAI Yong, BAI Qiang. Subsea Engineering Handbook[M]. Burlington： Gulf Professional Publishing, 2010： 193-195.

[7]International Organization for Standardization. ISO 13628-6： Petroleum and Natural Gas Industries — Design and Operation of Subsea Production Systems — Part 6： Subsea Production Control Systems [S]. Switzerland： International Organization for Standardization, 2006： 66-68.

[8]范亞民.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].石油機(jī)械，2012，40(07)： 45-49.

[9]張憲陣，王曉敏，張凡,等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓動(dòng)力單元液壓系統(tǒng)原理研究[J].液壓與氣動(dòng)，2014(10)： 33-45.

[10]陽(yáng)建軍.復(fù)合電液控制系統(tǒng)在流花4-1油田開發(fā)中的應(yīng)用[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013(12)： 158-159.

[11]甘宜洋,程武山,李小龍.水下生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(12)： 1412-1416.

[12]劉太元,郭宏,閆嘉鈺.基于光纖的開放式架構(gòu)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(02)： 209-211,235.

Design and Research on Subsea Production Control System Configuration

Tan Zhuangzhuang，Li Xiaorui，Zhang Fenghong

(China National Petroleum Offshore Engineering Co. Ltd., Beijing, 100028, China)

Abstracts： As an important part of subsea production system, subsea production control system (SPCS) provides functions including data acquisition, remote control, monitoring and treatment of abnormal situation. To meet requirements of safety, reliability, economy and operability, configuration design of SPCS is studied, functions and composition of SPCS are described, advantages and disadvantages of various SPCS architectures of independent, balance, combination and ring are compared, factors considered for design are analyzed. Key design points for SPCS architecture are drawn which can be used as reference in SPCS design.

Key words:deep-water oilfield development; subsea production system; subsea production control system; control system configuration

作者簡(jiǎn)介：譚壯壯(1988—)，男，山西長(zhǎng)治人，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，從事海洋石油工程儀訊設(shè)計(jì)工作，任助理工程師。

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)03-0013-05

稿件收到日期： 2015-12-25，修改稿收到日期： 2016-03-20。