適用于淺水的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)研究

呂瑞升，李 勇，劉海濤，李 菲，張 龍，何金平

(1.中海油能源發(fā)展邊際油田開發(fā)項目組 天津300457；2.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司工程設計研發(fā)中心 天津300457；3.中海油能源發(fā)展采油服務分公司 天津300452)

從20世紀80年代末開始，人們逐漸開始了深海油氣資源的勘探開發(fā)。國際上深水定義通常指200,m～1,500,m 水深的海域，超深水通常指超過1,500,m 水深的海域，淺水通常指水深不超過 200,m的海域[1]。由于某些油田群的地理位置特殊，或位于軍事區(qū)域，或距離周邊依托設施較遠，如果同樣采用“深水開發(fā)模式”進行水下控制系統(tǒng)的設計，會在油田開發(fā)的經(jīng)濟性上受阻。為降低成本，提高技術可行性。本文從水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的開發(fā)模式上進行創(chuàng)新，提出一個新的適用于淺水的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)方案，以期為淺水油田的開發(fā)提供可行性研究。

1 傳統(tǒng)深水水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)簡述

現(xiàn)在應用于深水油氣田的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要采用復合電液系統(tǒng)，典型的多井式水下復合電液控制系統(tǒng)的基本組成見圖 1，其液壓液、化學藥劑、電力、遙測信號通過復合控制臍帶纜傳輸?shù)剿驴刂茊卧?，從而實現(xiàn)對遠距離水下生產(chǎn)設施生產(chǎn)過程、維修作業(yè)的遙控。其特點是響應快，數(shù)據(jù)量大，目前最遠控制范圍≤46,mile，適用于距離長、復雜的油氣田。

圖1 電液復合控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of electro-hydraulic compound control system

一般來說，控制系統(tǒng)隨著其設備復雜性的增加，控制能力和有效范圍也有所增加，距離對控制的主要影響是液壓線的壓降造成的，液壓管線中的壓力損失為：

式中：k為比例系數(shù)；d為管線直徑；v為液壓介質(zhì)的平均流速；l為管線的長度。

在其他情況不變的條件下，壓損與液壓線的長度成正比，當距離超出一定范圍時，壓力損失過大將引起控制失效，距離較遠時也將引起控制失效[2]。

對于大于200,m水深的海域，復合電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)了真正的遠程遙測和遙控，為智能化綜合管理提供了可能。

2 淺水水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)簡述

對于某些水深小于200,m的油田群區(qū)域，如果同樣采用“深水開發(fā)模式”進行水下控制系統(tǒng)的設計，就會產(chǎn)生不必要的浪費。如果采用目前井口平臺常用的“單井控制模塊”與“臍帶纜傳輸”相結合的模式(見圖2)可能更為適用。

臍帶纜包括獨立的管線和電線，管線用于傳送化學藥劑和液壓液的供應與循環(huán)，電纜用于采油樹上儀表信號的傳輸，同時作為實現(xiàn)水下控制與上部控制系統(tǒng)通訊的介質(zhì)。通常臍帶纜中的管線和電線包括高壓液壓管線、低壓液壓管線、液壓回流管線、化學藥劑注入管線、化學藥劑預留管線、放空管線和四芯電線。

圖2 淺水水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)邏輯圖Fig.2 Logic diagram of subsea production control system in shallow water

控制系統(tǒng)主要包括水上和水下兩部分，水上部分有儀表氣過濾裝置、氣控單元、液壓單元、單井控制模塊、臍帶纜水上分線箱等；水下部分有臍帶纜水下分線箱、單井水下模塊等?？刂菩盘?、控制用電、液壓液采用單井臍帶纜的形式從組塊傳輸至水下，經(jīng)臍帶纜水下分線箱連接到各個井口的變送器和井上/井下安全閥。

控制系統(tǒng)位于水上平臺的中控室內(nèi)，通過操縱電磁導向閥和監(jiān)控水下儀表對油田水下井口進行監(jiān)視、控制及關斷。井上安全閥、井下安全閥均采用液壓控制，當發(fā)生故障時，能自動關斷井上安全閥和井下安全閥。也可以在單井控制模塊上有選擇地對每口井的井上安全閥和井下安全閥進行手動操作和控制。

水下控制模塊有與平臺中控系統(tǒng)的通信能力，能與平臺控制系統(tǒng)通信傳輸各類控制信號和關斷信號。

3 淺水水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的組成

淺水水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)分為中控室中控系統(tǒng)、水上部分(露天設備)以及水下設備三部分。中控室中控系統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)，主要負責對海上油氣田各種生產(chǎn)過程中所屬控制對象的狀況進行檢測和常規(guī)控制，以及必要的顯示和報警。應急關斷系統(tǒng)隨時監(jiān)測油氣田的生產(chǎn)過程，一旦出現(xiàn)事故的先兆性狀況，系統(tǒng)將自動執(zhí)行相應的應急關斷邏輯，避免事故擴大化或災難性事故的發(fā)生，從而有效保障海上油氣田人員、設備的安全[3]。關于中控室控制系統(tǒng)及水上部分設備的火氣監(jiān)測，則由平臺的火氣探測系統(tǒng)對設備布置區(qū)域統(tǒng)籌考慮，由平臺的火氣探測系統(tǒng)進行監(jiān)控。

3.1 中控系統(tǒng)

中控系統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)負責對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的壓力及溫度等信號進行監(jiān)測，同時控制水下閥門的開啟與關閉。應急關斷系統(tǒng)在水下生產(chǎn)系統(tǒng)壓力出現(xiàn)異常情況或緊急狀態(tài)下對單井或全部井的井上和井下安全閥進行關閉操作。

3.2 氣控單元

由儀表氣提供儀表氣源，可分為兩路：一路為液壓泵提供氣源，另一路為單井控制系統(tǒng)提供氣源。

為液壓泵提供氣源：儀表風經(jīng)儀表氣過濾裝置過濾/減壓至符合液壓泵出口液壓等級所需驅動壓力后，用來驅動 2臺氣動液壓泵(其中必須有 1臺配有手動操作手柄，以保證在儀表風系統(tǒng)故障的情況下仍能提供液壓動力)。

單井控制系統(tǒng)提供氣源：用來進行氣動邏輯控制回路的邏輯轉換和控制，并為單井手動控制按鈕提供氣源。

3.3 液壓單元

液壓控制回路是對每口井的井上安全閥、井下安全閥及套筒實施控制的液壓回路。液壓控制回路的液壓由液壓單元內(nèi)部的 2臺氣動液壓泵提供。通常液壓驅動回路的工作壓力設定為 5,000 psi左右，具體設定值要根據(jù)鉆完井提供的井下安全閥、套筒放氣閥及井下安全閥的驅動壓力要求而定。液壓油由液壓動力單元內(nèi)的液壓油油箱提供。另外，液壓單元內(nèi)應設置高壓蓄能器，蓄能器內(nèi)充氮氣，用于存儲液壓回路的高壓能量，當液壓回路中因滲漏造成較小壓力波動時，蓄能器釋放部分高壓能量，維持液壓回路壓力的相對穩(wěn)定，從而避免液壓泵的頻繁啟動。

3.4 單井控制模塊

單井控制模塊設有井上安全閥(主閥、翼閥)、井下安全閥及套筒放氣閥的旁通開關或閥，具體閥門設置最終根據(jù)采油樹要求設置。如果單井控制模塊出現(xiàn)故障，可將旁通開關或閥打到旁通的位置，即可打開井上安全閥、井下安全閥及套筒放氣閥。氣控單元輸出的儀表氣作為動力源，通過氣動控制回路實現(xiàn)對井上、井下安全閥的控制，通過氣動液壓泵提供高壓液壓源驅動井下安全閥和井上安全閥。

單井控制模塊中的關斷電磁閥為電磁三通閥，正常情況下，控制氣源通過電磁閥進入井上/井下安全閥，打開井上/井下安全閥；在故障情況下需要關井時，可接受來自中控盤的關斷信號，電磁閥失電，切斷控制氣源，泄掉井上安全閥內(nèi)的控制氣源，關閉對應的井上/井下安全閥。

3.5 臍帶纜水上分線箱

臍帶纜水上分線箱將每口井液壓液輸送管線、壓力變送器電信號、壓力溫度傳感器信號等(具體液壓管線及電信號數(shù)量視采油樹情況而定)匯入面板和臍帶纜的輸出端口。

3.6 臍帶纜

每口單井的臍帶纜包括獨立的管線和電線，管線用于傳送液壓液的供應、循環(huán)以及化學藥劑注入，電纜用于壓力變送器電信號輸送。

3.7 臍帶纜水下分線箱

來自臍帶纜水上分線箱的臍帶纜，通過水下分線箱分解為獨立的液壓管線和電纜，分別連接至水下井口的變送器和主閥、翼閥、井下安全閥等。

3.8 水下傳感器

水下傳感器安裝在采油樹、管匯、管道等多個位置。水下傳感器包括壓力、溫度、測砂等類型的傳感器。

4 結 語

目前，在我國已有多個油田、氣田投入使用深水水下控制系統(tǒng)，而淺水水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的應用還不完善，其原因在于淺水油田儲量小，應用深水水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)成本高。影響控制系統(tǒng)選擇的因素包括費用(使用壽命評估，其中涉及維護費用、控制系統(tǒng)失效導致的產(chǎn)量損失費用)、與依托設施的距離、響應時間要求和數(shù)據(jù)遙測要求[4]。本文提出的“單井控制模塊加臍帶纜”的控制模式，是一種全新的嘗試，該方案技術較成熟，可操作性強，能節(jié)省大量前期投資成本，為淺水油田的開發(fā)提供一種全新的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)應用的模式探索?！?/p>

［1］白勇.水下生產(chǎn)系統(tǒng)手冊[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2012：18.

［2］《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011：169.

［3］《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程電氣、儀控、通信設計[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011：315-316.

［4］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.石油天然氣工業(yè) 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設計與操作 GB/T 21412.6—2009[S].北京：中國標準出版社，2009：29.