深水氣田水下采油樹控制系統(tǒng)選型與設(shè)計

徐斐 孟文波 唐咸弟 肖譚 姜志晨 高永海

摘? 要：水下采油樹是海洋深水油氣開發(fā)的核心設(shè)備，水下采油樹控制系統(tǒng)是采油樹控制水下油氣田正常生產(chǎn)的重要部分，它的正確選型與設(shè)計對采油樹的長期安全工作有重要意義，針對我國南海超深水高產(chǎn)氣田陵水17-2氣田的開發(fā)特點和難點，選擇適合氣田自身特性的采油樹控制系統(tǒng)對降低深水油氣開發(fā)項目的綜合成本至關(guān)重要。通過現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)和生產(chǎn)參數(shù)給出了采油樹材料等級、壓力等級、溫度等級等關(guān)鍵工作條件參數(shù)等級，推薦出了適合LS17-2氣田環(huán)境的水下采油樹通信方式、水下動力系統(tǒng)、水下監(jiān)測系統(tǒng)等控制系統(tǒng)的選型。設(shè)計了陵水17-2深水氣田開發(fā)的水下采油樹P&ID圖，進(jìn)行了閥門和執(zhí)行機構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)傳感器測點和類型的選擇和設(shè)計，本文的研究結(jié)果對深水氣田水下采油樹的控制系統(tǒng)的選型及設(shè)計有的參考意義。

關(guān)鍵詞：水下采油樹? 控制系統(tǒng)? 功能要求? 分析與比選? P&ID設(shè)計與分析

中圖分類號：TE952? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0039-06

Abstract： Subsea tree is the core equipment of Marine deep water oil and gas development， subsea tree control system is an important part of the tree control underwater normal production of oil and gas fields， the correct selection and design of tree long-term security job is important， for the ultra deep waters of the south China sea high-yield field lingshui 17-2 gas field development characteristics and difficulties， the selection tree control system which is suitable for field its own characteristics to reduce the comprehensive cost of the deepwater oil and gas development project is very important. Based on the field environmental parameters and production parameters， the key working condition parameters such as tree material level， pressure level and temperature level are given， and the selection of control systems such as subsea tree communication mode， subsea power system and subsea monitoring system suitable for LS17-2 gas field environment is recommended. Designed the underwater tree P&ID chart of The development of Ling Shui 17-2 deep water gas field， conducted the selection and design of valve and actuator， sensor measuring point and type of monitoring system， the research results of this paper have some reference significance for the selection and design of the control system of underwater tree of deep water gas field.

Key Words： Subsea tree; Control system; Functional requirements; Analysis and comparison; P&ID design and analysis

隨著各大石油公司對深水油氣資源的勘探開采，水下生產(chǎn)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用[1]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括水下井口、水下采油樹、管匯、跨接管、水下控制系統(tǒng)、臍帶纜和海底管線等[2]。水下采油樹控制系統(tǒng)的功能主要包括與水面主控站MCS（Master Control Station）通信，處理和執(zhí)行來自MCS的控制指令，測量和采集水下采油樹工作狀態(tài)，測量和采集水下控制系統(tǒng)工作狀態(tài)，在ESD工況下執(zhí)行來自水上或水下的緊急關(guān)斷指令。

陵水17-2氣田是我國南海第一個自營超深水高產(chǎn)氣田，針對油田自身的特性選擇合適的采油樹控制系統(tǒng)對降低深水油氣開發(fā)項目的綜合成本至關(guān)重要。本文針對LS17-2氣田的環(huán)境參數(shù)選擇合適的水下采油樹控制系統(tǒng)、主要控制方式、水下通信方式、水下動力系統(tǒng)選型、水下閥門及其執(zhí)行機構(gòu)選型析、水下監(jiān)測系統(tǒng)選型及水下控制模塊選型方面進(jìn)行了分析與比選，最終設(shè)計出適合陵水17-2氣田開發(fā)的深水水下采油樹控制系統(tǒng)，并對其P&ID圖進(jìn)行了設(shè)計分析。

1? 基于陵水17-2氣田的水下采油樹控制系統(tǒng)選型分析

1.1 LS17-2氣田參數(shù)

LS17-2氣田位于中國南海，水深為1220～1560m，LS17-2氣田產(chǎn)區(qū)有11口井，東西跨度約50km。氣田投產(chǎn)后地層壓力將會逐漸降低，投產(chǎn)后第一年地層壓力（初始地層壓力）見表1。另外陵水17-2氣田11口井的地層溫度為原始?xì)獠販囟葹?6℃～95.5℃。

1.2 水下控制方式選型分析

水下采油樹控制系統(tǒng)的控制方式主要有直接液壓控制、先導(dǎo)液壓控制、順序液壓控制、先導(dǎo)電液控制、復(fù)合電液控制[3，4]。

（1）直接液壓控制系統(tǒng)。

直接液壓控制系統(tǒng)的每個功能都由單獨的液壓管線控制，測控系統(tǒng)位于生產(chǎn)平臺上，水上液壓動力單元通過液壓管線直接與水下閥門執(zhí)行機構(gòu)相連。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單可靠、應(yīng)用廣泛、適用于單井短距離的小型油田，缺點是控制距離長時，反應(yīng)時間慢。

（2）先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)。

先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)一般只配有先導(dǎo)液壓閥，無水下電子模塊。水上測控系統(tǒng)通過每個水下檢測裝置的獨立通信電纜采集測量信號，水上的液壓控制信號僅用于提供切換水下先導(dǎo)閥的壓力。其優(yōu)點是反應(yīng)時間相對短，可以延長水下設(shè)備與依托設(shè)施之間的容許距離，缺點是需要水下先導(dǎo)閥和水下蓄能器，所以增加了水下設(shè)備的安裝和維修費用。

（3）順序液壓控制系統(tǒng)。

順序液壓控制系統(tǒng)是在先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，每個控制功能不需要獨立的液壓管線控制。其優(yōu)點是水上與水下控制裝置之間只有液壓導(dǎo)向管和液壓供給管，減少了軟管束的重量與成本，節(jié)省水下安裝費用。缺點是水下增加一個順序閥，增加了水下裝置費用，水下閥門的開啟順序是預(yù)先確定的，不便于不同順序開啟水下閥門。

（4）先導(dǎo)電液控制系統(tǒng)。

先導(dǎo)電液控制系統(tǒng)需要系統(tǒng)附加一個電控臍帶纜，或在液壓控制/化學(xué)藥劑注入臍帶纜之中加入電纜。電子控制模塊位于水上，主要功能是發(fā)出控制指令，控制指令通過臍帶纜傳送到水下的電信號與液壓轉(zhuǎn)換閥，從而實現(xiàn)對水下采油樹的生產(chǎn)控制。其優(yōu)點是采用電磁閥代替水下液壓先導(dǎo)閥，控制指令響應(yīng)時間短，控制距離增加。缺點是設(shè)備增多，水上水下通訊之間增加了電纜。

（5）復(fù)合電液控制系統(tǒng)。

復(fù)合電液控制系統(tǒng)通過編碼、經(jīng)一對導(dǎo)線將電信號傳輸?shù)揭粋€或多個水下電子模塊上。平臺與水下通信和電力供給可經(jīng)獨立的電纜，也可將通信信號加載到動力電纜上，以減少臍帶纜上的導(dǎo)線總數(shù)其優(yōu)點是反應(yīng)時間短，具有遠(yuǎn)程測控功能[5-6]，水下采油過程中的溫度、壓力等參數(shù)可以通過光纖或電力載波通信傳輸?shù)剿稀Ｈ秉c是水下控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝維護(hù)成本高。綜合以上水下采油樹控制系統(tǒng)的控制方式，對陵水17-2氣田的水下采油樹控制方式進(jìn)行推薦。復(fù)合電液控制在可靠性和響應(yīng)速度等方面較其它方式具有明顯優(yōu)勢，對于陵水17-2氣田，井口分布廣、距離長、水下生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，復(fù)合電液控制系統(tǒng)更加適合。

1.3 水下通信方式選型分析

水下采油樹控制系統(tǒng)的通信主要包括：水下控制模塊和水上控制系統(tǒng)的通信、水下控制模塊和檢測裝置的通信、水上控制系統(tǒng)各模塊之間的通信。它們之間的通信可以通過臍帶纜的電力供給線采用載波技術(shù)實現(xiàn)，或通過專門的通信介質(zhì)（如光纖）實現(xiàn)[7-8]。

1.3.1 水下控制模塊與水上控制系統(tǒng)通信

水上控制系統(tǒng)與采油樹的水下控制模塊之間的主流有線通信方式包括電力載波通信、光纖通信和數(shù)字用戶線路通信。

（1）電力線載波通信。

電力線載波通信是采用電力線傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式，它將載有信息的高頻信號加載到電力線上，用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)點是無需重新布線，利用現(xiàn)有的電力線路即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，成本低。缺點是傳輸距離短，衰減較大，抗干擾能力不好。

（2）光纖通信。

光纖通信是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。優(yōu)點是容許頻帶寬，傳輸容量大，適用于干線傳輸，抗干擾能力強，保密性好，衰減損耗小，中繼距離長、誤碼率小，重量輕、體積小。缺點是布線繁瑣，需要大量人力物力，擴展性一般，施工難度大，移動性差，設(shè)備成本一般，但安裝成本稍高，維護(hù)成本高。

（3）數(shù)字用戶線路通信。

數(shù)字用戶線路通信是利用普通電話線（雙絞銅線）來提供寬帶服務(wù)。它是一種端到端的技術(shù)，在兩條雙絞線上提供單工數(shù)字傳輸，信號不需要進(jìn)行模擬和數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換。優(yōu)點是通信速率較快，價格相比光纖便宜很多，具有多種方式可選擇。缺點是抗干擾能力較差，通信距離較短，環(huán)境適應(yīng)能力較差，用于水下通信時需要特殊設(shè)計，更多用于中短距離通信。

由于以上各通信方式均有各自明顯的優(yōu)缺點，將二者或多者組合的通信方式逐漸受到關(guān)注并被廣泛應(yīng)用，比如“光纖+電力載波”、“光纖+數(shù)字用戶線路通信”等方式。對水下控制模塊與水上控制系統(tǒng)通信方式進(jìn)行推薦，陵水17-2氣田通訊距離長，區(qū)塊分散，東西49.4km，南北30.4km，需要滿足11口井采油樹的通信，同時需要滿足其快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性等相關(guān)要求。通過對各種通信方案的選擇，結(jié)合氣田特征，推薦采用分布式光纖/數(shù)字用戶線路通信方式。

1.3.2 水下控制模塊與檢測裝置通信

水下控制模塊和水下采油樹檢測裝置的通信，也就是將各個檢測點的傳感器信號傳入水下控制模塊內(nèi)部[9]。信號檢測裝置接口有兩種，一種是模擬方式傳輸信息，即電壓或電流與信號值成正比，電線中的電壓或電流是載體，通過電壓或電流值傳輸信息;另一種則是數(shù)字方式，模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，即由1、0組成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位序列，載體是用于傳輸數(shù)據(jù)的電子方法?？紤]到該兩種信號采集方法的優(yōu)缺點，推薦采用混合接線方案，即重要的信號單獨用4～20mA采集，其他信號采用冗余的總線形式采集。重要信號中的部分信號公共端共用同一條線，以減少信號線數(shù)量，提高通信系統(tǒng)的可靠性?；旌辖泳€方案結(jié)合了多線制方案和總線方案的優(yōu)點，將信號按照重要等級劃分，保證重要信號的實時采集和單獨傳輸，以及總體較高的可靠性和簡單的接口。

1.4 水下動力系統(tǒng)選型分析

水下動力單元是水下采油樹控制系統(tǒng)的動力源，它主要包括電力供給單元（Electrical Power Unit，EPU）和液壓動力單元（Hydraulic Power Unit，HPU）[10]。圖1是水下控制系統(tǒng)的動力供給示意圖。

（1）水下電力系統(tǒng)選型分析。

水下采油樹電力系統(tǒng)的動力來自水上的電力單元。電力單元為水下采油樹上所有的水下電子模塊、不間斷電源、傳感器等電力元件提供電力。來自于水上的力主要通過臍帶纜內(nèi)部的輸送管線傳輸至水下。長距離供電傳輸通常采用高壓供電，高壓供電能顯著降低通電線路上的功率損耗。主要供電方式有直流和交流兩種。對于陵水氣田需求，井口分布較廣且距離較遠(yuǎn)，供電所需電纜長，故使用高壓直流供電方式更為合適。

（2）水下液壓系統(tǒng)選型分析。

水下采油樹液壓控制系統(tǒng)需安全可靠的控制采油樹閥門及井下安全閥的開啟和關(guān)閉。液壓控制系統(tǒng)的主要組成部分有：水面液壓動力站、臍帶纜、水下分配單元、水下控制模塊及執(zhí)行機構(gòu)。水面液壓動力站為水下液壓系統(tǒng)提供液壓油及液壓驅(qū)動動力，經(jīng)過臍帶纜傳遞到通常位于水下臍帶纜終端單元的水下分配單元，水下分配單元將液壓油通過內(nèi)部臍帶纜分配到臍帶纜終端總成，再進(jìn)行電、液、信號的分離，通過液壓飛線HFL（Hydraulic Flying Lead）將高/低壓液壓油輸送至水下控制模塊內(nèi)，供水下控制模塊內(nèi)部液壓控制元件根據(jù)采油樹的具體工況使用。

1.5 水下閥門及其執(zhí)行機構(gòu)選型分析

根據(jù)閥門的工作介質(zhì)不同，水下采油樹上的閥門可以分為生產(chǎn)控制閥門、化學(xué)藥劑注入控制閥門等。根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)形式不同，水下采油樹上的閥門又可以分為閘閥、球閥、調(diào)節(jié)閥和單向閥，其中單向閥又稱止回閥。水下執(zhí)行機構(gòu)用于控制水下采油樹的各種閥門（見表2）。對于閘閥和球閥只需要執(zhí)行機構(gòu)控制其全開或全關(guān);對于調(diào)節(jié)閥需要執(zhí)行機構(gòu)可以連續(xù)調(diào)節(jié)閥門的開度，從而控制流體的流量。

1.6 水下監(jiān)測系統(tǒng)選型分析

通過水下采油樹上的傳感器可以采集水下生產(chǎn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息，它主要用于測量水下采油樹的工作參數(shù)，并將參數(shù)信息變送給水下控制模塊。水下油氣生產(chǎn)過程中需要測量的信息包括：水下采油樹油氣出口壓力、水下采油樹油氣出口溫度、井下油套管環(huán)空壓力、水下采油樹節(jié)流閥開度、出油氣管線含砂量、井下溫度壓力、液壓供給壓力、液壓回油壓力、水下電子模塊供電電壓、水下電子模塊工作電流、水下控制模塊內(nèi)部溫度及壓力等。根據(jù)水下生產(chǎn)所需監(jiān)測的信號種類，可能需要以下功能的傳感器：壓力傳感器、溫度傳感器、水下流量計（壓差傳感器）、位置傳感器、泄露檢測傳感器、沙探測器、閥門狀態(tài)傳感器、水下電子模塊內(nèi)部液壓傳感器等。

2? 水下控制系統(tǒng)P&ID設(shè)計與分析

水下控制系統(tǒng)P&ID（Piping and instrumentation diagram）圖是進(jìn)行水下控制系統(tǒng)設(shè)計選型的關(guān)鍵，整個流程圖需要根據(jù)具體的工藝流程進(jìn)行設(shè)計，再據(jù)此進(jìn)行閥門和執(zhí)行機構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)傳感器測點和類型的選擇和設(shè)計[11-12]。

2.1 閥門設(shè)置

對閥門的要求為適用水深2000m，溫度級別為U級（-18～121℃），料等級：HH級，生產(chǎn)閥門通徑5-1/8寸，環(huán)空閥門通徑2-1/16寸。對其執(zhí)行機構(gòu)要求為操作壓力低壓5000psi，高壓10000psi，完成閥門動作的時間不超過3min，滿足過程關(guān)斷（PSD）或者緊急關(guān)斷（ESD）的要求，具有機構(gòu)位置指示，可由水下機器人進(jìn)行操控[13-15]。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)傳感器設(shè)置

對水下采油樹樹體上的監(jiān)測測點進(jìn)行了設(shè)計，具備環(huán)空、及生產(chǎn)通道溫度壓力監(jiān)測，備油嘴下游溫度壓力監(jiān)測，并設(shè)置了沖蝕監(jiān)測裝置，設(shè)置了濕式氣體流量計、出砂監(jiān)測裝置，均為可回收式。據(jù)工藝和控制需要，主要的傳感器設(shè)置需求如表3所示。

2.3 生產(chǎn)通道及化學(xué)藥劑注入通道

設(shè)計水下采油樹主通道為5-1/8寸，主閥、翼閥、油嘴、生產(chǎn)隔離閥，環(huán)空通道為2-1/16寸，包含主閥、翼閥、環(huán)空進(jìn)入閥、轉(zhuǎn)換閥，生產(chǎn)期間通過1寸vent管線泄壓，或通過AAV、XOV泄壓至管匯。具備井下防垢劑、甲醇注入功能，同時具備油嘴后乙二醇及防腐劑注入功能，井下防垢劑注入管線尺寸為3/8寸，A2井井下甲醇注入管線尺寸調(diào)整為1/2寸，其余井井下甲醇注入管線尺寸保持3/8寸[16]。

2.4 SCM及MQC接口設(shè)計

控制P&ID圖中也對水下控制模塊的線路進(jìn)行了設(shè)計，主要包括液壓線路和電力信號線路，完成控制模塊的閥門控制和信號采集。水下多功能快速接頭（Multi Quick Connector，MQC）用來在水下同時連接多個接頭的裝置。根據(jù)流動保障及完井管柱設(shè)計結(jié)果，井下安全閥、智能滑套的操作壓力，以及化學(xué)藥劑注入閥的注入壓力均不超過10000psi。本次設(shè)計SCM提供了10000psi高壓及5000psi低壓液壓源，雙冗余，生產(chǎn)與完修井MQC分開，完修井期間也可以通過SCM控制，保證作業(yè)安全[17]。

根據(jù)以上設(shè)計，得到最終的P&ID如圖2所示針對正常生產(chǎn)流程和完井期間功能需求，內(nèi)容包含了閥門位置、類型及操作方式（圖中a模塊），檢測系統(tǒng)包含了測點設(shè)置、傳感器類型（圖中b模塊），SCM包含了液壓分配、閥門控制、傳感器信號（圖中c模塊），以及生產(chǎn)接口和修井干預(yù)接口（圖中d模塊），很好滿足完井及生產(chǎn)控制工藝流程，取得了良好效果[18-19]。

3? 結(jié)論

（1）分析總結(jié)了國外主要采油樹生產(chǎn)商的水下采油樹控制模塊產(chǎn)品及其性能參數(shù)，對其優(yōu)缺點及適應(yīng)性進(jìn)行了分析，結(jié)合陵水17-2氣田開發(fā)特點及難點，確定了陵水17-2氣田采用復(fù)合電液控制系統(tǒng)的方案。

（2）針對LS17-2氣田環(huán)境參數(shù)和生產(chǎn)參數(shù)給出了采油樹材料等級、壓力等級、溫度等級等關(guān)鍵工作條件參數(shù)等級，并推薦出了適合LS17-2氣田環(huán)境的水下采油樹通信方式、水下動力系統(tǒng)、水下監(jiān)測系統(tǒng)、閥門及其執(zhí)行機構(gòu)等控制系統(tǒng)的選型。

（3）根據(jù)推薦的水下采油樹控制系統(tǒng)選型，設(shè)計了陵水17-2深水氣田開發(fā)的水下采油樹P&ID圖，并進(jìn)行了閥門和執(zhí)行機構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)傳感器測點和類型的選擇和設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[1] 高原，魏會東，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[J].中國海上油氣，2014，26（4）：84-90.

[2] 劉太元，霍成索，李清平，等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)在我國南海深水油氣田開發(fā)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J]. 中國工程科學(xué)，2015，17（1）：51-55.

[3] 冒家友，陽建軍，王運.流花4-1油田水下復(fù)合電液控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].中國海上油氣，2014，26（3）：111-114.

[4] 朱高磊，趙宏林，段夢蘭，等.水下采油樹控制模塊設(shè)計要素分析[J].石油礦場機械，2013， 42（10）：1-6.

[5] 孫傳軒，樊春明，劉啟蒙，等.海洋500 m水深水下立式采油樹設(shè)計開發(fā)[J].石油機械，2018， 46（4）：30-34.

[6] 李光飛，李磊，劉文霄，等.水下采油樹復(fù)合電液控制系統(tǒng)仿真研究[J].石油機械，2017，45（2）： 54-58.

[7] 雒曉康.南海深水水下井口與采油樹應(yīng)用技術(shù)研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2014.

[8] American Petroleum Institute. API Spec 17D. Design and operation of subsea production systems： subsea wellhead and tree equipment [S].2011.

[9] American Petroleum Institute. API Spec 6A. Specification for wellhead and Christmas tree equipment [S].2010.

[10] ISO 13628-4， 1999. Petroleum and natural gas industries-Design and Operation of Subsea Production System- Part 4： Subsea Wellhead and Tree Equipment.

[11] ISO 10423， Petroleum and natural gas industries- Driling and production equipment - Wellhead and Christmas tree equipment.2003.

[12] 袁曉兵，陳國明，范紅艷，等.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的水下采油樹系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測[J].中國海上油氣，2020，32（4）：171-178.

[13] Ocean Research; Researchers at China University of Petroleum Release New Data on Ocean Research （A Dynamic Bayesian Network Based Methodology for Fault Diagnosis of Subsea Christmas Tree）[J]. Energy & Ecology，2020.

[14] 朱元坤.水下立式采油樹系統(tǒng)可靠性分析研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2018.

[15] 率鵬.水下機器人在海洋石油工程中的應(yīng)用[J].石油和化工設(shè)備，2019，22（5）：63-65.

[16] 李博.水下采油樹的結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析[D].大慶：東北石油大學(xué)，2016.

[17] 張長齊.水下采油樹電液復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2016.

[18] 張長齊，黃魯蒙，李富平，等.水下采油樹電液復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計[J].石油礦場機械，2017，46（5）：20-28.

[19] 馬銀銀.淺談智能P&ID軟件在海洋石油某平臺設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2019，39（8）：183-184.