水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

吳永鵬

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 湛江采油服務(wù)文昌分公司，廣東 湛江 527054)

摘要：針對(duì)開發(fā)300 m以上的深水海域，傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺(tái)開發(fā)方式已經(jīng)不適用的問題，對(duì)南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，該套水下生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)在南海使用，目前運(yùn)行情況良好。

關(guān)鍵詞：水下生產(chǎn)系統(tǒng)；水下控制系統(tǒng)；臍帶纜； 混合電液

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.007

中圖分類號(hào)：U662；P754

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0025-03

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：第一吳永鵬(1983-)，男，碩士，工程師

Abstract:The traditional jacket platform is not applicable to develop the oil and gas reserves in the more than 300 meters deep waters. The design and application of the subsea production system of a gas field in the south China sea is summarized and analyzed. This subsea production system has been used successfully in the south China sea with good operation state.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋油氣田開發(fā)工程項(xiàng)目管理

E-mail:wyp114cnooc@163.com;wuyp5@cnooc.com.cn

要開發(fā)深海資源，特別是300 m水深以下的石油天然氣資源，就得應(yīng)用新科技新技術(shù)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)是開發(fā)深水油氣田和海洋邊際油氣田的“利器”。開發(fā)300 m水深以下的油氣田若再沿用導(dǎo)管架平臺(tái)的開發(fā)方式，導(dǎo)管架的投資將非常巨大，很不經(jīng)濟(jì)；而且國(guó)內(nèi)外建造300 m以上導(dǎo)管架經(jīng)驗(yàn)很少，需要承擔(dān)極大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)無(wú)疑為中國(guó)深水油氣田開發(fā)提供了新思路。

1水下生產(chǎn)系統(tǒng)

1.1水下生產(chǎn)系統(tǒng)的組成

典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)由水下控制系統(tǒng)、水下采氣(油)樹、水下井口、臍帶纜、水下管匯、水下連接器，以及跨接管等組成。水下控制系統(tǒng)主要是控制水下閥門；水下采氣(油)樹和水下井口一起就是采氣樹的整體；臍帶纜主要是提供混合電液，打開各種閥門；水下管匯就是個(gè)中繼站，通過水下連接器和跨接管將多個(gè)井口的油氣匯聚起來(lái)送入海管。

1.2水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基本開發(fā)方式

根據(jù)具體油氣田地質(zhì)油藏特點(diǎn)和開發(fā)策略，應(yīng)用水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行海上油氣田的開發(fā)已經(jīng)形成了多種應(yīng)用模式，目前常見的5種模式如下[1]。

1)水下衛(wèi)星井產(chǎn)出油氣。從各衛(wèi)星井通過海底管線/跨接匯集到水下管匯，通過立管輸送到平臺(tái)、FPSO或經(jīng)海底管線外輸回陸地終端。

2)水下衛(wèi)星井產(chǎn)出油氣不經(jīng)管匯，直接由立管輸往浮式生產(chǎn)系統(tǒng)或平臺(tái)。

3)管匯和叢式井。分散單個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星井分別回接到海底管匯。

4)各衛(wèi)星井和叢式井的井液匯集到水下管匯外輸。

5)綜合開發(fā)模式。以上幾種開發(fā)模式混合使用。

2水下控制系統(tǒng)

2.1水下控制方式

水下控制系統(tǒng)按照水下驅(qū)動(dòng)方式，有以下3種控制方式:①直接液壓控制方式；②全電氣控制方式；③混合電液控制方式。

直接液壓控制，臍帶纜中的液壓管直接連接到采氣樹上每個(gè)閥門的執(zhí)行器上，通過按照在上部組塊的井口控制盤直接控制閥門的開關(guān)。

全電氣控制，顧名思義，此控制方式不在需要液壓動(dòng)力，閥門執(zhí)行器由原來(lái)的液壓驅(qū)動(dòng)變成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

混合電液控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的數(shù)字復(fù)合技術(shù)，在單根電纜上長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)。上行信號(hào)用于遙測(cè)大量水下數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、閥門狀態(tài)等，下行信號(hào)用于控制大量的水下電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這些電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)液壓放大驅(qū)動(dòng)液壓閥門和油嘴。所以混合電液控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測(cè)和遙控，并且該系統(tǒng)可以隨意擴(kuò)展，根據(jù)不同的水下需求和生產(chǎn)狀態(tài)連接不同的傳感和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前國(guó)際主要的水下控制系統(tǒng)是混合電液控制技術(shù)。

2.2水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備組成

水下控制系統(tǒng)包括水上的設(shè)備和水下的設(shè)備。

安裝于水上的設(shè)備包括主控制系統(tǒng)(MCS)、電源模塊(EPU)、液壓動(dòng)力單元(HPU)、上部臍帶纜終端(TUTA)。

安裝于水下的設(shè)備包括水下控制模塊(SCM)、水下臍帶纜終端(SUTU)、跨接纜(HFL & EFL)。水上與水下設(shè)備間的電氣，通信和液壓是通過一根混合了液壓管線和電纜的臍帶纜來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)和建造的第一個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)在南海某氣田成功投產(chǎn)，該設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。

該氣田3口水下生產(chǎn)系統(tǒng)都采用混合電液控制技術(shù)，整套系統(tǒng)由位于平臺(tái)上的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的上部控制模塊和水下控制模塊組成，電信號(hào)、液壓及化學(xué)藥劑通過從平臺(tái)到水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間連接的臍帶纜來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1水下生產(chǎn)系統(tǒng)控制原理

水下生產(chǎn)系統(tǒng)控制原理見圖1[2]。

圖1　水下生產(chǎn)系統(tǒng)控制原理

由圖1可見，臍帶纜是整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的命脈，對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用，是整個(gè)系統(tǒng)的生命線。通過臍帶纜可以實(shí)現(xiàn)以下主要功能。

1)開啟閥門。通過臍帶纜中的電力信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又經(jīng)過液壓放大驅(qū)動(dòng)液壓閥門來(lái)控制采氣樹上的各個(gè)閥門，包括生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥、井下安全閥、環(huán)空主閥、環(huán)空翼閥、轉(zhuǎn)換閥等不同功能的閥門。

2)電力和信號(hào)的傳輸。通過臍帶纜中的電力線，向水下電氣設(shè)備提供電源；同時(shí)臍帶纜中的信號(hào)線可以將水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝的壓力、溫度傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給水面監(jiān)控設(shè)備。

3)化學(xué)藥劑注入。氣田使用的化學(xué)藥劑主要是甲醇。化學(xué)藥劑通過臍帶纜中的化學(xué)藥劑管線分別注入到采氣樹、井下、海底管線內(nèi)。

4)緊急關(guān)斷功能。當(dāng)平臺(tái)MCS發(fā)出緊急關(guān)斷指令時(shí)，信號(hào)通過臍帶纜中的信號(hào)線將指令信號(hào)傳輸給水下的SCM來(lái)關(guān)斷水下井口設(shè)備；當(dāng)水下井口發(fā)生緊急關(guān)斷時(shí)，就會(huì)將報(bào)警和關(guān)斷信號(hào)傳輸給平臺(tái)MCS，MCS將信號(hào)傳輸給中控室。

3.2該氣口水下控制系統(tǒng)

該氣田投產(chǎn)使用的水下采氣樹由以下主要設(shè)備組成：水下控制模塊(SCM)、主控制站(MCS)、臍帶纜終端分水上和水下(TUTA/SUTU)；液壓動(dòng)力單元(HPU)、電力動(dòng)力單元(EPU)。

3.2.1主控制站(MCS)

MCS作為主控制站一般安裝在平臺(tái)或者其他水面設(shè)備上，是整個(gè)水下控制系統(tǒng)的大腦，相當(dāng)于平臺(tái)上的中控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、報(bào)警及緊急關(guān)斷等功能。MCS的控制形式一般根據(jù)業(yè)主的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。該氣田MCS有以IPC為主控制，也有 PLC和Delta V為主控制的共三種控制形式，不論哪種主控制形式，其都實(shí)現(xiàn)控制水下采氣樹閥門；控制氣嘴的開度；井下安全閥的開啟和關(guān)斷；監(jiān)控水下壓力和溫度傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；監(jiān)控HPU的壓力、液位及馬達(dá)的狀態(tài)信息；監(jiān)控EPU的絕緣、電流和電壓值；在MCS上修改并設(shè)置一些參數(shù)；實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程控制的功能；MCS高級(jí)模式下應(yīng)該具有自檢和自診斷功能。

3.2.2電力動(dòng)力單元(EPU)

EPU的主要作用就是向水下控制模塊(SCM)提供其所需的電力，使SCM得以維持正常工作。由于SCM往往距離EPU有幾km，甚至幾十km，上百km，這么長(zhǎng)的距離將造成很大的電壓降，所以EPU向SCM提供電力前，需要把平臺(tái)UPS輸入的220 V電進(jìn)行升壓處理，以滿足遠(yuǎn)距離外的SCM最小工作電壓的要求。

EPU的設(shè)計(jì)需考慮兩大問題，EPU的輸出功率和輸出電壓。這兩個(gè)問題必須根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，經(jīng)專業(yè)單位進(jìn)行電力分析后方可決定。

3.2.3液壓動(dòng)力單元(HPU)

HPU的作用就是提供高、低壓液壓液，為井底安全閥和水下采氣樹上所有閥門的開啟提供液壓動(dòng)力。在本地控制模式下，HPU上自帶PLC控制單元，對(duì)照輸出壓力設(shè)定值和實(shí)際輸出壓力進(jìn)行閉環(huán)壓力控制，通過控制液壓泵的起停，使輸出壓力維持在設(shè)定的壓力輸出范圍內(nèi)。根據(jù)項(xiàng)目的情況進(jìn)行壓力設(shè)置，該項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)參數(shù)：低壓出口壓力為20.67 MPa(3 000 psi)；高壓出口壓力為37.895 MPa(5 500 psi)。

HPU的儲(chǔ)罐容量各項(xiàng)目有差異，要經(jīng)過液壓分析得出。主要考慮臍帶纜的長(zhǎng)度，臍帶纜越長(zhǎng)，儲(chǔ)罐容量要求越大；要考慮臍帶纜的材質(zhì)，熱塑管臍帶纜要求儲(chǔ)罐容量的大小要比鋼管臍帶纜的大，因?yàn)闊崴芄芘蛎浵禂?shù)比鋼管臍帶纜的大，同樣內(nèi)徑要求臍帶纜，熱塑管要注入更多的液壓油以抵消其膨脹消耗。

3.2.4臍帶纜終端分水上和水下(TUTA/SUTU)

TUTA承擔(dān)“中繼站”的角色，用于把HPU液壓輸出管線、甲醇注入管線、MCS信號(hào)電纜和EPU動(dòng)力電纜集中起來(lái)與臍帶纜里相對(duì)應(yīng)的液壓管線，甲醇注入管線，信號(hào)電纜，動(dòng)力電纜相連接。同時(shí)監(jiān)測(cè)臍帶纜里液壓管線和甲醇注入管線的壓力。

SUTU作用主要是將電力、通信信號(hào)、液壓油和甲醇進(jìn)行分配。SUTU通常放置于海床上，把臍帶纜里的電力、通信、液壓油和甲醇按要求分配給各水下采氣樹。使得采氣樹能正常工作。

3.2.5水下控制模塊(SCM)

概括來(lái)說(shuō)SCM有兩大功能：執(zhí)行MCS的控制指令；向MCS反饋各類監(jiān)測(cè)信息。SCM安裝在水下采氣樹上，執(zhí)行MCS下達(dá)開閥，關(guān)閥，調(diào)節(jié)氣嘴的開度指令。反饋?zhàn)陨硭@得各種監(jiān)測(cè)信息，包括采氣樹上閥門的開度，生產(chǎn)管線上溫度壓力值，電磁閥液壓回路的壓力值，輸入電壓、電流值，輸出電壓、電流值，電源模塊的狀態(tài)值，Modem的狀態(tài)值，AI卡件的狀態(tài)值，RS485串口卡件的狀態(tài)值，電磁閥驅(qū)動(dòng)卡件的狀態(tài)值，等。

SCM是混合電液控制方式。實(shí)際上SCM有兩大核心部件：水下電子模塊(SEM)和電磁閥。他們之間的工作流程為：平臺(tái)上的MCS向水下的SCM發(fā)送指令，實(shí)際是SCM中SEM接收該指令，指令經(jīng)SEM里的Modem解碼后交CPU處理，處理完成后按照指令控制電磁閥。使電流激勵(lì)電磁閥里的線圈，導(dǎo)通或者關(guān)閉液壓回路。而由于每個(gè)電磁閥對(duì)應(yīng)于一個(gè)采氣樹上的閥門，液壓回路的導(dǎo)通或者關(guān)閉將引起液壓動(dòng)力的供給或泄放。閥門的設(shè)計(jì)是失效安全型，液壓動(dòng)力供給時(shí)閥門打開，液壓動(dòng)力泄放時(shí)閥門關(guān)閉。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采氣樹上閥門的控制[3]。

4結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)基本上掌握在Cameron、FMC、GE Vetco Gray、Aker Solutions、Dril-Quip及Weatherford這幾家國(guó)外公司手中，市場(chǎng)和技術(shù)處于壟斷之中。我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)水平存在很大的差異，需要深入研究并實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。該項(xiàng)目是我國(guó)第一次設(shè)計(jì)和建造，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用的有益嘗試。

參考文獻(xiàn)

[1] 王建文，楊思明.淺談水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)模式和工程設(shè)計(jì)[C]∥第十五屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2011.2.

[2] 英奇·波爾登.水下控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化[C].第八屆國(guó)際水下技術(shù)會(huì)議，1994.3.中海油平臺(tái)，1996：109-113.

[3] 中海石油總公司.崖城13-4項(xiàng)目ODP報(bào)告[R].北京：中海油研究總院，2010.

Design and Application of the Subsea Production System

WU Yong-peng

(OPSC Wenchang Branch, CNOOC Energy Technology & Services Ltd., Zhangjiang Guangdong 524057, China)

Key words: subsea production system; subsea control system; umbilical; mix electro-hydraulic