深水SCM液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析及樣機(jī)測(cè)試*

鐘朝廷 王賀猛 張 磊 劉華建 陳 斌

劉立新1 劉海軍2 譚 瑞2 吳進(jìn)濤2

(1.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451； 2.重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司 重慶 401121)

近年來(lái)，全球海上油氣開發(fā)項(xiàng)目中水深超過(guò)500 m的深水項(xiàng)目占48%，水深超過(guò)1 500 m的超深水項(xiàng)目占22%，深海油氣已成為未來(lái)油氣資源爭(zhēng)奪的主戰(zhàn)場(chǎng)[1-3]。液壓技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋石油的開采和傳輸[4-6]，但在國(guó)內(nèi)深海的鉆探、開采和集輸是一個(gè)較新的領(lǐng)域，許多關(guān)鍵技術(shù)還掌握在國(guó)外少數(shù)幾家大公司的手中。水下控制模塊(Subsea Control Module，SCM)是水下控制系統(tǒng)的核心，可用于在水上和水下設(shè)備之間接收和傳送數(shù)據(jù)，工程師通過(guò)對(duì)溫度、壓力等數(shù)據(jù)檢測(cè)可以了解水下生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行情況[7]。目前國(guó)內(nèi)深水油田使用的SCM均從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴且有技術(shù)壁壘，因此SCM的國(guó)產(chǎn)化研究具有十分重要的意義[8]。

目前市場(chǎng)上水下控制系統(tǒng)以電液控制系統(tǒng)為主，而所有電液控制系統(tǒng)中以復(fù)合電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛[9-10]，因此SCM的國(guó)產(chǎn)化研究應(yīng)以復(fù)合電液控制系統(tǒng)為主要方向。復(fù)合電液控制系統(tǒng)主要由HPU(液壓動(dòng)力單元)、SDU(水下液壓分配單元)、臍帶纜和SCM組成。在SCM中，液壓系統(tǒng)是“肢體”，電氣系統(tǒng)是“大腦及神經(jīng)”，二者均是不可或缺的部分。本文以SCM液壓系統(tǒng)作為研究對(duì)象，利用Simulation X軟件按照設(shè)計(jì)出的原理圖建立了水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行了仿真分析，研究了閥門操作時(shí)間及單個(gè)閥門開啟對(duì)其余閥門狀態(tài)的影響；制造了SCM工程樣機(jī)，開展了工程樣機(jī)的功能測(cè)試及高壓艙測(cè)試，為將來(lái)整個(gè)SCM的研究及工程應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 SCM液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SCM所服役的目標(biāo)油田位于南海西部，水深500 m，控制平臺(tái)與水下采油樹之間的臍帶纜長(zhǎng)度約為24 km，管線內(nèi)徑12.7 mm；SCM工作環(huán)境溫度范圍0～40 ℃，目標(biāo)油田采油樹要求配套的SCM液壓系統(tǒng)至少具備1路69 MPa液壓輸入、4路69 MPa液壓輸出、1路34.5 MPa液壓輸入和11路34.5 MPa液壓輸出。結(jié)合SCM液壓系統(tǒng)的主要功能要求，將內(nèi)部液壓系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、供油回路、蓄能器回路、壓力輸出回路、回油回路、壓力平衡裝置等部分(圖1)。

1.1 數(shù)據(jù)采集

水下環(huán)境中需要通過(guò)SCM實(shí)現(xiàn)對(duì)采油樹的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此在設(shè)計(jì)SCM時(shí)需要加入相應(yīng)的電子、液壓元器件，如壓力傳感器、溫度傳感器的信號(hào)采集裝置及流量計(jì)等。本研究中在供油回路、蓄能器回路、壓力輸出回路等回路中均設(shè)計(jì)有壓力傳感器，對(duì)平臺(tái)中控系統(tǒng)SCM及采油樹上各閥門控制回路壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在輸出回路和回油回路上設(shè)計(jì)了流量計(jì)，通過(guò)對(duì)流量計(jì)和壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出相應(yīng)閥門的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 SCM液壓系統(tǒng)功能組成Fig.1 Functional component of SCM hydraulic system

1.2 供油回路

受限于特殊的工作環(huán)境，SCM的維修難度大、成本高，故本研究中高壓供油和低壓供油回路采用“一用一備”原則，從而提高系統(tǒng)操作穩(wěn)定性，減少SCM的維修次數(shù)，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。

本研究每一供油回路包括3條支路，如圖2所示，支路1設(shè)置過(guò)濾器和單向閥，支路2和支路3設(shè)置單向閥。正常情況下，液壓油從支路1通過(guò)。在過(guò)濾器堵塞且兩端積累一定壓差的情況下，液壓油經(jīng)支路2輸入到系統(tǒng)，維持采油樹的正常生產(chǎn)狀態(tài)，防止意外關(guān)井發(fā)生。在采油樹液壓飛線(HFL)斷開的情況，液壓油經(jīng)支路3排到海水，使得水下油氣生產(chǎn)安全停產(chǎn)，因此支路3可稱為安全支路。

圖2 SCM供油回路示意圖Fig.2 Diagram of SCM oil supply circuit

1.3 蓄能器回路

蓄能器主要為水下采油樹閥門操作提供連續(xù)動(dòng)力，在系統(tǒng)中具有泄漏補(bǔ)償、吸收操作過(guò)程中油液對(duì)閥門的沖擊及使用過(guò)程中管路壓力波動(dòng)的作用，對(duì)其進(jìn)行冗余配置可以提高閥門開啟過(guò)程的穩(wěn)定性和系統(tǒng)可靠性。本研究結(jié)合SCM內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某品牌蓄能器選型資料確定了2組選型配置方案，如表1所示。后續(xù)通過(guò)仿真分析將對(duì)蓄能器的配置進(jìn)行校驗(yàn)，以確定蓄能器的最終配置方案。

表1 SCM蓄能器配置方案Table 1 Configuration of SCM accumulator

1.4 壓力輸出回路

按照系統(tǒng)最低要求，設(shè)計(jì)4路高壓輸出和11路低壓輸出,每路輸出回路上設(shè)計(jì)安裝1個(gè)某知名品牌電磁閥，平臺(tái)中控系統(tǒng)可以控制此電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)水下閥門的開啟和關(guān)閉，提高油田的智能化水平。該電磁閥為板式安裝、雙線圈驅(qū)動(dòng)，自帶液壓自鎖功能，一定程度上解決了SCM內(nèi)部安裝空間有限及安裝維護(hù)不便的問(wèn)題，并大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.5 回油回路

回油回路設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下問(wèn)題：①回油管可能存在瞬間高壓，須考慮SCM內(nèi)部液壓元器件的保護(hù)；②油田遇到緊急情況時(shí)通常需要在較短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉采油樹閥門，須考慮關(guān)閥過(guò)程中液壓油的泄放速度問(wèn)題；③臍帶纜的建造成本會(huì)隨著內(nèi)部管線數(shù)量的增加而大幅上升，因此應(yīng)盡量減少臍帶纜中回油管線的數(shù)量。

考慮上述問(wèn)題，將回油回路分為低壓回油和高壓回油，二者之間利用單向閥隔離，在滿足回油速度的同時(shí)也解決了回油瞬間對(duì)SCM內(nèi)部液壓元器件的保護(hù)問(wèn)題，如圖3所示。曾有人提出采用開式循環(huán)的液壓系統(tǒng)，水基液壓油最終通過(guò)執(zhí)行元件直接排海，以此來(lái)減少SCM內(nèi)部液壓控制管線和臍帶纜內(nèi)管線的數(shù)量[11]，但是此舉會(huì)造成水基液壓油的巨大浪費(fèi)。本研究中高壓回油采用開式循環(huán)，低壓回油采用閉式循環(huán)，對(duì)液壓油進(jìn)行循環(huán)利用，減少了液壓油的浪費(fèi)，也從一定程度上降低了臍帶纜的成本。

圖3 SCM部分回油回路原理圖Fig.3 Schematic diagram of part of SCM oil return circuit

1.6 壓力平衡裝置

為保證SCM內(nèi)部元器件在水下環(huán)境中的正常工作，SCM液壓系統(tǒng)需要壓力平衡裝置和回油補(bǔ)償裝置[12]。本研究中SCM內(nèi)部充滿絕緣油，隨著SCM的下放，外部海水壓力逐漸增大，絕緣油在受壓的情況下體積會(huì)縮小，此時(shí)壓力平衡裝置在海水壓力作用下排出其內(nèi)絕緣油，從而實(shí)現(xiàn)SCM內(nèi)外壓力平衡?；赜脱a(bǔ)償器的工作原理亦是如此，考慮到平衡裝置需要直接接觸海水，本次研究中采用囊式平衡裝置，相對(duì)活塞式平衡裝置具有更好的補(bǔ)償效果和較長(zhǎng)的使用壽命。

壓力平衡裝置容積與SCM內(nèi)絕緣油容積和絕緣油壓縮率有關(guān)。結(jié)合SCM內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算出絕緣油正常容積為730 L。絕緣油在15 MPa壓力范圍內(nèi)最大壓縮率為6‰，則絕緣油在壓力作用下的變形量為4.38 L(即730 L×6‰)。按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，SCM工作環(huán)境溫度變化范圍為0～40 ℃，即最大溫度變化不超過(guò)40 ℃，而本項(xiàng)目所選擇的絕緣油平均熱膨脹率為0.000 76/℃[13],因此由熱膨脹引起的絕緣油總?cè)莘e變化為22.2 L(即730 L×0.000 76/℃×40 ℃)。所以，絕緣油因壓力及溫度變化導(dǎo)致的體積變化所需的最大總平衡容積為26.58 L(即4.38 L+22.2 L)。由于回油補(bǔ)償裝置有效液體容積等于回油管線內(nèi)部容積，結(jié)合SCM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以得出其回油管線總長(zhǎng)約為8 m，管線內(nèi)徑5 mm，則管線總?cè)莘e為0.2 L。

結(jié)合某品牌壓力平衡裝置選型資料，本研究最終選擇2個(gè)容積為16 L的壓力平衡裝置和1個(gè)容積為0.63 L的回油補(bǔ)償裝置。

1.7 安全裝置

SCM工作過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)液壓油泄露，從而引起SCM內(nèi)部超壓，須考慮如何快速泄放SCM內(nèi)部壓力。本研究在SCM封裝殼體上設(shè)置1個(gè)單向閥，單向閥開啟壓力為0.07 MPa(略高于自然油壓)。當(dāng)SCM內(nèi)部壓力達(dá)到0.07 MPa時(shí)，單向閥開啟，泄放多余的液壓油，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SCM的安全防護(hù)。SCM內(nèi)部設(shè)置有壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SCM內(nèi)部壓力，當(dāng)由于安全溢流裝置和壓力平衡裝置堵塞造成內(nèi)外壓力失衡(壓差0.2 MPa)時(shí)，則向平臺(tái)中控系統(tǒng)提供報(bào)警。

2 SCM液壓控制仿真分析

考慮到整個(gè)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求，利用Simulation X軟件對(duì)SCM液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)合實(shí)際設(shè)備參數(shù)模擬蓄能器和電磁閥的工作過(guò)程，分析閥門操作時(shí)間及單個(gè)閥門開啟對(duì)其余閥門狀態(tài)的影響，確保蓄能器、電磁閥的選型滿足SCM的控制需求。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)要求水下閥門操作執(zhí)行時(shí)間小于180 s，對(duì)井下安全閥(Surface Controlled Subsurface Safety Valve，SCSSV)操作時(shí)間沒有具體要求[14-15]，故本文暫不考慮高壓蓄能器的執(zhí)行時(shí)間計(jì)算。

2.1 仿真模型建立

根據(jù)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)原理，在Simulation X軟件中建立仿真模型[16-17]，如圖4所示。其中，水下閥門1對(duì)應(yīng)于采油樹上小尺寸閥門，水下閥門2對(duì)應(yīng)于大尺寸閥門，水下閥門的活塞形狀均為圓形，且其初始狀態(tài)均為關(guān)閉狀態(tài)。仿真過(guò)程中電磁閥1的開啟時(shí)刻為20 000 s，關(guān)閉時(shí)刻為25 000 s；電磁閥2的開啟時(shí)刻為20 120 s，關(guān)閉時(shí)刻為25 500 s(即先開啟水下閥門1，再開啟水下閥門2)。液壓動(dòng)力單元輸出壓力為27.9 MPa，輸出流速為10 L/min；SCM內(nèi)部管線內(nèi)徑為5 mm，長(zhǎng)度為8 m；臍帶纜長(zhǎng)度為24 km，管線內(nèi)徑12.7 mm；水下閥門參數(shù)詳見表2。

圖4 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of subsea production control system

表2 水下閥門主要參數(shù)Table 2 Main parameters of subsea valve

2.2 仿真結(jié)果分析

按照表1所示蓄能器配置方案1進(jìn)行仿真分析，水下閥門1、水下閥門2開啟仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5a可以看出，在20 000 s時(shí)刻電磁閥1開啟，水下閥門1執(zhí)行器行程達(dá)到0.025 mm后立刻降為0，表明水下閥門1開啟失敗。從圖5b可以看出，在20 120 s時(shí)刻電磁閥2開啟，水下閥門2執(zhí)行器行程始終未增加，表明水下閥門2也開啟失敗。這說(shuō)明當(dāng)前按照表1所示方案1配置蓄能器的有效容積太小，無(wú)法滿足正常開啟水下閥門的需要。

按照表1所示蓄能器配置方案2進(jìn)行第2次仿真分析，水下閥門1、水下閥門2開啟仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6a可知，在20 000 s時(shí)刻電磁閥1開啟，在20 003 s時(shí)刻水下閥門1執(zhí)行器行程達(dá)到88 mm，即水下閥門1開啟成功，用時(shí)3 s；電磁閥1在25 000 s時(shí)刻關(guān)閉，在25 003 s時(shí)刻水下閥門1執(zhí)行器行程降為0，即水下閥門1關(guān)閉成功，用時(shí)3 s。從圖6b可知，在20 120 s時(shí)刻電磁閥2開啟，在20 204 s時(shí)刻水下閥門2執(zhí)行器行程達(dá)到167.2 mm，即水下閥門2開啟成功，用時(shí)84s；電磁閥2在25500s時(shí)刻關(guān)閉，在25512s時(shí)刻水下閥門1執(zhí)行器行程降為0，即水下閥門2關(guān)閉成功，用時(shí)12 s。因此，閥門開啟時(shí)間滿足水下閥門操作執(zhí)行時(shí)間需小于180 s的要求，同時(shí)水下閥門2的開啟過(guò)程對(duì)水下閥門1的狀態(tài)(開啟)無(wú)影響，這說(shuō)明當(dāng)前按照表1所示方案2配置蓄能器的有效容積能滿足正常開閥要求，最終選定蓄能器配置方案為表1中的方案2。

圖5 水下閥門1、2操作過(guò)程仿真結(jié)果(SCM蓄能器按方案1配置)Fig.5 Simulation results of operation process of subsea valves 1 & 2 (SCM accumulators are configured based on plan 1)

圖6 水下閥門1、2操作過(guò)程仿真結(jié)果(SCM蓄能器按方案2配置)Fig.6 Simulation results of operation process of subsea valves 1 & 2 (SCM accumulators are configured based on plan 2)

3 SCM樣機(jī)測(cè)試

按照上述SCM液壓系統(tǒng)方案，按照1∶1的尺寸比裝配了SCM工程樣機(jī)(以下簡(jiǎn)稱樣機(jī))，如圖7所示。裝配完成后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了功能測(cè)試，包括閥門功能測(cè)試、變送器測(cè)試、流量計(jì)測(cè)試等，進(jìn)一步驗(yàn)證SCM液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，測(cè)試過(guò)程中所用閥門與仿真分析中水下閥門1模型參數(shù)相同，臍帶纜利用模擬裝置代替。功能測(cè)試結(jié)果表明，各路輸出回路中電磁閥均能正常開啟和關(guān)閉，壓力、溫度、流量等參數(shù)顯示正確，水下閥門1開關(guān)閥門時(shí)間均約為4 s，樣機(jī)測(cè)試開關(guān)閥時(shí)間與仿真結(jié)果基本一致，比仿真時(shí)間略延緩的主要原因在于臍帶纜模擬裝置充壓和泄壓速度比實(shí)際臍帶纜慢。

圖7 SCM工程樣機(jī)功能測(cè)試Fig.7 Functional test of SCM engineering prototype

功能測(cè)試合格后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了壓力為5.5 MPa的高壓艙測(cè)試，如圖8所示，驗(yàn)證樣機(jī)在水下耐壓環(huán)境下的各項(xiàng)工作指標(biāo)。高壓艙測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)回油補(bǔ)償及容積補(bǔ)償功能正常，樣機(jī)各項(xiàng)工作指標(biāo)正常，其選用的元件均可在500 m海洋環(huán)境下使用，系統(tǒng)綜合性能滿足目標(biāo)油田使用要求，SCM液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

圖8 SCM樣機(jī)高壓艙測(cè)試Fig.8 Hyperbaric tank test of SCM prototype

4 結(jié)束語(yǔ)

SCM液壓系統(tǒng)仿真分析及SCM樣機(jī)功能測(cè)試、高壓艙測(cè)試結(jié)果均表明，所設(shè)計(jì)的SCM液壓系統(tǒng)綜合性能滿足目標(biāo)油田的使用要求。樣機(jī)測(cè)試的順利完成，標(biāo)志著成功實(shí)現(xiàn)了SCM液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造及測(cè)試的國(guó)產(chǎn)化突破，為將來(lái)整體SCM的研究及工程應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn),也將促進(jìn)國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)在深水海洋工程領(lǐng)域的配套研究，為打破國(guó)外技術(shù)壟斷、助力我國(guó)深水油氣田的獨(dú)立自主開發(fā)和國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)，具有深遠(yuǎn)的意義。

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