水下采油樹液壓系統高壓回油壓力分析

王 鑫，左 信，馬恬然，葉天源，王 鋒，劉海軍

[1.中國石油大學(北京)地球物理與信息工程學院， 北京 102249；2.中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心， 北京 102249；3.重慶前衛海洋石油工程設備有限公司， 重慶 401121；4.重慶前衛科技集團，重慶 401121]

水下采油樹液壓系統高壓回油壓力分析

王 鑫1,2，左 信1,2，馬恬然1,2，葉天源3，王 鋒4，劉海軍3

[1.中國石油大學(北京)地球物理與信息工程學院， 北京 102249；2.中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心， 北京 102249；3.重慶前衛海洋石油工程設備有限公司， 重慶 401121；4.重慶前衛科技集團，重慶 401121]

水下液壓執行機構是海洋油氣生產過程中的動力部件，該機構由水下液壓系統控制。液壓系統的設計影響水下閥門及執行機構的開啟和關閉。針對水下液壓系統的組成及原理進行分析，通過對水下控制模塊(SCM)內部液壓原理的計算，得出水下液壓系統高壓回油過程中的壓力變化規律，建立了水深及單向閥的水下液壓系統回油管線壓力模型，并且采用SimulationX軟件進行動態仿真。通過分析和比較仿真結果，從理論上驗證了該控制系統的正確性及仿真的可行性，為研究深水液壓控制系統提供了參考依據。

水下生產系統；水下液壓系統；高壓回油；動態仿真；SimulationX軟件

0 引 言

當前，國外在深水開發方面進展很快，已經能鉆探水下3 000多米并開采水下2 600多米的海上油氣[1]。我國深水油氣資源儲量較大，但由于受國外深水開發的技術封鎖，國內在深水開發方面進展緩慢，目前尚未發現有關于水下油氣生產設施控制方面的文獻報道。隨著技術手段的提高，近年來我國油氣勘探活動不斷增加，而且勘探活動多數集中于深水區域[2-3]，并且該技術是與國外大公司合作開發完成的，沒有自己的知識產權，也沒有掌握水下生產系統的核心技術[4]。所以加快國內采油樹控制技術的研究刻不容緩。

隨著海洋石油工業技術的發展和海上油田水深的增加，水下生產系統越來越受到世界各國的重視，并被納入世界各大石油公司重要發展戰略。同時，隨著水深的增加和開采難度的加大，水下生產控制系統也經歷了由全液壓控制到復合電液控制方式的轉變。

水下采油樹控制系統由電力傳輸、通信系統和液壓傳輸系統三部分組成，其中水下采油樹控制系統液壓執行機構分為低壓執行機構和高壓執行機構兩類，因此水下采油樹液壓也分為高/低壓兩條供油管線，水下控制模塊(SCM)接受來自平臺上液壓動力單元(HPU)的高/低壓控制液，經電液換向閥控制其導通與關閉，進而控制執行機構動作[5]。

液壓系統是驅動水下執行機構動作的基礎，其設計的安全性及穩定性關系到水下生產系統的安全運行。在深水、長距離深海油氣生產過程中，由于成本等原因，執行機構動作過程中產生的回油會直接排海，但水下油氣生產過程中對控制液的清潔度有很高要求，因此需要在控制液排海端設計單向閥以避免控制液及海水回流到液壓系統內部。另外單向閥的設計會對回油管線的回油壓力造成一定影響，所以在系統設計的初始階段，應結合液壓系統的控制水深、執行機構參數等對液壓系統進行計算與分析。

本文將對水下液壓系統的組成和原理進行分析，結合控制水深、液壓元器件參數、執行機構參數等，對SCM液壓系統回油管線在回油過程中的最大壓力進行計算，并運用SimulationX軟件進行仿真分析驗證。

1 水下生產液壓系統組成

復合電液控制系統由控制信號控制水下液壓執行機構及閥門動作，水下采油樹復合電液控制系統主要包括：(1)平臺控制裝置，有液壓泵、蓄能器、液壓調節器和監控系統；(2)水下控制裝置，有電磁閥、蓄能器和電子模塊；(3)軟管束，信號電纜或光纖、液壓管線、電力供給電纜集中于一根臍帶纜中。

復合電液控制工作原理如下：平臺控制系統將操作命令經過平臺上的處理機轉為電信號，經一對電纜線把電信號傳到安裝于水下采油樹上的水下控制模塊，由它進行信號解碼，將電碼信號轉變為驅動電磁閥的控制信號而使電磁閥動作，進而控制水下采油樹的閥門。復合電液控制系統的優點為反應時間短具有遠程測控功能和遠程控制功能(目前國內荔灣3-1氣田控制距離為75 km)，水下采油過程中的溫度、壓力等參數可以通過光纖或電力載波通信傳輸到水上。其缺點為水下控制系統結構復雜，安裝維護成本高。

水下采油樹的工藝流程依靠采油樹體上的液壓執行機構動作控制。圖1為其液壓控制流程框圖。

圖1 液壓控制流程框圖Fig.1 Hydraulic control flow chart

1.1 液壓動力單元

液壓動力單元是一種設計用于供應可生物降解的水基液壓油或礦物液壓油的裝置[6]。它為液壓系統提供動力。典型的HPU由一個供油箱、一個回油箱、一個用于各個壓力系統的泵以及一個用來注油和沖洗的循環泵組成。循環泵有一個高壓油源和一個低壓油源，分別連接臍帶纜中的高低壓供油管。兩個液壓控制系統壓力分別為用于采油樹閥門的低壓(LP)和用于地面控制井下安全閥(SCSSV)的高壓(HP)。HPU主要由泵和蓄能器組成，其中蓄能器由恒流泵控制，泵由儲液罐輸出流體來為蓄能器充壓。如果流體由調節器流入管線，那么流體來自蓄能器；如果流體從管線流回調節器，則它再返回至儲液罐[7]。HPU工作原理如圖2所示。

圖2 HPU工作原理Fig.2 HPU working principle

1.2 臍帶纜

臍帶纜是連接平臺或浮式生產系統與海底油井的控制管纜，如圖3所示。由電纜、光纜、軟管、管道組成，纜外部具有外護套和起保護作用的鎧裝[8]。纜芯內所有空隙均填滿填充物，以提高各單元的穩定性以及管單元抗內壓和抗外壓的能力；纜芯、鎧裝和護套之間分別用包帶隔離，包帶具有穩定結構、減少磨損和減少損傷等功能(見圖3)。臍帶纜的主要功能包括化學藥劑(如甲醇、乙醇)的注入、水壓的控制、信號的控制、電力的控制等[9]。由于臍帶纜的直徑較小，水深的增加對其鋪設安裝技術及裝備提出了更高的要求，尤其在深海條件下要求更加嚴格，而目前深水安裝技術是國內外海洋工程界研究的熱點之一[8]。Dieumegard等[10]對深水臍帶纜的安裝技術進行了探討，并對影響深水臍帶纜安裝的限制因素進行了分析。Clausing等[11]介紹了深水臍帶纜的一種新的安裝方法，該方法可以很好地減少觸地點的影響。de Sousa等[12]通過建立三維有限元模型，研究了受安裝載荷作用的柔性管的局部力學特性。

圖3 臍帶纜結構示意圖Fig.3 Umbilical cable structure diagram

臍帶纜的設計對于整個系統的特性和使用是十分重要的，因此液壓軟管建模的準確性也同樣重要[13]。在處理管線和軟管方面，考慮電分析可對液壓系統產生一定幫助。如圖4所示，將歐姆定律應用于液壓方面，管線壓力可以看作電壓(其中，Ps為供應端，Pd為接收端)，液體流速(Q)可以看作電流，液壓供應軟管可以看作無限電阻(R)、電容(C)和電感(L)[14]。液壓軟管的等效電路如圖5所示。

圖4 液壓軟管的電分析方式Fig.4 Electro-analysis of the hydraulic hose

圖5 液壓軟管的等效電路Fig.5 Equivalent circuit of the hydraulic hose

假設軟管中的流體是層流的，液阻(R)的計算公式為[15]

(1)

式中:μ為控制液的黏滯系數；l為軟管長度；d為液壓管線管徑。

構建全程網格化監管、食品藥品可追溯、技術支撐、社會共治“四個體系”。昆明市局率先在全省構建了市縣食品藥品稽查體系，以政府購買服務方式，配備工作人員4600多名，形成市縣鄉三級監管機構、市縣鄉村四級監管網絡。建立了生產管理、入市備案、進銷記錄等制度，加強初始管控，構建系統的溯源鏈條。此外，還建立了以市級檢驗機構為核心、縣級檢驗機構為支撐、鄉和市場快檢室為基礎的檢測體系。開展立體式宣傳，連續13年組織家庭小藥箱清理暨用藥安全宣傳月活動。

液容(C)的計算公式為

(2)

式中:Beffect為軟管有效體積彈性模量。

液感(L)的計算公式為

(3)

式中:ρ為流體密度。

如果忽略液感，則由基爾霍夫定律和歐姆定律可以得出：

Ps=Pd+QR,

(4)

(5)

使用分段成微元的管線建模方法也有助于分析系統模型[13]。

1.3 水下控制模塊

水下控制模塊安裝在可回收的裝置或殼體內，可以獨立回收和安裝，如圖6所示。水下控制模塊內部結構基本是標準化的。目前一個水下控制模塊的控制功能最少為7個，最多為64個。因而一個水下控制模塊可對一個或多個水下采油樹及設備進行遙控，并對井筒、環空以及水下管匯進行操作和監控。根據需要，水下控制模塊可以安裝在采油樹或水下管匯等處。

水下控制模塊與上部電子控制系統之間通常采用主從通信，即以水面系統為主，水下控制為輔，兼容“發送/確認”和“需求/響應”功能。水下控制模塊具有對溫度、壓力、流量等實施監控的功能。

1.4 采油樹上的執行機構

依據水下采油樹開關井及生產操作工藝，對水下采油樹控制系統功能進行分析，其中，水下采油樹控制模塊液壓油控制的閥門和執行機構如圖7所示。

圖6 水下采油樹控制模塊及基座Fig.6 Hydraulic control module and base of the subsea Christmas tree

圖7 水下采油樹結構圖Fig.7 Structure of the subsea Christmas tree

SCM接收來自平臺上主控站(MCS)的信號，控制圖7中的系統驅動水上控制水下安全閥(SCSSV)、生產控制閥(PMV)、生產翼閥(PWV)、環空控制閥(AMV)、環空翼閥(AWV)、生產調節閥(PCV)以及化學試劑注入閥(CIV 1，CIV 2)、環空翼閥(AAV)、甲醇(乙二醇)注入閥(MIV)、水合物抑制劑閥(HIV)、轉換閥(XOV)等動作，通過閥門的動作控制油氣生產，油氣管路中流量和壓力的變化由SCM通過臍帶纜傳輸到平臺主控站。

2 水下生產控制液壓系統分析

以南海某油田為例進行分析，其水深為1 500 m。SCM內液壓系統有供油管線和回油管線，回油管線經過補償器及單向閥直接連通海水。

2.1 水下生產液壓系統原理圖

SCM液壓系統原理圖如圖8所示。其中，HC1/2與HC3/4為高壓供油管線。圖中T1出排?？趬毫镻sea，同時，補償器一端暴露，與海水直接接觸。本項目水深為1 500 m，將Psea定義為15 MPa，以此平衡海水壓力；同時，在以往項目設計中，閥門和執行機構彈簧腔一側有補償裝置，以補償壓力與海水的壓力平衡。

圖8 SCM液壓回路高壓工作原理Fig.8 High pressure working principle of SCM hydraulic circuits

2.2 水下生產液壓系統回油分析

綜合以上設計，回油路管線絕對壓力最終會穩定在Psea+2.0 MPa，即17 MPa左右，同時，由于液壓系統的震蕩以及泄壓過程中使一部分液體流出的瞬間釋壓，因此會導致最終的絕對壓力略小于17 MPa。

SCM高壓回油支路排放支路需安裝補償器以平衡海水壓力；排放口壓力與液壓執行機構元件參數(彈簧彈性系數、預緊力、關閉腔面積、閘桿行程等參數)有關。

3 基于SimulationX的水下生產液壓系統仿真分析

3.1 SimulationX軟件介紹

SimulationX是一款在統一的平臺上實現多學科領域系統工程建模和仿真的軟件，包括機械、液壓、氣動、熱、電和磁等領域，可用于機電系統設計、機器人及控制系統優化、發動機/車輛冷卻系統以及電磁驅動機構的設計等。根據不同行業的特點，用戶可利用SimulationX軟件的type designer工具自定義標準元件，對元件庫的標準元件進行擴展，對已有模型進行封裝以及對所建模型加密。同時，自定義的內容還具有良好的開放性、繼承性和保密性[16-17]。

3.2 仿真分析

如圖9所示，運用SimulationX軟件建立仿真模型并分析。

針對仿真回路圖，各元件參數設計如下。

HPU泵：高82.74 MPa，低68.95 MPa;蓄能器預充壓力：68.95 MPa;DCV閥：第5 s切換到狀態1；第200 s切換到狀態0;補償器壓力：15 MPa;單向閥：單向閥1壓力20～30 kPa，單向閥2壓力2.00 MPa;TANK：15 MPa(海水壓力);水深：1 500 m;控制距離：30 km;液壓管線管徑：12.7 mm。

針對兩種閘閥進行仿真分析，兩種閘閥的相關參數如表1所示。

圖9 高壓回路仿真Fig.9 Hydraulic circuits simulation

參數閥門1閥門2閥門狀態閘閥閘閥活塞直徑/mm220135.5行程長度/mm167.288閥桿直徑/mm63.538活塞質量/kg108.632.3初始狀態關閉關閉彈簧預緊力/kN92.215.5彈簧彈性系數/(N·m-1)326.4261.3過程壓力/MPa69690環境壓力/MPa1515

首先，針對閥門1的參數進行分析，將參數代入模型，得到如圖10～13所示仿真結果。

圖10 閘桿位移與回油管線壓力曲線Fig.10 Curves of brake lever displacement and oil return pipeline pressure

圖11 回油時刻前后壓力變化Fig.11 Pressure changes before and after oil return time

圖12 回油管線最大壓力Fig.12 Maximum pressure of oil return pipeline

圖13 回油狀態平衡后壓力Fig.13 Pressure after oil return equilibrium

由圖10可以得到：我們所設計的液壓系統及參數能使閥門1正常開啟和關閉，開啟和關閉時間均可滿足水下生產系統的工藝要求。圖11～12給出了在回油中液壓震蕩過程的壓力變化，最大值為21.58 MPa，圖13給出了回油壓力穩定后回油管線的壓力值為16.30 MPa，與2.1和2.2節分析相符。

然后，對閥門2參數代入仿真系統模型進行仿真分析，得到如圖14和圖15所示結果曲線。

圖14 閘桿位移與回油管線壓力曲線Fig.14 Curves of brake lever displacement and oil return pipeline pressure

圖15 回油管線最大壓力及震蕩曲線Fig.15 Maximum pressure and oscillation curve of oil return pipeline

由圖14可以得到：我們所設計的液壓系統及參數能使閥門2正常開啟和關閉，開啟和關閉時間均可滿足水下生產系統的工藝要求?；赜蛪毫Ψ€定后回油管線的壓力值為16.33 MPa，與2.1和2.2節分析相符，圖15給出了在回油中液壓震蕩過程的壓力變化，最大值為18.98 MPa。

4 結 語

由以上兩種閥門的分析結果可以得出：不同的閥門和執行機構回油端最大壓力并不相同。在仿真過程中，通過參數可以判斷，回油端最大壓力與閥門和執行機構彈簧彈性系數、閘板面積、閘桿位移、閘桿動作過程中摩擦力等有關；回油時刻的最終壓力與液壓原理設計有關，即單向閥壓力及外部環境(海水深度)壓力相關。經過圖10～圖15的對比可以得出，水下液壓系統回油管線壓力變化與水深及回油管線的單向閥壓力有關。閥門參數對回油管線穩定后壓力影響較小，對回油過程震蕩最大壓力的影響較大。

在實際選型中，結合采油樹及井底的執行機構相關參數，結合設計水深(海水壓力)進行分析綜合得出，DCV閥回油端能承受的最大壓力應考慮計算的最大壓力再加上一定的裕量，以此對DCV閥選型提供依據。

本文首次對水下液壓系統的組成進行介紹，對液壓系統原理進行分析，采用SimulationX軟件對水下液壓系統在不同閥門參數下的回油壓力震蕩過程及穩定壓力進行仿真分析，得出回油管線壓力變化的規律，通過仿真分析，可以為液壓系統工程設計提供一定參考，為水下采油樹液壓系統設計提供新的思路。

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StudyontheHighPressureOilReturnofSubseaChristmasTreeHydraulicControlSystem

WANG Xin1,2, ZUO Xin1,2, MA Tian-ran1,2, YE Tian-yuan3, WANG Feng4， LIU Hai-jun3

[1.CollegeofGeophysicsandInformationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;2.OffshoreOil&GasResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;3.ChongqingQianweiOffshorePetroleumEngineering&EquipmentCo.,Ltd.,Chongqing401121,China;4.ChongqingQianweiScience&TechnologyGroup,Chongqing401121,China]

Subsea hydraulic actuator is the power unit in the hydraulic oil and gas production, which is controlled by the subsea hydraulic system. The subsea actuators and valves are influenced by the subsea hydraulic system. We introduce the hydraulic system and the subsea control module (SCM) hydraulic systems, model the return pressure in the high pressure return line, and use the SimulationX software to perform dynamic simulation. Analysis and comparative study on the simulation results verify the control system, as well as the feasibility of the simulation. This research can provide reference for the investigation of deepwater hydraulic control systems.

subsea production system; subsea hydraulic system; high pressure oil return; dynamic simulation; SimulationX software

2016-09-19

國家發展改革委員會2013年海洋工程裝備研發及產業化專項之“水下采油樹研發及產業化”(發改辦高技﹝2013﹞1764號)

王鑫(1988—)，男，博士研究生，主要從事海洋油氣生產過程控制系統設計方面的研究。

TP271+.31

A

2095-7297(2016)05-0297-08