水下生產系統的設計和應用

水下生產系統的設計和應用

吳永鵬

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

摘要：針對開發300 m以上的深水海域，傳統的導管架平臺開發方式已經不適用的問題，對南海某氣田水下生產系統的設計和應用進行總結，該套水下生產系統已經在南海使用，目前運行情況良好。

關鍵詞：水下生產系統；水下控制系統；臍帶纜； 混合電液

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.007

中圖分類號：U662；P754

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0025-03

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：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:海洋油氣田開發工程項目管理

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

要開發深海資源，特別是300 m水深以下的石油天然氣資源，就得應用新科技新技術。水下生產系統技術是開發深水油氣田和海洋邊際油氣田的“利器”。開發300 m水深以下的油氣田若再沿用導管架平臺的開發方式，導管架的投資將非常巨大，很不經濟；而且國內外建造300 m以上導管架經驗很少，需要承擔極大的技術風險。水下生產系統無疑為中國深水油氣田開發提供了新思路。

1水下生產系統

1.1水下生產系統的組成

典型的水下生產系統由水下控制系統、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；水下管匯就是個中繼站，通過水下連接器和跨接管將多個井口的油氣匯聚起來送入海管。

1.2水下生產系統的基本開發方式

根據具體油氣田地質油藏特點和開發策略，應用水下生產系統進行海上油氣田的開發已經形成了多種應用模式，目前常見的5種模式如下[1]。

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

2)水下衛星井產出油氣不經管匯，直接由立管輸往浮式生產系統或平臺。

3)管匯和叢式井。分散單個或多個衛星井分別回接到海底管匯。

4)各衛星井和叢式井的井液匯集到水下管匯外輸。

5)綜合開發模式。以上幾種開發模式混合使用。

2水下控制系統

2.1水下控制方式

水下控制系統按照水下驅動方式，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閥門的執行器上，通過按照在上部組塊的井口控制盤直接控制閥門的開關。

全電氣控制，顧名思義，此控制方式不在需要液壓動力，閥門執行器由原來的液壓驅動變成為電機驅動。

混合電液控制系統采用了先進的數字復合技術，在單根電纜上長距離傳輸信號。上行信號用于遙測大量水下數據，如壓力、溫度、閥門狀態等，下行信號用于控制大量的水下電磁執行機構，這些電磁執行機構經液壓放大驅動液壓閥門和油嘴。所以混合電液控制系統可以實現遠距離遙測和遙控，并且該系統可以隨意擴展，根據不同的水下需求和生產狀態連接不同的傳感和執行機構。目前國際主要的水下控制系統是混合電液控制技術。

2.2水下生產系統的設備組成

水下控制系統包括水上的設備和水下的設備。

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

安裝于水下的設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實現。

3水下生產系統應用

目前國內自主設計和建造的第一個水下生產系統在南海某氣田成功投產，該設備運行狀態良好。

該氣田3口水下生產系統都采用混合電液控制技術，整套系統由位于平臺上的水下生產系統的上部控制模塊和水下控制模塊組成，電信號、液壓及化學藥劑通過從平臺到水下生產系統之間連接的臍帶纜來實現。

3.1水下生產系統控制原理

水下生產系統控制原理見圖1[2]。

圖1　水下生產系統控制原理

由圖1可見，臍帶纜是整個水下生產系統的命脈，對水下生產系統有著至關重要的作用，是整個系統的生命線。通過臍帶纜可以實現以下主要功能。

1)開啟閥門。通過臍帶纜中的電力信號驅動電磁執行機構，又經過液壓放大驅動液壓閥門來控制采氣樹上的各個閥門，包括生產主閥、生產翼閥、井下安全閥、環空主閥、環空翼閥、轉換閥等不同功能的閥門。

2)電力和信號的傳輸。通過臍帶纜中的電力線，向水下電氣設備提供電源；同時臍帶纜中的信號線可以將水下生產系統安裝的壓力、溫度傳感器數據實時傳輸給水面監控設備。

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

4)緊急關斷功能。當平臺MCS發出緊急關斷指令時，信號通過臍帶纜中的信號線將指令信號傳輸給水下的SCM來關斷水下井口設備；當水下井口發生緊急關斷時，就會將報警和關斷信號傳輸給平臺MCS，MCS將信號傳輸給中控室。

3.2該氣口水下控制系統

該氣田投產使用的水下采氣樹由以下主要設備組成：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)；液壓動力單元(HPU)、電力動力單元(EPU)。

3.2.1主控制站(MCS)

MCS作為主控制站一般安裝在平臺或者其他水面設備上，是整個水下控制系統的大腦，相當于平臺上的中控系統。實現整個水下生產系統的控制、監測、檢測、報警及緊急關斷等功能。MCS的控制形式一般根據業主的需要進行設計。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，其都實現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斷；監控水下壓力和溫度傳感器的實時數據；監控HPU的壓力、液位及馬達的狀態信息；監控EPU的絕緣、電流和電壓值；在MCS上修改并設置一些參數；實現本地和遠程控制的功能；MCS高級模式下應該具有自檢和自診斷功能。

3.2.2電力動力單元(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UPS輸入的220 V電進行升壓處理，以滿足遠距離外的SCM最小工作電壓的要求。

EPU的設計需考慮兩大問題，EPU的輸出功率和輸出電壓。這兩個問題必須根據項目的實際情況，經專業單位進行電力分析后方可決定。

3.2.3液壓動力單元(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力。在本地控制模式下，HPU上自帶PLC控制單元，對照輸出壓力設定值和實際輸出壓力進行閉環壓力控制，通過控制液壓泵的起停，使輸出壓力維持在設定的壓力輸出范圍內。根據項目的情況進行壓力設置，該項目主要設計參數：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的儲罐容量各項目有差異，要經過液壓分析得出。主要考慮臍帶纜的長度，臍帶纜越長，儲罐容量要求越大；要考慮臍帶纜的材質，熱塑管臍帶纜要求儲罐容量的大小要比鋼管臍帶纜的大，因為熱塑管膨脹系數比鋼管臍帶纜的大，同樣內徑要求臍帶纜，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“中繼站”的角色，用于把HPU液壓輸出管線、甲醇注入管線、MCS信號電纜和EPU動力電纜集中起來與臍帶纜里相對應的液壓管線，甲醇注入管線，信號電纜，動力電纜相連接。同時監測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、液壓油和甲醇進行分配。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)

概括來說SCM有兩大功能：執行MCS的控制指令；向MCS反饋各類監測信息。SCM安裝在水下采氣樹上，執行MCS下達開閥，關閥，調節氣嘴的開度指令。反饋自身所獲得各種監測信息，包括采氣樹上閥門的開度，生產管線上溫度壓力值，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，電源模塊的狀態值，Modem的狀態值，AI卡件的狀態值，RS485串口卡件的狀態值，電磁閥驅動卡件的狀態值，等。

SCM是混合電液控制方式。實際上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：平臺上的MCS向水下的SCM發送指令，實際是SCM中SEM接收該指令，指令經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。使電流激勵電磁閥里的線圈，導通或者關閉液壓回路。而由于每個電磁閥對應于一個采氣樹上的閥門，液壓回路的導通或者關閉將引起液壓動力的供給或泄放。閥門的設計是失效安全型，液壓動力供給時閥門打開，液壓動力泄放時閥門關閉。從而實現對采氣樹上閥門的控制[3]。

4結束語

現在水下生產系統技術基本上掌握在Cameron、FMC、GE Vetco Gray、Aker Solutions、Dril-Quip及Weatherford這幾家國外公司手中，市場和技術處于壟斷之中。我國與國外先進水平存在很大的差異，需要深入研究并實現國產化。該項目是我國第一次設計和建造，是水下生產系統應用的有益嘗試。

參考文獻

[1] 王建文，楊思明.淺談水下生產系統開發模式和工程設計[C]∥第十五屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集，2011.2.

[2] 英奇·波爾登.水下控制系統的標準化[C].第八屆國際水下技術會議，1994.3.中海油平臺，1996：109-113.

[3] 中海石油總公司.崖城13-4項目ODP報告[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