冒家友 陽建軍 王 運

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

流花4-1油田水下復合電液控制系統(tǒng)設計與應用

冒家友 陽建軍 王 運

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

流花4-1油田水下生產(chǎn)項目是我國自主開發(fā)深水領域的第一個項目,該油田是依托老油田生產(chǎn)的邊際油田,老油田所采用的直接電液控制系統(tǒng)已無法滿足生產(chǎn)要求,因此設計了水下復合電液控制系統(tǒng)并進行了成功應用。該系統(tǒng)在增加了水下電力通訊單元和水下控制模塊基礎上,利用臍帶纜技術實現(xiàn)了批量數(shù)據(jù)傳輸,使整個系統(tǒng)的水下傳感器和執(zhí)行器實現(xiàn)了規(guī)?；妥詣踊?增加了系統(tǒng)的安全性、可操作性和良好的數(shù)據(jù)反饋性,為流花4-1油田的穩(wěn)產(chǎn)打下了堅實基礎。

流花4-1油田;復合電液控制系統(tǒng);水下電力通訊單元;水下控制模塊

隨著各國加大對深水油氣田開發(fā)的力度,水下生產(chǎn)設施及其控制系統(tǒng)在深水油氣田開發(fā)中發(fā)揮著核心作用[1-2]。流花4-1油田水下生產(chǎn)項目是中國海油自主開發(fā)深水領域的第一個項目[3]。該油田為深水邊際油田,位于中國南海珠江口盆地,距香港約215 km,海域水深260～310 m,采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)、依托位于其東南部約11 km的老油田現(xiàn)有設施開發(fā)。如果該油田采用依托老油田的直接電液控制系統(tǒng),將面臨需要臍帶纜數(shù)多、不易擴展、響應速度慢等問題與挑戰(zhàn)。因此針對該油田開發(fā)特點,設計了復合電液水下控制系統(tǒng),實現(xiàn)了規(guī)模化和自動化,增加了系統(tǒng)的安全性、可操作性和良好的數(shù)據(jù)反饋性,為油田穩(wěn)產(chǎn)打下了堅實的基礎。

1 依托老油田水下控制系統(tǒng)存在的問題

根據(jù)工程方案,流花4-1油田水下生產(chǎn)設施、儀控設備所需電力須依托老油田現(xiàn)有平臺FPS提供。由于所依托的老油田水下控制系統(tǒng)屬于全液壓系統(tǒng)中的直接液壓系統(tǒng),其每個功能都由獨立的液壓線控制,直接與閥門執(zhí)行器連接,除臍帶連接器和對應每個功能的控制線路外,不需要其他水下控制設備。分析認為,流花4-1油田如果采用依托老油田水下控制的方式,將面臨以下的問題和挑戰(zhàn):

1)需要更多根臍帶纜。若要滿足1個采油樹上13個液壓控制點的控制功能,流花4-1油田的8個采油樹就需要104根直接液壓管線,再考慮到浮式生產(chǎn)系統(tǒng)FPS到邊際采油位置長達11 km的距離,臍帶纜設計長度為14 km,其所需要的臍帶纜數(shù)量巨大;同時,100多根液壓管線至少需要通過3根14 km單獨臍帶纜進行傳輸,這就意味著臍帶纜的鋪設工期和費用將會大大增加。

2)不易擴展。流花4-1油田未來需要新增4口井的水下控制,如果采用直接液壓控制方法,新增液壓控制單元HPU模塊、控制盤模塊和新增臍帶纜均需要重新設計、加工和安裝。

3)響應速度慢。對于水下控制閥門,需要在10 s左右實現(xiàn)開合,如果采用直接液壓方式,14 km控制距離上的響應時間需要5～6 min,無法滿足水下控制的要求。

2 水下控制系統(tǒng)選擇

針對以上問題與挑戰(zhàn),流花4-1油田水下控制系統(tǒng)不能簡單套用原有的控制方式,需要選擇一種更適合其開發(fā)的生產(chǎn)控制方式。目前,水下控制系統(tǒng)包含全液壓系統(tǒng)、電液系統(tǒng)和全電系統(tǒng)等3種類型[4]。其中,全液壓系統(tǒng)包括直接液壓、離散先導液壓和連續(xù)導向液壓,電液系統(tǒng)包括直接電液和復合電液,這幾種控制系統(tǒng)方式的對比見表1。

表1 常用水下控制系統(tǒng)控制方式的對比

由表1可以看出,全液壓系統(tǒng)是最復雜且最可靠的水下控制系統(tǒng),但與電液系統(tǒng)相比,它們的響應速度相對較慢,從水下系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)自動測量記錄傳導的能力有限,因此在選擇使用全液壓系統(tǒng)時,應考慮應用的特殊要求,尤其是對數(shù)據(jù)和響應速度的要求。一般情況下,全液壓系統(tǒng)適合用于距離主設備較近的單口衛(wèi)星井,并維持項目經(jīng)濟性的最低費用原則。電液系統(tǒng)具有水下電子模塊額外的復雜性,可提供較快的響應時間,可用于監(jiān)控較大范圍的數(shù)據(jù)自動測量記錄傳導設備,適用于井控或油藏監(jiān)控要求操作靈活、操作速度快和數(shù)據(jù)自動測量記錄傳導的多井開發(fā),故流花4-1油田應選擇復合電液控制方式。

分析認為,電液控制方式無論是在信號、驅動的響應速度和水下離散控制功能的實現(xiàn),還是在控制管線尺寸和適用長度等方面都具有明顯的優(yōu)勢;同時,為了減少控制電纜中導體的數(shù)量,應該考慮選用信號多路技術,即復合電液系統(tǒng)。該系統(tǒng)增加有水下電模塊(SEM),采用了多芯電液臍帶纜,用專用的或共用的導線傳輸控制信號和電源到水下,相比直接電液系統(tǒng)在減少電纜尺寸同時,監(jiān)控傳輸信號的數(shù)量也大大增加,從而降低了水下電氣連接的復雜性。根據(jù)流花4-1油田特點,井口距離中心處理平臺14 km,同時油田包括8個采油樹加1個管匯,需控制水下設備較多,所以其水下控制系統(tǒng)最終選擇了電液控制方式。

3 水下復合電液控制系統(tǒng)設計

基于流花4-1油田水下開發(fā)的特點,設計了水下復合電液控制系統(tǒng),其控制原理見圖1。該控制系統(tǒng)由水上主控單元即MCS將監(jiān)控信號發(fā)送到電力單元(EPU),監(jiān)控信號通過電力單元內部調制解調器(MODEM)被疊加到電力波上,電力載波傳送到上部臍帶纜終端(TUTA)后再和來自于液壓控制單元(HPU)的液壓線路以及來自于化學注入單元的化學藥劑線路一起通過一根復合電液臍帶纜(即電液混控臍帶纜)遠傳至流花4-1油田水下分配單元(SDU),SDU將電力載波、液壓和化學藥劑分別傳送至各個采油樹,而采油樹上部SCM會將電力載波解調為分離的電力波和信號波,最終完成為油田水下控制設備供電、提供液壓源,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的功能。該系統(tǒng)各組成部分功能如下:

1)主控站MCS。流花4-1油田水下復合電液控制系統(tǒng)的主控站MCS用來監(jiān)控遠端油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)和水面支持設備的工作狀況。MCS的CPU模塊、電源模塊、通訊模塊、IO模塊和數(shù)據(jù)通訊總線均采用1∶1冗余;同時,MCS機柜中集成1臺工程師站以備系統(tǒng)組態(tài)和安裝調試之用。該工程師站可兼作操作站,當MCS與原有油田的中控系統(tǒng)鏈路出現(xiàn)故障時,仍可對油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行監(jiān)控。MCS與SCM的通信是通過電力線載波來實現(xiàn)的,即采用電力/數(shù)據(jù)傳輸線實現(xiàn)測控信號傳輸,在保證傳輸速度的同時,大大減少了上部控制系統(tǒng)的接口數(shù)量和復雜性。

2)電力單元EPU。流花4-1油田水下復合電液控制系統(tǒng)在原有平臺FPS的開關間設置獨立水下生產(chǎn)系統(tǒng)的電力單元EPU。EPU由原有平臺FPS上的UPS雙路供電,為油田水下控制設備提供所需的控制電能。EPU內的調制解調器MODEM不僅能把來自MCS的控制信號調制到給水下SCM的電力波上,以電力載波的方式最終實現(xiàn)對水下設備的控制,也能對從水下傳回來的電力載波進行解調,再返回水下實際檢測數(shù)值和狀態(tài)。

3)液壓控制單元HPU。由于原有平臺液壓控制單元HPU不能滿足流花4-1油田的需要,因此在FPS上新增了一套HPU,系統(tǒng)為冗余設計。新增的HPU安裝在FPS上,為水下控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定而清潔的液壓動力,控制流體通過液壓臍帶纜輸送到水下液壓分配單元和水下控制模塊,操作水下閥門執(zhí)行機構以實現(xiàn)水下遙控操作閥的開啟和關閉。HPU輸出的每一條水下液壓管線都配有ESD電磁閥,其由中央ESD系統(tǒng)控制,當處于ESD緊急狀態(tài)時,電磁閥失電使液壓管線中液壓回流,從而實現(xiàn)水下閥門的安全關斷。此外,HPU還通過控制電控閥門為橋接管匯4個水下關斷閥提供驅動壓力。

4)上部臍帶纜終端TUTA。作為水上控制設備和水下設備的接口,流花4-1油田上部臍帶纜終端TUTA采用2臺TUTA實現(xiàn)臍帶纜的連接。其中,第1臺用來連接主臍帶纜,為水下分配單元SDU提供電力、化學藥劑、液壓源;第2臺用來連接橋接臍帶纜,為橋接管匯提供電力和液壓源。

5)電液混控臍帶纜。流花4-1油田電液混控臍帶纜包括3根四芯電控纜(分別為Quad1、Quad2、Quad3)、2根高壓液壓管線(分別為HP1、HP2)、2根低壓液壓管線(分別為LP1、LP2)、1根破乳劑注入管線DM、1根防腐劑注入管線CI和1根備用液壓管線Spare,用于在臍帶纜上部終端TUTA和水下分配單元SDU間傳輸控制信號、電力、液壓動力和化學藥劑,該臍帶纜截面如圖2所示,從外向內依次為: 5 mm聚乙烯外護套、2層4.1 mm鋼絲鎧裝、4 mm聚乙烯內護套、鋼絲填充和聚乙烯填充、7根液壓軟管、3根四芯16 mm2電控纜。

6)水下分配單元SDU。流花4-1油田水下分配單元SDU將來自上部臍帶纜的電力、液壓流體、化學藥劑及控制信號通過內置的分配單元分配到各井口的水下控制模塊、化學藥劑的注入點,將來自水下生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)信號通過臍帶纜水下終端傳輸?shù)缴喜恐骺卣綧CS進行監(jiān)控。該油田SDU主要由臍帶纜終端接頭UTH、液壓分配模塊HDM、電力分配模塊EDM和基座等4個部分組成。

UTH和主臍帶纜固定連接,可以提供2套MQC-13 MKII液快速接頭接口和4套電快速接頭接口;UTH上設置有邏輯帽,可方便后期改動液壓管路的功能分配以及備用液壓管線的使用。HDM負責液壓動力和化學藥劑的水下分配,利用液快速接頭將液壓液和防腐液分配到各個采油樹,同時將破乳液和破乳劑控制閥DMV的控制液傳輸?shù)缴a(chǎn)管匯,也為待開發(fā)井留有液壓接口。EDM負責電力和信號的水下分配,利用電快速接頭將電力和信號分配給各個采油樹,也為待開發(fā)井留有接口。SDU基座承擔所有設備的負載,并提供臍帶纜終端接頭、液壓分配模塊和電力分配模塊的連接底座,其中UTH可以在水下與連接底座分離。

7)水下控制模塊SCM。流花4-1油田水下控制模塊SCM提供對現(xiàn)場設備的復合電液控制和監(jiān)測,每個采油樹都設置了1套SCM,實現(xiàn)的功能包括:采油樹閥門控制、管匯閥門控制、閥位指示、管匯壓力和溫度監(jiān)測、井下智能監(jiān)測和流量測量。SCM按照收到的命令引導液壓流體操作水下閥門開啟和關閉,實時采集水下井口和管匯的傳感器信息,將其傳送至上部MCS;同時,SCM會監(jiān)測其內部的電液系統(tǒng),進行電子系統(tǒng)自檢測程序,這些監(jiān)測信息也會被傳送到平臺上部的MCS。此外,每個采油樹上的SCM都設置了2套水下電控單元SEM(分別為SEM-A、SEM-B),由2條電飛線EFL分別連接到四芯線Quad1和Quad2上,實現(xiàn)冗余通信。

圖2 流花4-1油田電液混控臍帶纜截面圖

4 實際應用

流花4-1油田水下復合電液控制系統(tǒng)設置了4條通訊回路通過臍帶纜給水下采油樹SCM模塊提供電力,同時加載電力載波信號實現(xiàn)對水下系統(tǒng)的控制。其中,A1通道連接了采油樹1、2、3、4的SEM-A,通訊頻率35 k Hz;A2通道連接了采油樹5、6、7、8的SEM-A,通訊頻率35 k Hz;B1通道連接了采油樹1、2、3、4的SEM-B,通訊頻率65 k Hz;B2通道連接了采油樹5、6、7、8的SEM-B,通訊頻率65 k Hz; A1、A2通道可控制8口井,為低頻主用通道;B1、B2通道也可同時控制8口井,為高頻冗余備用通道。

在流花4-1油田水下復合電液控制系統(tǒng)調試期間,曾出現(xiàn)因臍帶纜的接線A1和A2使用1條四芯線Quad1,B1和B2使用另1條四芯線Quad2而無法實現(xiàn)水下控制系統(tǒng)的通訊問題,查找原因為信號存在同頻干擾現(xiàn)象,后接線改為交叉方式,即A1和B2使用1組Quad,A2和B1使用另1組Quad,這樣避開了兩通道之間的同頻干擾,成功實現(xiàn)了A2和B1通道的正常通訊,但A1和B2通道仍不能正常通訊。后把從上部臍帶纜終端TUTA至EPU之間的平臺電纜也改為交叉連接的方式,才終于實現(xiàn)了A1和B2通道的正常通訊。

總之,水下復合電液控制系統(tǒng)的成功設計與應用,實現(xiàn)了流花4-1油田的遠程回接,使該油田水下控制系統(tǒng)和平臺原有控制系統(tǒng)實現(xiàn)了無縫銜接,平臺新增HPU、MCS和EPU等水下控制系統(tǒng)構件也實現(xiàn)了遠程監(jiān)控水下8口油井的目標,從而為類似深水油氣田開發(fā)項目開辟了新思路。

5 思考及建議

雖然流花4-1油田臍帶纜的接線A1和B2最終實現(xiàn)了通訊,但通訊效果不理想。后經(jīng)調整載波通訊的頻率、功率和波特率等多種參數(shù),通訊效果雖有所改善,但B2通道始終未能建立良好的冗余通迅。以上現(xiàn)象的存在引發(fā)了一些思考。因水下生產(chǎn)系統(tǒng)和臍帶纜一般由不同廠家提供,基本設計階段所提出的產(chǎn)品技術指標各主要廠家都能夠滿足要求,一般較為寬松,而各水下生產(chǎn)系統(tǒng)廠家的控制系統(tǒng)設計又有較大差異,尤其是對臍帶纜的要求,在特定通訊頻率的阻抗匹配和信號衰減等關鍵技術指標上要求各不相同,詳細設計階段水下生產(chǎn)系統(tǒng)廠家設備通訊特性對臍帶纜的要求,臍帶纜廠家未必能夠完全滿足,如果不能在項目的早期階段就認識該技術界面風險并加以細致的技術界面管理,將對油田的成功投產(chǎn)造成較大影響。

復合電液控制系統(tǒng)特別適合具有較多個采油樹和管匯的遠距離回接和需要大量數(shù)據(jù)反饋的水下油氣田開發(fā),可使水上水下生產(chǎn)設施通過臍帶纜實現(xiàn)電液傳輸,具有冗余安全度高、響應速度快、所需臍帶纜根數(shù)少和擴展靈活性高等優(yōu)點。我們相信,隨著水下復合電液控制技術的不斷應用與完善,該技術將會為我國深水油氣開發(fā)與穩(wěn)產(chǎn)打下堅實基礎。

[1] 范亞民.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].石油機械,2012,40(7):45-49.

[2] 李長春,連璉.水下生產(chǎn)系統(tǒng)在海洋石油開發(fā)中的應用[J].海洋工程,1995,13(4):25-30.

[3] 原慶東,馮麗梅,冒家友,等.流花4-1油田海纜鋪設安裝關鍵技術研究及應用[J].中國海上油氣,2014,20(2):88-90,99.

[4] Petroleum and natural gas industries.ISO 13628-6:Design and operation of subseaproduction systems—Part 6:Subsea production control systems[S].2006.

Design and application of subsea composite electro-hydraulic control system in LH4-1 oilfield

Mao Jiayou Yang Jianjun Wang Yun
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518052)

LH4-1 oilfield is the first self-developed subsea project in deep water area in China.It is a marginal oilfield which use subsea production system tied back to an existing oilfield and the existing oilfield uses directly electro-hydraulic control system which is not able to meet the new production requirement.Therefore,a subsea composite electro-hydraulic control system has been designed and applied successfully.This system uses electrical power unit and subsea control module to achieve batch data transmission via subsea umbilical,consequently,making the subsea transmitter and actuator in the whole system to realize the scale and automation,enhancing the system security,operability and data feedback,providing a solid foundation for stable production of LH4-1 oilfield.

LH4-1 oilfield;composite electro-hydraulic control system;subsea electrical power unit;subsea control module

2013-11-21改回日期:2014-03-05

(編輯:葉秋敏)

冒家友,男,教授級高級工程師,現(xiàn)主要從事項目管理工作。地址:廣東省深圳市南山區(qū)太子路22號金融中心2樓(郵編: 518052)。電話:0755-26023705。