左 信，岳元龍*，段英堯，郭龍川

[1.中國石油大學(xué)(北京)自動(dòng)化系，北京 102249;2.杭州電子科技大學(xué)海洋工程系，浙江 杭州 310018]

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)綜述

左 信1，岳元龍1*，段英堯1，郭龍川2

[1.中國石油大學(xué)(北京)自動(dòng)化系，北京 102249;2.杭州電子科技大學(xué)海洋工程系，浙江 杭州 310018]

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是開發(fā)海洋油氣資源的重要裝備。根據(jù)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)分類，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)有8種典型的結(jié)構(gòu)，分別是直接液壓控制、先導(dǎo)液壓控制、順序液壓控制、直接電液控制、復(fù)合電液控制、全電控制、水下自治控制和集成浮漂控制。詳細(xì)研究了每種結(jié)構(gòu)的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的產(chǎn)生背景、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，分析了影響水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)因素,為我國未來自主設(shè)計(jì)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)提供參考。

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)；電液控制；全電控制；自治控制；集成浮漂控制

0 引 言

隨著海洋油氣資源的勘探水深不斷增加、規(guī)模不斷擴(kuò)大，依托水上設(shè)施、利用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)海上油氣田逐漸成為一種主流的開發(fā)模式[1]，特別是深水、超深水和邊際油田的開發(fā)[2]。在利用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)海洋油氣資源的過程中，水下生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)離水上依托設(shè)施、長期工作于水下環(huán)境。與采用人力或近距離自動(dòng)控制的陸地油田生產(chǎn)設(shè)備相比，由于水下環(huán)境人力無法到達(dá)，所以水下生產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)裝備需要配置水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)[3-4]，實(shí)現(xiàn)對水下裝備的安全控制和水下生產(chǎn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而保證水下裝備可靠運(yùn)行、水下油氣田安全生產(chǎn)。

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分[5]，是與水下生產(chǎn)系統(tǒng)同步發(fā)展的[6]。初期的控制方式是直接液壓控制，主要用于控制淺水小型油氣田的單井采油。隨著油氣田開發(fā)水深的增加和大型油氣田的發(fā)現(xiàn)，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的控制方式也在不斷地發(fā)生著重大變革：為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，先導(dǎo)液壓控制取代了直接液壓控制；為了簡化臍帶纜中液壓管束的結(jié)構(gòu)，順序液壓控制取代了先導(dǎo)液壓控制；為了增加系統(tǒng)控制的距離，直接電液控制取代了順序液壓控制；為了實(shí)現(xiàn)深水、超深水大型油氣田的開發(fā)，復(fù)合電液控制取代了直接電液控制，并成為了目前的主流控制方式[7]。20世紀(jì)末，國外水下裝備供應(yīng)商，尤其是深水裝備供應(yīng)商，開始研發(fā)和完善水下全電控制設(shè)計(jì)技術(shù)[8]。與此同時(shí)，為了滿足開發(fā)邊際油田的控制需求，國外又提出水下自治控制系統(tǒng)和集成浮漂控制系統(tǒng)。

無論采用哪一種控制方式，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)均由三部分組成，包括水下就地檢測與控制系統(tǒng)、水上動(dòng)力與監(jiān)控系統(tǒng)、水上與水下之間的動(dòng)力配送和通信系統(tǒng)。本文針對每種控制方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，分析其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，為工程實(shí)踐中水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 直接液壓控制

直接液壓控制是水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)早期使用的控制方式，當(dāng)時(shí)主要用于控制工作在幾十米水深處的水下采油樹上的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通常情況下，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用回復(fù)彈簧實(shí)現(xiàn)故障安全功能(下同)。下面以控制一個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例說明直接液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。圖中細(xì)實(shí)線表示液壓信號，虛線表示電信號(下同)。

直接液壓控制系統(tǒng)的水上控制設(shè)備包括液壓動(dòng)力單元(HPU)、液壓控制板和水上監(jiān)控系統(tǒng)；水下控制設(shè)備包括臍帶纜連接器或液壓分配盤，無水下控制模塊。水上控制設(shè)備位于生產(chǎn)平臺上，水下控制設(shè)備安裝在水下采油樹上。液壓動(dòng)力單元為液壓執(zhí)行提供標(biāo)準(zhǔn)的控制壓力，一般為1 500 psi、3 000 psi或5 000 psi(1 psi = 6.895 kPa)，但是不包括水面控制的井下安全閥(SCSSV)的控制壓力。HPU可以選擇渦輪驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓油可以選擇水基油和合成烴礦物油，目前水基油應(yīng)用最為廣泛，合成烴主要用于電液控制系統(tǒng)。液壓油清潔度等級應(yīng)滿足NAS1638 6及以上要求(下同)。液壓控制板上配置有電磁換向閥和臍帶纜固定端，每個(gè)電磁換向閥控制一個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓控制信號經(jīng)過臍帶纜中的控制管束直接作用在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。臍帶纜為每個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)分配一根獨(dú)立的液壓控制管線，當(dāng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量較多時(shí)臍帶纜結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。臍帶纜連接器配置與臍帶纜內(nèi)部控制管束數(shù)量相等的液壓功能接口，主要作用是連接臍帶纜與水下液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并有固定臍帶纜的功能。直接液壓控制系統(tǒng)使用初期是開環(huán)結(jié)構(gòu)，即閥門關(guān)閉時(shí)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的液壓油在回復(fù)彈簧的作用下直接排放到海水里；與開環(huán)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的是閉環(huán)結(jié)構(gòu)，即閥門關(guān)閉時(shí)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的液壓油返回液壓動(dòng)力單元的油箱。目前，世界各國出于保護(hù)海洋環(huán)境的需要，已經(jīng)開始限制開環(huán)系統(tǒng)的使用。在直接液壓控制系統(tǒng)中，水下無反饋信號，水上監(jiān)控系統(tǒng)通過液壓控制管線的供油壓力、回油流量或壓力間接判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖1 直接液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structure principle of direct hydraulic control systems

直接液壓控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間與控制距離、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)容積、液壓管束內(nèi)徑、液壓油黏度等有直接關(guān)系，尤其是控制距離和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)容積。例如當(dāng)控制距離為10 km、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)容積為3 L時(shí)，系統(tǒng)的典型響應(yīng)時(shí)間約為8 min，該時(shí)間遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間[9]，所以直接液壓控制系統(tǒng)的控制距離一般限制在3 km以內(nèi)。

直接液壓控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維修容易，多用于控制距離較短的單個(gè)衛(wèi)星井油氣田的開發(fā)。我國南海的流花11-1油田[10]、秘魯?shù)目▉喍碛吞颷11]均采用直接液壓控制系統(tǒng)。但是當(dāng)控制距離增加時(shí)，液壓動(dòng)力損失嚴(yán)重、系統(tǒng)反應(yīng)速度慢；水下液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量較多時(shí)，臍帶纜中液壓控制管束的成本也相應(yīng)增加。目前，直接液壓控制系統(tǒng)使用較少。

2 先導(dǎo)液壓控制

海洋油氣田開發(fā)水深和井口數(shù)量增加時(shí)，直接液壓控制系統(tǒng)的使用受到了限制。為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，國外提出了先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)解決方案，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示[12]。

先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)的水面控制設(shè)備與直接液壓控制系統(tǒng)的相同，但是功能卻發(fā)生了變化，主要體現(xiàn)在液壓控制板上的電磁換向閥不再直接控制作用在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的液壓油的通斷，而是為水下液壓先導(dǎo)閥提供液壓工作切換的控制信號，并控制水下液壓動(dòng)力的配送。水下液壓先導(dǎo)閥的控制壓力可以低于(或等于)液壓動(dòng)力配送的壓力，實(shí)現(xiàn)用低壓液壓控制水下遠(yuǎn)距離的裝備，從而延長控制距離。水下控制設(shè)備包括水下控制模塊(SCM)、水下蓄能器和臍帶纜連接器。SCM內(nèi)部只有液壓先導(dǎo)閥，無水下電子模塊。SCM為液壓先導(dǎo)閥提供一個(gè)獨(dú)立的工作環(huán)境和液壓功能接口，每個(gè)液壓先導(dǎo)閥控制一個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structure principle of piloted hydraulic control systems

液壓功能接口有四種：與臍帶纜中液壓先導(dǎo)控制信號對應(yīng)的液壓先導(dǎo)閥的控制接口、與水下蓄能器下游液壓管線對應(yīng)的液壓動(dòng)力供給接口、與液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)對應(yīng)的液壓控制功能接口和液壓回油接口。水下蓄能器結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是單體式蓄能器；另一種是模塊式蓄能器，又稱蓄能器模塊(SAM)，為可回收結(jié)構(gòu)。水下蓄能器是SCM控制液壓執(zhí)行的直接液壓動(dòng)力源，它既可以安裝在水下采油樹本體上(兩種結(jié)構(gòu)形式均可)，又可以安裝在SCM內(nèi)部(限于單體式蓄能器)。水下蓄能器由臍帶纜中的獨(dú)立液壓管線供給液壓油，其體積取決于響應(yīng)時(shí)間要求、執(zhí)行器供油管線尺寸和液壓缸容積。SAM和SCM有獨(dú)立的安裝基座，可以進(jìn)行單獨(dú)回收和二次下放安裝。根據(jù)水深的不同，單獨(dú)回收下放時(shí)通常采用鋼絲繩吊裝，由水下機(jī)器人(ROV)或潛水員輔助完成。臍帶纜連接器的主要作用是連接臍帶纜與SCM。臍帶纜配置三種液壓功能管線，分別為液壓動(dòng)力配送管線、液壓先導(dǎo)閥的控制管線和系統(tǒng)回油管線。液壓動(dòng)力配送管線通常采用雙冗余的結(jié)構(gòu)。相比液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓先導(dǎo)閥的動(dòng)作過程中需要的液壓油更少，所以臍帶纜中液壓先導(dǎo)閥的控制管線的內(nèi)徑通常較小，減少了臍帶纜的體積。水下檢測功能方面，先導(dǎo)液壓控制線系統(tǒng)與直接液壓控制系統(tǒng)相同。

相比直接液壓控制系統(tǒng)，先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，從平臺至水下采油樹之間只有液壓先導(dǎo)閥的控制信號，所以大大縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓動(dòng)力直接來自水下蓄能器，而不是來自平臺，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步縮短。為臍帶纜配置合適的液壓先導(dǎo)管線，先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)可以延長水下設(shè)備與依托設(shè)施之間的容許距離。該系統(tǒng)使用范圍通常為3～8 km，控制功能限于衛(wèi)星井油氣田的開發(fā)。但是，先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)增加了水下液壓先導(dǎo)閥和水下蓄能器，所以增加了水下設(shè)備的安裝和維修費(fèi)用，目前使用較少。

3 順序液壓控制

直接液壓控制系統(tǒng)和先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是每個(gè)水下液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)都需要一個(gè)獨(dú)立的液壓控制管線控制。兩者的區(qū)別是，直接液壓控制系統(tǒng)的每根液壓控制管線直接控制水下液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)；先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)的每根液壓控制管線控制水下液壓先導(dǎo)閥。先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)比直接液壓控制系統(tǒng)增加一根或雙冗余的液壓動(dòng)力管線。這兩種控制方式液壓管線多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了減少液壓管線的數(shù)量，又不影響系統(tǒng)的控制距離，水下順序液壓控制方式提供了解決方案。順序液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理與先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)類似，如圖3所示。

相比先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)，順序液壓控制系統(tǒng)的水上設(shè)備有液壓壓力調(diào)節(jié)器；水下設(shè)備有SCM、蓄能器和臍帶纜管線連接器。SCM內(nèi)部配置順序液壓控制閥和先導(dǎo)液壓控制閥，液壓功能接口與先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)的相同。順序液壓控制閥的輸入是來自水上的液壓壓力調(diào)節(jié)器控制信號，輸出是所有先導(dǎo)液壓控制閥的控制信號，一個(gè)順序液壓控制閥可以控制多個(gè)先導(dǎo)液壓控制閥。液壓調(diào)節(jié)器可以產(chǎn)生一系列大小不同的壓力，每一個(gè)壓力等級對應(yīng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一組工作狀態(tài)。先導(dǎo)液壓控制閥在相關(guān)等級壓力下激活，實(shí)現(xiàn)對液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。該系統(tǒng)蓄能器的功能和結(jié)構(gòu)與先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)的相同。臍帶纜配置三種液壓功能管線，分別是液壓動(dòng)力配送管線、順序液壓控制閥的控制管線和系統(tǒng)回油管線。動(dòng)力配送管線和控制管線一般采用雙冗余結(jié)構(gòu)。因此，水上設(shè)備與水下設(shè)備之間最多只需配置五根液壓功能管線就可以控制水下預(yù)設(shè)邏輯功能的設(shè)備，從而大大減少了液壓管線的鋪設(shè)數(shù)量。水下檢測功能方面，順序液壓控制線系統(tǒng)與直接液壓控制系統(tǒng)相同。

圖3 順序液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.3 Structure principle of sequential hydraulic control systems

相比前兩種液壓控制系統(tǒng)，順序液壓控制系統(tǒng)減少了液壓控制管線的數(shù)量，降低了臍帶纜的重量與成本，節(jié)省水下安裝費(fèi)用。但是液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)順序是預(yù)先設(shè)定的，不能單獨(dú)操作各個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)靈活性差，不適合復(fù)雜的邏輯控制。其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)基本相同?？刂凭嚯x方面，由于順序液壓控制閥需要在精確的預(yù)定控制壓力區(qū)間內(nèi)工作，所以系統(tǒng)使用過程中必須減少順序液壓控制閥控制壓力的沿程損失與壓力波動(dòng)。順序液壓控制距離較短，一般為2～3 km，控制功能限于衛(wèi)星井油氣田的開發(fā)，通常作為復(fù)合電液控制系統(tǒng)的備用系統(tǒng)[13]。

4 直接電液控制

順序液壓控制系統(tǒng)簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高了系統(tǒng)可靠性，但是水深增加時(shí)順序液壓控制閥的控制壓力損失嚴(yán)重、壓力不準(zhǔn)確、容易產(chǎn)生誤動(dòng)作；系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長，不能滿足緊急事故處理的要求。為了解決深水長距離水下實(shí)時(shí)控制問題，國外提出了直接電液控制系統(tǒng)。直接電液控制系統(tǒng)中用電控信號代替液壓控制信號，從根本上縮短了控制系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間。直接電液控制系統(tǒng)的原理如圖4所示[14-15]。

相比上述三種控制系統(tǒng)，直接電液控制系統(tǒng)的水上水下設(shè)備的結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化。水上設(shè)備除HPU和液壓控制板外，還增加了用于控制電磁換向閥的電子控制模塊，其主要功能是發(fā)出電磁換向閥的控制信號?？刂菩盘栆话銥?4 V直流(DC)電壓，通過臍帶纜傳送到SCM內(nèi)部的電磁換向閥控制端。水下設(shè)備有水下控制模塊、蓄能器和電液多功能連接器。水下控制模塊為電磁換向閥提供一個(gè)絕緣、散熱功能良好、隔離海水的密封工作環(huán)境，同時(shí)還提供電氣和液壓功能接口。臍帶纜配置有液壓動(dòng)力配送管線和回油管線，同時(shí)為每個(gè)電磁換向閥提供獨(dú)立的控制電纜。蓄能器的作用與上述幾種液壓控制系統(tǒng)的相同。SCM和SAM也可以單獨(dú)回收和二次安裝。同時(shí)，該系統(tǒng)可以提供水下監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖4 直接電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.4 Structure principle of direct electro-hydraulic control systems

直接電液控制系統(tǒng)采用電磁換向閥代替水下液壓先導(dǎo)閥，控制指令響應(yīng)時(shí)間短、系統(tǒng)響應(yīng)速度快，理論上使用距離不受限制，每個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以獨(dú)立控制。相比前述三種純液壓控制系統(tǒng)，臍帶纜中減少了液壓管線數(shù)量，降低了對液壓組件的功能要求。但是，直接電液控制系統(tǒng)通過臍帶纜中多根獨(dú)立電纜將平臺上的電控信號直接傳輸?shù)剿码姶艙Q向閥的控制端，所以該種系統(tǒng)增加了臍帶纜的成本，而且當(dāng)水下采油樹與生產(chǎn)平臺之間距離增加時(shí)，電纜中電量損失比較敏感。系統(tǒng)對臍帶纜的要求與被控設(shè)備的數(shù)量成比例增加。該系統(tǒng)的控制距離一般為7 km，控制功能限于衛(wèi)星井油氣田的開發(fā)。

5 復(fù)合電液控制

隨著深水油氣田的大規(guī)模開發(fā)，油氣田區(qū)塊呈現(xiàn)開發(fā)范圍大、開發(fā)環(huán)境溫度低、流體溫度壓力高、不同井口流體溫度壓力差異大等特點(diǎn)，同一井口不同生產(chǎn)階段的流體特性也不盡相同，而且深水維修安裝作業(yè)費(fèi)用高。所以在開發(fā)復(fù)雜工況條件下的大型油氣田時(shí)，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)必須滿足長期、安全、靈活控制的要求。上述四種控制系統(tǒng)使用受到了限制，開發(fā)深水資源面臨新的挑戰(zhàn)。為此，國外石油公司研制了復(fù)合電液控制系統(tǒng)，很好地解決了深水大區(qū)塊油氣田開發(fā)的控制要求。目前，復(fù)合電液控制系統(tǒng)是開發(fā)海洋油氣資源的主流控制系統(tǒng)，尤其在深水大型油氣田的開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖5所示，其中細(xì)實(shí)線表示液壓動(dòng)力、點(diǎn)劃線表示電力供給、虛線表示通信信號。

復(fù)合電液控制系統(tǒng)的水上設(shè)備有液壓動(dòng)力單元、電力單元、不間斷電源、主控站和水上臍帶纜終端等；水下設(shè)備包括臍帶纜、水下控制模塊、水下分配單元、跨接軟管和跨接纜等[16]。

相比上述4種控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的水下控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制功能發(fā)生了巨大變化，其內(nèi)部增加了具有計(jì)算機(jī)功能的水下電子模塊(SEM)，即水下中央處理器。為了增加控制系統(tǒng)的可靠性，水下電子模塊一般采用雙冗余結(jié)構(gòu)[17]。SEM提供了IWIS(Intelligent well interface standardization)和SIIS(Subsea instrument interface standardization)接口[18]，具有ESD (Emergency shutdown)功能和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，控制邏輯可以在線修改。同時(shí)，SEM可以直接控制電液換向閥、采集水下生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并把水下工況參數(shù)實(shí)時(shí)傳送至水上監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對水下生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。水下控制模塊內(nèi)部安裝了具有電脈沖激勵(lì)開啟和液壓自鎖保持閥位功能的電液換向閥，閥位切換只需要幾秒鐘的電信號，從而降低系統(tǒng)能耗、減少散熱量、延長使用壽命。

圖5 電液復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.5 Structure principle of multiplexed electro-hydraulic control systems

水下控制模塊的監(jiān)控對象更加廣泛，包括水下采油樹、管匯、管匯終端、管線終端、井下安全閥、水下增壓設(shè)備和水下分離設(shè)備等；監(jiān)測參數(shù)更加復(fù)雜，包括調(diào)節(jié)閥閥位、化學(xué)藥劑注入流量和壓力、井口油氣溫度和壓力、井下溫度和壓力、油氣含砂量、油氣流量、清管通球位置和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等；安裝位置更為靈活，可以集中安裝或單獨(dú)安裝在被控設(shè)備上。一個(gè)水下控制模塊也可以控制多個(gè)水下設(shè)備，如多個(gè)水下采油樹共用一個(gè)SCM或者水下采油樹與管匯共用一個(gè)SCM[19]。

水下分配單元又稱臍帶纜終端總成(UTA)，由臍帶纜終端(UTH)、電力分配單元(EDU)和液壓分配單元(HDU)組成。UTH固定安裝臍帶纜、連接EDU和HDU。EDU通過跨接纜為水下控制模塊提供電力，同時(shí)集成水上與水下之間的通信功能。水下電氣連接采用ROV操作的濕式電接頭；通信采用ROV操作的光纖接頭。HDU通過液壓飛線為水下控制模塊提供液壓動(dòng)力。液壓飛線兩端分別配置ROV操作的MQC(Multiple quick connector)。

復(fù)合電液控制系統(tǒng)同時(shí)使用獨(dú)立的蓄能器和蓄能器模塊作為液壓動(dòng)力源，所以系統(tǒng)液壓動(dòng)力供給功率更大、壓力更平穩(wěn)，能夠同時(shí)滿足控制多個(gè)設(shè)備的要求。獨(dú)立的蓄能器與水下控制模塊集成在一起，而蓄能器模塊通常安裝在水下分配單元上。蓄能器包括高壓蓄能器、低壓蓄能器和壓力補(bǔ)償器。高壓蓄能器為井下安全閥提供液壓動(dòng)力；低壓蓄能器為水下液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供液壓動(dòng)力。

水下與水上之間采用編碼和解碼的方式實(shí)現(xiàn)雙向通信，通信方式可以選擇光纖[20]、電纜[21]或雙絞線[22]。當(dāng)水下生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時(shí)，水上監(jiān)控系統(tǒng)可以對水下電子模塊的控制邏輯進(jìn)行在線組態(tài)，而不需要改變水下控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)，減少了維修費(fèi)用。水上與水下之間的臍帶纜結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)部有液壓動(dòng)力管線、回油管線、動(dòng)力電纜、光纖(如果采用光纖通信)和化學(xué)藥劑管線等。

復(fù)合電液控制系統(tǒng)具有控制距離長、功能靈活、響應(yīng)時(shí)間短、安全事故處理能力強(qiáng)、水下控制設(shè)備和水上監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙向通信的特點(diǎn)。復(fù)合電液控制系統(tǒng)已經(jīng)成為行業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)，特別適用于深水大型油氣田多井項(xiàng)目的開發(fā)，控制距離最遠(yuǎn)可達(dá)8 km以上。我國樂東水下井口項(xiàng)目、挪威巴倫支海Snohvit氣田、墨西哥灣的Mensa氣田等均采用了復(fù)合電液控制系統(tǒng)[23-24]。但是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備成本投資大、安裝維修費(fèi)用高，對系統(tǒng)組成元件的可靠性提出了更高要求。

6 水下全電控制

開發(fā)超深水油氣田時(shí)，海底環(huán)境溫度接近0 ℃，液壓動(dòng)力配送過程中沿程溫度降低、液壓油黏度升高，導(dǎo)致壓力損失嚴(yán)重、動(dòng)力配送效率低，液壓管線易堵塞，甚至引起管線爆裂，污染海水。此外，深水油氣田一般呈現(xiàn)高溫高壓的特點(diǎn)，需要更高壓力的液壓動(dòng)力才能滿足控制要求[25]。如果采用上述五種以液壓為動(dòng)力的控制系統(tǒng)，液壓動(dòng)力必須采用高壓配送方式。高壓配送方式對臍帶纜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求，增加了臍帶纜的費(fèi)用。所以為了提高控制系統(tǒng)工作效率和可靠性，同時(shí)考慮保護(hù)海洋環(huán)境的要求，國外在20世紀(jì)末開始研制水下全電生產(chǎn)系統(tǒng)，并推動(dòng)了水下全電控制系統(tǒng)的發(fā)展。全電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖6所示，圖中只顯示動(dòng)力配送過程，其中虛線表示電力供給、點(diǎn)劃線表示可選(或備用)、細(xì)實(shí)線表示高壓液壓管線。全電控制系統(tǒng)的通信過程見本節(jié)下文說明。

對于水下井口頭以上的設(shè)備，全電生產(chǎn)系統(tǒng)采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)取代了液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足IEC 61508 SIL2要求。對于安裝在水下井口頭以下的井下安全閥的控制，由于目前電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的技術(shù)無法滿足井下電動(dòng)安全閥設(shè)計(jì)與制造的需要，所以全電生產(chǎn)系統(tǒng)在測試階段仍然采用液壓控制的井下安全閥，高壓液壓動(dòng)力可以來自復(fù)合電液控制系統(tǒng)的液壓動(dòng)力單元或水下液壓分配單元?？刂凭掳踩y的設(shè)備為微型水下控制模塊。目前，國外井下安全閥的供貨商正致力于電動(dòng)安全閥制造技術(shù)的研究，同時(shí)提出在全電生產(chǎn)系統(tǒng)測試階段采用在井口附近配置水下液壓動(dòng)力單元的方法，單獨(dú)為井下安全閥提供高壓液壓動(dòng)力，從而徹底實(shí)現(xiàn)臍帶纜中無液壓動(dòng)力配送管線的目標(biāo)。但是這兩種解決方案均處于設(shè)計(jì)階段[26]。

圖6 全電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.6 Structure principle of all-eletric control systems

全電控制系統(tǒng)的水下核心控制設(shè)備是水下全電控制模塊(eSCM)，其主要功能是控制井口頭以上的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、與水上進(jìn)行雙向通信、響應(yīng)ESD和PSD(Process shutdown)。水下全電控制模塊設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508 SIL3的要求，采用雙冗余的eSCM結(jié)構(gòu)，一個(gè)處于主控狀態(tài)，另一個(gè)處于熱備狀態(tài)，且每個(gè)eSCM故障時(shí)可以獨(dú)立回收。雙冗余的eSCM之間采用以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電力供給和控制信號來自eSCM，兩者之間通常采用Canbus通信。eSCM的內(nèi)部配置以太網(wǎng)路由器、電源模塊、主控模塊、電池充電模塊、備用充電電池、電源管理模塊、系統(tǒng)工作電壓監(jiān)測模塊、電力切換模塊、ESD/PSD控制模塊以及與IWIS和SIIS接口兼容的通信模塊。全電控制系統(tǒng)的水下水上之間通信與復(fù)合電液控制系統(tǒng)相同。

微型水下控制模塊和eSCM的電力供給來自生產(chǎn)平臺，目前主要有兩種供電方式：230～600 V交流(AC)電壓[26]和3 000 V DC[27]。相比交流供電，在相同功率的條件下直流供電能量損失小，可以減少電纜橫截面。電源模塊又稱為水下變壓模塊(PRCM)，可以單獨(dú)設(shè)計(jì)在eSCM外部。電源模塊把230～600 V AC轉(zhuǎn)換為30 V DC，或把3 000 V DC轉(zhuǎn)換為300 V DC。全電控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，臍帶纜為系統(tǒng)供電。當(dāng)臍帶纜供電故障時(shí)，備用充電電池自動(dòng)切換為工作狀態(tài)。

全電控制系統(tǒng)功能靈活、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間最短、控制距離長，特別適用于開發(fā)深遠(yuǎn)海油氣田。全電控制系統(tǒng)減少了水上液壓動(dòng)力單元，臍帶纜中無液壓動(dòng)力配送管束，對海水環(huán)境無液壓油污染[28]。Cameron公司和FMC公司分別于2008年在荷蘭北海的K5F氣田[29]和2010年在挪威北海Tyrihans氣田[30]首次使用了全電水下采油樹和全電控制系統(tǒng)。全電控制系統(tǒng)技術(shù)目前處于工程試驗(yàn)階段，全電井下安全閥仍然是未解決的難題。但是隨著全電水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的可靠性和關(guān)鍵技術(shù)的逐步完善，未來將與電液復(fù)合控制系統(tǒng)平分秋色[31]。

7 水下自治控制

目前，各國石油公司在采用常規(guī)技術(shù)開發(fā)商業(yè)性油氣田的同時(shí)也在逐步嘗試依托現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施開發(fā)邊際油氣田。當(dāng)邊際油氣田距離依托設(shè)施較遠(yuǎn)時(shí)，常規(guī)的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)需要配置長距離的價(jià)格昂貴的臍帶纜才能滿足開發(fā)需求。從油氣田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，常規(guī)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的高成本限制了依托設(shè)施與邊際油氣田之間的最大回接距離，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離邊際油氣田的開發(fā)，必須選用改進(jìn)的技術(shù)才能獲得良好的經(jīng)濟(jì)收益[32]。為此，國外提出了水下自治控制系統(tǒng)(SPARCS)[33]。該系統(tǒng)主要是通過簡化常規(guī)控制系統(tǒng)中的臍帶纜鋪設(shè)和水上設(shè)備的復(fù)雜程度而降低控制系統(tǒng)的費(fèi)用支出，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。

水下自治控制系統(tǒng)包括水上監(jiān)控設(shè)備和水下就地控制設(shè)備。水上監(jiān)控設(shè)備位于依托設(shè)施平臺上，由控制臺、水聲遙測設(shè)備和電力系統(tǒng)組成。水聲遙測系統(tǒng)由水聲發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，同時(shí)配有水聽器。水下就地控制設(shè)備包括安裝在井口附近的自主運(yùn)行的水下發(fā)電設(shè)備、蓄電池、水下液壓動(dòng)力單元和水下監(jiān)控系統(tǒng)。水下發(fā)電設(shè)備為水下液壓動(dòng)力單元和水下監(jiān)控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力供給。目前，發(fā)電設(shè)備主要有兩種，分別是渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)和熱電發(fā)電機(jī)。渦輪發(fā)電機(jī)通常采用注水井驅(qū)動(dòng)，熱電發(fā)電機(jī)的熱源來自油氣生產(chǎn)通道[34]。蓄電池可以采用海水作為燃料[35]。水下液壓動(dòng)力單元提供兩種控制壓力，大大減少了液壓動(dòng)力配送過程中的能量損失。水下自治控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中是一個(gè)閉式液壓動(dòng)力系統(tǒng)[36]，系統(tǒng)的回油均返回液壓動(dòng)力單元的油箱。水下監(jiān)控系統(tǒng)配置有水下控制模塊，其控制功能與復(fù)合電液控制系統(tǒng)中的水下控制模塊類似，只是增加了聲波通信模塊。

在水下自治控制系統(tǒng)中，水下與水上之間無需臍帶纜，減少了水上設(shè)備的載荷，系統(tǒng)可靠性高，可以用于大型邊際油氣田的開發(fā)，如愛奧尼亞海的LUNA27氣田[37]。但是該系統(tǒng)的水下渦輪發(fā)電技術(shù)和熱電技術(shù)需要進(jìn)一步完善。聲波通信過程同時(shí)受水深和海水溫度梯度的影響，水深越深，海水溫度梯度變化越劇烈，聲波信號損失越嚴(yán)重。所以水下自治系統(tǒng)只適用于開發(fā)中遠(yuǎn)距離的邊際油氣田，其控制距離一般小于12 km。

圖7 水下自治控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.7 Structure principle of SPARCS

8 集成浮漂控制

依托現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施開發(fā)深水或超深水、遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離的邊際油氣田時(shí)，水下自治控制系統(tǒng)由于水下通信技術(shù)和水下發(fā)電技術(shù)不夠成熟，使用受到了限制。如果采用上述幾種有臍帶纜的控制系統(tǒng)，臍帶纜都需要超長距離的回接，這樣會(huì)增加開發(fā)成本、降低系統(tǒng)的可靠性。為此，國外提出了集成控制浮漂(ICB)解決方案，即浮漂控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖8所示。

浮漂控制系統(tǒng)集成了配有臍帶纜的控制系統(tǒng)的可靠性和水下自治控制系統(tǒng)的動(dòng)力自給與無線通信的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)配置方便靈活[38]。浮漂控制系統(tǒng)的基本概念是保證浮漂接近水下被控設(shè)備。浮漂與水下設(shè)備之間的短距離連接采用常規(guī)的電液臍帶纜，所以控制設(shè)備的費(fèi)用不受離岸距離的影響[39]。浮漂是一個(gè)動(dòng)力自給的控制系統(tǒng)，有發(fā)電設(shè)備、蓄電池單元、液壓動(dòng)力單元和監(jiān)控系統(tǒng)。發(fā)電設(shè)備為太陽能電池板，用來驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力單元，同時(shí)為監(jiān)控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力供給。監(jiān)控系統(tǒng)集成了復(fù)合電液控制系統(tǒng)的主控站和水下控制模塊的功能，配置有水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、浮漂設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和無線通信設(shè)備。浮漂與現(xiàn)有平臺、近岸之間的長距離通信采用無線電通信、衛(wèi)星通信或水聲通信[40]，通信距離可達(dá)數(shù)百公里。同時(shí)，浮漂與陸地上的計(jì)量站之間可以采用超高頻(UHF)通信，從而建立一個(gè)互鎖系統(tǒng)。集成浮漂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，不受回接距離限制，適合于超遠(yuǎn)距離衛(wèi)星井和短期油氣田的開發(fā)，如測試油氣田或小型邊際油氣田。澳大利亞的西北大陸架氣田[41]、巴西西北部的阿拉構(gòu)阿斯4-ALS-39邊際氣田[42]均采用了浮漂控制系統(tǒng)。

圖8 集成浮漂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.8 Structure principle of ICB

9 結(jié) 語

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是在水下生產(chǎn)系統(tǒng)對控制需求的驅(qū)動(dòng)下發(fā)展而來的，目前已經(jīng)成為海洋油氣資源開發(fā)——特別是深水油氣田開發(fā)——的關(guān)鍵設(shè)備。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的每一次變化、技術(shù)的每一次創(chuàng)新都是源于不同時(shí)期開發(fā)水下油氣資源對控制系統(tǒng)新功能的迫切需求，其中主導(dǎo)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化的主導(dǎo)因素有開發(fā)水深、油氣田規(guī)模、回接距離和經(jīng)濟(jì)性。工程實(shí)踐中需要結(jié)合油氣田的開發(fā)模式和每種控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制訂水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在國外，利用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)海洋油氣田逐漸成為一種主流的開發(fā)模式，其中又以復(fù)合電液控制應(yīng)用最為廣泛。我國的水下生產(chǎn)系統(tǒng)及其控制技術(shù)尚處于起步階段。盡管國家在“十二五”期間和“十三五”規(guī)劃中，為了滿足南海油氣資源的開發(fā)，設(shè)立了大量關(guān)于水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制的課題，掌握了部分裝備的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，但是我國尚不具備水下生產(chǎn)系統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)、建造和施工的能力，特別是水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的獨(dú)立研制步伐更是落后于水下生產(chǎn)系統(tǒng)核心裝備的研制進(jìn)度。為了在深水油氣資源方面早日具備獨(dú)立開發(fā)的工程服務(wù)能力，必須使水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)與水下裝備協(xié)調(diào)發(fā)展，特別需要加快復(fù)合電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制進(jìn)程。

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AnOverviewofSubseaProductionControlSystem

ZUO Xin1,YUE Yuan-long1,DUAN Ying-yao1,GUO Long-chuan2

(1.DepartmentofAutomation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.DepartmentofOceanEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

Subsea production control system is among the most important equipment applied in subsea oil and gas development community.According to the construction distinction of subsea production control systems,there are totally eight typical control architectures,i.e.,direct hydraulic control system,piloted hydraulic control system,sequential hydraulic control system,direct electro-hydraulic control system,multiplexed electro-hydraulic control system,all-electric control system,powered autonomous remote control system and integrated control buoy.For all these configurations,we explore the emerging background,structure characteristics,operation principle,application ranges,advantages and drawbacks.Finally,the main factors influencing the control system design are analyzed.This research can provide somewhat directive significance for the independent development of our subsea production control systems in the future.

subsea production control system; electro-hydraulic control; all-electric control; powered autonomous remote control; integrated control buoy

2015-09-08

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-003-01)

左信(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油田生產(chǎn)、管道運(yùn)輸和石油化工過程的測量、控制與優(yōu)化方面的研究。

*通信作者

TE54；P756.6

A

2095-7297(2016)01-0058-09