论文部分内容阅读
【摘要】通过对目前多种水下控制方式的分类比较，明确了各种水下控制方法的特点；同时在介绍流花4-1油田的生产开发特点的基础上，比较分析得出复合电液控制系统是LH4-1油田开发项目最优控制方式；最后对LH4-1水下控制系统的具体应用进行了分析。
【关键词】水下控制系统 复合电液控制 LH4-1油田开发
在海洋深水技术产业领域，随着各国加大对深水油气田开发的力度，水下生产设施及其控制系统作为深水生产最为重要的设施，在深水海洋开发中发挥着核心的作用，本文以流花4-1油田开发项目为依托，在项目工作的基础上，总结了LH4-1油田开发项目所采用水下控制系统——复合电液控制系统在应用方面的工作，从而为今后更多水下项目提供有益借鉴和参考。
1 水下控制系统的分类
根据控制系统设计和现场特殊要求，水下控制方式可以从集成了控制盘的简单液压源组到更先进的包括信号分路复用与水上处理设备合用的控制操作界面的系统；控制方式有可直接控制水下执行设备，也有通过水下控制模块来实现控制水下设备的。水下生产系统包含以下几种类型的控制方式：全液压系统、电液系统和全电系统三种类型。具体分析如下：1.1 全液压系统
全液压系统包括以下三种：
（1）直接液压系统。其每个功能都由独立的液压管线控制，直接与阀执行器连接。除脐带连接器和对应每个功能的控制线路外，不需要其它水下控制设备。
（2）先导液压系统。该系统包括有先导阀的水下控制模块连同本地水下液压源，一般通过来自地面的独立管线充填的蓄能器一起。信号线仅用于提供切换一个小先导阀的液压，而用于驱动采油树阀门或管汇阀组的液体由本地水下蓄能器提供。与直接液压系统相比，这套系统通过将阀驱动时间缩至最短，而延长了水下设备与主设备之间的容许距离。
（3）顺序液压系统。该系统使用带有特殊先导阀的控制模块，但每个功能不需要独立的液压线控制。模块中所有先导阀共用单根先导线路上压力梯级增加顺序可使不同的先导阀在其压力等级上激活以控制水下阀。使用的动力液体来自水下蓄能器。由于每个采油树只需要一根先导控制管线，液压管线的数量降至最低。但这套系统的缺点是水下阀的开启顺序是预先确定的，以不同顺序开启水下阀就不具有灵活性。这套系统通常作为电液系统的备用系统使用，也可用作为减少脐带要求和成本的独立系统。
1.2 电液系统
电液控制系统是用电信号代替液压信号，在本质上消除了响应时间中的信号传输时间。它们也增加了监控更广泛的水下数据的能力。电液控制系统需要一个附加的电控制脐带，或在液压控制/化学剂注入脐带中加入电缆。然而与直接液压系统和先导液压系统相比，对控制脐带中的液压组件要求有所降低，这是因为该系统中只需要系统液压供给导管和化学剂注入导管。电液系统可进一步细分为直接电液系统、复合电液系统和自动化系统。
（1）直接电液系统。直接电液系统通过控制脐带中的多个独立导管将信号直接传输到位于水下模块的方向控制阀的螺线管上。这种系统选择增加了控制脐带的成本，当相对主设备的偏移距离增加时，对多个导管中的能量损失比较敏感。对控制脐带的要求与受控制井的数量成正比例增加。
（2）复合电液系统。复合液电系统通过编码、数字信息经一对导线将电信号传输到一个或多个水下控制模块上。水下控制模块将信息解码并采取适当的动作，如执行器或访问水下传感器。单根控制脐带可与所有水下井口通信，因此控制脐带缆中的控制组件要求可以降到最低。通信信号和水下控制模块的动力电源可经独立的双绞线传递，也可将通信信号加载到动力电源导线上，以减少控制脐带上的导线总数。
（3）自动化系统。自动化系统给水下生产设备提供本地动力和控制。液压液在本地储存。与地面设备的通信可通过声波连接或声波/卫星/无线电连接的组合来进行。基本系统功能与复合电液系统的功能相同。
1.3 全电系统
全电系统仅使用电信号，从根本上消除了信号的回馈时间，提高紧急关断ESD反应速度，消除了由于水深引起的效率降低和水下蓄能器的限制。也提高了对水下设备信息的监控能力（例如执行器的操作特性），全电系统需要一根电力脐带缆，而用于控制的液压管线不再需要。尽管全电系统有以上特点，但是全电系统对于供电质量要求较高，同时目前与全电系统配套使用的应用于水下全电系统的阀门执行器等相关水下设备在安全、成本、功能以及能耗上还不能满足深水要求，故全电系统还处于探索阶段。
2 流花油田特点以及水下控制方式的确定
流花4-1油田位于中国南海珠江口盆地中央隆起带东沙隆起西南部29/04区块，距香港约215公里，距深圳约240公里，位于流花11-1油田西北部约11公里处，海域水深约260～300m。
流花4-1油田采用水下生产系统、依托位于其东南部相距11 km的流花11-1油田现有设施开发：流花4-1的生产井液通过卫星井与中枢管汇间的跨接管汇集到中枢管汇，再由中枢管汇通过约11km海底管线输送到流花11-1水下管汇，通过桥接管汇与流花11-1油田流体汇合，经现有两条13.5″、2.8km海底管线输送到“南海胜利号”FPSO上进行处理、储存和外输。流花4-1油田水下生产设施、仪控设备所需电力由流花11-1油田的“南海挑战号”FPS提供。
研究表明，影响水下控制系统选择的因素包括费用、与主机的距离、响应时间和测量数据自动记录和传输方面的要求等，根据上节表1可以看出全液压系统基本上是最复杂且最可靠的水下控制系统，但与液电系统相比，它们的响应相对较慢，从水下系统提供测量数据自动记录和传输的能力有限。在选择使用全液压系统之前，应认真考虑其应用的特殊性，尤其是对数据和响应速度的要求。一般情况下，全液压系统适合用于距离水上设备较近的卫星井，例如现有LH11-1水下生产系统就是选用这种全液压系统。电液控制系统使用了水下控制模块，这增加了系统的复杂性，但可提供较快的响应时间，可用于监控较大范围的测量数据自动记录和传输设备。电液控制系统适用于井控和/或油藏监控需要操作灵活性、操作速度和测量数据自动记录和传输的多井开发项目。根据流花4-1油田特点，油井出口距离中心处理平台有11公里距离，同时油田包括8个采油树+1个管汇，需控制水下设备较多，正是基于以上的原因，所以本项目水下控制系统最终选择复合了电液控制方式。
3 复合电液控制系统在LH4-1油田开发中的应用
流花4-1油田所采用复合电液控制系统，由水上主控单元（MCS）将监控信号发送到电力单元（EPU），在这里监控信号通过电力单元内部调制解调器（MODEM）被叠加到电力波上，电力载波传送到上部脐带缆终端（TUTA）和来自于液压控制单元（HPU）的液压线路以及来自于化学注入单元的化学药剂线路一起通过一根复合电液脐带缆远传至LH4-1油田水下分配单元（SDU），SDU将电力载波、液压和化学药剂分别送至各个采油树，而采油树上部SCM会将电力载波解调为分离的电力波和信号波，最终完成为流花4-1油田水下控制设备供电、提供液压源，并实现数据通信的功能，如图1。
4 总结
复合电液控制系统作为LH4-1油田开发项目控制系统的最优选择，在该油田依托开发工程中得到了成功应用，这种成熟的水下控制系统必将在我国未来的深水油气田开发中得到更为广泛的应用。
参考文献
[1] ISO 13628-6：2006. Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems—Part 6： Subsea production control systems
【关键词】水下控制系统 复合电液控制 LH4-1油田开发
在海洋深水技术产业领域，随着各国加大对深水油气田开发的力度，水下生产设施及其控制系统作为深水生产最为重要的设施，在深水海洋开发中发挥着核心的作用，本文以流花4-1油田开发项目为依托，在项目工作的基础上，总结了LH4-1油田开发项目所采用水下控制系统——复合电液控制系统在应用方面的工作，从而为今后更多水下项目提供有益借鉴和参考。
1 水下控制系统的分类
根据控制系统设计和现场特殊要求，水下控制方式可以从集成了控制盘的简单液压源组到更先进的包括信号分路复用与水上处理设备合用的控制操作界面的系统；控制方式有可直接控制水下执行设备，也有通过水下控制模块来实现控制水下设备的。水下生产系统包含以下几种类型的控制方式：全液压系统、电液系统和全电系统三种类型。具体分析如下：1.1 全液压系统
全液压系统包括以下三种：
（1）直接液压系统。其每个功能都由独立的液压管线控制，直接与阀执行器连接。除脐带连接器和对应每个功能的控制线路外，不需要其它水下控制设备。
（2）先导液压系统。该系统包括有先导阀的水下控制模块连同本地水下液压源，一般通过来自地面的独立管线充填的蓄能器一起。信号线仅用于提供切换一个小先导阀的液压，而用于驱动采油树阀门或管汇阀组的液体由本地水下蓄能器提供。与直接液压系统相比，这套系统通过将阀驱动时间缩至最短，而延长了水下设备与主设备之间的容许距离。
（3）顺序液压系统。该系统使用带有特殊先导阀的控制模块，但每个功能不需要独立的液压线控制。模块中所有先导阀共用单根先导线路上压力梯级增加顺序可使不同的先导阀在其压力等级上激活以控制水下阀。使用的动力液体来自水下蓄能器。由于每个采油树只需要一根先导控制管线，液压管线的数量降至最低。但这套系统的缺点是水下阀的开启顺序是预先确定的，以不同顺序开启水下阀就不具有灵活性。这套系统通常作为电液系统的备用系统使用，也可用作为减少脐带要求和成本的独立系统。
1.2 电液系统
电液控制系统是用电信号代替液压信号，在本质上消除了响应时间中的信号传输时间。它们也增加了监控更广泛的水下数据的能力。电液控制系统需要一个附加的电控制脐带，或在液压控制/化学剂注入脐带中加入电缆。然而与直接液压系统和先导液压系统相比，对控制脐带中的液压组件要求有所降低，这是因为该系统中只需要系统液压供给导管和化学剂注入导管。电液系统可进一步细分为直接电液系统、复合电液系统和自动化系统。
（1）直接电液系统。直接电液系统通过控制脐带中的多个独立导管将信号直接传输到位于水下模块的方向控制阀的螺线管上。这种系统选择增加了控制脐带的成本，当相对主设备的偏移距离增加时，对多个导管中的能量损失比较敏感。对控制脐带的要求与受控制井的数量成正比例增加。
（2）复合电液系统。复合液电系统通过编码、数字信息经一对导线将电信号传输到一个或多个水下控制模块上。水下控制模块将信息解码并采取适当的动作，如执行器或访问水下传感器。单根控制脐带可与所有水下井口通信，因此控制脐带缆中的控制组件要求可以降到最低。通信信号和水下控制模块的动力电源可经独立的双绞线传递，也可将通信信号加载到动力电源导线上，以减少控制脐带上的导线总数。
（3）自动化系统。自动化系统给水下生产设备提供本地动力和控制。液压液在本地储存。与地面设备的通信可通过声波连接或声波/卫星/无线电连接的组合来进行。基本系统功能与复合电液系统的功能相同。
1.3 全电系统
全电系统仅使用电信号，从根本上消除了信号的回馈时间，提高紧急关断ESD反应速度，消除了由于水深引起的效率降低和水下蓄能器的限制。也提高了对水下设备信息的监控能力（例如执行器的操作特性），全电系统需要一根电力脐带缆，而用于控制的液压管线不再需要。尽管全电系统有以上特点，但是全电系统对于供电质量要求较高，同时目前与全电系统配套使用的应用于水下全电系统的阀门执行器等相关水下设备在安全、成本、功能以及能耗上还不能满足深水要求，故全电系统还处于探索阶段。
2 流花油田特点以及水下控制方式的确定
流花4-1油田位于中国南海珠江口盆地中央隆起带东沙隆起西南部29/04区块，距香港约215公里，距深圳约240公里，位于流花11-1油田西北部约11公里处，海域水深约260～300m。
流花4-1油田采用水下生产系统、依托位于其东南部相距11 km的流花11-1油田现有设施开发：流花4-1的生产井液通过卫星井与中枢管汇间的跨接管汇集到中枢管汇，再由中枢管汇通过约11km海底管线输送到流花11-1水下管汇，通过桥接管汇与流花11-1油田流体汇合，经现有两条13.5″、2.8km海底管线输送到“南海胜利号”FPSO上进行处理、储存和外输。流花4-1油田水下生产设施、仪控设备所需电力由流花11-1油田的“南海挑战号”FPS提供。
研究表明，影响水下控制系统选择的因素包括费用、与主机的距离、响应时间和测量数据自动记录和传输方面的要求等，根据上节表1可以看出全液压系统基本上是最复杂且最可靠的水下控制系统，但与液电系统相比，它们的响应相对较慢，从水下系统提供测量数据自动记录和传输的能力有限。在选择使用全液压系统之前，应认真考虑其应用的特殊性，尤其是对数据和响应速度的要求。一般情况下，全液压系统适合用于距离水上设备较近的卫星井，例如现有LH11-1水下生产系统就是选用这种全液压系统。电液控制系统使用了水下控制模块，这增加了系统的复杂性，但可提供较快的响应时间，可用于监控较大范围的测量数据自动记录和传输设备。电液控制系统适用于井控和/或油藏监控需要操作灵活性、操作速度和测量数据自动记录和传输的多井开发项目。根据流花4-1油田特点，油井出口距离中心处理平台有11公里距离，同时油田包括8个采油树+1个管汇，需控制水下设备较多，正是基于以上的原因，所以本项目水下控制系统最终选择复合了电液控制方式。
3 复合电液控制系统在LH4-1油田开发中的应用
流花4-1油田所采用复合电液控制系统，由水上主控单元（MCS）将监控信号发送到电力单元（EPU），在这里监控信号通过电力单元内部调制解调器（MODEM）被叠加到电力波上，电力载波传送到上部脐带缆终端（TUTA）和来自于液压控制单元（HPU）的液压线路以及来自于化学注入单元的化学药剂线路一起通过一根复合电液脐带缆远传至LH4-1油田水下分配单元（SDU），SDU将电力载波、液压和化学药剂分别送至各个采油树，而采油树上部SCM会将电力载波解调为分离的电力波和信号波，最终完成为流花4-1油田水下控制设备供电、提供液压源，并实现数据通信的功能，如图1。
4 总结
复合电液控制系统作为LH4-1油田开发项目控制系统的最优选择，在该油田依托开发工程中得到了成功应用，这种成熟的水下控制系统必将在我国未来的深水油气田开发中得到更为广泛的应用。
参考文献
[1] ISO 13628-6：2006. Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems—Part 6： Subsea production control systems