水下生产系统的设计和应用.pdf

第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 ： - 水下生产系统的设计和应用 吴永鹏 （中海油能源发展股份有限公司 湛江采油服务文昌分公司，广东 湛江 ） 摘 要：针对开发 以上的深水海域，传统的导管架平台开发方式已经不适用的问题，对南海某气田 水下生产系统的设计和应用进行总结，该套水下生产系统已经在南海使用，目前运行情况良好。 关键词：水下生产系统；水下控制系统；脐带缆； 混合电液 中图分类号：； 文献标志码： 文章编号：- （）- - 收稿日期： 修回日期： 第一作者简介：吴永鹏（ ），男，硕士，工程师 研究方向：海洋油气田开发工程项目管理 E- mail： ； 要开发深海资源，特别是 水深以下的 石油天然气资源，就得应用新科技新技术。 水下 生产系统技术是开发深水油气田和海洋边际油气 田的“利器”。 开发 水深以下的油气田若 再沿用导管架平台的开发方式，导管架的投资将 非常巨大，很不经济；而且国内外建造 以上 导管架经验很少，需要承担极大的技术风险。 水 下生产系统无疑为中国深水油气田开发提供了新 思路。 水下生产系统 1 1 水下生产系统的组成 典型的水下生产系统由水下控制系统、水下 采气（油）树、水下井口、脐带缆、水下管汇、水下 连接器，以及跨接管等组成。 水下控制系统主要 是控制水下阀门；水下采气（油）树和水下井口一 起就是采气树的整体；脐带缆主要是提供混合电 液，打开各种阀门；水下管汇就是个中继站，通过 水下连接器和跨接管将多个井口的油气汇聚起来 送入海管。 1 2 水下生产系统的基本开发方式 根据具体油气田地质油藏特点和开发策略， 应用水下生产系统进行海上油气田的开发已经形 成了多种应用模式，目前常见的 种模式如下 。 ）水下卫星井产出油气。 从各卫星井通过 海底管线 跨接汇集到水下管汇，通过立管输送到 平台、 或经海底管线外输回陆地终端。 ）水下卫星井产出油气不经管汇，直接由立 管输往浮式生产系统或平台。 ）管汇和丛式井。 分散单个或多个卫星井 分别回接到海底管汇。 ）各卫星井和丛式井的井液汇集到水下管 汇外输。 ）综合开发模式。 以上几种开发模式混合 使用。 水下控制系统 2 1 水下控制方式 水下控制系统按照水下驱动方式，有以下 种控制方式：直接液压控制方式；全电气控制 方式；混合电液控制方式。 直接液压控制，脐带缆中的液压管直接连接 到采气树上每个阀门的执行器上，通过按照在上 部组块的井口控制盘直接控制阀门的开关。 全电气控制，顾名思义，此控制方式不在需要 液压动力，阀门执行器由原来的液压驱动变成为 电机驱动。 混合电液控制系统采用了先进的数字复合技 术，在单根电缆上长距离传输信号。 上行信号用 于遥测大量水下数据，如压力、温度、阀门状态等， 下行信号用于控制大量的水下电磁执行机构，这 些电磁执行机构经液压放大驱动液压阀门和油 嘴。 所以混合电液控制系统可以实现远距离遥测 和遥控，并且该系统可以随意扩展，根据不同的水 下需求和生产状态连接不同的传感和执行机构。 目前国际主要的水下控制系统是混合电液控制技 术。 年 第 期 吴永鹏：水下生产系统的设计和应用 船海工程 第 卷 2 2 水下生产系统的设备组成 水下控制系统包括水上的设备和水下的设 备。 安装于水上的设备包括主控制系统（）、 电源模块（）、液压动力单元（）、上部脐 带缆终端（）。 安装于水下的设备包括水下控制模块（）、 水下脐带缆终端（）、跨接缆（ ）。 水上与水下设备间的电气，通信和液压是通过一 根混合了液压管线和电缆的脐带缆来实现。 水下生产系统应用 目前国内自主设计和建造的第一个水下生产 系统在南海某气田成功投产，该设备运行状态良 好。 该气田 口水下生产系统都采用混合电液控 制技术，整套系统由位于平台上的水下生产系统 的上部控制模块和水下控制模块组成，电信号、液 压及化学药剂通过从平台到水下生产系统之间连 接的脐带缆来实现。 3 1 水下生产系统控制原理 水下生产系统控制原理见图 。 图 1 水下生产系统控制原理 由图 可见，脐带缆是整个水下生产系统的 命脉，对水下生产系统有着至关重要的作用，是整 个系统的生命线。 通过脐带缆可以实现以下主要 功能。 ）开启阀门。 通过脐带缆中的电力信号驱 动电磁执行机构，又经过液压放大驱动液压阀门 来控制采气树上的各个阀门，包括生产主阀、生产 翼阀、井下安全阀、环空主阀、环空翼阀、转换阀等 不同功能的阀门。 ）电力和信号的传输。 通过脐带缆中的电 力线，向水下电气设备提供电源；同时脐带缆中的 信号线可以将水下生产系统安装的压力、温度传 感器数据实时传输给水面监控设备。 ）化学药剂注入。 气田使用的化学药剂主 要是甲醇。 化学药剂通过脐带缆中的化学药剂管 线分别注入到采气树、井下、海底管线内。 ）紧急关断功能。 当平台 发出紧急关 断指令时，信号通过脐带缆中的信号线将指令信 号传输给水下的 来关断水下井口设备；当水 下井口发生紧急关断时，就会将报警和关断信号 传输给平台 ， 将信号传输给中控室。 3 2 该气口水下控制系统 该气田投产使用的水下采气树由以下主要设 备组成：水下控制模块（）、主控制站（）、 脐带缆终端分水上和水下（ ）；液压动 力单元（）、电力动力单元（）。 主控制站（） 作为主控制站一般安装在平台或者其 他水面设备上，是整个水下控制系统的大脑，相当 于平台上的中控系统。 实现整个水下生产系统的 控制、监测、检测、报警及紧急关断等功能。 的控制形式一般根据业主的需要进行设计。 该气 田 有以 为主控制，也有 和 为主控制的共三种控制形式，不论哪种主控制形 式，其都实现控制水下采气树阀门；控制气嘴的开 度；井下安全阀的开启和关断；监控水下压力和温 度传感器的实时数据；监控 的压力、液位及 马达的状态信息；监控 的绝缘、电流和电压 值；在 上修改并设置一些参数；实现本地和 远程控制的功能； 高级模式下应该具有自检 和自诊断功能。 电力动力单元（） 的 主 要 作 用 就 是 向 水 下 控 制 模 块 （）提供其所需的电力，使 得以维持正常 工作。 由于 往往距离 有几 ，甚至几 十 ，上百 ，这么长的距离将造成很大的电压 降，所以 向 提供电力前，需要把平台 输入的 电进行升压处理，以满足远距 离外的 最小工作电压的要求。 的设计需考虑两大问题， 的输出功 率和输出电压。 这两个问题必须根据项目的实际 情况，经专业单位进行电力分析后方可决定。 液压动力单元（） 的作用就是提供高、低压液压液，为井 年 第 期 吴永鹏：水下生产系统的设计和应用 船海工程 第 卷 底安全阀和水下采气树上所有阀门的开启提供液 压动力。 在本地控制模式下， 上自带 控 制单元，对照输出压力设定值和实际输出压力进 行闭环压力控制，通过控制液压泵的起停，使输出 压力维持在设定的压力输出范围内。 根据项目的 情况进行压力设置，该项目主要设计参数：低压出 口压力为 （ ）；高压出口压力 为 （ ）。 的储罐容量各项目有差异，要经过液压 分析得出。 主要考虑脐带缆的长度，脐带缆越长， 储罐容量要求越大；要考虑脐带缆的材质，热塑管 脐带缆要求储罐容量的大小要比钢管脐带缆的 大，因为热塑管膨胀系数比钢管脐带缆的大，同样 内径要求脐带缆，热塑管要注入更多的液压油以 抵消其膨胀消耗。 脐带缆终端分水上和水下（ ） 承担“中继站”的角色，用于把 液 压输出管线、甲醇注入管线、 信号电缆和 动力电缆集中起来与脐带缆里相对应的液 压管线，甲醇注入管线，信号电缆，动力电缆相连 接。 同时监测脐带缆里液压管线和甲醇注入管线 的压力。 作用主要是将电力、通信信号、液压油 和甲醇进行分配。 通常放置于海床上，把 脐带缆里的电力、通信、液压油和甲醇按要求分配 给各水下采气树。 使得采气树能正常工作。 水下控制模块（） 概括来说 有两大功能：执行 的控 制指令；向 反馈各类监测信息。 安装在 水下采气树上，执行 下达开阀，关阀，调节气 嘴的开度指令。 反馈自身所获得各种监测信息， 包括采气树上阀门的开度，生产管线上温度压力 值，电磁阀液压回路的压力值，输入电压、电流值， 输出电压、电流值，电源模块的状态值， 的 状态值， 卡件的状态值， 串口卡件的状 态值，电磁阀驱动卡件的状态值，等。 是混合电液控制方式。 实际上 有 两大核心部件：水下电子模块（）和电磁阀。 他们之间的工作流程为：平台上的 向水下的 发送指令，实际是 中 接收该指令， 指令经 里的 解码后交 处理，处 理完成后按照指令控制电磁阀。 使电流激励电磁 阀里的线圈，导通或者关闭液压回路。 而由于每 个电磁阀对应于一个采气树上的阀门，液压回路 的导通或者关闭将引起液压动力的供给或泄放。 阀门的设计是失效安全型，液压动力供给时阀门 打开，液压动力泄放时阀门关闭。 从而实现对采 气树上阀门的控制 。 结束语 现在水下生产系统技术基本上掌握在 - 、 、 、 及 这几家国外公司手中，市场和 技术处于垄断之中。 我国与国外先进水平存在很 大的差异，需要深入研究并实现国产化。 该项目 是我国第一次设计和