水下生产控制系统综述.pdf

第3 卷第1 期 2 0 1 6 年2 月 海洋工程装备与技术 O C E A NE N G I N E E R I N GE Q U I P M E N TA N DT E C H N O L O G Y V 0 1 3 ，N o I F e b 2 0 1 6 水下生产控制系统综述 左信1 ，岳元龙1 * ，段英尧1 ，郭龙川2 1 中1 1 1 石油大学( 北京) 自动化系，北京1 0 2 2 4 9 ；2 杭州电子科技大学海洋工程系，浙江杭州3 1 0 0 1 8 3 摘要水下生产控制系统是开发海洋油气资源的重要装备。根据系统组成结构分类，水下生产控制系统有8 种典 型的结构，分别是直接液压控制、先导液压控制、顺序液压控制、直接电液控制、复合电液控制、全电控制、水下自治 控制和集成浮漂控制。详细研究了每种结构的水下生产控制系统的产生背景、结构特点、工作原理、适用范围和优 缺点，分析了影响水下生产控制系统设计的主导因素，为我国未来自主设计水下生产控制系统提供参考。 关键词水下生产控制系统；电液控制；全电控制；自治控制I 集成浮漂控制 中圈分类号T E 5 4 ；P 7 5 6 6 文献标志码A 文章编号：2 0 9 5 7 2 9 7 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 5 8 0 9 A nO v e r v ie wo fS u b s e aP r o d u ct io nC o n t r o lS y s t e m Z U OX in l ，Y U EY u a n 1 0 n 9 1 ，D U A NY in g y a 0 1 ，G U 0L o n g ch u a n 2 ( 1 D e p a r t m e n to f A u t o m a t io n ，C h in aU n iv e r s it yo f P e t r o l e u m ，B e 何n g1 0 2 2 4 9 ，C h in a ； 2 D e p a r t m e n to fO ce a nE n g in e e r in g ，H a n g z h o uD ia n z iU n iv e r s it y ，H a n g z h o u ，Z h 巧ia n g3 1 0 0 1 8 ，C h in a ) A b s t r a ctS u b s e ap r o d u ct io nco n t r o ls y s t e misa m o n gt h em o s tim p o r t a n te q u ip m e n ta p p l ie dins u b s e ao ila n dg a sd e v e l o p m e n tco m m u n it y A cco r d in gt ot h eco n s t r u ct io nd is t in ct io no fs u b s e ap r o d u cf io nco n t r o ls y s t e m s t h e r ea r et o - t a l l ye ig h tt y p ica lco n t r o la r ch it e ct u r e s ，ie ，d ir e cth y d r a u l icco n t r o ls y s t e m ，p il o t e dh y d r a u l icco n t r o ls y s t e m ，s e - q u e n t ia lh y d r a u l ic co n t r o ls y s t e m ，d ir e cte l e ct r o - h y d r a u l icco n t r o ls y s t e m 。m u l t ip l e x e de l e ct r o - h y d r a u l icco n t r o ls y s - t e m ，a l l - e l e ct r icco n t r o ls y s t e m ，p o w e r e da u t o n o m o u sr e m o t eco n t r o ls y s t e ma n din t e g r a t e dco n t r o lb u o y F o ra l l t h e s eco n f ig u r a t io n s ，w ee x p l o r et h ee m e r g in gb a ck g r o u n d ，s t r u ct u r ech a r a ct e r is t ics ，o p e r a t io np r in cip l e ，a p p l ica t io n r a n g e s ，a d v a n t a g e sa n dd r a w b a ck s F in a l l y ，t h em a inf a ct o r sin f l u e n cin gt h eco n t r o ls y s t e md e s ig na r ea n a l y z e d T h is r e s e a r chca np r o v id es o m e w h a td ir e ct iv es ig n if ica n cef o rt h ein d e p e n d e n td e v e l o p m e n to fO U rs u b s e ap r o d u ct io nco n - t r o ls y s t e m sint h ef u t u r e K e yW O r d ss u b s e ap r o d u cd o nco n t r o ls y s t e m ；e l e ct r o - h y d r a u l icco n t r o l ：a l l - e l e ct r icco n t r o l ；p o w e r e da u t o n o m o u s r e m o t eco n t r 0 1 lin t e g r a t e dco n t r o lb u o y 0引言 随着海洋油气资源的勘探水深不断增加、规模 不断扩大，依托水上设施、利用水下生产系统开发海 上油气田逐渐成为一种主流的开发模式 1 ，特别是 深水、超深水和边际油田的开发 2 。在利用水下生 产系统开发海洋油气资源的过程中，水下生产设备 远离水上依托设施、长期工作于水下环境。与采用 人力或近距离自动控制的陆地油田生产设备相比， 由于水下环境人力无法到达，所以水下生产系统的 相关装备需要配置水下生产控制系统 3 4 ，实现对水 下装备的安全控制和水下生产工艺参数的实时监 测，从而保证水下装备可靠运行、水下油气田安全生 产。 水下生产控制系统是水下生产系统的重要组成 部分 5 1 ，是与水下生产系统同步发展的 6 1 。初期的 控制方式是直接液压控制，主要用于控制浅水小型 油气田的单井采油。随着油气田开发水深的增加和 收稿日期：2 0 1 5 0 9 0 8 基金项目：国家科技重大专项( 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 0 0 3 - 0 1 ) 作者简介：左信( 1 9 6 4 一) ，男，教授，博士生导师，主要从事油田生产、管道运输和石油化工过程的测量、控制与优化方面的 研究。 * 通信作者 第1 期左信，等：水下生产控制系统综述 5 9 大型油气田的发现，水下生产控制系统的控制方式 也在不断地发生着重大变革：为了提高系统响应速 度，先导液压控制取代了直接液压控制；为了简化脐 带缆中液压管束的结构，顺序液压控制取代了先导 液压控制；为了增加系统控制的距离，直接电液控制 取代了顺序液压控制；为了实现深水、超深水大型油 气田的开发，复合电液控制取代了直接电液控制，并 成为了目前的主流控制方式口 。2 0 世纪末，国外水 下装备供应商，尤其是深水装备供应商，开始研发和 完善水下全电控制设计技术 8 。与此同时，为了满 足开发边际油田的控制需求，国外又提出水下自治 控制系统和集成浮漂控制系统。 无论采用哪一种控制方式，水下生产控制系统 的主要结构均由三部分组成，包括水下就地检测与 控制系统、水上动力与监控系统、水上与水下之间的 动力配送和通信系统。本文针对每种控制方式的结 构特点和工作原理，分析其适用范围和优缺点，为工 程实践中水下生产控制系统的设计提供一定参考。 1 直接液压控制 直接液压控制是水下生产控制系统早期使用的 控制方式，当时主要用于控制工作在几十米水深处 的水下采油树上的液压执行机构。通常情况下，液 压执行机构均采用回复弹簧实现故障安全功能( 下 同) 。下面以控制一个液压执行机构为例说明直接 液压控制系统结构原理，如图1 所示。图中细实线 表示液压信号，虚线表示电信号( 下同) 。 直接液压控制系统的水上控制设备包括液压动 力单元( H P U ) 、液压控制板和水上监控系统；水下 控制设备包括脐带缆连接器或液压分配盘，无水下 控制模块。水上控制设备位于生产平台上，水下控 制设备安装在水下采油树上。液压动力单元为液压 执行提供标准的控制压力，一般为15 0 0p s i、30 0 0p s i 或50 0 0p s i( 1p s i一6 8 9 5k P a ) ，但是不包括水面 控制的井下安全阀( S C S S V ) 的控制压力。H P U 可 以选择涡轮驱动和电机驱动。液压油可以选择水基 油和合成烃矿物油，目前水基油应用最为广泛，合成 烃主要用于电液控制系统。液压油清洁度等级应满 足N A S l 6 3 86 及以上要求( 下同) 。液压控制板上 配置有电磁换向阀和脐带缆固定端，每个电磁换向 阀控制一个液压执行机构，液压控制信号经过脐带 缆中的控制管束直接作用在液压执行机构上。脐带 缆为每个液压执行机构分配一根独立的液压控制管 线，当液压执行机构数量较多时脐带缆结构比较复 杂。脐带缆连接器配置与脐带缆内部控制管束数量 相等的液压功能接口，主要作用是连接脐带缆与水 下液压执行机构，并有固定脐带缆的功能。直接液 压控制系统使用初期是开环结构，即阀门关闭时液 压执行机构中的液压油在回复弹簧的作用下直接排 放到海水里；与开环结构对应的是闭环结构，即阀门 关闭时液压执行机构中的液压油返回液压动力单元 的油箱。目前，世界各国出于保护海洋环境的需要， 已经开始限制开环系统的使用。在直接液压控制系 统中，水下无反馈信号，水上监控系统通过液压控制 管线的供油压力、回油流量或压力间接判断系统的 工作状态。 、 玲 脐带恩接器衡 脐带缆连接器 卜! I ! ! 一1 图1 直接液压控制系统结构原理 F ig 1 S t r u ct u r ep r in cip l eo fd ir e cth y d r a u l ic co n t r o ls y s t e m s 直接液压控制系统的响应时间与控制距离、液 压执行机构容积、液压管束内径、液压油黏度等有直 接关系，尤其是控制距离和液压执行机构容积。例 如当控制距离为1 0k m 、液压执行机构容积为3L 时，系统的典型响应时间约为8m in ，该时间远大于 系统的标准响应时间E s ，所以直接液压控制系统的 控制距离一般限制在3k m 以内。 直接液压控制系统系统结构简单、可靠性高、维 修容易，多用于控制距离较短的单个卫星井油气田 的开发。我国南海的流花1 1 1 油田 1 0 、秘鲁的卡 亚俄油田 1 1 均采用直接液压控制系统。但是当控 制距离增加时，液压动力损失严重、系统反应速度 慢；水下液压执行机构数量较多时，脐带缆中液压控 制管束的成本也相应增加。目前，直接液压控制系 统使用较少。 2 先导液压控制 海洋油气田开发水深和井口数量增加时，直接 液压控制系统的使用受到了限制。为了提高系统响 海洋工程装备与技术第3 卷 应速度，国外提出了先导液压控制系统解决方案，系 统的结构原理如图2 所示 12 1 。 先导液压控制系统的水面控制设备与直接液压 控制系统的相同，但是功能却发生了变化，主要体现 在液压控制板上的电磁换向阀不再直接控制作用在 液压执行机构上的液压油的通断，而是为水下液压 先导阀提供液压工作切换的控制信号，并控制水下 液压动力的配送。水下液压先导阀的控制压力可以 低于( 或等于) 液压动力配送的压力，实现用低压液 压控制水下远距离的装备，从而延长控制距离。水 下控制设备包括水下控制模块( S C M ) 、水下蓄能器 和脐带缆连接器。S C M 内部只有液压先导阀，无水 下电子模块。S C M 为液压先导阀提供一个独立的 工作环境和液压功能接口，每个液压先导阀控制一 个液压执行机构。 I 液压先导控制管线 水面 d = = 士士脐带缆连接器 图2 先导液压控制系统结构原理 F ig 2 S t r u ct u r ep r in cip l eo fp il o t e dh y d r a u l icco n t r o l s y s t e m s 液压功能接口有四种：与脐带缆中液压先导控 制信号对应的液压先导阀的控制接口、与水下蓄能 器下游液压管线对应的液压动力供给接口、与液压 执行机构对应的液压控制功能接口和液压回油接 口。水下蓄能器结构有两种形式：一种是单体式蓄 能器；另一种是模块式蓄能器，又称蓄能器模块 ( S A M ) ，为可回收结构。水下蓄能器是S C M 控制 液压执行的直接液压动力源，它既可以安装在水下 采油树本体上( 两种结构形式均可) ，又可以安装在 S C M 内部( 限于单体式蓄能器) 。水下蓄能器由脐 带缆中的独立液压管线供给液压油，其体积取决于 响应时间要求、执行器供油管线尺寸和液压缸容积。 S A M 和S C M 有独立的安装基座，可以进行单独回 收和二次下放安装。根据水深的不同，单独回收下 放时通常采用钢丝绳吊装，由水下机器人( R O V ) 或 潜水员辅助完成。脐带缆连接器的主要作用是连接 脐带缆与S C M 。脐带缆配置三种液压功能管线，分 别为液压动力配送管线、液压先导阀的控制管线和 系统回油管线。液压动力配送管线通常采用双冗余 的结构。相比液压执行机构，液压先导阀的动作过 程中需要的液压油更少，所以脐带缆中液压先导阀 的控制管线的内径通常较小，减少了脐带缆的体积。 水下检测功能方面，先导液压控制线系统与直接液 压控制系统相同。 相比直接液压控制系统，先导液压控制系统动 作时，从平台至水下采油树之间只有液压先导阀的 控制信号，所以大大缩短了系统的响应时间。同时， 控制液压执行机构的液压动力直接来自水下蓄能 器，而不是来自平台，系统响应时间进一步缩短。为 脐带缆配置合适的液压先导管线，先导液压控制系 统可以延长水下设备与依托设施之间的容许距离。 该系统使用范围通常为3 8k m ，控制功能限于卫 星井油气田的开发。但是，先导液压控制系统增加 了水下液压先导阀和水下蓄能器，所以增加了水下 设备的安装和维修费用，目前使用较少。 3 顺序液压控制 直接液压控制系统和先导液压控制系统的共同 特点是每个水下液压执行机构都需要一个独立的液 压控制管线控制。两者的区别是，直接液压控制系 统的每根液压控制管线直接控制水下液压执行机 构；先导液压控制系统的每根液压控制管线控制水 下液压先导阀。先导液压控制系统比直接液压控制 系统增加一根或双冗余的液压动力管线。这两种控 制方式液压管线多，结构复杂。为了减少液压管线 的数量，又不影响系统的控制距离，水下顺序液压控 制方式提供了解决方案。顺序液压控制系统的结构 原理与先导液压控制系统类似，如图3 所示。 相比先导液压控制系统，顺序液压控制系统的 水上设备有液压压力调节器；水下设备有S C M 、蓄 能器和脐带缆管线连接器。S C M 内部配置顺序液 压控制阀和先导液压控制阀，液压功能接口与先导 液压控制系统的相同。顺序液压控制阀的输入是来 自水上的液压压力调节器控制信号，输出是所有先 导液压控制阀的控制信号，一个顺序液压控制阀可 以控制多个先导液压控制阀。液压调节器可以产生 一系列大小不同的压力，每一个压力等级对应液压 一禹 第1 期左信，等：水下生产控制系统综述 执行机构的一组工作状态。先导液压控制阀在相关 等级压力下激活，实现对液压执行机构的控制。该 系统蓄能器的功能和结构与先导液压控制系统的相 同。脐带缆配置三种液压功能管线，分别是液压动 力配送管线、顺序液压控制阀的控制管线和系统回 油管线。动力配送管线和控制管线一般采用双冗余 结构。因此，水上设备与水下设备之间最多只需配 置五根液压功能管线就可以控制水下预设逻辑功能 的设备，从而大大减少了液压管线的铺设数量。水 下检测功能方面，顺序液压控制线系统与直接液压 控制系统相同。 。 叫1 1 、 、 液压动力配送管线| 顺序阀控制管线 水面 i【 d 二= 功 图3 顺序液压控制系统结构原理 F ig 3 S t r u ct u r ep r in cip l eo fs e q u e n t ia lh y d r a u l icco n t r o ls y s t e m s 相比前两种液压控制系统，顺序液压控制系统 减少了液压控制管线的数量，降低了脐带缆的重量 与成本，节省水下安装费用。但是液压执行机构的 开关顺序是预先设定的，不能单独操作各个液压执 行机构，系统灵活性差，不适合复杂的逻辑控制。其 系统响应时间与先导液压控制系统基本相同。控制 距离方面，由于顺序液压控制阀需要在精确的预定 控制压力区间内工作，所以系统使用过程中必须减 少顺序液压控制阀控制压力的沿程损失与压力波 动。顺序液压控制距离较短，一般为2 3k m ，控制 功能限于卫星井油气田的开发，通常作为复合电液 控制系统的备用系统 1 引。 4 直接电液控制 顺序液压控制系统简化了系统结构、提高了系 统可靠性，但是水深增加时顺序液压控制阀的控制 压力损失严重、压力不准确、容易产生误动作；系统 响应时间长，不能满足紧急事故处理的要求。为了 解决深水长距离水下实时控制问题，国外提出了直 接电液控制系统。直接电液控制系统中用电控信号 代替液压控制信号，从根本上缩短了控制系统响应 的时间。直接电液控制系统的原理如图4 所 示1 - 1 4 - s 。 相比上述三种控制系统，直接电液控制系统的 水上水下设备的结构都发生了变化。水上设备除 H P U 和液压控制板外，还增加了用于控制电磁换向 阀的电子控制模块，其主要功能是发出电磁换向阀 的控制信号。控制信号一般为2 4V 直流( D C ) 电 压，通过脐带缆传送到S C M 内部的电磁换向阀控 制端。水下设备有水下控制模块、蓄能器和电液多 功能连接器。水下控制模块为电磁换向阀提供一个 绝缘、散热功能良好、隔离海水的密封工作环境，同 时还提供电气和液压功能接口。脐带缆配置有液压 动力配送管线和回油管线，同时为每个电磁换向阀 提供独立的控制电缆。蓄能器的作用与上述几种液 压控制系统的相同。S C M 和S A M 也可以单独回 收和二次安装。同时，该系统可以提供水下监测数 据。 。 一一 1 1 、 一n 液压动力配送管线 l 电控先导电缆 水面 幽多功能连接器 图4 直接电液控制系统结构原理 F ig 4 S t r u ct u r ep r in cip l eo fd ir e cte l e ct r o - h y d r a u l ic co n t r o ls y s t e m s 直接电液控制系统采用电磁换向阀代替水下液 压先导阀，控制指令响应时间短、系统响应速度快， 理论上使用距离不受限制，每个液压执行机构可以 独立控制。相比前述三种纯液压控制系统，脐带缆 中减少了液压管线数量，降低了对液压组件的功能 要求。但是，直接电液控制系统通过脐带缆中多根 独立电缆将平台上的电控信号直接传输到水下电磁 换向阀的控制端，所以该种系统增加了脐带缆的成 6 2 海洋工程装备与技术第3 卷 本，而且当水下采油树与生产平台之间距离增加时， 电缆中电量损失比较敏感。系统对脐带缆的要求与 被控设备的数量成比例增加。该系统的控制距离一 般为7k m ，控制功能限于卫星井油气田的开发。 5 复合电液控制 随着深水油气田的大规模开发，油气田区块呈 现开发范围大、开发环境温度低、流体温度压力高、 不同井口流体温度压力差异大等特点，同一井口不 同生产阶段的流体特性也不尽相同，而且深水维修 安装作业费用高。所以在开发复杂工况条件下的大 型油气田时，水下生产控制系统必须满足长期、安 全、灵活控制的要求。上述四种控制系统使用受到 了限制，开发深水资源面临新的挑战。为此，国外石 油公司研制了复合电液控制系统，很好地解决了深 水大区块油气田开发的控制要求。目前，复合电液 控制系统是开发海洋油气资源的主流控制系统，尤 其在深水大型油气田的开发中得到广泛应用，其系 统结构原理如图5 所示，其中细实线表示液压动力、 点划线表示电力供给、虚线表示通信信号。 复合电液控制系统的水上设备有液压动力单 元、电力单元、不间断电源、主控站和水上脐带缆终 端等；水下设备包括脐带缆、水下控制模块、水下分 配单元、跨接软管和跨接缆等 16 1 。 相比上述4 种控制系统，该系统的水下控制模 块的内部结构和控制功能发生了巨大变化，其内部 增加了具有计算机功能的水下电子模块( S E M ) ，即 水下中央处理器。为了增加控制系统的可靠性，水 下电子模块一般采用双冗余结构 1 引。S E M 提供了 I W I S ( I n t e l l ig e n tw e l lin t e r f a ces t a n d a r d iz a t io n ) 和 S I I S ( S u b s e ain s t r u m e n tin t e r f a ces t a n d a r d iz a t io n ) 接口 1 引，具有E S D ( E m e r g e n cys h u t d o w n ) 功能和 强大的数据处理功能，控制逻辑可以在线修改。同 时，S E M 可以直接控制电液换向阀、采集水下生产 状态数据，并把水下工况参数实时传送至水上监控 系统，从而实现对水下生产状态的实时监控。水下 控制模块内部安装了具有电脉冲激励开启和液压自 锁保持阀位功能的电液换向阀，阀位切换只需要几 秒钟的电信号，从而降低系统能耗、减少散热量、延 长使用寿命。 水下控制模块的监控对象更加广泛，包括水下 采油树、管汇、管汇终端、管线终端、井下安全阀、水 下增压设备和水下分离设备等；监测参数更加复杂， 包括调节阀阀位、化学药剂注入流量和压力、井口油 图5电液复合控制系统结构原理 F ig 5 S t r u ct u r ep r in cip l eo fm u l t ip l e x e de l e ct r o - h y d r a u l icco n t r o ls y s t e m s 气温度和压力、井下温度和压力、油气含砂量、油气 流量、清管通球位置和设备运行状态等；安装位置更 为灵活，可以集中安装或单独安装在被控设备上。 一个水下控制模块也可以控制多个水下设备，如多 个水下采油树共用一个S C M 或者水下采油树与管 汇共用一个S C M E l 9 。 水下分配单元又称脐带缆终端总成( U T A ) ，由 脐带缆终端( U T H ) 、电力分配单元( E D U ) 和液压 分配单元( H D U ) 组成。U T H 固定安装脐带缆、连 接E D U 和H D U 。E D U 通过跨接缆为水下控制模 块提供电力，同时集成水上与水下之间的通信功能。 水下电气连接采用R O V 操作的湿式电接头；通信 采用R O V 操作的光纤接头。H D U 通过液压飞线 为水下控制模块提供液压动力。液压飞线两端分别 配置R O V 操作的M Q C ( M u l t ip l eq u icke o n n e c t o r ) 。 复合电液控制系统同时使用独立的蓄能器和蓄 能器模块作为液压动力源，所以系统液压动力供给 功率更大、压力更平稳，能够同时满足控制多个设备 的要求。独立的蓄能器与水下控制模块集成在一 起，而蓄能器模块通常安装在水下分配单元上。蓄 能器包括高压蓄能器、低压蓄能器和压力补偿器。 高压蓄能器为井下安全阀提供液压动力；低压蓄能 器为水下液压执行机构提供液压动力。 水下与水上之间采用编码和解码的方式实现双 向通信，通信方式可以选择光纤 2 引、电缆 2 1 或双绞 线 22 。当水下生产工艺发生变化时，水上监控系统 可以对水下电子模块的控制逻辑进行在线组态，而 不需要改变水下控制模块的硬件结构，减少了维修 费用。水上与水下之间的脐带缆结构比较复杂，内 部有液压动力管线、回油管线、动力电缆、光纤( 如果 采用光纤通信) 和化学药剂管线等。 第1 期 左信，等：水下生产控制系统综述 6 3 复合电液控制系统具有控制距离长、功能灵活、 响应时间短、安全事故处理能力强、水下控制设备和 水上监控系统可以实现实时双向通信的特点。复合 电液控制系统已经成为行业的研发重点，特别适用 于深水大型油气田多井项目的开发，控制距离最远 可达8k m 以上。我国乐东水下井口项目、挪威巴 伦支海S n o h v it 气田、墨西哥湾的M e n s a 气田等均 采用了复合电液控制系统 2 3 吨“。但是该系统结构复 杂、设备成本投资大、安装维修费用高，对系统组成 元件的可靠性提出了更高要求。 6 水下全电控制 开发超深水油气田时，海底环境温度接近0 ， 液压动力配送过程中沿程温度降低、液压油黏度升 高，导致压力损失严重、动力配送效率低，液压管线 易堵塞，甚至引起管线爆裂，污染海水。此外，深水 油气田一般呈现高温高压的特点，需要更高压力的 液压动力才能满足控制要求 z 引。如果采用上述五 种以液压为动力的控制系统，液压动力必须采用高 压配送方式。高压配送方式对脐带缆结构强度提出 了更高的要求，增加了脐带缆的费用。所以为了提 高控制系统工作效率和可靠性，同时考虑保护海洋 环境的要求，国外在2 0 世纪末开始研制水下全电生 产系统，并推动了水下全电控制系统的发展。全电 系统结构原理如图6 所示，图中只显示动力配送过 程，其中虚线表示电力供给、点划线表示可选( 或备 用) 、细实线表示高压液压管线。全电控制系统的通 信过程见本节下文说明。 对于水下井口头以上的设备，全电生产系统采 用电动执行机构取代了液压执行机构，电动执行机 构设计满足I E C6 1 5 0 8S I L 2 要求。对于安装在水 下井口头以下的井下安全阀的控制，由于目前电动 执行机构的技术无法满足井下电动安全阀设计与制 造的需要，所以全电生产系统在测试阶段仍然采用 液压控制的井下安全阀，高压液压动力可以来自复 合电液控制系统的液压动力单元或水下液压分配单 元。控制井下安全阀的设备为微型水下控制模块。 目前，国外井下安全阀的供货商正致力于电动安全 阀制造技术的研究，同时提出在全电生产系统测试 阶段采用在井口附近配置水下液压动力单元的方 法，单独为井下安全阀提供高压液压动力，从而彻底 实现脐带缆中无液压动力配送管线的目标。但是这 两种解决方案均处于设计阶段 2 6 1 。 全电控制系统的水下核心控制设备是水下全电 脐带缆终端卜- _ 电力单元 r 身许爰压1 1 模块# 2 一一r J l 水下全电水下全电 l 控制模块撑l控制模块舵 高压 图6 全电控制系统结构原理 F ig 6 S t r u ct u r ep r in cip l eo fa l l - e l e t r icco n t r o ls y s t e m s 控制模块( e S C M ) ，其主要功能是控制井口头以上 的电动执行机构、采集生产过程数据、与水上进行双 向通信、响应E S D 和P S D ( P r o ce s ss h u t d o w n ) 。水 下全电控制模块设计满足标准I E C6 1 5 0 8S I L 3 的 要求，采用双冗余的e S C M 结构，一个处于主控状 态，另一个处于热备状态，且每个e S C M 故障时可 以独立回收。双冗余的e S C M 之间采用以太网实 时通信。电动执行机构的电力供给和控制信号来自 e S C M ，两者之间通常采用C a n b u s 通信。e S C M 的 内部配置以太网路由器、电源模块、主控模块、电池 充电模块、备用充电电池、电源管理模块、系统工作 电压监测模块、电力切换模块、E S D P S D 控制模块 以及与I W I S 和S I I S 接口兼容的通信模块。全电控 制系统的水下水上之间通信与复合电液控制系统相 同。 微型水下控制模块和e S C M 的电力供给来自 生产平台，目前主要有两种供电方式：2 3 0 6 0 0V 交流( A C ) 电压 2 6 和30 0 0VD C E 27 | 。相比交流供 电，在相同功率的条件下直流供电能量损失小，可以 减少电缆横截面。电源模块又称为水下变压模块 ( P R C M ) ，可以单独设计在e S C M 外部。电源模块 把2 3 0 6 0 0VA C 转换为3 0VD C ，或把30 0 0V D C 转换为3 0 0VD C 。全电控制系统正常工作时， 脐带缆为系统供电。当脐带缆供电故障时，备用充 电电池自动切换为工作状态。 全电控制系统功能灵活、系统响应时间最短、控 制距离长，特别适用于开发深远海油气田。全电控 制系统减少了水上液压动力单元，脐带缆中无液压 动力配送管束，对海水环境无液压油污染 2 8 。C a m e r o n 公司和F M C 公司分别于2 0 0 8 年在荷兰北海 的K 5 F 气田 2 9 和2 0 1 0 年在挪威北海T y r ih a n s 气 田 3 0 3 首次使用了全电水下采油树和全电控制系统。 压线j v 习 液管 i块聂之 III_1水模一愀q0 一 一徽控一 压一 裂一 海洋工程装备与技术第3 卷 全电控制系统技术目前处于工程试验阶段，全电井 下安全阀仍然是未解决的难题。但是随着全电水下 生产控制系统的可靠性和关键技术的逐步完善，未 来将与电液复合控制系统平分秋色 3 1 1 。 7 水下自治控制 目前，各国石油公司在采用常规技术开发商业 性油气田的同时也在逐步尝试依托现有生产设施开 发边际油气田。当边际油气田距离依托设施较远 时，常规的水下生产控制系统需要配置长距离的价 格昂贵的脐带缆才能满足开发需求。从油气田开发 的经济效益角度出发，常规水下生产控制系统的高 成本限制了依托设施与边际油气田之间的最大回接 距离，不能实现远距离边际油气田的开发，必须选用 改进的技术才能获得良好的经济收益 32 l 。为此，国 外提出了水下自治控制系统( S P A R C S ) 3 3 1 。该系 统主要是通过简化常规控制系统中的脐带缆铺设和 水上设备的复杂程度而降低控制系统的费用支出， 其系统结构原理如图7 所示。 水下自治控制系统包括水上监控设备和水下就 地控制设备。水上监控设备位于依托设施平台上， 由控制台、水声遥测设备和电力系统组成。水声遥 测系统由水声发射机和接收机组成，同时配有水听 器。水下就地控制设备包括安装在井口附近的自主 运行的水下发电设备、蓄电池、水下液压动力单元和 水下监控系统。水下发电设备为水下液压动力单元 和水下监控系统提供稳定的电力供给。目前，发电 设备主要有两种，分别是涡轮驱动发电机和热电发 电机。涡轮发电机通常采用注水井驱动，热电发电 机的热源来自油气生产通道 34 。蓄电池可以采用 海水作为燃料 35 1 。水下液压动力单元提供两种控 制压力，大大减少了液压动力配送过程中的能量损 失。水下自治控制系统在运行过程中是一个闭式液 压动力系统 s ，系统的回油均返回液压动力单元的 油箱。水下监控系统配置有水下控制模块，其控制 功能与复合电液控制系统中的水下控制模块类似， 只是增加了声波通信模块。 在水下自治控制系统中，水下与水上之间无需 脐带缆，减少了水上设备的载荷，系统可靠性高，可 以用于大型边际油气田的开发，如爱奥尼亚海的 L U N A 2 7 气田 s 引。但是该系统的水下涡轮发电技 术和热电技术需要进一步完善。声波通信过程同时 受水深和海水温度梯度的影响，水深越深，海水温度 梯度变化越剧烈，声波信号损失越严重。所以水下 自治系统只适用于开发中远距离的边际油气田，其 控制距离一般小于1 2k m 。 睡甲一匪孽 图7 水下自治控制系统结构原理 F ig 7 S t r u ct u r ep r in cip l eo fS P A R C S 8 集成浮漂控制 依托现有生产设施开发深水或超深水、远距离 或超远距离的边际油气田时，水下自治控制系统由 于水下通信技术和水下发电技术不够成熟，使用受 到了限制。如果采用上述几种有脐带缆的控制系 统，脐带缆都需要超长距离的回接，这样会增加开发 成本、降低系统的可靠性。为此，国外提出了集成控 制浮漂( I C B ) 解决方案，即浮漂控制系统。其结构 原理如图8 所示。 浮漂控制系统集成了配有脐带缆的控制系统的 可靠性和水下自治控制系统的动力自给与无线通信 的优点，系统配置方便灵活 3 引。浮漂控制系统的基 本概念是保证浮漂接近水下被控设备。浮漂与水下 设备之间的短距离连接采用常规的电液脐带缆，所 以控制设备的费用不受离岸距离的影响 39 l 。浮漂 是一个动力自给的控制系统，有发电设备、蓄电池单 元、液压动力单元和监控系统。发电设备为太阳能 电池板，用来驱动液压动力单元，同时为监控系统提 供稳定的电力供给。监控系统集成了复合电液控制 系统的主控站和水下控制模块的功能，配置有水下 数据采集系统、浮漂设备运行状态监控系统和无线 通信设备。浮漂与现有平台、近岸之间的长距离通 信采用无线电通信、卫星通信或水声通信 0 1 ，通信 距离可达数百公里。同时，浮漂与陆地上的计量站 之间可以采用超高频( U H F ) 通信，从而建立一个互 锁系统。集成浮漂控制系统结构简单，配置灵活，不 受回接距离限制，适合于超远距离卫星井和短期油 气田的开发，如测试油气田或小型边际油气田。澳 大利亚的西北大陆架气田 4 1 、巴西西北部的阿拉构 阿斯4 - A L S - 3 9 边际气田 4 2 1 均采用了浮漂控制 系统。 图8 集成浮漂控制系统结构原理 F ig 8 S t r u ct u r ep r in cip l eo fI C B 9 结语 水下生产控制系统是在水下生产系统对控制需 求的驱动下发展而来的，目前已经成为海洋油气资 源开发 特别是深水油气田开发 的关键设 备。水下生产控制系统结构的每一次变化、技术的 每一次创新都是源于不同时期开发水下油气资源对 控制系统新功能的迫切需求，其中主导控制系统结 构和功能发生变化的主导因素有开发水深、油气田 规模、回接距离和经济性。工程实践中需要结合油 气田的开发模式和每种控制系统的功能结构特点， 制订水下生产控制系统的设计方案。在国外，利用 水下生产系统开发海洋油气田逐渐成为一种主流的 开发模式，其中又以复合电液控制应用最为广泛。 我国的水下生产系统及其控制技术尚处于起步阶 段。尽管国家在“十二五”期间和“十三五”规划中， 为了满足南海油气资源的开发，设立了大量关于水 下生产系统关键技术及装备研制的课题，掌握了部 分装备的设计与制造技术，但是我国尚不具备水下 生产系统的独立设计、建造和施工的能力，特别是水 下生产控制系统的独立研制步伐更是落后于水下生 产系统核心装备的研制进度。为了在深水油气资源 方面早日具备独立开发的工程服务能力，必须使水 下生产控制系统与水下装备协调发展，特别需要加 快复合电液控制系统的设计和研制进程。 参考文献 1 C a t t a n a chJM ，S co t tRD D e s ig nco n s id e r a t io n so fas u b s e a co n t r o ls y s t e mf o raf l o a t in gp r o d u ct io ns y t e m C O T C ， 1 9 8 4 ：4 8 2 0 2 B r in g e l d a lB ，S t o r k a a sE ，D a l s m oM ，e ta 1 R e ce n td e v e l o p m e n t sinco n t r o la n dm o n it o r in go fr e m o t es u b s e af ie l d s C S P E ，2 0 1 0 ：1 2 8 6 5 7 3 Y o u n gHL D e v e l o p m e n tin s u b s e aco n t r o l s c S P E ， 1 9 8 9 ：1 9 2 2 6 4 F u d g eD ，D o n o v a nJF M u l t ip l e xco n t r o ls y s t e m st h eh e a r t t ot h eo p e r a b il it yo fs u b s e ad e v e l o p m e n t s c S u b s e aC o n t r o la n dD a t aA cq u is it io n ，1 9 9 0 ，3 2l2 3 5 周美珍，张维庆程寒生水下生产控制系统的比较与选择 J 中国海洋平台，2 0 0 6 ，2 2 ( 3 ) ：4 7 6 F a b b r iM A no v e r v ie wo fm u l t ip l e x e dE Hs u b s e aco n t r o l s y s t e m s C O T C ，1 9 8 8l6 6 6 8 7 W e s t w o o dJD S u b s e aco n t r o l sa n dd a t aa cq u is it io n - - a nO v e r v ie w C S u b s e aC o n t r o la n dD a t aA cq u is it io n ，1 9 9 0 ，2 2 ： 1 8 3 L a r s s e nEW M a s s ieD ，E r ik s s o nKG S u b s e aa l le l e ct r ic t e ch n o l o g y ：e n a b l in gn e x tg e n e r a t io nf ie l dd e v e l o p m e n t s C O T C 2 0 1 6 ：2 7 2 4 3 9 3 I n t e r n a t io n a lO r g a n iz a t io nf o rS t a n d a r d iz a t io n I S O1 3 6 2 8 6 S e co n de d it io n P e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a sin d u s t r ie s - - d e s ig na n do p e r a t io no fs u b s e ap r o d u ct io ns y s t e m s P a r t6 ： S u b s e ap r o d u ct io nco n t r o ls y s t e m s S 2 0 0 6 1 0 H a l lJE ，W a n gZS L iu h u a lI - Id e v e l o p m e n t - s u b s e ap r o d u c t io ns y s t e mo v e r v ie w C O T C ，1 9 9 6 ：8 1 7 2 1 1 H a l lJE ，M a n u e lW S S u b s e aa n dp r o ce s sco n t r o lf o rt h e C a d l a of l o a t in gp r r o d u n cit o ns y s t e m C O T C ，1 9 8 3 I4 5 1 5 1 2 S t e ck iJS P r o d u ct io nco n t r o ls y s t e m s ：a nin t r o d u ct io n I n ： E x p l o r a t io n P r o d u ct io n ：T h eO il G a sR e v ie w M L o n d o n tB u s in e s sB r ie f t n g sL t d ，2 0 0 3l1 _ 1 3 B o l e sBD S u b s e ap r o d u ct io nco n t r o l ；B e r y lF ie l d C S P E ， 1 9 8 4 t1 2 9 7 1 1 4 S t iv e r sGS E l e ct r o - h y d r a u l icco n t r o ls y s t e m sf o rs u b s caa p p l ie a t io n s C S P E 。1 9 7 2 ：3 7 6 2 1 5 T o n yP S u b s