水下生产系统的设计和应用

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 527054)

摘要：针对开发300 m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

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.007

中图分类号：U662；P754

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0025-03

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一吴永鹏(1983-)，男，硕士，工程师

Abstract:The traditional jacket platform is not applicable to develop the oil and gas reserves in the more than 300 meters deep waters. The design and application of the subsea production system of a gas field in the south China sea is summarized and analyzed. This subsea production system has been used successfully in the south China sea with good operation state.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋油气田开发工程项目管理

E-mail:wyp114cnooc@163.com;wuyp5@cnooc.com.cn

要开发深海资源，特别是300 m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300 m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300 m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。

1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5种模式如下[1]。

1)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、FPSO或经海底管线外输回陆地终端。

2)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。

3)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。

4)各卫星井和丛式井的井液汇集到水下管汇外输。

5)综合开发模式。以上几种开发模式混合使用。

2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3种控制方式:①直接液压控制方式；②全电气控制方式；③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。

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(MCS)、电源模块(EPU)、液压动力单元(HPU)、上部脐带缆终端(TUTA)。

安装于水下的设备包括水下控制模块(SCM)、水下脐带缆终端(SUTU)、跨接缆(HFL & EFL)。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。

3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3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1[2]。

图1　水下生产系统控制原理

由图1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。

1)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。

2)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。

3)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。

4)紧急关断功能。当平台MCS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SCM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MCS，MCS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(SCM)、主控制站(MCS)、脐带缆终端分水上和水下(TUTA/SUTU)；液压动力单元(HPU)、电力动力单元(EPU)。

3.2.1主控制站(MCS)

MCS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。MCS的控制形式一般根据业主的需要进行设计。该气田MCS有以IPC为主控制，也有 PLC和Delta V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HPU的压力、液位及马达的状态信息；监控EPU的绝缘、电流和电压值；在MCS上修改并设置一些参数；实现本地和远程控制的功能；MCS高级模式下应该具有自检和自诊断功能。

3.2.2电力动力单元(EPU)

EPU的主要作用就是向水下控制模块(SCM)提供其所需的电力，使SCM得以维持正常工作。由于SCM往往距离EPU有几km，甚至几十km，上百km，这么长的距离将造成很大的电压降，所以EPU向SCM提供电力前，需要把平台UPS输入的220 V电进行升压处理，以满足远距离外的SCM最小工作电压的要求。

EPU的设计需考虑两大问题，EPU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。

3.2.3液压动力单元(HPU)

HPU的作用就是提供高、低压液压液，为井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，HPU上自带PLC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20.67 MPa(3 000 psi)；高压出口压力为37.895 MPa(5 500 psi)。

HPU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。

3.2.4脐带缆终端分水上和水下(TUTA/SUTU)

TUTA承担“中继站”的角色，用于把HPU液压输出管线、甲醇注入管线、MCS信号电缆和EPU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。

SUTU作用主要是将电力、通信信号、液压油和甲醇进行分配。SUTU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。

3.2.5水下控制模块(SCM)

概括来说SCM有两大功能：执行MCS的控制指令；向MCS反馈各类监测信息。SCM安装在水下采气树上，执行MCS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，Modem的状态值，AI卡件的状态值，RS485串口卡件的状态值，电磁阀驱动卡件的状态值，等。

SCM是混合电液控制方式。实际上SCM有两大核心部件：水下电子模块(SEM)和电磁阀。他们之间的工作流程为：平台上的MCS向水下的SCM发送指令，实际是SCM中SEM接收该指令，指令经SEM里的Modem解码后交CPU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[3]。

4结束语

现在水下生产系统技术基本上掌握在Cameron、FMC、GE Vetco Gray、Aker Solutions、Dril-Quip及Weatherford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建造，是水下生产系统应用的有益尝试。

参考文献

[1] 王建文，杨思明.浅谈水下生产系统开发模式和工程设计[C]∥第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集，2011.2.

[2] 英奇·波尔登.水下控制系统的标准化[C].第八届国际水下技术会议，1994.3.中海油平台，1996：109-113.

[3] 中海石油总公司.崖城13-4项目ODP报告[R].北京：中海油研究总院，2010.

Design and Application of the Subsea Production System

WU Yong-peng

(OPSC Wenchang Branch, CNOOC Energy Technology & Services Ltd., Zhangjiang Guangdong 524057, China)

Key words: subsea production system; subsea control system; umbilical; mix electro-hydraulic