水下分离器控制系统结构设计

(海洋石油工程股份有限公司， 天津300051)

0 引 言

在深海油气田开发中，采用水下生产系统是降低开发成本、实现油田有效开发的先进措施。其中，水下分离器是整个水下生产系统中的关键部分，用于海底气液分离或油气水分离。海底气液分离后，气体自然举升，液体通过电潜泵增压输送，可减小井口背压，提高采收率，加速油田生产，同时可有效避免水合物的生成。海底油气水分离和采出水回注有效补充地层压力，提高采收率，使开发深水低储层压力油田得以实施，为水下生产系统的流动保障提供有力支持。目前国外应用水下分离器的生产油田较少，但是随着油田资源储存量的不断减少，如何提高采收率，如何开发边际油田，如何降低开发成本等新问题将会逐渐显现。水下分离器开采模式可有效解决即将面临的各种问题，为水下油田开采提供一条新的解决方案。

图1 水下油田示例

本文针对沉箱式水下分离器控制系统进行设计分析，通过对比国外已有水下分离器应用案例，选择适合中国南海500 m以内水深应用的水下分离器控制系统结构设计方式。

1 水下分离器介绍

石油和天然气工业正在向深水开发推进，目的是寻找更高效的开发深水油气井的方法[1]。水下分离器和增压泵可以提高油田的预期产量，分离器和增压泵设施可以布置在距离井口较近的位置，有效降低井口背压，提高油气井的采收率。水下油田[2]如图1所示。

在井口将水进行分离，可输送较远的距离，减少流动保障问题，同时减少上部基础设施的需求，这对于在极寒、极热、台风等环境的区域意义重大。在成熟的油田，增加水下分离器可以提高产量，解决水处理能力带来的生产瓶颈问题。

图2 沉箱式水下分离器原理图

常用的水下分离器分为几种形式：卧式分离器、沉箱式分离器、立式分离器、管式分离器(紧凑式)。分离器结构形式的选取取决于油田布置面积、分离效果(不同油质)、处理量、水深等因素。其中，沉箱式水下分离器有如下优点：适用于更深的水深(2 000 m以上)，可有效避免段塞流的影响，可利用现有电潜泵成熟的技术，可靠性更好。本文主要针对沉箱式水下分离器开展研究，重点分析沉箱式分离器控制系统结构设计中面临的难点。

2 工艺特点对控制系统的要求

沉箱式水下分离器原理如图2所示，多相流通过左上角多相流切向进口注入沉箱，通过离心力、重力将油、气、水三相进行分离，气相通过顶部气相出口排出，油和水则通过电潜泵从上部油和水出口排出，输送至平台或者陆地终端，如果井下需要注水，则分离器分离出的水可以直接通过注水泵注水，这样提高了海管的输送效率，同时也满足了注水的需求。

沉箱式水下分离器主要有2大工艺难点：(1)乳状液的形成或起泡导致的气体夹带现象；(2)液体在气体立管中聚集或段塞问题，如液体夹带和气体夹带现象的监测、液位控制检测、沙控制和处理。

为实现较好的分离效果，分离器控制系统需要控制好相关工艺参数：(1)控制分离器中油、气、水三相参数，如油水界位、油面液位及气相压力等；(2)控制入口流量波动对于三相参数的影响；(3)控制电潜泵输出流量；(4)监控液体夹带和气体夹带，及时采取控制措施；(5)监控电潜泵各项参数指标；(6)控制沉箱底部沙量，及时除沙。

2.1 沉箱式水下分离器控制系统技术难点

与传统的水下生产控制系统相比，水下分离器对控制系统要求更高，系统需要解决的问题有以下几点：(1)水下强电传输过程对于通信信号的干扰及水下高压变频泵对水下控制模块的干扰；(2)分离器控制模块布置合理，可回收式设计；(3)分离器控制系统传感器可回收式设计；(4)较高的分离器传感器数据传输速度要求；(5)控制系统冗余设计；(6)液位、压力探测方式及传感器选择；(7)控制方式和控制策略。

2.2 已投产国外水下分离器项目案例分析

目前已经投产的国外水下分离器项目中，有卧式分离器、沉箱式分离器、立式分离器、管式分离器(紧凑式)等形式。已投产水下分离器项目总览[3]见表1。已投产水下分离器项目控制系统对照见表2。

表1 已投产水下分离器项目总览表

表2 已投产水下分离器项目控制系统对照表

图3 水下分离器控制策略示例

由表1和表2可知，目前国外已投产沉箱式分离器控制方式为：(1)水下控制系统与上部通过光纤进行通信；(2)分离器液位和界位通过压差形式进行监测；(3)分离器液位和界位通过控制调节电潜泵控制。

3 典型水下分离器控制系统设计分析

水下分离器控制策略示例如图3所示，水下分离器控制系统由水上和水下等2部分组成：水上部分由主控站、电力单元、液压动力单元和变频控制器组成；水下部分由水下控制模块(Subsea Control Module，SCM)、水下调节阀、水下关断阀、水下传感器(液位、界位、温度、压力传感器、含沙监测)、水下控制模块内部传感器和电潜泵组成。水上的控制信号、电力和液压通过脐带缆上部终端(Topside Umbilical Terminal Assembly，TUTA)、脐带缆(Umbilical)传递至水下，通过水下分配单元(Subsea Umbilical Terminal Unit，SUTU)以飞线形式连接至水下设备。

3.1 测量仪表选型设计

为更好地选择适合水下环境的液位传感器，各种原理的液位传感器特点比较见表3。

表3 各种原理的液位传感器特点比较

因沉箱式分离器体积较大，通常液位控制只需控制在一定区间即可，对传感器响应速度和精准度要求不高，但对可靠性要求较高，结合表3中液位测量方法的对比情况，通常选用差压形式进行液位测量。

3.2 调节器选择

目前，国外水下各分离器项目所采用的调节和控制的执行器选取如表2所示，主要有：泵(电潜泵、多相流泵)、自力式压力调节阀和Choke的不同组合形式。通过调节Choke的开度以实现分离器所相压力的调节和控制，通过调节电潜泵的流量来实现分离器液位的控制。

3.3 分离器控制系统水下部分设计方案

分离器控制系统水下部分设计方案如图4所示，沉箱式水下分离器控制系统分为2个控制回路，即沉箱液位控制回路和沉箱压力控制回路[4]。

图4 分离器控制系统水下部分设计方案

沉箱式气液分离器的主要被控变量为液位，而水下分离器液位受多种因素的干扰和波动影响，主要有：分离器入口流量及气液比的波动，分离器液相含气率，分离器气相含液和分离器油相泡沫等。其中，对液位波动影响最大的为分离器入口流量和气液比波动。为消除波动的影响，须在主控制回路中加入前馈控制，提前将波动引入控制系统，能够控制速度、减少液位波动。主回路通过控制电潜泵的流量控制液位。

在沉箱底部(低于泵体要求的最低点)、正常工作液位下部和正常工作液位上部分别设置1个和3个压力传感器用于实时监测液位的变化。同时，在分离器三相入口处设置压力传感器用于记录进入分离器的总流量波动情况。因为入口通过旋流管道消除段塞留，可以通过合理选取压力监测点监测入口的气液流量波动情况，以预防突然的流量波动对于分离器液位的影响。

(1) 液位控制回路。因为沉箱式分离器控制液位设定值要求在一定范围内，控制系统的目的是使液位稳定在一定范围内即可，对控制精度要求并不高，重点应在抑制液位出现较大波动，预防意外事故的发生。所以，须通过仿真模拟确定合理的控制器参数和报警值。

(2) 沉箱压力控制回路。沉箱分离器利用旋流方式，气相通过自然举升到达水上终端。气相被控变量为沉箱气相压力和气相举升管线压力，为保证举升气流量的稳定和分离器气相压力的稳定，须加入串级控制，通过控制沉箱气相出口调节阀进行控制，同时引入入口流量波动进行前馈控制；主回路被控变量为举升管线压力，其主调节器的输出作为副调节器的输入。在沉箱上部气相和气举升管线(水上)分别设置1块压力传感器，用于监测沉箱气相压力和举升管线压力。通过工艺分析结果和优化控制算法，达到上部管线和沉箱压力的控制调节。

(3) 水下分离器光纤通信分析。由于分离器变频电潜泵的采用，电力谐波会对载波信号质量有较大的影响，同时脐带缆电压等级较高，光纤信号抗干扰能力较强。同时，如果采用光纤通信，则主脐带缆可以集成液压、光纤、控制系统电力及动力系统电力，只需要1条脐带缆就可以实现。如果采用电力载波通信方式，则电力载波需要与电力分开，用2条脐带缆，会增加铺设安装费用和设备费用。对比表2可知，目前已投产的水下分离器项目均采用了光纤通信方式。

光通信链路为：主控站(光通信单元)→TUTA→脐带缆→SUTU→光飞线(Optical Fiber Line，OFL)→SCM光纤功能单元。

(4) SCM设计方案。考虑到控制回路数量较少，通信信息量并不大，对带宽要求不大，所以SCM采用远程终端的形式，具体控制计算在主控站进行。

SCM应至少具备6路模拟量输入通道、8路数字量输入通道、4路液压输出通道，具体数量需在详细设计中确定。SCM应具备自身安全监测功能，其应包括但不限于内部压力监测、温度监测、海水内漏监测、电子器件舱室温湿度监测、电路电压及绝缘电阻监测等功能。SCM应当具备满足设计水深工作要求的压力平衡装置、防腐蚀能力和抗震能力。由于能力撬体上安装有电潜泵，工作于振动环境中，所以应考虑SCM抗振分析和出厂测试中增加振动测试。

(5) 冗余设计。SCM的供电和光纤通信采用冗余设计，水下电子模块为冗余设计。重要传感器(如液位传感器等)信号也须进行冗余设计。水下电力(电潜泵)也须考虑冗余供电形式。

4 结 语

随着我国油气开采往深海推进，提高油田采收率和降低油田投资成本已经成为当前的迫切需求。水下分离器作为一种油气田开发方式可有效提高油田采收率，降低上部设施投资及空间使用，提高海管输送效率。对于气候条件恶劣地区，通过水下分离器开发方案和相关配套设施，通过增压泵和海管直接将开采并经过初步分离的油气输送至陆地终端，可有效防范台风、冰冻等自然灾害，降低潜在风险。

我国油藏资源普遍开采难度较大、随着油田开采的进行含水率不断增加，开采难度不断升高。水下分离器开发方案对于提高采收率、降低开采难度具有较好的效果。

[1] BAGGS C, KENT I, ALLEN J. Troll Pilot Control System: Advanced Control System for a Subsea Separator[C]//2000 Offshore Technology Conference, 2000.

[2] MOGSETH G. Functional Verification of the World First Full Field Subsea Separation System-TIORA[C]// 2008 Offshore Technology Conference, 2008.

[3] LI Z, OLSON M, RAYACHOTI V, et al. Exxonmobil Upstream Research Company[C]//2014 Offshore Technology Conference, 2014.

[4] PATIL S, FENG G, LING M. Application of High Speed Valves/Actuators in Subsea Separator System[C]//Offshore Technology Conference-Asia, 2014.