冒家友 阳建军 王 运

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

流花4-1油田水下复合电液控制系统设计与应用

冒家友 阳建军 王 运

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

流花4-1油田水下生产项目是我国自主开发深水领域的第一个项目,该油田是依托老油田生产的边际油田,老油田所采用的直接电液控制系统已无法满足生产要求,因此设计了水下复合电液控制系统并进行了成功应用。该系统在增加了水下电力通讯单元和水下控制模块基础上,利用脐带缆技术实现了批量数据传输,使整个系统的水下传感器和执行器实现了规模化和自动化,增加了系统的安全性、可操作性和良好的数据反馈性,为流花4-1油田的稳产打下了坚实基础。

流花4-1油田;复合电液控制系统;水下电力通讯单元;水下控制模块

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在深水油气田开发中发挥着核心作用[1-2]。流花4-1油田水下生产项目是中国海油自主开发深水领域的第一个项目[3]。该油田为深水边际油田,位于中国南海珠江口盆地,距香港约215 km,海域水深260～310 m,采用水下生产系统、依托位于其东南部约11 km的老油田现有设施开发。如果该油田采用依托老油田的直接电液控制系统,将面临需要脐带缆数多、不易扩展、响应速度慢等问题与挑战。因此针对该油田开发特点,设计了复合电液水下控制系统,实现了规模化和自动化,增加了系统的安全性、可操作性和良好的数据反馈性,为油田稳产打下了坚实的基础。

1 依托老油田水下控制系统存在的问题

根据工程方案,流花4-1油田水下生产设施、仪控设备所需电力须依托老油田现有平台FPS提供。由于所依托的老油田水下控制系统属于全液压系统中的直接液压系统,其每个功能都由独立的液压线控制,直接与阀门执行器连接,除脐带连接器和对应每个功能的控制线路外,不需要其他水下控制设备。分析认为,流花4-1油田如果采用依托老油田水下控制的方式,将面临以下的问题和挑战:

1)需要更多根脐带缆。若要满足1个采油树上13个液压控制点的控制功能,流花4-1油田的8个采油树就需要104根直接液压管线,再考虑到浮式生产系统FPS到边际采油位置长达11 km的距离,脐带缆设计长度为14 km,其所需要的脐带缆数量巨大;同时,100多根液压管线至少需要通过3根14 km单独脐带缆进行传输,这就意味着脐带缆的铺设工期和费用将会大大增加。

2)不易扩展。流花4-1油田未来需要新增4口井的水下控制,如果采用直接液压控制方法,新增液压控制单元HPU模块、控制盘模块和新增脐带缆均需要重新设计、加工和安装。

3)响应速度慢。对于水下控制阀门,需要在10 s左右实现开合,如果采用直接液压方式,14 km控制距离上的响应时间需要5～6 min,无法满足水下控制的要求。

2 水下控制系统选择

针对以上问题与挑战,流花4-1油田水下控制系统不能简单套用原有的控制方式,需要选择一种更适合其开发的生产控制方式。目前,水下控制系统包含全液压系统、电液系统和全电系统等3种类型[4]。其中,全液压系统包括直接液压、离散先导液压和连续导向液压,电液系统包括直接电液和复合电液,这几种控制系统方式的对比见表1。

表1 常用水下控制系统控制方式的对比

由表1可以看出,全液压系统是最复杂且最可靠的水下控制系统,但与电液系统相比,它们的响应速度相对较慢,从水下系统提供数据自动测量记录传导的能力有限,因此在选择使用全液压系统时,应考虑应用的特殊要求,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主设备较近的单口卫星井,并维持项目经济性的最低费用原则。电液系统具有水下电子模块额外的复杂性,可提供较快的响应时间,可用于监控较大范围的数据自动测量记录传导设备,适用于井控或油藏监控要求操作灵活、操作速度快和数据自动测量记录传导的多井开发,故流花4-1油田应选择复合电液控制方式。

分析认为,电液控制方式无论是在信号、驱动的响应速度和水下离散控制功能的实现,还是在控制管线尺寸和适用长度等方面都具有明显的优势;同时,为了减少控制电缆中导体的数量,应该考虑选用信号多路技术,即复合电液系统。该系统增加有水下电模块(SEM),采用了多芯电液脐带缆,用专用的或共用的导线传输控制信号和电源到水下,相比直接电液系统在减少电缆尺寸同时,监控传输信号的数量也大大增加,从而降低了水下电气连接的复杂性。根据流花4-1油田特点,井口距离中心处理平台14 km,同时油田包括8个采油树加1个管汇,需控制水下设备较多,所以其水下控制系统最终选择了电液控制方式。

3 水下复合电液控制系统设计

基于流花4-1油田水下开发的特点,设计了水下复合电液控制系统,其控制原理见图1。该控制系统由水上主控单元即MCS将监控信号发送到电力单元(EPU),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)后再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(即电液混控脐带缆)远传至流花4-1油田水下分配单元(SDU),SDU将电力载波、液压和化学药剂分别传送至各个采油树,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。该系统各组成部分功能如下:

1)主控站MCS。流花4-1油田水下复合电液控制系统的主控站MCS用来监控远端油田水下生产系统和水面支持设备的工作状况。MCS的CPU模块、电源模块、通讯模块、IO模块和数据通讯总线均采用1∶1冗余;同时,MCS机柜中集成1台工程师站以备系统组态和安装调试之用。该工程师站可兼作操作站,当MCS与原有油田的中控系统链路出现故障时,仍可对油田水下生产系统进行监控。MCS与SCM的通信是通过电力线载波来实现的,即采用电力/数据传输线实现测控信号传输,在保证传输速度的同时,大大减少了上部控制系统的接口数量和复杂性。

2)电力单元EPU。流花4-1油田水下复合电液控制系统在原有平台FPS的开关间设置独立水下生产系统的电力单元EPU。EPU由原有平台FPS上的UPS双路供电,为油田水下控制设备提供所需的控制电能。EPU内的调制解调器MODEM不仅能把来自MCS的控制信号调制到给水下SCM的电力波上,以电力载波的方式最终实现对水下设备的控制,也能对从水下传回来的电力载波进行解调,再返回水下实际检测数值和状态。

3)液压控制单元HPU。由于原有平台液压控制单元HPU不能满足流花4-1油田的需要,因此在FPS上新增了一套HPU,系统为冗余设计。新增的HPU安装在FPS上,为水下控制系统提供稳定而清洁的液压动力,控制流体通过液压脐带缆输送到水下液压分配单元和水下控制模块,操作水下阀门执行机构以实现水下遥控操作阀的开启和关闭。HPU输出的每一条水下液压管线都配有ESD电磁阀,其由中央ESD系统控制,当处于ESD紧急状态时,电磁阀失电使液压管线中液压回流,从而实现水下阀门的安全关断。此外,HPU还通过控制电控阀门为桥接管汇4个水下关断阀提供驱动压力。

4)上部脐带缆终端TUTA。作为水上控制设备和水下设备的接口,流花4-1油田上部脐带缆终端TUTA采用2台TUTA实现脐带缆的连接。其中,第1台用来连接主脐带缆,为水下分配单元SDU提供电力、化学药剂、液压源;第2台用来连接桥接脐带缆,为桥接管汇提供电力和液压源。

5)电液混控脐带缆。流花4-1油田电液混控脐带缆包括3根四芯电控缆(分别为Quad1、Quad2、Quad3)、2根高压液压管线(分别为HP1、HP2)、2根低压液压管线(分别为LP1、LP2)、1根破乳剂注入管线DM、1根防腐剂注入管线CI和1根备用液压管线Spare,用于在脐带缆上部终端TUTA和水下分配单元SDU间传输控制信号、电力、液压动力和化学药剂,该脐带缆截面如图2所示,从外向内依次为: 5 mm聚乙烯外护套、2层4.1 mm钢丝铠装、4 mm聚乙烯内护套、钢丝填充和聚乙烯填充、7根液压软管、3根四芯16 mm2电控缆。

6)水下分配单元SDU。流花4-1油田水下分配单元SDU将来自上部脐带缆的电力、液压流体、化学药剂及控制信号通过内置的分配单元分配到各井口的水下控制模块、化学药剂的注入点,将来自水下生产系统的状态信号通过脐带缆水下终端传输到上部主控站MCS进行监控。该油田SDU主要由脐带缆终端接头UTH、液压分配模块HDM、电力分配模块EDM和基座等4个部分组成。

UTH和主脐带缆固定连接,可以提供2套MQC-13 MKII液快速接头接口和4套电快速接头接口;UTH上设置有逻辑帽,可方便后期改动液压管路的功能分配以及备用液压管线的使用。HDM负责液压动力和化学药剂的水下分配,利用液快速接头将液压液和防腐液分配到各个采油树,同时将破乳液和破乳剂控制阀DMV的控制液传输到生产管汇,也为待开发井留有液压接口。EDM负责电力和信号的水下分配,利用电快速接头将电力和信号分配给各个采油树,也为待开发井留有接口。SDU基座承担所有设备的负载,并提供脐带缆终端接头、液压分配模块和电力分配模块的连接底座,其中UTH可以在水下与连接底座分离。

7)水下控制模块SCM。流花4-1油田水下控制模块SCM提供对现场设备的复合电液控制和监测,每个采油树都设置了1套SCM,实现的功能包括:采油树阀门控制、管汇阀门控制、阀位指示、管汇压力和温度监测、井下智能监测和流量测量。SCM按照收到的命令引导液压流体操作水下阀门开启和关闭,实时采集水下井口和管汇的传感器信息,将其传送至上部MCS;同时,SCM会监测其内部的电液系统,进行电子系统自检测程序,这些监测信息也会被传送到平台上部的MCS。此外,每个采油树上的SCM都设置了2套水下电控单元SEM(分别为SEM-A、SEM-B),由2条电飞线EFL分别连接到四芯线Quad1和Quad2上,实现冗余通信。

图2 流花4-1油田电液混控脐带缆截面图

4 实际应用

流花4-1油田水下复合电液控制系统设置了4条通讯回路通过脐带缆给水下采油树SCM模块提供电力,同时加载电力载波信号实现对水下系统的控制。其中,A1通道连接了采油树1、2、3、4的SEM-A,通讯频率35 k Hz;A2通道连接了采油树5、6、7、8的SEM-A,通讯频率35 k Hz;B1通道连接了采油树1、2、3、4的SEM-B,通讯频率65 k Hz;B2通道连接了采油树5、6、7、8的SEM-B,通讯频率65 k Hz; A1、A2通道可控制8口井,为低频主用通道;B1、B2通道也可同时控制8口井,为高频冗余备用通道。

在流花4-1油田水下复合电液控制系统调试期间,曾出现因脐带缆的接线A1和A2使用1条四芯线Quad1,B1和B2使用另1条四芯线Quad2而无法实现水下控制系统的通讯问题,查找原因为信号存在同频干扰现象,后接线改为交叉方式,即A1和B2使用1组Quad,A2和B1使用另1组Quad,这样避开了两通道之间的同频干扰,成功实现了A2和B1通道的正常通讯,但A1和B2通道仍不能正常通讯。后把从上部脐带缆终端TUTA至EPU之间的平台电缆也改为交叉连接的方式,才终于实现了A1和B2通道的正常通讯。

总之,水下复合电液控制系统的成功设计与应用,实现了流花4-1油田的远程回接,使该油田水下控制系统和平台原有控制系统实现了无缝衔接,平台新增HPU、MCS和EPU等水下控制系统构件也实现了远程监控水下8口油井的目标,从而为类似深水油气田开发项目开辟了新思路。

5 思考及建议

虽然流花4-1油田脐带缆的接线A1和B2最终实现了通讯,但通讯效果不理想。后经调整载波通讯的频率、功率和波特率等多种参数,通讯效果虽有所改善,但B2通道始终未能建立良好的冗余通迅。以上现象的存在引发了一些思考。因水下生产系统和脐带缆一般由不同厂家提供,基本设计阶段所提出的产品技术指标各主要厂家都能够满足要求,一般较为宽松,而各水下生产系统厂家的控制系统设计又有较大差异,尤其是对脐带缆的要求,在特定通讯频率的阻抗匹配和信号衰减等关键技术指标上要求各不相同,详细设计阶段水下生产系统厂家设备通讯特性对脐带缆的要求,脐带缆厂家未必能够完全满足,如果不能在项目的早期阶段就认识该技术界面风险并加以细致的技术界面管理,将对油田的成功投产造成较大影响。

复合电液控制系统特别适合具有较多个采油树和管汇的远距离回接和需要大量数据反馈的水下油气田开发,可使水上水下生产设施通过脐带缆实现电液传输,具有冗余安全度高、响应速度快、所需脐带缆根数少和扩展灵活性高等优点。我们相信,随着水下复合电液控制技术的不断应用与完善,该技术将会为我国深水油气开发与稳产打下坚实基础。

[1] 范亚民.水下生产控制系统的发展[J].石油机械,2012,40(7):45-49.

[2] 李长春,连琏.水下生产系统在海洋石油开发中的应用[J].海洋工程,1995,13(4):25-30.

[3] 原庆东,冯丽梅,冒家友,等.流花4-1油田海缆铺设安装关键技术研究及应用[J].中国海上油气,2014,20(2):88-90,99.

[4] Petroleum and natural gas industries.ISO 13628-6:Design and operation of subseaproduction systems—Part 6:Subsea production control systems[S].2006.

Design and application of subsea composite electro-hydraulic control system in LH4-1 oilfield

Mao Jiayou Yang Jianjun Wang Yun
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518052)

LH4-1 oilfield is the first self-developed subsea project in deep water area in China.It is a marginal oilfield which use subsea production system tied back to an existing oilfield and the existing oilfield uses directly electro-hydraulic control system which is not able to meet the new production requirement.Therefore,a subsea composite electro-hydraulic control system has been designed and applied successfully.This system uses electrical power unit and subsea control module to achieve batch data transmission via subsea umbilical,consequently,making the subsea transmitter and actuator in the whole system to realize the scale and automation,enhancing the system security,operability and data feedback,providing a solid foundation for stable production of LH4-1 oilfield.

LH4-1 oilfield;composite electro-hydraulic control system;subsea electrical power unit;subsea control module

2013-11-21改回日期:2014-03-05

(编辑:叶秋敏)

冒家友,男,教授级高级工程师,现主要从事项目管理工作。地址:广东省深圳市南山区太子路22号金融中心2楼(邮编: 518052)。电话:0755-26023705。