楊 安 王立權(quán) 蘇 鋒 李維天 陳 斌 馬洪文

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)外水下采油技術(shù)突飛猛進(jìn)，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)被用于控制采油生產(chǎn)時(shí)井口的壓力和流量、清蠟及化學(xué)藥劑注入等采油流程。目前復(fù)合電液控制方式是應(yīng)用較廣泛的一種控制方式，它將多個(gè)水下控制模塊連接到同一根臍帶纜的終端上，使操作者在岸上的工作站內(nèi)可以對(duì)水下設(shè)備的各個(gè)閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，水下設(shè)備上的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下設(shè)備的工作狀態(tài)，并將狀態(tài)信息傳送到岸上的主控站內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下多口井的控制。該類控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、傳輸距離長(zhǎng)、易實(shí)現(xiàn)集中控制。水下控制模塊是復(fù)合電液控制方式的重要組成部分，一般將其安裝在水下采油樹、水下分離器及管匯等水下設(shè)備上[1～3]。

1 水下控制模塊的組成①

水下控制模塊一般采用模塊化設(shè)計(jì)，將內(nèi)部器件集成在一個(gè)密封的殼體中，為了降低殼體的制造成本，殼體中充滿礦物質(zhì)油，用來(lái)平衡海水的壓力。水下控制模塊一般能夠被重復(fù)利用，在水下能夠被單獨(dú)安裝和取出，通過(guò)使用水下吊裝工具和水下機(jī)器人將水下控制模塊安裝到水下采油樹等設(shè)備上。

水下控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集機(jī)械、電氣及液壓等技術(shù)于一體(圖1)，主要包括鎖緊機(jī)構(gòu)、換向閥、蓄能器、壓力補(bǔ)償器、深水液壓接頭、濕插拔電連接器及水下電子模塊等，這些組件相互配合來(lái)控制水下采油設(shè)備。水下控制模塊底板設(shè)計(jì)有導(dǎo)向裝置，以便水下控制模塊的精確安裝，同時(shí)頂部上安裝有遙控車(Remotely Operated Vehicle,ROV)適配接口，方便回收和替換。

圖1 水下控制模塊典型結(jié)構(gòu)

2 水下控制模塊設(shè)計(jì)

2.1 基本要求

筆者的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)淺水測(cè)試場(chǎng)的水下控制模塊實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是做出初步的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，相比于國(guó)外技術(shù)指標(biāo)有所降低，其主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

設(shè)計(jì)水深 水下50m

通信方式 電力載波通信和光纖通信

內(nèi)部液壓控制功能 具備10路低壓控制口(20.685MPa),2路高壓控制口(34.475MPa)

傳感器類型 4～20mA、Canbus、Modbus

2.2 重點(diǎn)要素分析

水下控制模塊設(shè)計(jì)主要考慮壓力、海水腐蝕及密封等因素的影響。

深水環(huán)境下的壓力。水下控制模塊殼體主要受到內(nèi)部礦物質(zhì)油的靜壓力和外部海水的靜水壓力，另外還會(huì)受到海水的沖擊壓力。水下控制模塊內(nèi)部使用的壓力補(bǔ)償器需經(jīng)過(guò)較精確的估算，如果壓力補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)挠土坎患皶r(shí)，會(huì)造成外部的靜水壓力大于水下控制模塊內(nèi)部的壓力，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需給殼體留出一些余量，可使殼體承受一定的壓力差[4]。同時(shí)為了避免壓力集中的現(xiàn)象，需對(duì)水下控制模塊殼體局部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

海水腐蝕。水下控制模塊長(zhǎng)期工作在深海環(huán)境下，腐蝕會(huì)給其正常工作帶來(lái)極大的影響?？刂颇K系統(tǒng)與外界海水接觸的殼體會(huì)受到海水的強(qiáng)烈腐蝕作用。所以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)要注意殼體材料的選擇，同時(shí)采用犧牲陽(yáng)極的方法減少殼體的腐蝕[5]。

密封。由于壓力補(bǔ)償器的作用，水下控制模塊殼體的密封主要使用氟橡膠密封，選擇密封件主要考慮密封件的使用壽命，設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)時(shí)要充分考慮密封件安裝的方便性[6]。水下控制模塊內(nèi)部元器件的密封方式多采用金屬密封和非金屬密封組合的方式，這兩種密封方式的機(jī)理是通過(guò)預(yù)緊力使密封件發(fā)生彈性變形或彈塑性變形后，使密封件與密封面貼合。

2.3 部分水下控制模塊內(nèi)部器件分析與選型

國(guó)外有多家公司為生產(chǎn)水下控制模塊的公司提供配件，水下控制模塊內(nèi)部元器件的生產(chǎn)和選用已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。因?yàn)楣P者設(shè)計(jì)的是實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，所以在研究國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)化器件的基礎(chǔ)上，選擇與其相似的國(guó)內(nèi)器件即可滿足實(shí)驗(yàn)要求。

內(nèi)部電液方向閥的分析與選型。水下控制系統(tǒng)在深水環(huán)境下工作時(shí)，其大部分組件不但要承受外部海水的壓力，而且要有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，所以所采用的電子器件和液壓元件一般不能直接用在深海環(huán)境下[7]。水下控制模塊內(nèi)部采用的方向控制閥是電液換向閥，這種產(chǎn)品一般是為水下控制模塊特制的，具有較好的耐腐蝕性和較高的可靠性。電液換向閥的閥體主材料多采用316L不銹鋼。它與岸上使用的電液換向閥的主要區(qū)別是其具備液壓自鎖和失壓復(fù)位功能。為了延長(zhǎng)換向閥內(nèi)部控制線圈的使用壽命，同時(shí)降低期間功耗并減少發(fā)熱量，水下電液換向閥采用脈沖操作，進(jìn)而要配備液壓自鎖功能，這樣會(huì)使換向閥內(nèi)部閥芯保持特定的工作位置。當(dāng)水下控制模塊的電子設(shè)備失效時(shí)，為及時(shí)關(guān)閉水下設(shè)備上的各工作閥門，通過(guò)降低岸上液壓動(dòng)力單元的供油壓力，從而降低換向閥供油口的壓力，此時(shí)閥芯會(huì)移動(dòng)到初始位置，同時(shí)水下設(shè)備上的各閥門會(huì)關(guān)閉，此為失壓復(fù)位功能。

蓄能器的分析與選型。在水下控制模塊里，蓄能器作為一個(gè)應(yīng)急液壓源，不但可以解決開閥動(dòng)作所帶來(lái)的壓力降低問(wèn)題，同時(shí)可以吸收液壓沖擊。

蓄能器存儲(chǔ)和釋放的容量與氣囊中氣體的體積變化是相同的，而氣體狀態(tài)變化遵守氣體狀態(tài)方程，即：

(1)

式中n——指數(shù)，等溫過(guò)程中n=1.0，絕熱過(guò)程中n=1.4；

p0——?dú)饽业某錃鈮毫?，Pa；

p1——最高工作壓力，Pa；

p2——最低工作壓力，Pa；

V0——儲(chǔ)能器容量，L；

V1——?dú)饽冶粔嚎s后，對(duì)應(yīng)p1的氣體體積，L；

V2——?dú)饽遗蛎浐?，?duì)應(yīng)p2的氣體體積，L。

將體積差ΔV=V2-V1代入式(1)整理可得：

(2)

為保證在p2壓力時(shí)，蓄能器仍有能力補(bǔ)償系統(tǒng)泄漏，常取p0=(0.80～0.85)p2。在此，最高工作壓力p1為34.5MPa，水深50m，故最低工作壓力p2=0.5MPa，p0=(0.80～0.85)p2，計(jì)算取p0為0.4MPa，ΔV取6L，n取1.4，根據(jù)式(2)解得V0=7.3L。經(jīng)查液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇容積為10.0L，工作壓力為34.5MPa的蓄能器，即可滿足該處的要求。

水下控制模塊底板液壓接頭的分析與選型。水下控制模塊底板使用的液壓接頭為多路板式液壓接頭，該產(chǎn)品的技術(shù)在美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)已經(jīng)成熟，被普遍應(yīng)用在水下油氣田開發(fā)領(lǐng)域。該種液壓接頭的特點(diǎn)是便于多個(gè)接頭安裝在一個(gè)板子上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)液壓接頭的插拔，提高了水下連接的效率和可靠性。單個(gè)水下液壓接頭不帶鎖緊機(jī)構(gòu)，在整體液壓板安裝完畢后，需要操作一個(gè)整體鎖緊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)液壓接頭的鎖緊。深水多路液壓板式接頭的安裝一般采用水下機(jī)器人來(lái)安裝[4]。

水下控制模塊內(nèi)部的布置安裝。水下控制模塊內(nèi)部器件繁多，而且內(nèi)部空間有限，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置安裝是一個(gè)難點(diǎn)。水下控制模塊外殼一般為圓柱形，殼體裝配后內(nèi)部充入硅油，用來(lái)平衡外部海水的壓力。將水下電子模塊安裝在耐壓殼體中，其他所有內(nèi)部器件浸泡在硅油中，承受外部海水傳遞的壓力。在此，因?yàn)樗驴刂颇K放在水下50m實(shí)驗(yàn)，外部水壓為0.5MPa，壓力較小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇殼體壁厚為8mm，足以承受外部壓力。參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，將換向閥固定在閥塊上，然后安裝到水下控制模塊底板上，底板上有連接液壓接頭的通路。蓄能器與水下電子模塊一起被安裝在中間隔板上，水下電子模塊殼體頂板上預(yù)留出與換向閥和傳感器的電路接口，鎖緊軸從底板中心和中間隔板中心穿過(guò)。

3 水下控制模塊的調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

水下控制模塊在下水前必須進(jìn)行功能測(cè)試，從而保證滿足水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的要求，降低水下生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率。國(guó)外生產(chǎn)水下控制模塊的公司專門為水下控制模塊搭建了測(cè)試平臺(tái)，而筆者針對(duì)實(shí)驗(yàn)要求簡(jiǎn)化了水下控制模塊的測(cè)試內(nèi)容，主要包括底板對(duì)接實(shí)驗(yàn)及聯(lián)合測(cè)試等。

3.1 水下控制模塊底板對(duì)接實(shí)驗(yàn)

水下控制模塊底部安裝有定位導(dǎo)向裝置，用來(lái)與水下安裝基座對(duì)接，同時(shí)可以有效防止多路接頭的錯(cuò)插。在水下控制模塊底部安裝有特殊形狀的定位銷，作為引導(dǎo)裝置，在對(duì)接盤對(duì)接前，實(shí)現(xiàn)初步的引導(dǎo)定位，這是一個(gè)由粗定位到精確定位的過(guò)程，如果定位過(guò)程有障礙，輕則造成水下控制模塊無(wú)法安裝，重則破壞水下控制模塊底板外圍器件。

對(duì)接盤上有多個(gè)液壓接頭，液壓油導(dǎo)通后，每個(gè)液壓接頭上要受到液壓油的分離力，多個(gè)液壓接頭的存在使得總分離力和力矩變得復(fù)雜，所以鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性變得尤為重要，單軸鎖緊和雙軸鎖緊方式被國(guó)外公司普遍采用。雙軸鎖緊方式采用兩根鎖緊軸將水下控制模塊固定在安裝基座上，適合較淺的海域使用，其鎖緊結(jié)構(gòu)可靠；單軸鎖緊方式適合圓柱體結(jié)構(gòu)的水下控制模塊，該鎖緊方式一般和單點(diǎn)吊裝方式一起使用，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單和緊湊。

3.2 水下控制模塊與水下分離器聯(lián)合調(diào)試

水下分離器的作用是將從水下井口開采出來(lái)的油進(jìn)行分離，去除里面的水和砂，提高油氣的產(chǎn)量。將原油脫水系統(tǒng)安裝在水下可以有效減少岸上水處理設(shè)備的數(shù)量，同時(shí)減少海底輸送原油管線的流量[8]。水下控制模塊一般安裝在水下分離器的橇體上，其液壓接口與分離器的各閥門連接，水下控制模塊接收來(lái)自岸上操作站的指令，來(lái)控制分布在水下分離器上各管路的閥門。圖2為本次聯(lián)合測(cè)試使用的水下分離器，此次聯(lián)合實(shí)驗(yàn)所采用的水下分離器上主要有3個(gè)安全閥需要水下控制模塊來(lái)控制。

圖2 聯(lián)合調(diào)試用的水下分離器

4 結(jié)束語(yǔ)

水下控制模塊是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，它既與岸上的主控站連接，又與水下設(shè)備連接，是整個(gè)控制系統(tǒng)控制指令和監(jiān)測(cè)信號(hào)的樞紐。設(shè)計(jì)水下控制模塊涉及電子、液壓、機(jī)械、密封及材料等多方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)并制造完成后，需要通過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試來(lái)驗(yàn)證其可靠性。目前國(guó)外的水下生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，早已成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，水下控制模塊的使用深度可達(dá)水下3km。國(guó)內(nèi)對(duì)水下控制模塊的研究多限于理論，對(duì)于水下控制模塊的制造和測(cè)試還需加大力度。

[1] 朱高磊，趙宏林，段夢(mèng)蘭.水下采油樹控制模塊設(shè)計(jì)要素分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42(10)：1～3.

[2] 張豐功，王定亞，李磊，等.水下控制模塊的技術(shù)分析與發(fā)展建議[J].石油機(jī)械，2013，41(6):59～62.

[3] 周美珍,張維慶,程寒生.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的比較與選擇[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2007,22(3):47～48.

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[5] 王瑋,孫麗萍,白勇.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2009，24(6)：41～42.

[6] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011：172.

[7] 李磊，鄧平，張豐功，等.電液換向閥在水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].石油機(jī)械，2013，41(3):58～62.

[8] 曹建強(qiáng).深海水下分離器液控系統(tǒng)研究[D].青島:中國(guó)石油大學(xué)，2011.