(海洋石油工程股份有限公司， 天津300051)

0 引 言

在深海油氣田開發(fā)中，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)是降低開發(fā)成本、實現(xiàn)油田有效開發(fā)的先進措施。其中，水下分離器是整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，用于海底氣液分離或油氣水分離。海底氣液分離后，氣體自然舉升，液體通過電潛泵增壓輸送，可減小井口背壓，提高采收率，加速油田生產(chǎn)，同時可有效避免水合物的生成。海底油氣水分離和采出水回注有效補充地層壓力，提高采收率，使開發(fā)深水低儲層壓力油田得以實施，為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的流動保障提供有力支持。目前國外應用水下分離器的生產(chǎn)油田較少，但是隨著油田資源儲存量的不斷減少，如何提高采收率，如何開發(fā)邊際油田，如何降低開發(fā)成本等新問題將會逐漸顯現(xiàn)。水下分離器開采模式可有效解決即將面臨的各種問題，為水下油田開采提供一條新的解決方案。

圖1 水下油田示例

本文針對沉箱式水下分離器控制系統(tǒng)進行設計分析，通過對比國外已有水下分離器應用案例，選擇適合中國南海500 m以內(nèi)水深應用的水下分離器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計方式。

1 水下分離器介紹

石油和天然氣工業(yè)正在向深水開發(fā)推進，目的是尋找更高效的開發(fā)深水油氣井的方法[1]。水下分離器和增壓泵可以提高油田的預期產(chǎn)量，分離器和增壓泵設施可以布置在距離井口較近的位置，有效降低井口背壓，提高油氣井的采收率。水下油田[2]如圖1所示。

在井口將水進行分離，可輸送較遠的距離，減少流動保障問題，同時減少上部基礎設施的需求，這對于在極寒、極熱、臺風等環(huán)境的區(qū)域意義重大。在成熟的油田，增加水下分離器可以提高產(chǎn)量，解決水處理能力帶來的生產(chǎn)瓶頸問題。

圖2 沉箱式水下分離器原理圖

常用的水下分離器分為幾種形式：臥式分離器、沉箱式分離器、立式分離器、管式分離器(緊湊式)。分離器結(jié)構(gòu)形式的選取取決于油田布置面積、分離效果(不同油質(zhì))、處理量、水深等因素。其中，沉箱式水下分離器有如下優(yōu)點：適用于更深的水深(2 000 m以上)，可有效避免段塞流的影響，可利用現(xiàn)有電潛泵成熟的技術(shù)，可靠性更好。本文主要針對沉箱式水下分離器開展研究，重點分析沉箱式分離器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計中面臨的難點。

2 工藝特點對控制系統(tǒng)的要求

沉箱式水下分離器原理如圖2所示，多相流通過左上角多相流切向進口注入沉箱，通過離心力、重力將油、氣、水三相進行分離，氣相通過頂部氣相出口排出，油和水則通過電潛泵從上部油和水出口排出，輸送至平臺或者陸地終端，如果井下需要注水，則分離器分離出的水可以直接通過注水泵注水，這樣提高了海管的輸送效率，同時也滿足了注水的需求。

沉箱式水下分離器主要有2大工藝難點：(1)乳狀液的形成或起泡導致的氣體夾帶現(xiàn)象；(2)液體在氣體立管中聚集或段塞問題，如液體夾帶和氣體夾帶現(xiàn)象的監(jiān)測、液位控制檢測、沙控制和處理。

為實現(xiàn)較好的分離效果，分離器控制系統(tǒng)需要控制好相關(guān)工藝參數(shù)：(1)控制分離器中油、氣、水三相參數(shù)，如油水界位、油面液位及氣相壓力等；(2)控制入口流量波動對于三相參數(shù)的影響；(3)控制電潛泵輸出流量；(4)監(jiān)控液體夾帶和氣體夾帶，及時采取控制措施；(5)監(jiān)控電潛泵各項參數(shù)指標；(6)控制沉箱底部沙量，及時除沙。

2.1 沉箱式水下分離器控制系統(tǒng)技術(shù)難點

與傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)相比，水下分離器對控制系統(tǒng)要求更高，系統(tǒng)需要解決的問題有以下幾點：(1)水下強電傳輸過程對于通信信號的干擾及水下高壓變頻泵對水下控制模塊的干擾；(2)分離器控制模塊布置合理，可回收式設計；(3)分離器控制系統(tǒng)傳感器可回收式設計；(4)較高的分離器傳感器數(shù)據(jù)傳輸速度要求；(5)控制系統(tǒng)冗余設計；(6)液位、壓力探測方式及傳感器選擇；(7)控制方式和控制策略。

2.2 已投產(chǎn)國外水下分離器項目案例分析

目前已經(jīng)投產(chǎn)的國外水下分離器項目中，有臥式分離器、沉箱式分離器、立式分離器、管式分離器(緊湊式)等形式。已投產(chǎn)水下分離器項目總覽[3]見表1。已投產(chǎn)水下分離器項目控制系統(tǒng)對照見表2。

表1 已投產(chǎn)水下分離器項目總覽表

表2 已投產(chǎn)水下分離器項目控制系統(tǒng)對照表

圖3 水下分離器控制策略示例

由表1和表2可知，目前國外已投產(chǎn)沉箱式分離器控制方式為：(1)水下控制系統(tǒng)與上部通過光纖進行通信；(2)分離器液位和界位通過壓差形式進行監(jiān)測；(3)分離器液位和界位通過控制調(diào)節(jié)電潛泵控制。

3 典型水下分離器控制系統(tǒng)設計分析

水下分離器控制策略示例如圖3所示，水下分離器控制系統(tǒng)由水上和水下等2部分組成：水上部分由主控站、電力單元、液壓動力單元和變頻控制器組成；水下部分由水下控制模塊(Subsea Control Module，SCM)、水下調(diào)節(jié)閥、水下關(guān)斷閥、水下傳感器(液位、界位、溫度、壓力傳感器、含沙監(jiān)測)、水下控制模塊內(nèi)部傳感器和電潛泵組成。水上的控制信號、電力和液壓通過臍帶纜上部終端(Topside Umbilical Terminal Assembly，TUTA)、臍帶纜(Umbilical)傳遞至水下，通過水下分配單元(Subsea Umbilical Terminal Unit，SUTU)以飛線形式連接至水下設備。

3.1 測量儀表選型設計

為更好地選擇適合水下環(huán)境的液位傳感器，各種原理的液位傳感器特點比較見表3。

表3 各種原理的液位傳感器特點比較

因沉箱式分離器體積較大，通常液位控制只需控制在一定區(qū)間即可，對傳感器響應速度和精準度要求不高，但對可靠性要求較高，結(jié)合表3中液位測量方法的對比情況，通常選用差壓形式進行液位測量。

3.2 調(diào)節(jié)器選擇

目前，國外水下各分離器項目所采用的調(diào)節(jié)和控制的執(zhí)行器選取如表2所示，主要有：泵(電潛泵、多相流泵)、自力式壓力調(diào)節(jié)閥和Choke的不同組合形式。通過調(diào)節(jié)Choke的開度以實現(xiàn)分離器所相壓力的調(diào)節(jié)和控制，通過調(diào)節(jié)電潛泵的流量來實現(xiàn)分離器液位的控制。

3.3 分離器控制系統(tǒng)水下部分設計方案

分離器控制系統(tǒng)水下部分設計方案如圖4所示，沉箱式水下分離器控制系統(tǒng)分為2個控制回路，即沉箱液位控制回路和沉箱壓力控制回路[4]。

圖4 分離器控制系統(tǒng)水下部分設計方案

沉箱式氣液分離器的主要被控變量為液位，而水下分離器液位受多種因素的干擾和波動影響，主要有：分離器入口流量及氣液比的波動，分離器液相含氣率，分離器氣相含液和分離器油相泡沫等。其中，對液位波動影響最大的為分離器入口流量和氣液比波動。為消除波動的影響，須在主控制回路中加入前饋控制，提前將波動引入控制系統(tǒng)，能夠控制速度、減少液位波動。主回路通過控制電潛泵的流量控制液位。

在沉箱底部(低于泵體要求的最低點)、正常工作液位下部和正常工作液位上部分別設置1個和3個壓力傳感器用于實時監(jiān)測液位的變化。同時，在分離器三相入口處設置壓力傳感器用于記錄進入分離器的總流量波動情況。因為入口通過旋流管道消除段塞留，可以通過合理選取壓力監(jiān)測點監(jiān)測入口的氣液流量波動情況，以預防突然的流量波動對于分離器液位的影響。

(1) 液位控制回路。因為沉箱式分離器控制液位設定值要求在一定范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)的目的是使液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)即可，對控制精度要求并不高，重點應在抑制液位出現(xiàn)較大波動，預防意外事故的發(fā)生。所以，須通過仿真模擬確定合理的控制器參數(shù)和報警值。

(2) 沉箱壓力控制回路。沉箱分離器利用旋流方式，氣相通過自然舉升到達水上終端。氣相被控變量為沉箱氣相壓力和氣相舉升管線壓力，為保證舉升氣流量的穩(wěn)定和分離器氣相壓力的穩(wěn)定，須加入串級控制，通過控制沉箱氣相出口調(diào)節(jié)閥進行控制，同時引入入口流量波動進行前饋控制；主回路被控變量為舉升管線壓力，其主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的輸入。在沉箱上部氣相和氣舉升管線(水上)分別設置1塊壓力傳感器，用于監(jiān)測沉箱氣相壓力和舉升管線壓力。通過工藝分析結(jié)果和優(yōu)化控制算法，達到上部管線和沉箱壓力的控制調(diào)節(jié)。

(3) 水下分離器光纖通信分析。由于分離器變頻電潛泵的采用，電力諧波會對載波信號質(zhì)量有較大的影響，同時臍帶纜電壓等級較高，光纖信號抗干擾能力較強。同時，如果采用光纖通信，則主臍帶纜可以集成液壓、光纖、控制系統(tǒng)電力及動力系統(tǒng)電力，只需要1條臍帶纜就可以實現(xiàn)。如果采用電力載波通信方式，則電力載波需要與電力分開，用2條臍帶纜，會增加鋪設安裝費用和設備費用。對比表2可知，目前已投產(chǎn)的水下分離器項目均采用了光纖通信方式。

光通信鏈路為：主控站(光通信單元)→TUTA→臍帶纜→SUTU→光飛線(Optical Fiber Line，OFL)→SCM光纖功能單元。

(4) SCM設計方案?？紤]到控制回路數(shù)量較少，通信信息量并不大，對帶寬要求不大，所以SCM采用遠程終端的形式，具體控制計算在主控站進行。

SCM應至少具備6路模擬量輸入通道、8路數(shù)字量輸入通道、4路液壓輸出通道，具體數(shù)量需在詳細設計中確定。SCM應具備自身安全監(jiān)測功能，其應包括但不限于內(nèi)部壓力監(jiān)測、溫度監(jiān)測、海水內(nèi)漏監(jiān)測、電子器件艙室溫濕度監(jiān)測、電路電壓及絕緣電阻監(jiān)測等功能。SCM應當具備滿足設計水深工作要求的壓力平衡裝置、防腐蝕能力和抗震能力。由于能力撬體上安裝有電潛泵，工作于振動環(huán)境中，所以應考慮SCM抗振分析和出廠測試中增加振動測試。

(5) 冗余設計。SCM的供電和光纖通信采用冗余設計，水下電子模塊為冗余設計。重要傳感器(如液位傳感器等)信號也須進行冗余設計。水下電力(電潛泵)也須考慮冗余供電形式。

4 結(jié) 語

隨著我國油氣開采往深海推進，提高油田采收率和降低油田投資成本已經(jīng)成為當前的迫切需求。水下分離器作為一種油氣田開發(fā)方式可有效提高油田采收率，降低上部設施投資及空間使用，提高海管輸送效率。對于氣候條件惡劣地區(qū)，通過水下分離器開發(fā)方案和相關(guān)配套設施，通過增壓泵和海管直接將開采并經(jīng)過初步分離的油氣輸送至陸地終端，可有效防范臺風、冰凍等自然災害，降低潛在風險。

我國油藏資源普遍開采難度較大、隨著油田開采的進行含水率不斷增加，開采難度不斷升高。水下分離器開發(fā)方案對于提高采收率、降低開采難度具有較好的效果。

[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.