俞 華，孫恪成，鄧 欣，于 超，岳元龍

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300457）

0 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)在海洋油氣田開發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟效益，特別在現(xiàn)階段深海油氣資源開發(fā)中更是占據(jù)著主導(dǎo)地位。作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心組成，水下控制系統(tǒng)相關(guān)的工程技術(shù)已趨于成熟。但是，對于應(yīng)用在深水和淺水的水下生產(chǎn)系統(tǒng)工程，水下控制系統(tǒng)各項指標(biāo)的選取存在一定的差異。目前，我國渤海受限區(qū)域存在數(shù)億噸探明儲量的油氣田，由于通航或安全問題等原因無法開發(fā)。本文通過介紹目前的幾種水下控制系統(tǒng)類型，對比深水與淺水水下控制系統(tǒng)的設(shè)計、結(jié)構(gòu)等方面差異性，最后結(jié)合渤海海域工程應(yīng)用環(huán)境特點優(yōu)化設(shè)計，探索適用于渤海海域開發(fā)的水下控制系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 水下控制系統(tǒng)類型

水下控制系統(tǒng)的類型可概括為3種：全液壓控系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)及全電控系統(tǒng)。

1.1 全液壓控制系統(tǒng)

全液壓控制系統(tǒng)是指水下閥門驅(qū)動器的控制全靠液壓控制來完成。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，全液壓控制又分為直接液壓、先導(dǎo)液壓和順序液壓等3種結(jié)構(gòu)[1]。相比直接液壓控制，先導(dǎo)液壓與順序液壓增加了水下控制模塊，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。全液壓控制系統(tǒng)的性能受控制距離影響較大，當(dāng)控制距離較長時系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢。由于全液壓控制采用了純機械式結(jié)構(gòu)，比電液控制具有更高的可靠性。3種全液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全液壓控制系統(tǒng)

1.2 電液控制

根據(jù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成劃分，電液控制系統(tǒng)可分為直接電液控制系統(tǒng)和電液復(fù)合控制系統(tǒng)兩種。直接電液控制系統(tǒng)如圖2所示，與全液壓控制系統(tǒng)相比，其采用電信號取代了液壓先導(dǎo)信號，水上設(shè)備除液壓動力單元（HPU）和電液控制盤外，增加了用于控制電磁換向閥的直流控制模塊[2]。直接電液控制系統(tǒng)每一個電磁閥的控制功能都對應(yīng)臍帶纜內(nèi)的一根控制電纜，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是直流控制信號的電壓衰減嚴(yán)重，不適用于長距離、大區(qū)快開發(fā)。

圖2 直接電液控制

電液復(fù)合控制系統(tǒng)的水下設(shè)備包括水下控制模塊、水下分配單元、臍帶纜、電液飛線；水上設(shè)備包括主控站、電力單元、液壓動力單元、通信設(shè)備、化學(xué)藥劑注入單元和水上臍帶纜終端[3]。水下控制模塊內(nèi)部配置電子模塊，通過光纖或電力載波與主控站通信，接收平臺的操作指令。相比直接電液控制系統(tǒng)，水下控制模塊解析操作指令后，直接發(fā)出電液換向閥的控制信號，即電液換向閥的控制信號來自水下本地的控制模塊，所以電液復(fù)合控制系統(tǒng)響應(yīng)時間短，減少了臍帶纜內(nèi)的功能管線數(shù)量，一根臍帶纜可以通過水下路由的方式控制多個水下井口，易于在大規(guī)模、長距離油氣田開發(fā)中推廣應(yīng)用，也是目前主流的控制方案[4]。電液復(fù)合控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電液復(fù)合控制系統(tǒng)

1.3 全電控制

全電式控制系統(tǒng)擁有功能靈活、響應(yīng)時間短、控制距離長等優(yōu)勢，但成本高、技術(shù)復(fù)雜。由于全電井下安全閥仍處于研制階段，所以全電控制系統(tǒng)只是針對采油樹上的閥門進行了全電執(zhí)行機機構(gòu)替換，平臺上保留了用于控制井下安全閥的高壓液壓動力單元[5]。臍帶纜液壓動力配送管保留兩路高壓和一路回油，降低了對海水環(huán)境污染的風(fēng)險。全電控系統(tǒng)僅在北海的K5F開發(fā)項目上投入使用[6]。目前，水下全電系統(tǒng)實際工程應(yīng)用案例尚不太多，而且配套的全電IWOCS也沒有推向工程應(yīng)用。

2 淺水與深水控制系統(tǒng)設(shè)計差異化

水下控制系統(tǒng)因油田的開發(fā)水深、使用環(huán)境的不同而產(chǎn)生差異化，主要體現(xiàn)在控制對象、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、水下分配單元、響應(yīng)時間、控制液壓油、控制距離等方面的差異化。

2.1 控制對象差異化

水下控制系統(tǒng)實現(xiàn)對水下裝備的安全控制和水下生產(chǎn)工藝參數(shù)的實時監(jiān)測，從而保證水下裝備可靠運行、油氣田安全生產(chǎn)[7]。深水和淺水的控制對象差異化主要體現(xiàn)在水下采油樹上的閥門控制方式不同。深水井口距離生產(chǎn)平臺較遠(yuǎn)，受水深影響，深水采油樹閥門的控制方式主要是液壓執(zhí)行機構(gòu)，并配置水下機器人（ROV）操作接口，便于在發(fā)生故障時進行ROV操作維修及緊急處理。

淺水區(qū)域受使用環(huán)境、操作維護方式影響，可進行節(jié)約成本設(shè)計，降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，提升可靠性。淺水水下采油樹閥門的控制方式也會進行相應(yīng)調(diào)整，達到油氣田生產(chǎn)效益的最大化[8]。與深水控制對象的區(qū)別在于采油樹可以減少帶有液壓執(zhí)行機構(gòu)的閥門數(shù)量，部分設(shè)備可以采用人工干預(yù)的方式進行操作、維修，減小了采油樹體積和重量，便于吊裝及水下布置。在確保淺水水下采油樹具備緊急關(guān)斷功能的條件下，對非安全操作功能的閥門，可采用潛水員進行操作[9]。淺水與深水采油樹閥門操作方式的差異化如表1所示。

表1 淺水與深水采油樹閥門操作方式的差異化

2.2 水下控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異化

深水油氣田開發(fā)需要實現(xiàn)水下設(shè)備的長距離控制，開發(fā)較為困難，通常采用多井、多區(qū)塊的聯(lián)合開發(fā)。長距離控制液壓動力沿程損失嚴(yán)重，全液壓控制不適用于深水油氣田的開發(fā)。全電控制系統(tǒng)的可靠性需要更長時間和更多的工程案例進行驗證[10]。因此深水通常采用電液復(fù)合控制系統(tǒng)。

淺水控制距離短，控制系統(tǒng)成本低，對邊際小型油氣田，可采用全液壓控制系統(tǒng)進行單井的獨立開發(fā)，也可依托附近平臺設(shè)施開發(fā)規(guī)?；氖芟抻蜌馓颷11]。因此，淺水采油樹控制系統(tǒng)可考慮全液壓控制與電液復(fù)合兩種控制方式。

相比深水的電液復(fù)合控制，淺水電液復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能可進行簡化，可優(yōu)化或取消SCM的安裝基座。SCM推薦使用方形結(jié)構(gòu)，如圖4所示，控制接口放置在側(cè)面，便于潛水員和ROV操作，如圖5所示，通過潛水員手動拔插；SCM的鎖緊機構(gòu)可優(yōu)化為螺栓或壓板連接鎖緊，利用潛水員完成安裝[12]。這樣可以最大地降低SCM設(shè)計的復(fù)雜程度。淺水電液復(fù)合控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖4 方形SCM

圖5 側(cè)面接口

圖6 淺水電液復(fù)合控制系統(tǒng)

依據(jù)淺水海域的特點，通過多井槽基盤方式實現(xiàn)一個SCM控制多個水下采油樹，同時水下控制系統(tǒng)的耐壓等級、公用儀表儀表配置數(shù)量和油田內(nèi)部臍帶纜長度也有所降低[13]。淺水水下控制系統(tǒng)可采用“單井控制模塊”與“臍帶纜終端”集成設(shè)計的方案，將水下控制系統(tǒng)的所有信號直接從樹體上配置的臍帶纜終端引到依托平臺，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理由依托平臺上的監(jiān)控系統(tǒng)完成。針對單井開發(fā)方案，臍帶纜終端集成在水下采油樹上，整體吊裝，縮短了電液飛線的連接距離，減少海上吊裝或鋪設(shè)安裝的作業(yè)次數(shù)，降低施工成本[14]。

2.3 水下分配單元結(jié)構(gòu)差異化

水下分配單元根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和安裝方法，可以分為單體式、模塊式和管匯集成式3種結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示。水下分配單元的使用形式較為靈活，可采用單獨其中一種，也可采用多種方式共同完成水下液壓、電氣和化學(xué)藥劑的分配。水下分配單元的具體形式，應(yīng)依據(jù)油氣田開發(fā)需求確定[15]。

圖7 水下分配單元

深水油氣田由于水深增加，開發(fā)困難，通常采用多區(qū)域塊聯(lián)合開發(fā)。因此，深水水下分配單元采用模塊式與管匯集成式，也可適當(dāng)采用單體式共同完成水下分配。

由于淺水油氣田可采用單井獨立開發(fā)模式，所以水下分配單元的設(shè)備規(guī)模、尺寸及重量同深水相比大大降低，水下分配單元連接的采油樹數(shù)量也相應(yīng)減少。因此，淺水水下分配單元通常采用單體式與模塊式完成對采油樹的電氣及液壓分配，與采油樹成撬后整體下放。

2.4 響應(yīng)時間差異化

水下控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間由控制信號通訊時間與液壓操作響應(yīng)時間共同決定。針對電液復(fù)合控制系統(tǒng)，控制信號通訊時間受水深影響可以忽略不計，深水淺水控制系統(tǒng)響應(yīng)時間的差異化主要體現(xiàn)在液壓操作響應(yīng)時間[16]。

深水水下控制系統(tǒng)由于受水深影響，控制液壓油所需壓力增加，承受外部海洋環(huán)境壓力增加。如果液壓執(zhí)行機構(gòu)的供油腔和彈簧腔之間采用非環(huán)回結(jié)構(gòu)，關(guān)閉閥門時水壓作用與彈簧腔作用相反，水深越深，關(guān)閉閥門所需時間越長，控制系統(tǒng)響應(yīng)時間延長。

淺水水下控制系統(tǒng)水深較淺，控制液壓油壓力相比于深水有所降低。環(huán)境背壓對系統(tǒng)響應(yīng)時間影響較小，有利于閥門的關(guān)閉，控制系統(tǒng)響應(yīng)時間主要取決于高壓控制液的流量。

2.5 控制液壓油差異化

水下控制系統(tǒng)采用的液壓油受環(huán)境溫度影響較大，同時液壓油的選擇也受海域影響。水下控制系統(tǒng)液壓油的選擇通常有水基液壓油與礦物液壓油兩種[17]。目前深水控制通常采用水基液壓油，水基液壓油與海水兼容，可以直接排海，對海洋環(huán)境無污染。淺水水下控制系統(tǒng)通常采用礦物油，不涉及結(jié)冰問題。水基液壓油在-20℃開始結(jié)冰，在溫度較低的油田可使用礦物液壓油或?qū)δ殠Ю|采取局部保溫措施。

2.6 控制距離差異化

水深會對控制系統(tǒng)的控制距離產(chǎn)生影響?？刂凭嚯x的長短主要由液壓管線的壓降程度決定的，在其他條件不變的情況下，壓損與液壓管線的長度成正比，當(dāng)距離超出一定范圍時，壓力損失過大將引起控制失效，距離較遠(yuǎn)時也將引起控制失效[18]。

深水水下控制系統(tǒng)的水下設(shè)備進行生產(chǎn)作業(yè)時距離水上平臺較遠(yuǎn)，所需控制管線長度即垂直控制距離大大增加，由于水深及控制壓力的增加，比較適用于遠(yuǎn)距離、大區(qū)塊開發(fā)。

針對淺水油田，與深水相比垂直控制距離減少。為合理有效地開發(fā)油田，在減少垂直控制距離的同時，可以適當(dāng)增加水平控制距離，擴大油田開發(fā)范圍，增加油田的經(jīng)濟效益。

3 渤海水下控制系統(tǒng)方案設(shè)計

目前在渤海區(qū)域使用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)受限區(qū)域的油氣田，與深水環(huán)境相比，海水能見度低，海生物生長迅速，附著嚴(yán)重，土壤都是比較軟的粉質(zhì)粘土、松散粉土和淤泥，且溫度較低，臍帶纜水面接觸位置會有海冰凍結(jié)。在設(shè)計時需要考慮環(huán)境溫度、水質(zhì)條件、地質(zhì)條件以及海生物對水下閥門執(zhí)行機構(gòu)的影響，以及相關(guān)法規(guī)對船舶通航、航道疏浚、落物拋錨、防漁網(wǎng)、信息安全保障等因素影響。

（1）考慮到生產(chǎn)過程中需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，以及保證遇到安全事故時的響應(yīng)時間，若回接長度較短，可采用直接液壓控制方案，以節(jié)約成本；回接距離較長時則考慮采用電液復(fù)合控制以確保系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

（2）對于渤海受限區(qū)域規(guī)模油氣田開發(fā)，可以考慮使用一個SCM控制多個采油樹的方案，采用SCM與采油樹、管匯集成的結(jié)構(gòu)，水下分配單元可以簡化為直接采用UTH與水上臍帶纜終端TUTA連接，由UTH進行電液分配后直接通過電、液飛線接入SCM。

（3）控制系統(tǒng)設(shè)計趨于簡化，易操作，部分閥門可由潛水員進行操作，鎖緊機構(gòu)也可優(yōu)化為簡易鎖緊，安裝過程可由簡易工具和潛水員進行輔助安裝。

（4）渤海水深較淺，液壓執(zhí)行機構(gòu)承受外部環(huán)境壓力較低，受背壓影響較小，無需考慮可能因背壓導(dǎo)致閥門開啟的問題。淺水對應(yīng)的執(zhí)行器液壓油排海的回油壓力大大減少，水下控制系統(tǒng)可考慮環(huán)形控制回路，仍能保證系統(tǒng)的響應(yīng)的速度。

（5）渤海海域具有冰封期，水基液壓油在-20℃開始結(jié)冰，所以不宜采用水基液壓油，在渤海海域礦物油不涉及結(jié)冰問題，更適宜使用礦物油作為控制系統(tǒng)液壓油。

（6）由于渤海受限開發(fā)區(qū)域特殊性，在控制系統(tǒng)的設(shè)計時要充分考慮安全和法規(guī)的相關(guān)因素。水下控制模塊可考慮向承壓式和一體化的方向改進，以便在泥面下沉箱工況中使用；在通航區(qū)時要采用一定的防護措施，保證水下設(shè)備的運行安全，同時還要兼顧安裝維修時方便潛水員進行操作。

（7）渤海海域淺水區(qū)水深10～50 m，針對泥沙大、海生物附著多的特點，為了方便安裝維護，安裝時考慮采用沉箱結(jié)構(gòu)，將水下采油樹整體置于泥面以下，修井維護時將沉箱蓋孔提起。對控制系統(tǒng)的供電可以考慮岸上引出臍帶纜的方式。產(chǎn)出油氣在通航區(qū)可以經(jīng)管匯匯入海管，在敏感區(qū)生產(chǎn)可以與FPSO或自升式生產(chǎn)平臺聯(lián)合開發(fā)。

4 結(jié)束語

目前，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為水下井口開發(fā)模式中的重要組成部分，國際上具備水下生產(chǎn)系統(tǒng)工程總承包能力的供貨商均已全面掌握了水下控制系統(tǒng)的配套技術(shù)。本文研究了全液壓控制系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)及全電控系統(tǒng)的技術(shù)特點和適用范圍，從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制距離、分配單元、控制對象、響應(yīng)時間等5個方面，分析了深水與淺水水下控制系統(tǒng)的差異性。綜合渤海海域的氣候和海況條件，在滿足標(biāo)準(zhǔn)和安全生產(chǎn)的要求下，提出了適用于渤海淺水區(qū)域油氣田航道區(qū)、敏感區(qū)開發(fā)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計方案，為適用于渤海海域的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品研制及其工程應(yīng)用提供參考。