唐 洋 吳 杰 羅 益 李 旺

(1. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500； 2. 西南油氣田分公司通信與信息技術(shù)中心 四川遂寧 629000)

近10年全球74%的重大油氣發(fā)現(xiàn)均在海上，其中深水占23%，超深水占36%，全球已進(jìn)入深水油氣開發(fā)階段[1]。深水油氣井地層測(cè)試(簡稱深水測(cè)試)是深水油氣開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)揮著及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)海洋深水油氣藏的重要作用。目前深水測(cè)試作業(yè)多采用浮式平臺(tái)，受海洋環(huán)境或惡劣海況(臺(tái)風(fēng)、海嘯等)影響，平臺(tái)易發(fā)生升沉、飄離等運(yùn)動(dòng)，此時(shí)必須及時(shí)將與之相連的坐落管柱解脫，以避免出現(xiàn)管柱折斷及井口裝置受損，油氣泄漏海洋環(huán)境污染，平臺(tái)沉沒、爆炸及人員傷亡等重大事故發(fā)生[2-3]。

坐落管柱解脫由地面發(fā)出指令，首先控制水下測(cè)試樹安全閥、承留閥球閥依次關(guān)閉，封堵住測(cè)試管柱內(nèi)高壓油氣；隨后激活承留閥處的泄壓裝置釋放圈閉壓力，控制水下測(cè)試樹連接器斷開；最后上提井口以上部分測(cè)試管柱，關(guān)閉防噴器組的全封閘板，安全撤離平臺(tái)。坐落管柱也用于安裝和回收水下采油樹和油管掛，為完井、清井放噴、后期修井和增產(chǎn)作業(yè)提供主要井控屏障。其控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其剪切、封堵、解脫、回接等核心功能的關(guān)鍵，同時(shí)也是區(qū)分坐落管柱類型的重要依據(jù)[4-6]。目前國外對(duì)于坐落管柱控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)較為成熟，Schlumberger、Halliburton和Expro等國際石油公司均已擁有各自系列化產(chǎn)品，但其僅提供服務(wù)，不出售產(chǎn)品，長期對(duì)外實(shí)行技術(shù)封鎖。

中國海洋油氣資源豐富且探明程度低，隨著南海荔灣、陵水深海大氣田的開發(fā)，深水油氣井?dāng)?shù)量急劇上升，迫切需要加快坐落管柱控制系統(tǒng)研發(fā)及打破國外壟斷[7]。本文介紹了坐落管柱控制系統(tǒng)的組成、發(fā)展歷程和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了坐落管柱控制系統(tǒng)整體發(fā)展趨勢(shì)，指出了其研究重點(diǎn)、難點(diǎn)，可為實(shí)現(xiàn)其國產(chǎn)化，打破國外技術(shù)壁壘提供參考。

1 坐落管柱控制系統(tǒng)功能

典型坐落管柱控制系統(tǒng)由地面控制平臺(tái)、臍帶纜和水下安全系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中地面控制平臺(tái)包括：液壓動(dòng)力單元、地面蓄能器組、地面電控面板和臍帶絞車等；水下安全系統(tǒng)包括：防噴閥、水下蓄能器組、立管控制模塊、承留閥、剪切短節(jié)和水下測(cè)試樹等[8-12]。

坐落管柱控制系統(tǒng)各組成系統(tǒng)功能為：

1) 地面電控面板，提供對(duì)水下安全系統(tǒng)的電氣控制和井下數(shù)據(jù)采集，通常由兩套獨(dú)立的控制器組成。

圖1 坐落管柱控制系統(tǒng)組成

2) 液壓動(dòng)力單元，為水下執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供清潔液壓流體，具有低壓(34.5 MPa)和高壓(69.0 MPa)兩種壓力等級(jí)。

3) 臍帶纜，通常由高壓管線、低壓管線、化學(xué)試劑注入管線、通訊電纜和電力供給管線組成。

4) 水下蓄能器組，位于立管控制模塊上方，儲(chǔ)存用于驅(qū)動(dòng)水下執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的高壓流體。

5) 立管控制模塊，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，用于封裝電磁閥、水下電子模塊和液控滑閥等控制元件，承擔(dān)地面控制平臺(tái)和水下安全系統(tǒng)之間的通訊交互和任務(wù)分配責(zé)任。

水下安全系統(tǒng)中承留閥、水下測(cè)試樹等水下執(zhí)行機(jī)構(gòu)受高壓流體驅(qū)動(dòng)，主要提供應(yīng)急解脫、重新連接、剪切鋼絲或連續(xù)油管、封堵高壓油氣、泄除圈閉壓力等功能[13-14]。

坐落管柱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循ISO 13628-7、ISO 13628-4、ISO 10423 和 API 16D等，在測(cè)試作業(yè)過程中，坐落管柱控制系統(tǒng)除了提供水下執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單獨(dú)控制，還應(yīng)具有以下功能[15-17]：

1) 快速解脫和連接功能，控制系統(tǒng)緊急解脫和重新連接時(shí)間不超過45 s，通常業(yè)內(nèi)認(rèn)為15 s更為可靠。

2) 失效保護(hù)功能，在電信號(hào)失效的情況下，可以通過地面高壓流體直接進(jìn)行控制，在液壓失效情況下，具有機(jī)械解鎖功能，以保證作業(yè)安全。

3) 化學(xué)試劑注入功能，以抑制水合物生成。

4) 數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)環(huán)空壓力和溫度可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5) 提供與隔水管系統(tǒng)和防噴器控制系統(tǒng)的集成接口。

控制系統(tǒng)還需通過API 16D 性能測(cè)試、響應(yīng)功能測(cè)試、API 17D 壓力循環(huán)測(cè)試、溫度循環(huán)測(cè)試和系統(tǒng)集成測(cè)試[18-20]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 控制系統(tǒng)發(fā)展歷程

1974年Schlumberger發(fā)明了第1個(gè)叫做e-z樹的水下測(cè)試工具，通過直接液壓控制的方式，完成在浮式平臺(tái)上的試驗(yàn)操作。坐落管柱控制系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了直接液壓控制、先導(dǎo)液壓控制和電液控制等3個(gè)階段，除此之外，全電控制目前也處于試驗(yàn)階段，但沒有成熟產(chǎn)品[21-23]。

1) 直接液壓控制。

最早使用的直接液壓控制方案特點(diǎn)是系統(tǒng)組成簡單，水下執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作直接由地面液壓動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)，其工作原理如圖2所示。緣于工作性能好、結(jié)構(gòu)簡單、也是最為經(jīng)濟(jì)的水下控制系統(tǒng)，使其成為迄今應(yīng)用最多的控制方式。但隨著水深的增加，該套系統(tǒng)的響應(yīng)速度也隨之降低，細(xì)長的液壓管線大量地消耗掉了來自地面的液壓能量，因此該系統(tǒng)只適用于水深600 m以內(nèi)的作業(yè),響應(yīng)時(shí)間為40 s左右。

圖2 直接液壓控制原理

2) 先導(dǎo)液壓控制。

為提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度，先導(dǎo)液壓控制方案中新增水下蓄能器組，由平臺(tái)直接控制位于立管控制模塊處的液控滑閥，引導(dǎo)水下蓄能器組中的高壓流體流向水下執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作原理如圖3所示。先導(dǎo)液壓控制方案在水深1 500 m范圍內(nèi)有效地縮短了系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，減少長距離傳輸過程中液壓能損耗，然而，每個(gè)液控滑閥都需要單獨(dú)連接一根液壓管線，這意味著仍然需要一個(gè)大直徑的多芯臍帶纜，隨著測(cè)試水深的增加，臍帶纜成本將劇增。

圖3 先導(dǎo)液壓控制原理

3) 電液控制。

電液控制可分為單一電液控制和復(fù)合電液控制，單一電液控制原理如圖4所示，采用電信號(hào)控制位于立管控制模塊處的電磁閥，其最大特性為響應(yīng)時(shí)間不隨深度增加而增加，從而可以應(yīng)用在深水及超深水的油氣開發(fā)中。

圖4 單一電液控制原理

復(fù)合電液控制采用多路復(fù)用技術(shù)，由立管控制模塊接收處理總線中的通訊命令后，再控制多個(gè)電磁閥。這樣不僅解決了由大直徑多芯臍帶纜引起的高昂成本問題，而且具有雙向數(shù)據(jù)傳輸、可以以較少的成本添加輔助控制系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。但是所有這些額外功能不僅增加了顯著的額外成本，并且由于系統(tǒng)組成的復(fù)雜性，使得系統(tǒng)可靠性降低[24- 25]。表1展示了3種不同方案的坐落管柱控制系統(tǒng)關(guān)于作業(yè)水深、響應(yīng)時(shí)間、成本、可靠性的對(duì)比，同時(shí)總結(jié)了各自的特點(diǎn)。

表1 控制系統(tǒng)方案對(duì)比Table 1 Schemes comparison of the control system

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)于坐落管柱控制系統(tǒng)的研究起步較晚，相關(guān)文獻(xiàn)介紹較少。1988年在國外測(cè)試公司的幫助下，中國在南海地層測(cè)試中取得首次應(yīng)用。2008年中海艾普油氣測(cè)試有限公司啟動(dòng)Husky深水測(cè)試項(xiàng)目，成功為哈基斯坦石油中國有限公司提供深水測(cè)試服務(wù)；參考Husky在中國南海的深水測(cè)試方案，2014年中國在南海陵水17-2氣田成功實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首次自營深水測(cè)試，這是自主研發(fā)的深水模塊化測(cè)試裝置的首次應(yīng)用；2016年中海油研究總院聯(lián)合西南石油大學(xué)開展對(duì)坐落管柱控制系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，開展坐落管柱先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)、復(fù)合電液井下控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[26-28]。

國內(nèi)采用的坐落管柱控制系統(tǒng)如圖5所示，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，新增井下密封短節(jié)的化學(xué)注入穿越設(shè)計(jì)、購買1 200 m的臍帶纜、增加儲(chǔ)能器等，該系統(tǒng)在惡劣的海洋氣候條件下進(jìn)行施工作業(yè)，船體距井口最大漂移29 m，具有良好的工作性能，為深水測(cè)試提供了技術(shù)保障[29]。

圖5 國內(nèi)坐落管柱控制系統(tǒng)示意圖

目前國內(nèi)已基本具備獨(dú)立研發(fā)坐落管柱控制系統(tǒng)的能力，但是受主體裝置、測(cè)試技術(shù)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的限制，深水測(cè)試作業(yè)還局限于淺水區(qū)域，與世界先進(jìn)水平還存在巨大差距。

2.3 國外控制系統(tǒng)產(chǎn)品

圖6 國外坐落管柱控制系統(tǒng)產(chǎn)品

1) Schlumberger控制系統(tǒng)產(chǎn)品。

Schlumberger公司早期推出的SenTREE*控制系統(tǒng)應(yīng)用于錨泊船上，采用直接液壓控制方式，其響應(yīng)時(shí)間取決于水深和臍帶長度，大約需要120 s來完成解脫動(dòng)作；2001年發(fā)布的Commander*控制系統(tǒng)應(yīng)用于動(dòng)力定位船上，采用先導(dǎo)液壓控制方式，成為業(yè)內(nèi)第一個(gè)快速控制系統(tǒng)，只需要15 s就能完成解脫動(dòng)作；2007年發(fā)布的SenTURIAN控制系統(tǒng)采用電液控制方式，控制水深最高可達(dá)到4 572 m；目前公司最新產(chǎn)品SenTURIAN E&A控制系統(tǒng)，擁有SenTURIAN控制系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)，并采用Muzic無線遙測(cè)技術(shù)，在超深水環(huán)境下仍可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力、溫度等數(shù)據(jù)。2017年中國石化Repsol公司在巴西近海作業(yè)中采用SenTURIAN E&A控制系統(tǒng)，完成Muzic無線遙測(cè)技術(shù)的首次商業(yè)應(yīng)用，節(jié)省了73 h的鉆機(jī)時(shí)間，僅8 s就完成解脫動(dòng)作[30]。

Schlumberger公司SenTURIAN和SenTURIAN E&A系列立管控制模塊由心軸總成、壓力平衡蓄能器、水下電子模塊和液壓閥門及管匯等組成。該控制模塊提供可選的電氣系統(tǒng)冗余和聲波無線遙測(cè)，為立管控制模塊中電磁閥控制提供了完全獨(dú)立的電氣路徑，提高了系統(tǒng)可靠性[31]。

2) Halliburton控制系統(tǒng)產(chǎn)品。

3) Expro控制系統(tǒng)產(chǎn)品。

Expro公司推出的Express控制系統(tǒng)采用電液控制方式，能在15 s內(nèi)完成解脫動(dòng)作，同時(shí)提供準(zhǔn)確的海底診斷功能，該系統(tǒng)通過簡化控制功能設(shè)計(jì)、取消水下電子設(shè)備和電源、設(shè)置冗余輔助系統(tǒng)、采用模塊化設(shè)計(jì)等方式來最大化提升系統(tǒng)可靠性[34]。

Expro公司Express立管控制模塊如圖7所示，由上部電氣腔和下部液壓腔組成，電氣腔用于封裝電磁閥、傳感器、水下電子模塊等電氣元件，液壓腔用于封裝液控滑閥閥、補(bǔ)償器、剪切換向閥等液壓元件，在作業(yè)前需要分別對(duì)上下腔室注滿化學(xué)試劑，以保證電子元件絕緣和平衡外部壓力[35]。

圖7 Expro公司Express立管控制模塊

Expro公司水下蓄能器組環(huán)向分布8個(gè)儲(chǔ)能瓶，每瓶氮?dú)馊莘e為7 L，其中6個(gè)儲(chǔ)能瓶內(nèi)的壓力操作水下測(cè)試樹，2個(gè)儲(chǔ)能瓶內(nèi)的壓力操作承留閥，儲(chǔ)能瓶內(nèi)還設(shè)有10%的富余量。

目前市場上的坐落管柱控制系統(tǒng)產(chǎn)品對(duì)比如表2所示，跟據(jù)控制方式的不同可分為直接液壓控制、先導(dǎo)液壓控制和復(fù)合電液控制。3種控制方式并不是獨(dú)立存在的，在電液控制系統(tǒng)中，直接液壓控制和先導(dǎo)液壓控制都常作為二級(jí)控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)可靠性、除此之外冗余電氣系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)設(shè)置、模塊化設(shè)計(jì)、聲波無線遙測(cè)也為系統(tǒng)可靠性提供了有效方案。

表2 國外控制系統(tǒng)產(chǎn)品對(duì)比Table 2 Comparison of control system products abroad

2.4 控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

坐落管柱系統(tǒng)經(jīng)過長期現(xiàn)場應(yīng)用，已被證明是一種可行的井控方案，為滿足未來深水油氣開發(fā)新的需求，其控制系統(tǒng)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下方面：

1) 隨著深水測(cè)試作業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向超深水，液壓油傳輸、靜水壓力、臍帶纜成本和蓄能器尺寸等問題限制了采用液壓驅(qū)動(dòng)的實(shí)用性，全電控制是未來坐落管柱控制系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，目前Cameron公司已完成全電控制水下測(cè)試樹系統(tǒng)海上試驗(yàn)，如圖8所示，但還沒有相應(yīng)成熟產(chǎn)品，其可靠性還需要通過大量實(shí)驗(yàn)應(yīng)用來驗(yàn)證。

圖8 Cameron公司全電控制水下測(cè)試樹系統(tǒng)

2) 將坐落管柱控制系統(tǒng)與隔水管系統(tǒng)、防噴器系統(tǒng)集成進(jìn)一步完善，采用模塊化組件來滿足不同客戶需求，減少控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用和運(yùn)行管理成本。

3) 提供勘探、評(píng)價(jià)、海底智能診斷功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境參數(shù)及坐落管柱設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)做出故障報(bào)警及提前預(yù)警，提高坐落管柱控制系統(tǒng)的可靠性[36-38]。

3 國產(chǎn)化研究難點(diǎn)

國內(nèi)海洋油氣勘探堅(jiān)持以“價(jià)值勘探”為中心，大力推進(jìn)邊際油田開發(fā)，適時(shí)開展深水油氣勘探。這為中國坐落管柱控制系統(tǒng)自主研究提供了明確思路，應(yīng)以完善直接液壓控制方案為基礎(chǔ)，積極開展先導(dǎo)液壓控制方案和電液控制方案研究，為中國未來海洋油氣勘探開發(fā)提供技術(shù)保障，通過對(duì)目前相關(guān)技術(shù)的分析[39-40]，總結(jié)該系統(tǒng)國產(chǎn)化研究難點(diǎn)問題主要有以下4點(diǎn)。

1) 聲波無線遙測(cè)技術(shù)。

2) 壓力平衡蓄能器技術(shù)。

水下蓄能器的設(shè)置能有效提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，但入井前需要根據(jù)每口井的特定條件對(duì)蓄能器進(jìn)行預(yù)充，錯(cuò)誤的預(yù)充壓力、平臺(tái)操作以及井下條件的變化都可能會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。在考慮長臍帶纜傳輸、液壓沖擊以及特殊工況時(shí)，如何優(yōu)化水下蓄能器組的控制策略，從而快速實(shí)現(xiàn)蓄能器充放液過程中的壓力脈動(dòng)吸收，是目前水下蓄能器技術(shù)研究的關(guān)鍵。Schlumberger公司推出的壓力平衡蓄能器技術(shù)，首先通過顯著降低預(yù)充壓力來減少平臺(tái)加壓氣體的預(yù)處理時(shí)間和降低事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，隨后依據(jù)不同工況自動(dòng)平衡蓄能器壓力，該技術(shù)下的蓄能器體積更小，在高靜水壓力下情況下，為系統(tǒng)提供更多的可用空間。

3) 系統(tǒng)集成技術(shù)。

坐落管柱控制系統(tǒng)的成本效益是長期以來的研究熱點(diǎn)，因?yàn)樵谏钏h(huán)境下設(shè)備的維修和更換需要花費(fèi)高昂成本。系統(tǒng)集成技術(shù)通過集成多個(gè)不同供應(yīng)商的控制設(shè)備和模塊化組件，使該控制系統(tǒng)可以與其他井控系統(tǒng)相集成，減少控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用和運(yùn)行管理成本。當(dāng)遇到動(dòng)力定位系統(tǒng)失效或惡劣海況引起平臺(tái)突發(fā)性偏離井口，為確保安全，需啟用坐落管柱緊急解脫程序：待坐落管柱控制系統(tǒng)封堵高壓油氣后，應(yīng)用防噴器組控制系統(tǒng)控制直接剪切閘板切斷剪切短節(jié)，再將測(cè)試管柱提出，關(guān)閉全封閘板，國產(chǎn)化研究過程中確保如何與其他井控系統(tǒng)的兼容性，保障作業(yè)安全是一大難點(diǎn)。目前中國以東方1-1氣田項(xiàng)目為牽引，正積極開展500 m級(jí)水深的系統(tǒng)集成技術(shù)研究。

4) 長管道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

響應(yīng)時(shí)間是控制系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，完成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析可以對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)和依據(jù)。但是從平臺(tái)指令發(fā)出到水下執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)需要經(jīng)過臍帶纜長距離傳輸、換向閥動(dòng)作、蓄能器供油等一系列復(fù)雜流程，并且由于許多不確定性因素的存在，例如系統(tǒng)流量及壓力波動(dòng)、球閥剪切連續(xù)油管時(shí)負(fù)載變化、系統(tǒng)存在飽和、回環(huán)等非線性特性、以及元件損壞失效等。如何考慮系統(tǒng)瞬態(tài)變化過程、依據(jù)壓力流量特性判斷系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)、模擬故障，搭建符合實(shí)際作業(yè)工況的分析模型，正確預(yù)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，該研究需要通過大量的測(cè)試模擬和現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語

坐落管柱控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程表明，隨著深水測(cè)試作業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向超深水，全電控制、與其他井控系統(tǒng)集成、提供海底智能診斷是坐落管柱控制系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)。國內(nèi)對(duì)于該技術(shù)尚處于起步階段，已基本具備獨(dú)立研發(fā)該控制系統(tǒng)的能力，在中國南海成功實(shí)現(xiàn)自營深水測(cè)試。推進(jìn)坐落管柱控制系統(tǒng)國產(chǎn)化研究，應(yīng)結(jié)合中國海洋油氣發(fā)展戰(zhàn)略，完善及加快直液控制方案，推進(jìn)邊際油田開發(fā)，并積極開展先導(dǎo)液壓控制和電液控制方案研究。目前國產(chǎn)化研究難點(diǎn)主要是聲波無線遙測(cè)技術(shù)、壓力平衡蓄能器技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和長管道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。