基于流花11-1油田水下采油樹的地面測試單元研制

袁曉兵，歐宇鈞，盧沛偉，羅玉貴，楊　文，蘇瑞華，張云衛，張長齊，蔡寶平

（1.中海油能源發展股份有限公司 深圳油田建設分公司，廣東 深圳518000；2.中國石油大學機電工程學院，山東青島266580）①

開發應用

基于流花11-1油田水下采油樹的地面測試單元研制

袁曉兵1，歐宇鈞1，盧沛偉1，羅玉貴1，楊文1，蘇瑞華1，張云衛2，張長齊2，蔡寶平2

（1.中海油能源發展股份有限公司 深圳油田建設分公司，廣東 深圳518000；2.中國石油大學機電工程學院，山東青島266580）①

隨著石油勘探開發重心由內陸向海洋轉移，作為海洋勘探開發的關鍵設備，水下采油樹得以迅速發展，越來越多地應用于油氣開發。水下采油樹出現問題時不能夠完成生產，及時發現并解決問題對于油氣開發具有非常重要的意義，其測試工作變的越來越重要。在深入研究流花11-1油田水下采油樹的基礎上，研制了地面測試單元，并開發了其監控系統。結果表明：該地面測試單元能準確測試水下采油樹的各種狀況，保證了水下采油樹運行的安全性，應用效果良好。

石油勘探開發；流花11-1油田；水下采油樹；地面測試單元；監控系統

海洋水下井口和采油裝備起源于20世紀60年代。自從誕生以來，海洋水下井口和采油裝備得到快速發展。英國著名的石油和天然氣工業數據分析機構——Infield Systems預測，全球水下設備市場在2016年的投資將達到＄1 060億元，水下采油樹的市場為：非洲263套、歐洲和北美洲674套、亞洲和澳大利亞285套、拉丁美洲300套，其他地區約130套等［1］。

隨著時間的推移，作為海洋油氣田生產和井下作業的關鍵設備，水下采油樹及其相關設備廣泛應用于海洋油氣生產［2-3］。水下采油樹及其相關設備的維修保養和安全運行的工作將越來越多。設計1套水下采油樹測試單元對水下采油樹進行維護檢測，不僅可以深入了解水下生產系統設備的工作原理，也可以大幅提升水下油氣勘探開發、生產系統設備的研發及制造能力。

本文以流花11-1油田所采用的臥式采油樹為研究對象，研制了水下采油樹測試單元，并利用西門子PLC和WinCC組態軟件開發了監控系統。

1　流花11-1油田水下采油樹

流花11-1油田位于南海，距香港東南部約200 km，水深為310 m，發現于1987-01，1989年完成鉆井評估和劃分，1996-03投產，是中國第1個深水開發項目［4-6］。流花11-1油田采用的生產模式為FPS ＋FPSO＋水下生產系統＋電潛泵人工舉升，是我國第1個采用水下生產技術進行開發的海上油氣田［7-8］。

水下生產系統設計生產能力為24口井，采用H型集中管匯系統［9］。采油樹為ESP完井的水下臥式采油樹，采用大通道設計，無需回收采油樹就可以回收井下管柱及電潛泵。采油樹結構如圖1所示，主要由導向基座、油管懸掛器、頂部堵塞器、密封軸套、出油管路、出油管線連接器、采油樹連接器、ROV操作閥門等組成。所有閥門在水平方向設置，并在水平方向由水下機器人操作，16個不同性能的球閥、閥門的開關（如生產翼閥（PWV）、生產監控隔離閥（PMIV）、環空翼閥（AWV）、環空監控隔離閥（AMIV）、化學藥劑注入閥（CIV）等）集中地設在便于ROV操作的1塊ROV操作盤上，利用這些開關就可以直接控制閥門的開啟和關閉［10］。另外，生產翼閥、化學藥劑注入閥和安全閥同時可由液壓遠程控制其開啟和關閉，安全閥在緊急情況下可自動關閉［11］。

圖1　流花11-1油田水下采油樹

2　地面測試單元

本文在深入研究水下采油樹結構以及功能的基礎上，研制了水下采油樹地面測試單元，主要由液控系統和監控系統2部分組成，如圖2所示。

圖2　地面測試單元

液控系統原理如圖3所示，主要由油箱、補油回路、高壓泵回路、水泵回路、蓄能器組、調壓供油回路、回油回路以及接口回路等組成，其主要功能是根據水下采油樹測試的要求輸出不同壓力的液壓油，為水下采油樹的測試提供高壓油。儲存測試所需的液壓油箱內安裝有液位控制器、隔爆熱電阻、過濾器、液位計等，可檢測油箱溫度以及液位，并能夠實現補油泵的控制。當油箱中液壓油降到一定液位，可啟動補油泵由補油回路進行補油。高壓泵回路采用冗余設計，在維修1個泵回路時另1個泵回路可以繼續工作，不影響系統的正常運行。水泵回路提供測試所需一定壓力的水，加壓方式采用增壓器。蓄能器組共包括4個蓄能器，其主要功能是作為輔助動力源，向系統提供壓力液體。每個蓄能器上安裝有易熔塞，當發生火災或其他意外情況使液壓系統溫度過高時，易熔塞會熔化，排放掉蓄能器內的氮氣，防止系統壓力過高傷害工作人員或損壞設備。調壓供油回路通過比例減壓閥，將蓄能器組中的液壓油調節到測試所需的壓力。接口回路用于測試單元與采油樹的連接。

圖3　地面測試單元液控系統原理

監控系統采用西門子S7-300作為下位機進行控制，上位機采用WinCC作為組態軟件對整個系統進行監控［12］。監控系統主要功能是控制油路通斷，采集運行數據，并將運行數據進行記錄，以判斷水下采油樹的狀況，原理如圖4所示。

圖4　地面測試單元監控系統原理

3　監控系統開發

3.1 監控系統硬件開發

西門子S7-300是一種通用型PLC，滿足中、小規模的控制要求，適用于自動化工程中的各種場合，尤其是在生產制造工程中的應用［13］。因此，測試單元監控系統采用西門子S7-300。電源模塊選用PS307-5A，可為CPU模塊和輸入/輸出模塊提供電源。CPU模塊選用CPU314C-2PNDP，組合的MPI/DP接口可用于DP主站或從站，帶有2端口交換機的集成PROFINET接口，二進制和浮點運算處理性能高。本測試單元共有17個數字量輸入點，29個數字量輸出點，16個模擬量輸入點和2個模擬量輸出點，在設計控制站點時為了方便系統升級和維護，需提供至少20%～40%的冗余輸入/輸出點數作為備用［14］。因此，數字量輸入模塊選用1 塊SM321模塊，擁有32個輸入點，用于連接按鈕、液位開關等；數字量輸出模塊選用2塊SM322模塊，具有48個輸出點，用于連接電磁閥；模擬量輸入模塊選用2塊SM331模塊，具有24個輸入點，用于連接傳感器；模擬量輸出模塊選用1塊SM332模塊，具有4個輸出點，用于連接比例減壓閥。

3.2 監控系統軟件開發

3.2.1 PLC設計

PLC編程采用STEP 7 V5.5軟件，STEP 7是一種用于對西門子PLC進行組態和編程的標準軟件包［15］。PLC的設計包括硬件組態、變量定義、信號采集處理編程、控制程序以及與上位機組態通訊。硬件組態就是模擬真實的PLC硬件系統，將CPU、電源和信號等模塊安裝到相應的機架上，并對各模塊的參數進行設置和修改的過程，如圖5所示。控制程序包括主程序和中斷程序2部分，主程序包括OB1組織塊、FC1和FC2功能塊、OB1可調用FC1 和FC2；中斷程序為OB35組織塊，可實現壓力、溫度等數據的采集以及壓力的設定。

3.2.2 上位機監控軟件設計

WinCC是SIEMENS公司和Microsoft公司合作開發的過程可視化系統［16］。WinCC是一款功能強大的組態軟件，可應用于簡單的工業應用、復雜的多客戶應用以及分布式控制系統中。因此，上位機監控軟件選用SIEMENS公司新型組態軟件Simat-ic WinCC V7.0＋SP3版本編寫，該組態軟件運行于Windows環境，提供一種高效、開放的組態開發環境。

圖5　硬件組態界面

3.2.3 數據通信

S7-300 PLC與WinCC使用TCP/IP協議，通過工業以太網通信。第1步，用STEP7軟件進行硬件組態，設置PN-IO的IP地址和子網掩碼；第2步，設置計算機的TCP/IP參數，需保證WINCC組態計算機的IP地址設置成和PLC以太網通訊模塊或者PN-IO的IP地址在同一個網段中；第3步，添加驅動程序，設置系統參數；第4步，通訊接口設置；第5步，添加驅動鏈接，設置參數；第6步，連接測試以及通訊診斷，通過WinCC工具中的通道診斷程序WinCC Channel Diagnosis即可測試通訊是否建立。通過上述步驟即可實現S7-300 PLC與WinCC之間的數據通信。

3.2.4 畫面設計

根據測試流程和用戶要求，利用WinCC的變量管理、圖形編輯器、報警記錄、變量記錄、報表編輯器以及全局腳本等功能組態了監控系統的人機界面。主要包括：

1） 首頁。首頁界面如圖6所示，直觀展現了系統壓力、1＃減壓壓力以及2＃減壓壓力、油箱的溫度和液位以及設備的工作狀態，通過該界面可以實現泵的控制、加壓方式的選擇以及比例閥的調節。

圖6　首頁界面

2） 測試工具。測試工具界面如圖7所示，直觀展現了各項測試所需要的測試工具，并能夠查看測試工具圖形，便于測試工具準備。

圖7　測試工具界面

3） 出油管路測試。出油管路測試界面如圖8所示，展現了每項測試的主要步驟，水泵的工作狀態，并能夠監測測試時的壓力值以及實現水泵控制。

圖8　出油管路測試界面

4） 采油樹液壓測試。采油樹液壓測試包括采油樹閥件測試和液壓管線測試，如圖9所示。采油樹液壓測試界面直觀展現了1＃泵和2＃泵的工作狀態、減壓壓力和系統壓力，通過該界面可查看每項測試的具體步驟，實現泵的控制以及壓力的設定。

圖9　采油樹液壓測試界面

5） 密封軸套測試。密封軸套測試包括靜壓測試和回收功能測試，如圖10所示。密封軸套測試界面直觀展現了1＃泵、2＃泵以及水泵的工作狀態、減壓壓力、1＃試壓口壓力以及8＃～12＃試壓口壓力，通過該界面可查看每項測試的具體步驟，實現泵的控制、壓力的設定以及8＃～12＃試壓口的控制。

6） 油管掛測試。油管掛測試包括靜壓功能測試、上部測試、鎖定測試、回收功能測試和導向環設置，如圖11所示。油管掛測試界面直觀展現了1＃泵、2＃泵以及水泵的工作狀態、系統壓力、減壓壓力、1＃～12＃試壓口壓力，通過該界面可查看每項測試的具體步驟，實現泵的控制、壓力的設定以及2＃～12＃試壓口的控制。

圖10　密封軸套測試界面

圖11　油管掛測試界面

7） 聯合測試。聯合測試包括采油樹安裝功能測試、密封軸套安裝功能測試、油管掛安裝功能測試、采油樹帽液壓管線靜壓測試，油管掛回收功能測試、采油樹連接器解鎖功能測試和油管掛導向環設置，如圖12所示。聯合測試界面直觀展現了1＃～2＃泵以及水泵的工作狀態、系統壓力、減壓壓力、1＃～12＃試壓口壓力；通過該界面可查看每項測試的具體步驟，實現泵的控制、壓力的設定以及2＃～12＃試壓口的控制。

8） 壓力溫度曲線。壓力溫度曲線界面如圖13所示，直觀展現了系統壓力、1＃減壓壓力、2＃減壓壓力、1＃～2＃試壓口壓力以及油箱溫度的曲線以及表格數據。曲線和表格數據可以導出、打印，通過對這些數據的分析，可準確地判斷水下采油樹的狀況。

圖12　聯合測試界面

圖13　壓力溫度曲線界面

9） 報警記錄。報警記錄界面可記錄測試單元的報警信息，例如油箱溫度高、油箱溫度低、油箱液位高、油箱液位低等。

4　水下采油樹測試

將本測試單元通過接口回路與水下采油樹進行連接，根據設計的測試流程，完成水下采油樹的測試，測試結果準確，應用效果良好。

5　結語

本文對流花11-1油田水下采油樹進行了簡單介紹。在深入研究的基礎上，研制出水下采油樹地面測試單元，并以S7-300 PLC為下位機，以WinCC為上位機組態軟件，設計開發了水下采油樹地面測試單元監控系統，通過本測試單元，可對水下采油樹的各種狀況有一個充分的了解，能夠及時發現問題，從而保證油氣生產以及水下采油樹運行的安全性。

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Research of Ground Testing Unit Based on Liuhua 11-1 Oilfield Subsea Tree

YUAN Xiaobing1，OUYujun1，LU Peiwei1，LUO Yugui1，YANGWen1，SU Ruihua1，ZHANG Yunwei2，ZHANG Changqi2，CAI Baoping2（
1.CNOOC Energy Technology&Services Limited OCEC Shenzhen Co.，Shenzhen 518000，China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

With the oil exploration and development focus shifted from inland to the sea，as a key e-quipment of ocean exploration and development，the subsea tree develops rapidly and is more and more used in oil and gas development.When subsea tree has a problem，the production cannot be completed，to discover and solve the problem has very important significance for oil and gas devel-opment，its testing work becomes important increasingly.In this paper，the ground testing unit and its monitoring system are developed based on an in-depth study of the Liuhua 11-1 oilfield subsea tree.The results show that the ground testing unit can accurately test various conditions of subsea tree，ensure the subsea tree Security operation，good application results.

petroleum exploration and development；Liuhua 11-1 oilfield；subsea tree；ground tes-ting unit；monitoring system

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.016

1001-3482（2015）07-0064-06

①2015-01-20

國家自然科學基金“基于動態貝葉斯網絡的深水防噴器系統實時可靠性評估方法研究”（51309240）；教育部博士點基金“基于多傳感器數據融合的深水防噴器系統實時可靠性建模與評估方法研究”（20130133120007）；青島市科技發展計劃項目“基于動態貝葉斯網絡的深水防噴器組狀態監測與故障診斷技術研究”（14-2-4-68-jch）；黃島區重點科技發展計劃項目“水下采油樹遠程監控及故障診斷系統研制”（2014-1-48）；山東省自主創新計劃項目“ZJ90/5850DB海洋鉆井裝備”（2012CX80101）

袁曉兵（1977-），男，遼寧瓦房店人，高級工程師，博士研究生，主要從事石油裝備運行維護安全管理工作，E-mail：yuanxb＠cnooc.com.cn。