水下生產控制系統綜述

左 信，岳元龍*，段英堯，郭龍川

[1.中國石油大學(北京)自動化系，北京 102249;2.杭州電子科技大學海洋工程系，浙江 杭州 310018]

水下生產控制系統綜述

左 信1，岳元龍1*，段英堯1，郭龍川2

[1.中國石油大學(北京)自動化系，北京 102249;2.杭州電子科技大學海洋工程系，浙江 杭州 310018]

水下生產控制系統是開發海洋油氣資源的重要裝備。根據系統組成結構分類，水下生產控制系統有8種典型的結構，分別是直接液壓控制、先導液壓控制、順序液壓控制、直接電液控制、復合電液控制、全電控制、水下自治控制和集成浮漂控制。詳細研究了每種結構的水下生產控制系統的產生背景、結構特點、工作原理、適用范圍和優缺點，分析了影響水下生產控制系統設計的主導因素,為我國未來自主設計水下生產控制系統提供參考。

水下生產控制系統；電液控制；全電控制；自治控制；集成浮漂控制

0 引 言

隨著海洋油氣資源的勘探水深不斷增加、規模不斷擴大，依托水上設施、利用水下生產系統開發海上油氣田逐漸成為一種主流的開發模式[1]，特別是深水、超深水和邊際油田的開發[2]。在利用水下生產系統開發海洋油氣資源的過程中，水下生產設備遠離水上依托設施、長期工作于水下環境。與采用人力或近距離自動控制的陸地油田生產設備相比，由于水下環境人力無法到達，所以水下生產系統的相關裝備需要配置水下生產控制系統[3-4]，實現對水下裝備的安全控制和水下生產工藝參數的實時監測，從而保證水下裝備可靠運行、水下油氣田安全生產。

水下生產控制系統是水下生產系統的重要組成部分[5]，是與水下生產系統同步發展的[6]。初期的控制方式是直接液壓控制，主要用于控制淺水小型油氣田的單井采油。隨著油氣田開發水深的增加和大型油氣田的發現，水下生產控制系統的控制方式也在不斷地發生著重大變革：為了提高系統響應速度，先導液壓控制取代了直接液壓控制；為了簡化臍帶纜中液壓管束的結構，順序液壓控制取代了先導液壓控制；為了增加系統控制的距離，直接電液控制取代了順序液壓控制；為了實現深水、超深水大型油氣田的開發，復合電液控制取代了直接電液控制，并成為了目前的主流控制方式[7]。20世紀末，國外水下裝備供應商，尤其是深水裝備供應商，開始研發和完善水下全電控制設計技術[8]。與此同時，為了滿足開發邊際油田的控制需求，國外又提出水下自治控制系統和集成浮漂控制系統。

無論采用哪一種控制方式，水下生產控制系統的主要結構均由三部分組成，包括水下就地檢測與控制系統、水上動力與監控系統、水上與水下之間的動力配送和通信系統。本文針對每種控制方式的結構特點和工作原理，分析其適用范圍和優缺點，為工程實踐中水下生產控制系統的設計提供一定參考。

1 直接液壓控制

直接液壓控制是水下生產控制系統早期使用的控制方式，當時主要用于控制工作在幾十米水深處的水下采油樹上的液壓執行機構。通常情況下，液壓執行機構均采用回復彈簧實現故障安全功能(下同)。下面以控制一個液壓執行機構為例說明直接液壓控制系統結構原理，如圖1所示。圖中細實線表示液壓信號，虛線表示電信號(下同)。

直接液壓控制系統的水上控制設備包括液壓動力單元(HPU)、液壓控制板和水上監控系統；水下控制設備包括臍帶纜連接器或液壓分配盤，無水下控制模塊。水上控制設備位于生產平臺上，水下控制設備安裝在水下采油樹上。液壓動力單元為液壓執行提供標準的控制壓力，一般為1 500 psi、3 000 psi或5 000 psi(1 psi = 6.895 kPa)，但是不包括水面控制的井下安全閥(SCSSV)的控制壓力。HPU可以選擇渦輪驅動和電機驅動。液壓油可以選擇水基油和合成烴礦物油，目前水基油應用最為廣泛，合成烴主要用于電液控制系統。液壓油清潔度等級應滿足NAS1638 6及以上要求(下同)。液壓控制板上配置有電磁換向閥和臍帶纜固定端，每個電磁換向閥控制一個液壓執行機構，液壓控制信號經過臍帶纜中的控制管束直接作用在液壓執行機構上。臍帶纜為每個液壓執行機構分配一根獨立的液壓控制管線，當液壓執行機構數量較多時臍帶纜結構比較復雜。臍帶纜連接器配置與臍帶纜內部控制管束數量相等的液壓功能接口，主要作用是連接臍帶纜與水下液壓執行機構，并有固定臍帶纜的功能。直接液壓控制系統使用初期是開環結構，即閥門關閉時液壓執行機構中的液壓油在回復彈簧的作用下直接排放到海水里；與開環結構對應的是閉環結構，即閥門關閉時液壓執行機構中的液壓油返回液壓動力單元的油箱。目前，世界各國出于保護海洋環境的需要，已經開始限制開環系統的使用。在直接液壓控制系統中，水下無反饋信號，水上監控系統通過液壓控制管線的供油壓力、回油流量或壓力間接判斷系統的工作狀態。

圖1 直接液壓控制系統結構原理Fig.1 Structure principle of direct hydraulic control systems

直接液壓控制系統的響應時間與控制距離、液壓執行機構容積、液壓管束內徑、液壓油黏度等有直接關系，尤其是控制距離和液壓執行機構容積。例如當控制距離為10 km、液壓執行機構容積為3 L時，系統的典型響應時間約為8 min，該時間遠大于系統的標準響應時間[9]，所以直接液壓控制系統的控制距離一般限制在3 km以內。

直接液壓控制系統系統結構簡單、可靠性高、維修容易，多用于控制距離較短的單個衛星井油氣田的開發。我國南海的流花11-1油田[10]、秘魯的卡亞俄油田[11]均采用直接液壓控制系統。但是當控制距離增加時，液壓動力損失嚴重、系統反應速度慢；水下液壓執行機構數量較多時，臍帶纜中液壓控制管束的成本也相應增加。目前，直接液壓控制系統使用較少。

2 先導液壓控制

海洋油氣田開發水深和井口數量增加時，直接液壓控制系統的使用受到了限制。為了提高系統響應速度，國外提出了先導液壓控制系統解決方案，系統的結構原理如圖2所示[12]。

先導液壓控制系統的水面控制設備與直接液壓控制系統的相同，但是功能卻發生了變化，主要體現在液壓控制板上的電磁換向閥不再直接控制作用在液壓執行機構上的液壓油的通斷，而是為水下液壓先導閥提供液壓工作切換的控制信號，并控制水下液壓動力的配送。水下液壓先導閥的控制壓力可以低于(或等于)液壓動力配送的壓力，實現用低壓液壓控制水下遠距離的裝備，從而延長控制距離。水下控制設備包括水下控制模塊(SCM)、水下蓄能器和臍帶纜連接器。SCM內部只有液壓先導閥，無水下電子模塊。SCM為液壓先導閥提供一個獨立的工作環境和液壓功能接口，每個液壓先導閥控制一個液壓執行機構。

圖2 先導液壓控制系統結構原理Fig.2 Structure principle of piloted hydraulic control systems

液壓功能接口有四種：與臍帶纜中液壓先導控制信號對應的液壓先導閥的控制接口、與水下蓄能器下游液壓管線對應的液壓動力供給接口、與液壓執行機構對應的液壓控制功能接口和液壓回油接口。水下蓄能器結構有兩種形式：一種是單體式蓄能器；另一種是模塊式蓄能器，又稱蓄能器模塊(SAM)，為可回收結構。水下蓄能器是SCM控制液壓執行的直接液壓動力源，它既可以安裝在水下采油樹本體上(兩種結構形式均可)，又可以安裝在SCM內部(限于單體式蓄能器)。水下蓄能器由臍帶纜中的獨立液壓管線供給液壓油，其體積取決于響應時間要求、執行器供油管線尺寸和液壓缸容積。SAM和SCM有獨立的安裝基座，可以進行單獨回收和二次下放安裝。根據水深的不同，單獨回收下放時通常采用鋼絲繩吊裝，由水下機器人(ROV)或潛水員輔助完成。臍帶纜連接器的主要作用是連接臍帶纜與SCM。臍帶纜配置三種液壓功能管線，分別為液壓動力配送管線、液壓先導閥的控制管線和系統回油管線。液壓動力配送管線通常采用雙冗余的結構。相比液壓執行機構，液壓先導閥的動作過程中需要的液壓油更少，所以臍帶纜中液壓先導閥的控制管線的內徑通常較小，減少了臍帶纜的體積。水下檢測功能方面，先導液壓控制線系統與直接液壓控制系統相同。

相比直接液壓控制系統，先導液壓控制系統動作時，從平臺至水下采油樹之間只有液壓先導閥的控制信號，所以大大縮短了系統的響應時間。同時，控制液壓執行機構的液壓動力直接來自水下蓄能器，而不是來自平臺，系統響應時間進一步縮短。為臍帶纜配置合適的液壓先導管線，先導液壓控制系統可以延長水下設備與依托設施之間的容許距離。該系統使用范圍通常為3～8 km，控制功能限于衛星井油氣田的開發。但是，先導液壓控制系統增加了水下液壓先導閥和水下蓄能器，所以增加了水下設備的安裝和維修費用，目前使用較少。

3 順序液壓控制

直接液壓控制系統和先導液壓控制系統的共同特點是每個水下液壓執行機構都需要一個獨立的液壓控制管線控制。兩者的區別是，直接液壓控制系統的每根液壓控制管線直接控制水下液壓執行機構；先導液壓控制系統的每根液壓控制管線控制水下液壓先導閥。先導液壓控制系統比直接液壓控制系統增加一根或雙冗余的液壓動力管線。這兩種控制方式液壓管線多，結構復雜。為了減少液壓管線的數量，又不影響系統的控制距離，水下順序液壓控制方式提供了解決方案。順序液壓控制系統的結構原理與先導液壓控制系統類似，如圖3所示。

相比先導液壓控制系統，順序液壓控制系統的水上設備有液壓壓力調節器；水下設備有SCM、蓄能器和臍帶纜管線連接器。SCM內部配置順序液壓控制閥和先導液壓控制閥，液壓功能接口與先導液壓控制系統的相同。順序液壓控制閥的輸入是來自水上的液壓壓力調節器控制信號，輸出是所有先導液壓控制閥的控制信號，一個順序液壓控制閥可以控制多個先導液壓控制閥。液壓調節器可以產生一系列大小不同的壓力，每一個壓力等級對應液壓執行機構的一組工作狀態。先導液壓控制閥在相關等級壓力下激活，實現對液壓執行機構的控制。該系統蓄能器的功能和結構與先導液壓控制系統的相同。臍帶纜配置三種液壓功能管線，分別是液壓動力配送管線、順序液壓控制閥的控制管線和系統回油管線。動力配送管線和控制管線一般采用雙冗余結構。因此，水上設備與水下設備之間最多只需配置五根液壓功能管線就可以控制水下預設邏輯功能的設備，從而大大減少了液壓管線的鋪設數量。水下檢測功能方面，順序液壓控制線系統與直接液壓控制系統相同。

圖3 順序液壓控制系統結構原理Fig.3 Structure principle of sequential hydraulic control systems

相比前兩種液壓控制系統，順序液壓控制系統減少了液壓控制管線的數量，降低了臍帶纜的重量與成本，節省水下安裝費用。但是液壓執行機構的開關順序是預先設定的，不能單獨操作各個液壓執行機構，系統靈活性差，不適合復雜的邏輯控制。其系統響應時間與先導液壓控制系統基本相同。控制距離方面，由于順序液壓控制閥需要在精確的預定控制壓力區間內工作，所以系統使用過程中必須減少順序液壓控制閥控制壓力的沿程損失與壓力波動。順序液壓控制距離較短，一般為2～3 km，控制功能限于衛星井油氣田的開發，通常作為復合電液控制系統的備用系統[13]。

4 直接電液控制

順序液壓控制系統簡化了系統結構、提高了系統可靠性，但是水深增加時順序液壓控制閥的控制壓力損失嚴重、壓力不準確、容易產生誤動作；系統響應時間長，不能滿足緊急事故處理的要求。為了解決深水長距離水下實時控制問題，國外提出了直接電液控制系統。直接電液控制系統中用電控信號代替液壓控制信號，從根本上縮短了控制系統響應的時間。直接電液控制系統的原理如圖4所示[14-15]。

相比上述三種控制系統，直接電液控制系統的水上水下設備的結構都發生了變化。水上設備除HPU和液壓控制板外，還增加了用于控制電磁換向閥的電子控制模塊，其主要功能是發出電磁換向閥的控制信號。控制信號一般為24 V直流(DC)電壓，通過臍帶纜傳送到SCM內部的電磁換向閥控制端。水下設備有水下控制模塊、蓄能器和電液多功能連接器。水下控制模塊為電磁換向閥提供一個絕緣、散熱功能良好、隔離海水的密封工作環境，同時還提供電氣和液壓功能接口。臍帶纜配置有液壓動力配送管線和回油管線，同時為每個電磁換向閥提供獨立的控制電纜。蓄能器的作用與上述幾種液壓控制系統的相同。SCM和SAM也可以單獨回收和二次安裝。同時，該系統可以提供水下監測數據。

圖4 直接電液控制系統結構原理Fig.4 Structure principle of direct electro-hydraulic control systems

直接電液控制系統采用電磁換向閥代替水下液壓先導閥，控制指令響應時間短、系統響應速度快，理論上使用距離不受限制，每個液壓執行機構可以獨立控制。相比前述三種純液壓控制系統，臍帶纜中減少了液壓管線數量，降低了對液壓組件的功能要求。但是，直接電液控制系統通過臍帶纜中多根獨立電纜將平臺上的電控信號直接傳輸到水下電磁換向閥的控制端，所以該種系統增加了臍帶纜的成本，而且當水下采油樹與生產平臺之間距離增加時，電纜中電量損失比較敏感。系統對臍帶纜的要求與被控設備的數量成比例增加。該系統的控制距離一般為7 km，控制功能限于衛星井油氣田的開發。

5 復合電液控制

隨著深水油氣田的大規模開發，油氣田區塊呈現開發范圍大、開發環境溫度低、流體溫度壓力高、不同井口流體溫度壓力差異大等特點，同一井口不同生產階段的流體特性也不盡相同，而且深水維修安裝作業費用高。所以在開發復雜工況條件下的大型油氣田時，水下生產控制系統必須滿足長期、安全、靈活控制的要求。上述四種控制系統使用受到了限制，開發深水資源面臨新的挑戰。為此，國外石油公司研制了復合電液控制系統，很好地解決了深水大區塊油氣田開發的控制要求。目前，復合電液控制系統是開發海洋油氣資源的主流控制系統，尤其在深水大型油氣田的開發中得到廣泛應用，其系統結構原理如圖5所示，其中細實線表示液壓動力、點劃線表示電力供給、虛線表示通信信號。

復合電液控制系統的水上設備有液壓動力單元、電力單元、不間斷電源、主控站和水上臍帶纜終端等；水下設備包括臍帶纜、水下控制模塊、水下分配單元、跨接軟管和跨接纜等[16]。

相比上述4種控制系統，該系統的水下控制模塊的內部結構和控制功能發生了巨大變化，其內部增加了具有計算機功能的水下電子模塊(SEM)，即水下中央處理器。為了增加控制系統的可靠性，水下電子模塊一般采用雙冗余結構[17]。SEM提供了IWIS(Intelligent well interface standardization)和SIIS(Subsea instrument interface standardization)接口[18]，具有ESD (Emergency shutdown)功能和強大的數據處理功能，控制邏輯可以在線修改。同時，SEM可以直接控制電液換向閥、采集水下生產狀態數據，并把水下工況參數實時傳送至水上監控系統，從而實現對水下生產狀態的實時監控。水下控制模塊內部安裝了具有電脈沖激勵開啟和液壓自鎖保持閥位功能的電液換向閥，閥位切換只需要幾秒鐘的電信號，從而降低系統能耗、減少散熱量、延長使用壽命。

圖5 電液復合控制系統結構原理Fig.5 Structure principle of multiplexed electro-hydraulic control systems

水下控制模塊的監控對象更加廣泛，包括水下采油樹、管匯、管匯終端、管線終端、井下安全閥、水下增壓設備和水下分離設備等；監測參數更加復雜，包括調節閥閥位、化學藥劑注入流量和壓力、井口油氣溫度和壓力、井下溫度和壓力、油氣含砂量、油氣流量、清管通球位置和設備運行狀態等；安裝位置更為靈活，可以集中安裝或單獨安裝在被控設備上。一個水下控制模塊也可以控制多個水下設備，如多個水下采油樹共用一個SCM或者水下采油樹與管匯共用一個SCM[19]。

水下分配單元又稱臍帶纜終端總成(UTA)，由臍帶纜終端(UTH)、電力分配單元(EDU)和液壓分配單元(HDU)組成。UTH固定安裝臍帶纜、連接EDU和HDU。EDU通過跨接纜為水下控制模塊提供電力，同時集成水上與水下之間的通信功能。水下電氣連接采用ROV操作的濕式電接頭；通信采用ROV操作的光纖接頭。HDU通過液壓飛線為水下控制模塊提供液壓動力。液壓飛線兩端分別配置ROV操作的MQC(Multiple quick connector)。

復合電液控制系統同時使用獨立的蓄能器和蓄能器模塊作為液壓動力源，所以系統液壓動力供給功率更大、壓力更平穩，能夠同時滿足控制多個設備的要求。獨立的蓄能器與水下控制模塊集成在一起，而蓄能器模塊通常安裝在水下分配單元上。蓄能器包括高壓蓄能器、低壓蓄能器和壓力補償器。高壓蓄能器為井下安全閥提供液壓動力；低壓蓄能器為水下液壓執行機構提供液壓動力。

水下與水上之間采用編碼和解碼的方式實現雙向通信，通信方式可以選擇光纖[20]、電纜[21]或雙絞線[22]。當水下生產工藝發生變化時，水上監控系統可以對水下電子模塊的控制邏輯進行在線組態，而不需要改變水下控制模塊的硬件結構，減少了維修費用。水上與水下之間的臍帶纜結構比較復雜，內部有液壓動力管線、回油管線、動力電纜、光纖(如果采用光纖通信)和化學藥劑管線等。

復合電液控制系統具有控制距離長、功能靈活、響應時間短、安全事故處理能力強、水下控制設備和水上監控系統可以實現實時雙向通信的特點。復合電液控制系統已經成為行業的研發重點，特別適用于深水大型油氣田多井項目的開發，控制距離最遠可達8 km以上。我國樂東水下井口項目、挪威巴倫支海Snohvit氣田、墨西哥灣的Mensa氣田等均采用了復合電液控制系統[23-24]。但是該系統結構復雜、設備成本投資大、安裝維修費用高，對系統組成元件的可靠性提出了更高要求。

6 水下全電控制

開發超深水油氣田時，海底環境溫度接近0 ℃，液壓動力配送過程中沿程溫度降低、液壓油黏度升高，導致壓力損失嚴重、動力配送效率低，液壓管線易堵塞，甚至引起管線爆裂，污染海水。此外，深水油氣田一般呈現高溫高壓的特點，需要更高壓力的液壓動力才能滿足控制要求[25]。如果采用上述五種以液壓為動力的控制系統，液壓動力必須采用高壓配送方式。高壓配送方式對臍帶纜結構強度提出了更高的要求，增加了臍帶纜的費用。所以為了提高控制系統工作效率和可靠性，同時考慮保護海洋環境的要求，國外在20世紀末開始研制水下全電生產系統，并推動了水下全電控制系統的發展。全電系統結構原理如圖6所示，圖中只顯示動力配送過程，其中虛線表示電力供給、點劃線表示可選(或備用)、細實線表示高壓液壓管線。全電控制系統的通信過程見本節下文說明。

對于水下井口頭以上的設備，全電生產系統采用電動執行機構取代了液壓執行機構，電動執行機構設計滿足IEC 61508 SIL2要求。對于安裝在水下井口頭以下的井下安全閥的控制，由于目前電動執行機構的技術無法滿足井下電動安全閥設計與制造的需要，所以全電生產系統在測試階段仍然采用液壓控制的井下安全閥，高壓液壓動力可以來自復合電液控制系統的液壓動力單元或水下液壓分配單元。控制井下安全閥的設備為微型水下控制模塊。目前，國外井下安全閥的供貨商正致力于電動安全閥制造技術的研究，同時提出在全電生產系統測試階段采用在井口附近配置水下液壓動力單元的方法，單獨為井下安全閥提供高壓液壓動力，從而徹底實現臍帶纜中無液壓動力配送管線的目標。但是這兩種解決方案均處于設計階段[26]。

圖6 全電控制系統結構原理Fig.6 Structure principle of all-eletric control systems

全電控制系統的水下核心控制設備是水下全電控制模塊(eSCM)，其主要功能是控制井口頭以上的電動執行機構、采集生產過程數據、與水上進行雙向通信、響應ESD和PSD(Process shutdown)。水下全電控制模塊設計滿足標準IEC 61508 SIL3的要求，采用雙冗余的eSCM結構，一個處于主控狀態，另一個處于熱備狀態，且每個eSCM故障時可以獨立回收。雙冗余的eSCM之間采用以太網實時通信。電動執行機構的電力供給和控制信號來自eSCM，兩者之間通常采用Canbus通信。eSCM的內部配置以太網路由器、電源模塊、主控模塊、電池充電模塊、備用充電電池、電源管理模塊、系統工作電壓監測模塊、電力切換模塊、ESD/PSD控制模塊以及與IWIS和SIIS接口兼容的通信模塊。全電控制系統的水下水上之間通信與復合電液控制系統相同。

微型水下控制模塊和eSCM的電力供給來自生產平臺，目前主要有兩種供電方式：230～600 V交流(AC)電壓[26]和3 000 V DC[27]。相比交流供電，在相同功率的條件下直流供電能量損失小，可以減少電纜橫截面。電源模塊又稱為水下變壓模塊(PRCM)，可以單獨設計在eSCM外部。電源模塊把230～600 V AC轉換為30 V DC，或把3 000 V DC轉換為300 V DC。全電控制系統正常工作時，臍帶纜為系統供電。當臍帶纜供電故障時，備用充電電池自動切換為工作狀態。

全電控制系統功能靈活、系統響應時間最短、控制距離長，特別適用于開發深遠海油氣田。全電控制系統減少了水上液壓動力單元，臍帶纜中無液壓動力配送管束，對海水環境無液壓油污染[28]。Cameron公司和FMC公司分別于2008年在荷蘭北海的K5F氣田[29]和2010年在挪威北海Tyrihans氣田[30]首次使用了全電水下采油樹和全電控制系統。全電控制系統技術目前處于工程試驗階段，全電井下安全閥仍然是未解決的難題。但是隨著全電水下生產控制系統的可靠性和關鍵技術的逐步完善，未來將與電液復合控制系統平分秋色[31]。

7 水下自治控制

目前，各國石油公司在采用常規技術開發商業性油氣田的同時也在逐步嘗試依托現有生產設施開發邊際油氣田。當邊際油氣田距離依托設施較遠時，常規的水下生產控制系統需要配置長距離的價格昂貴的臍帶纜才能滿足開發需求。從油氣田開發的經濟效益角度出發，常規水下生產控制系統的高成本限制了依托設施與邊際油氣田之間的最大回接距離，不能實現遠距離邊際油氣田的開發，必須選用改進的技術才能獲得良好的經濟收益[32]。為此，國外提出了水下自治控制系統(SPARCS)[33]。該系統主要是通過簡化常規控制系統中的臍帶纜鋪設和水上設備的復雜程度而降低控制系統的費用支出，其系統結構原理如圖7所示。

水下自治控制系統包括水上監控設備和水下就地控制設備。水上監控設備位于依托設施平臺上，由控制臺、水聲遙測設備和電力系統組成。水聲遙測系統由水聲發射機和接收機組成，同時配有水聽器。水下就地控制設備包括安裝在井口附近的自主運行的水下發電設備、蓄電池、水下液壓動力單元和水下監控系統。水下發電設備為水下液壓動力單元和水下監控系統提供穩定的電力供給。目前，發電設備主要有兩種，分別是渦輪驅動發電機和熱電發電機。渦輪發電機通常采用注水井驅動，熱電發電機的熱源來自油氣生產通道[34]。蓄電池可以采用海水作為燃料[35]。水下液壓動力單元提供兩種控制壓力，大大減少了液壓動力配送過程中的能量損失。水下自治控制系統在運行過程中是一個閉式液壓動力系統[36]，系統的回油均返回液壓動力單元的油箱。水下監控系統配置有水下控制模塊，其控制功能與復合電液控制系統中的水下控制模塊類似，只是增加了聲波通信模塊。

在水下自治控制系統中，水下與水上之間無需臍帶纜，減少了水上設備的載荷，系統可靠性高，可以用于大型邊際油氣田的開發，如愛奧尼亞海的LUNA27氣田[37]。但是該系統的水下渦輪發電技術和熱電技術需要進一步完善。聲波通信過程同時受水深和海水溫度梯度的影響，水深越深，海水溫度梯度變化越劇烈，聲波信號損失越嚴重。所以水下自治系統只適用于開發中遠距離的邊際油氣田，其控制距離一般小于12 km。

圖7 水下自治控制系統結構原理Fig.7 Structure principle of SPARCS

8 集成浮漂控制

依托現有生產設施開發深水或超深水、遠距離或超遠距離的邊際油氣田時，水下自治控制系統由于水下通信技術和水下發電技術不夠成熟，使用受到了限制。如果采用上述幾種有臍帶纜的控制系統，臍帶纜都需要超長距離的回接，這樣會增加開發成本、降低系統的可靠性。為此，國外提出了集成控制浮漂(ICB)解決方案，即浮漂控制系統。其結構原理如圖8所示。

浮漂控制系統集成了配有臍帶纜的控制系統的可靠性和水下自治控制系統的動力自給與無線通信的優點，系統配置方便靈活[38]。浮漂控制系統的基本概念是保證浮漂接近水下被控設備。浮漂與水下設備之間的短距離連接采用常規的電液臍帶纜，所以控制設備的費用不受離岸距離的影響[39]。浮漂是一個動力自給的控制系統，有發電設備、蓄電池單元、液壓動力單元和監控系統。發電設備為太陽能電池板，用來驅動液壓動力單元，同時為監控系統提供穩定的電力供給。監控系統集成了復合電液控制系統的主控站和水下控制模塊的功能，配置有水下數據采集系統、浮漂設備運行狀態監控系統和無線通信設備。浮漂與現有平臺、近岸之間的長距離通信采用無線電通信、衛星通信或水聲通信[40]，通信距離可達數百公里。同時，浮漂與陸地上的計量站之間可以采用超高頻(UHF)通信，從而建立一個互鎖系統。集成浮漂控制系統結構簡單，配置靈活，不受回接距離限制，適合于超遠距離衛星井和短期油氣田的開發，如測試油氣田或小型邊際油氣田。澳大利亞的西北大陸架氣田[41]、巴西西北部的阿拉構阿斯4-ALS-39邊際氣田[42]均采用了浮漂控制系統。

圖8 集成浮漂控制系統結構原理Fig.8 Structure principle of ICB

9 結 語

水下生產控制系統是在水下生產系統對控制需求的驅動下發展而來的，目前已經成為海洋油氣資源開發——特別是深水油氣田開發——的關鍵設備。水下生產控制系統結構的每一次變化、技術的每一次創新都是源于不同時期開發水下油氣資源對控制系統新功能的迫切需求，其中主導控制系統結構和功能發生變化的主導因素有開發水深、油氣田規模、回接距離和經濟性。工程實踐中需要結合油氣田的開發模式和每種控制系統的功能結構特點，制訂水下生產控制系統的設計方案。在國外，利用水下生產系統開發海洋油氣田逐漸成為一種主流的開發模式，其中又以復合電液控制應用最為廣泛。我國的水下生產系統及其控制技術尚處于起步階段。盡管國家在“十二五”期間和“十三五”規劃中，為了滿足南海油氣資源的開發，設立了大量關于水下生產系統關鍵技術及裝備研制的課題，掌握了部分裝備的設計與制造技術，但是我國尚不具備水下生產系統的獨立設計、建造和施工的能力，特別是水下生產控制系統的獨立研制步伐更是落后于水下生產系統核心裝備的研制進度。為了在深水油氣資源方面早日具備獨立開發的工程服務能力，必須使水下生產控制系統與水下裝備協調發展，特別需要加快復合電液控制系統的設計和研制進程。

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AnOverviewofSubseaProductionControlSystem

ZUO Xin1,YUE Yuan-long1,DUAN Ying-yao1,GUO Long-chuan2

(1.DepartmentofAutomation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.DepartmentofOceanEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

Subsea production control system is among the most important equipment applied in subsea oil and gas development community.According to the construction distinction of subsea production control systems,there are totally eight typical control architectures,i.e.,direct hydraulic control system,piloted hydraulic control system,sequential hydraulic control system,direct electro-hydraulic control system,multiplexed electro-hydraulic control system,all-electric control system,powered autonomous remote control system and integrated control buoy.For all these configurations,we explore the emerging background,structure characteristics,operation principle,application ranges,advantages and drawbacks.Finally,the main factors influencing the control system design are analyzed.This research can provide somewhat directive significance for the independent development of our subsea production control systems in the future.

subsea production control system; electro-hydraulic control; all-electric control; powered autonomous remote control; integrated control buoy

2015-09-08

國家科技重大專項(2011ZX05026-003-01)

左信(1964—)，男，教授，博士生導師，主要從事油田生產、管道運輸和石油化工過程的測量、控制與優化方面的研究。

*通信作者

TE54；P756.6

A

2095-7297(2016)01-0058-09