水下生產控制系統結構的設計與研究

譚壯壯，李小瑞，張鳳紅

(中國石油集團海洋工程有限公司，北京 100028)

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水下生產控制系統結構的設計與研究

譚壯壯，李小瑞，張鳳紅

(中國石油集團海洋工程有限公司，北京 100028)

摘要：作為水下生產系統的重要組成部分，水下生產控制系統(SPCS)提供了數據采集、遠程控制和異常情況監測處理等功能。為了滿足SPCS在安全可靠性、經濟性和可操作性等方面的要求，研究了SPCS的結構設計,介紹了SPCS的功能、組成，對比了獨立式、平衡式、組合式和環式等多種SPCS結構的優缺點，分析了SPCS設計應考慮的因素。最后，得出了SPCS結構設計的要點，可供SPCS設計參考。

關鍵詞：深水油氣田開發水下生產系統水下生產控制系統控制系統結構

目前，水下生產系統已成為深水油氣田開發中最常用的開發方式[1-3]。水下生產系統通過水下井口、水下生產設施、海底管線和臍帶纜，將油氣井生產的油氣混合物輸送至依托設施或陸上終端。水下生產系統能夠適應深水油氣田的開發，具有開發成本低、建設周期短、開發效益高的特點[4-5]。

水下生產控制系統SPCS(subsea production control system)是水下生產系統的重要組成部分，為水下生產提供安全、可靠、高效的數據采集和監控功能。SPCS通過控制水下采油樹、水下管匯等水下設施來保證生產的安全進行，并對水下儀表和各控制模塊進行監控。SPCS通過控制網絡與浮式生產儲卸油船FPSO(floating production storage and offloading,)、浮式生產裝置FPU(floating production unit)或陸上終端等依托設施的控制系統相連，向依托設施提供數據，并執行來自依托設施的操作指令[6-7]。

SPCS的結構是指SPCS的控制設備在水下的分布方式、水下安裝設備與上部安裝設備的連接方式以及水下設備相互之間的連接方式等，主要包括獨立式、平衡式、組合式、環形等結構。由于每個項目的控制距離、水下井口分布、依托設施各不相同，需要根據項目具體情況選擇不同的SPCS結構。SPCS結構的選擇是SPCS設計初期的重點工作，不僅要滿足生產系統的功能要求，還必須考慮職業健康、安全和環境(HSE)、可靠性、可操作性、經濟性以及技術成熟度。筆者以目前較為常用的復合電液控制系統[8-10]為例，結合較為先進的水下生產控制系統[11-12],介紹了SPCS的基本組成、各種SPCS結構的優缺點以及設計時應考慮的因素。

1水下生產控制系統的組成

SPCS由上部安裝的控制設備、水下安裝的控制設備以及連接上部和水下設備的臍帶纜組成。

1.1上部安裝的SPCS控制設備

上部安裝的SPCS控制設備與依托設施的控制系統、電力系統相連，能夠執行依托設施的操作指令，并向依托設施上傳采集到的水下生產數據。同時，上部安裝的SPCS控制設備還通過臍帶纜為水下安裝的控制設備提供控制信號、電源和液壓源。上部安裝的SPCS控制設備如圖1所示，主要由以下部分組成：

1) 主控站MCS(master control station)。為上部安裝和水下安裝的SPCS控制設備提供監控功能，并提供了與依托設施控制系統的接口。

2) 液壓動力單元HPU(hydraulic power unit)。為水下采油樹和管匯上的閥門提供穩定、清潔的液壓液。

3) 電力單元EPU(electrical power unit)。由UPS供電，為SPCS提供電源。

4) 上部臍帶纜終端單元TUTU(topside umbilical termination unit)。控制電纜、電力電纜、液壓管線以及化學藥劑管線通過TUTU進入臍帶纜，供給水下生產系統。

圖1　上部安裝的SPCS控制設備結構示意

1.2水下安裝的SPCS控制設備

水下安裝的SPCS控制設備能夠接受依托設施傳來的控制信號，執行水下閥門操作等控制功能，并可以向依托設施傳輸水下儀表的數據。水下安裝的SPCS控制設備主要由以下部分組成：

1) 水下臍帶纜終端總成UTA(umbilical termination assembly)和水下分配單元SDU(subsea distribution unit)。UTA與臍帶纜相連，將臍帶纜內的信號分配到跨接纜FL(flying lead)中，通過FL與SDU相連。SDU可將1組FL中的信號分配到多組FL中，FL可以直接與采油樹或管匯上的水下控制模塊連接。

2) 水下控制模塊SCM(subsea control module)。SCM接受來自依托設施的控制信號，通過電液控制完成對采油樹、管匯上閥門的操作，并能讀取采油樹、管匯上儀表的數據，上傳到依托設施。

3) 水下儀表和閥門。包括水下采油樹和管匯上安裝的儀表，如壓力溫度傳感器、油嘴閥位指示器、沙含量探測儀、井下壓力溫度傳感器，閥門包括上部控制井下安全閥、生產主閥、生產翼閥、環空主閥、環空翼閥、轉換閥、化學藥劑注入閥和生產油嘴等。

1.3臍帶纜

臍帶纜中包含多根控制通信電纜、電力電纜、液壓管線和化學藥劑管線等，能夠傳輸信號、電力、液壓和化學藥劑。臍帶纜按照連接對象，可分為主臍帶纜和內部臍帶纜。主臍帶纜用于連接上部安裝的SPCS控制設備與水下安裝的SPCS控制設備，在依托設施上與TUTU連接，在水下與UTA連接；內部臍帶纜用于水下設備之間的連接，兩端與UTA連接。

2水下生產控制系統的結構

SPCS常見的結構有獨立式、平衡式、組合形和環形結構等，主要由臍帶纜、UTA和SDU等組成。

以圖2所示的水下油田井口布置為例分析各種結構的優缺點。從圖2中可以看出，該油田依托設施為FPSO，水下生產系統包含3個井群，每個井群包含1個水下管匯和若干個水下采油樹。其中，A井群與FPSO最近，與B和C井群相距較遠；B井群與FPSO距離較遠，與C井群較近；C井群離FPSO最遠。

圖2　水下油田井口布置示意

2.1獨立式結構

獨立式結構如圖3所示，每個井群都有獨立的主臍帶纜。主臍帶纜在水下與井群附近的UTA連接，通過SDU與水下采油樹、管匯連接，井群之間沒有內部臍帶纜。

獨立式結構的優點： 水下設備少，且設備類型統一；無內部臍帶纜，每根主臍帶纜的截面結構相同；每根臍帶纜只需供給1個井群，可以縮小電纜、管線的尺寸，減小了臍帶纜的截面積，且控制距離短，響應速度快；1個井群出現故障不影響其他井群的生產。缺點： 需要3條主臍帶纜，同時意味著需要3套懸掛裝置，占據較多的轉塔空間；主臍帶纜總長較長；各種電纜和管線的數量多。

2.2平衡式結構

平衡式結構如圖4所示，FPSO通過1條主臍帶纜與中間的井群連接，其他2個井群使用內部臍帶纜與中間井群連接。

圖3　獨立式結構示意

圖4　平衡式結構示意

平衡式結構的優點： 只需要1條臍帶纜，1套懸掛裝置；主臍帶纜長度最短；臍帶纜總長較短。缺點： 遠端井群的控制距離長，響應速度慢；UTA的數量較多；SDU類型不一；水下連接較多，潛在的水下泄漏點多；每條臍帶纜供給的井群數不一樣，都需要單獨設計截面結構；可靠性低，主臍帶纜故障會造成3個井群的停產。

2.3組合式結構

組合式結構為獨立式結構和平衡式結構的組合，如圖5所示。最近的1個井群由1條主臍帶纜直接連接，其他2個井群共用1條主臍帶纜，并用內部臍帶纜連接。

組合式結構的優點： 控制距離較短，數據更新和閥門響應速度較快；每根主臍帶纜供給的設備較少，主臍帶纜截面積較小；臍帶纜長度與獨立式相比較短。缺點： 與平衡式結構相比，主臍帶纜和懸掛裝置的數量較多；SDU類型不一；2條主臍帶纜供給的水下設備數量不同，截面結構可能不同；包含1條內部臍帶纜，需要單獨設計。

2.4環形結構

如圖6所示，環形結構通過2根主臍帶纜連接兩端的井群，再用內部臍帶纜與中間的井群連接，形成環形連接。

環形結構的優點： 可靠性高，任何1條主臍帶纜或內部臍帶纜故障都不會引起系統失效；每條臍帶纜供給的井群數量相同，具有相同的截面結構。缺點： 臍帶纜長度長；每條內部臍帶都需要具備供給2個井群的能力，因而截面積大；水下連接點多，潛在的泄漏點多；需要的UTA與SDU數量最多。

圖5　組合式結構示意

圖6　環形結構示意

3設計中應考慮的因素

設計過程中，SPCS結構的選擇，應綜合考慮HSE、控制技術、投資以及可操作性等因素。

1) HSE方面需要考慮系統對環境的影響。SPCS對環境的影響主要是液壓液和化學藥劑的泄漏，而水下連接點越多，泄漏的可能性越大。在本文所述的結構中，獨立式結構的水下連接點最少，環形結構最多。

2) 技術方面應考慮技術成熟程度、臍帶纜設計簡化程度、設備標準化程度等。本文所述結構中，獨立式結構常應用于井群數量較少、主臍帶纜數量少、總長短的項目；平衡式結構常應用于井口區域距離依托設施較遠的項目；環形結構常應用于臍帶纜故障風險較大的項目中。臍帶纜方面，獨立式結構只有主臍帶纜，且3條主臍帶纜的設計相同，設計過程最簡單；組合式結構有2條主臍帶纜和1條內部臍帶纜，且2條主臍帶纜供給的井群數不同，截面結構有差異，因而共需要設計3條臍帶纜，設計過程最為復雜。設備標準化程度方面，獨立式結構的SDU和UTA均為同種類型；其他結構均需要2種不同類型的SDU。

3) 投資方面主要考慮設備數量和臍帶纜長度。獨立式結構的SDU和UTA的數量最少，但臍帶纜長度最多；平衡式結構的UTA數量較多，并且在中間井群處需要1個較大型的SDU，但臍帶纜總長較短，尤其是主臍帶纜少；環形結構的設備數量最多，且需要較大型的SDU，臍帶纜長度也是最長的。組合式結構的設備數量和臍帶纜長度介于獨立式結構和平衡式結構之間。

4) 可操作性方面主要考慮響應時間和停產風險。獨立式結構每個井群有獨立的臍帶纜，且控制距離較短，響應速度快，每條主臍帶纜的失效會引起1個井群停產；平衡式結構兩端井群的控制距離長，且3個井群共用1條主臍帶纜，響應速度較獨立式慢，主臍帶纜的失效會引起3個井群停產，每條內部臍帶纜的失效會引起1個井群停產；環形結構由于采用了環形連接，任何1條臍帶纜的失效都不會引起停產；組合式結構中，第1個井群有獨立主臍帶纜，響應速度快，主臍帶纜故障會引起1個井群停產；第2個和第3個井群共用主臍帶纜，遠端井群響應較慢，主臍帶纜故障會引起2個井群停產，內部臍帶纜故障會引起1個井群停產。

4結束語

綜上所述，得出結論如下：

1) 獨立式結構控制距離短、響應速度快、水下設備少且類型統一，該結構適用于井群較少、井口區距離依托設施較近、轉塔空間充足的項目。

2) 平衡式結構主臍帶纜少、總臍帶纜長度短，適用于井群較為集中且距離依托設施遠的項目。

3) 組合式結構各項性能居于獨立式和平衡式結構之間，適用于一部分井群集中，而與其他井群距離較遠的項目。

4) 環形結構具有最低的停產風險，但水下設備多、臍帶纜總長長且結構復雜，適用于臍帶纜故障風險較高的項目。

筆者介紹了獨立式、平衡式、組合式和環形的SPCS結構，對比了各種結構的優缺點，并提出了SPCS結構設計過程中應考慮的因素，不同的項目需要根據具體情況選擇不同的SPCS結構。

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Design and Research on Subsea Production Control System Configuration

Tan Zhuangzhuang，Li Xiaorui，Zhang Fenghong

(China National Petroleum Offshore Engineering Co. Ltd., Beijing, 100028, China)

Abstracts： As an important part of subsea production system, subsea production control system (SPCS) provides functions including data acquisition, remote control, monitoring and treatment of abnormal situation. To meet requirements of safety, reliability, economy and operability, configuration design of SPCS is studied, functions and composition of SPCS are described, advantages and disadvantages of various SPCS architectures of independent, balance, combination and ring are compared, factors considered for design are analyzed. Key design points for SPCS architecture are drawn which can be used as reference in SPCS design.

Key words:deep-water oilfield development; subsea production system; subsea production control system; control system configuration

作者簡介：譚壯壯(1988—)，男，山西長治人，2014年畢業于中國石油大學(北京)控制科學與工程專業，獲碩士學位，現就職于中國石油集團海洋工程有限公司，從事海洋石油工程儀訊設計工作，任助理工程師。

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0013-05

稿件收到日期： 2015-12-25，修改稿收到日期： 2016-03-20。