坐落管柱控制系統發展現狀及國產化研究難點*

唐 洋 吳 杰 羅 益 李 旺

(1. 西南石油大學機電工程學院 四川成都 610500； 2. 西南油氣田分公司通信與信息技術中心 四川遂寧 629000)

近10年全球74%的重大油氣發現均在海上，其中深水占23%，超深水占36%，全球已進入深水油氣開發階段[1]。深水油氣井地層測試(簡稱深水測試)是深水油氣開發的關鍵環節，發揮著及時發現和準確評價海洋深水油氣藏的重要作用。目前深水測試作業多采用浮式平臺，受海洋環境或惡劣海況(臺風、海嘯等)影響，平臺易發生升沉、飄離等運動，此時必須及時將與之相連的坐落管柱解脫，以避免出現管柱折斷及井口裝置受損，油氣泄漏海洋環境污染，平臺沉沒、爆炸及人員傷亡等重大事故發生[2-3]。

坐落管柱解脫由地面發出指令，首先控制水下測試樹安全閥、承留閥球閥依次關閉，封堵住測試管柱內高壓油氣；隨后激活承留閥處的泄壓裝置釋放圈閉壓力，控制水下測試樹連接器斷開；最后上提井口以上部分測試管柱，關閉防噴器組的全封閘板，安全撤離平臺。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、后期修井和增產作業提供主要井控屏障。其控制系統是實現其剪切、封堵、解脫、回接等核心功能的關鍵，同時也是區分坐落管柱類型的重要依據[4-6]。目前國外對于坐落管柱控制系統的研究已經較為成熟，Schlumberger、Halliburton和Expro等國際石油公司均已擁有各自系列化產品，但其僅提供服務，不出售產品，長期對外實行技術封鎖。

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，深水油氣井數量急劇上升，迫切需要加快坐落管柱控制系統研發及打破國外壟斷[7]。本文介紹了坐落管柱控制系統的組成、發展歷程和國內外研究現狀，分析了坐落管柱控制系統整體發展趨勢，指出了其研究重點、難點，可為實現其國產化，打破國外技術壁壘提供參考。

1 坐落管柱控制系統功能

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

坐落管柱控制系統各組成系統功能為：

1) 地面電控面板，提供對水下安全系統的電氣控制和井下數據采集，通常由兩套獨立的控制器組成。

圖1 坐落管柱控制系統組成

2) 液壓動力單元，為水下執行機構提供清潔液壓流體，具有低壓(34.5 MPa)和高壓(69.0 MPa)兩種壓力等級。

3) 臍帶纜，通常由高壓管線、低壓管線、化學試劑注入管線、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，儲存用于驅動水下執行機構動作的高壓流體。

5) 立管控制模塊，是整個控制系統的核心，用于封裝電磁閥、水下電子模塊和液控滑閥等控制元件，承擔地面控制平臺和水下安全系統之間的通訊交互和任務分配責任。

水下安全系統中承留閥、水下測試樹等水下執行機構受高壓流體驅動，主要提供應急解脫、重新連接、剪切鋼絲或連續油管、封堵高壓油氣、泄除圈閉壓力等功能[13-14]。

坐落管柱控制系統設計遵循ISO 13628-7、ISO 13628-4、ISO 10423 和 API 16D等，在測試作業過程中，坐落管柱控制系統除了提供水下執行機構的單獨控制，還應具有以下功能[15-17]：

1) 快速解脫和連接功能，控制系統緊急解脫和重新連接時間不超過45 s，通常業內認為15 s更為可靠。

2) 失效保護功能，在電信號失效的情況下，可以通過地面高壓流體直接進行控制，在液壓失效情況下，具有機械解鎖功能，以保證作業安全。

3) 化學試劑注入功能，以抑制水合物生成。

4) 數據處理功能，對環空壓力和溫度可以實時監控。

5) 提供與隔水管系統和防噴器控制系統的集成接口。

控制系統還需通過API 16D 性能測試、響應功能測試、API 17D 壓力循環測試、溫度循環測試和系統集成測試[18-20]。

2 國內外研究現狀

2.1 控制系統發展歷程

1974年Schlumberger發明了第1個叫做e-z樹的水下測試工具，通過直接液壓控制的方式，完成在浮式平臺上的試驗操作。坐落管柱控制系統發展經歷了直接液壓控制、先導液壓控制和電液控制等3個階段，除此之外，全電控制目前也處于試驗階段，但沒有成熟產品[21-23]。

1) 直接液壓控制。

最早使用的直接液壓控制方案特點是系統組成簡單，水下執行機構動作直接由地面液壓動力單元驅動，其工作原理如圖2所示。緣于工作性能好、結構簡單、也是最為經濟的水下控制系統，使其成為迄今應用最多的控制方式。但隨著水深的增加，該套系統的響應速度也隨之降低，細長的液壓管線大量地消耗掉了來自地面的液壓能量，因此該系統只適用于水深600 m以內的作業,響應時間為40 s左右。

圖2 直接液壓控制原理

2) 先導液壓控制。

為提高控制系統響應速度，先導液壓控制方案中新增水下蓄能器組，由平臺直接控制位于立管控制模塊處的液控滑閥，引導水下蓄能器組中的高壓流體流向水下執行機構，其工作原理如圖3所示。先導液壓控制方案在水深1 500 m范圍內有效地縮短了系統動作響應時間，減少長距離傳輸過程中液壓能損耗，然而，每個液控滑閥都需要單獨連接一根液壓管線，這意味著仍然需要一個大直徑的多芯臍帶纜，隨著測試水深的增加，臍帶纜成本將劇增。

圖3 先導液壓控制原理

3) 電液控制。

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

圖4 單一電液控制原理

復合電液控制采用多路復用技術，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，而且具有雙向數據傳輸、可以以較少的成本添加輔助控制系統等優點。但是所有這些額外功能不僅增加了顯著的額外成本，并且由于系統組成的復雜性，使得系統可靠性降低[24- 25]。表1展示了3種不同方案的坐落管柱控制系統關于作業水深、響應時間、成本、可靠性的對比，同時總結了各自的特點。

表1 控制系統方案對比Table 1 Schemes comparison of the control system

2.2 國內研究現狀

國內對于坐落管柱控制系統的研究起步較晚，相關文獻介紹較少。1988年在國外測試公司的幫助下，中國在南海地層測試中取得首次應用。2008年中海艾普油氣測試有限公司啟動Husky深水測試項目，成功為哈基斯坦石油中國有限公司提供深水測試服務；參考Husky在中國南海的深水測試方案，2014年中國在南海陵水17-2氣田成功實現國內首次自營深水測試，這是自主研發的深水模塊化測試裝置的首次應用；2016年中海油研究總院聯合西南石油大學開展對坐落管柱控制系統的進一步研究，開展坐落管柱先導液壓控制系統、復合電液井下控制系統方案設計[26-28]。

國內采用的坐落管柱控制系統如圖5所示，在原有設備的基礎上，新增井下密封短節的化學注入穿越設計、購買1 200 m的臍帶纜、增加儲能器等，該系統在惡劣的海洋氣候條件下進行施工作業，船體距井口最大漂移29 m，具有良好的工作性能，為深水測試提供了技術保障[29]。

圖5 國內坐落管柱控制系統示意圖

目前國內已基本具備獨立研發坐落管柱控制系統的能力，但是受主體裝置、測試技術和相關經驗的限制，深水測試作業還局限于淺水區域，與世界先進水平還存在巨大差距。

2.3 國外控制系統產品

圖6 國外坐落管柱控制系統產品

1) Schlumberger控制系統產品。

Schlumberger公司早期推出的SenTREE*控制系統應用于錨泊船上，采用直接液壓控制方式，其響應時間取決于水深和臍帶長度，大約需要120 s來完成解脫動作；2001年發布的Commander*控制系統應用于動力定位船上，采用先導液壓控制方式，成為業內第一個快速控制系統，只需要15 s就能完成解脫動作；2007年發布的SenTURIAN控制系統采用電液控制方式，控制水深最高可達到4 572 m；目前公司最新產品SenTURIAN E&A控制系統，擁有SenTURIAN控制系統的所有優點，并采用Muzic無線遙測技術，在超深水環境下仍可實時監測壓力、溫度等數據。2017年中國石化Repsol公司在巴西近海作業中采用SenTURIAN E&A控制系統，完成Muzic無線遙測技術的首次商業應用，節省了73 h的鉆機時間，僅8 s就完成解脫動作[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冗余和聲波無線遙測，為立管控制模塊中電磁閥控制提供了完全獨立的電氣路徑，提高了系統可靠性[31]。

2) Halliburton控制系統產品。

3) Expro控制系統產品。

Expro公司推出的Express控制系統采用電液控制方式，能在15 s內完成解脫動作，同時提供準確的海底診斷功能，該系統通過簡化控制功能設計、取消水下電子設備和電源、設置冗余輔助系統、采用模塊化設計等方式來最大化提升系統可靠性[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、補償器、剪切換向閥等液壓元件，在作業前需要分別對上下腔室注滿化學試劑，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向分布8個儲能瓶，每瓶氮氣容積為7 L，其中6個儲能瓶內的壓力操作水下測試樹，2個儲能瓶內的壓力操作承留閥，儲能瓶內還設有10%的富余量。

目前市場上的坐落管柱控制系統產品對比如表2所示，跟據控制方式的不同可分為直接液壓控制、先導液壓控制和復合電液控制。3種控制方式并不是獨立存在的，在電液控制系統中，直接液壓控制和先導液壓控制都常作為二級控制系統，以提高系統可靠性、除此之外冗余電氣系統及液壓系統設置、模塊化設計、聲波無線遙測也為系統可靠性提供了有效方案。

表2 國外控制系統產品對比Table 2 Comparison of control system products abroad

2.4 控制系統發展趨勢

坐落管柱系統經過長期現場應用，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新的需求，其控制系統發展主要體現在以下方面：

1) 隨著深水測試作業逐漸轉向超深水，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動的實用性，全電控制是未來坐落管柱控制系統產品的發展趨勢，目前Cameron公司已完成全電控制水下測試樹系統海上試驗，如圖8所示，但還沒有相應成熟產品，其可靠性還需要通過大量實驗應用來驗證。

圖8 Cameron公司全電控制水下測試樹系統

2) 將坐落管柱控制系統與隔水管系統、防噴器系統集成進一步完善，采用模塊化組件來滿足不同客戶需求，減少控制系統的設計費用和運行管理成本。

3) 提供勘探、評價、海底智能診斷功能，實時監測井下環境參數及坐落管柱設備運行情況，及時做出故障報警及提前預警，提高坐落管柱控制系統的可靠性[36-38]。

3 國產化研究難點

國內海洋油氣勘探堅持以“價值勘探”為中心，大力推進邊際油田開發，適時開展深水油氣勘探。這為中國坐落管柱控制系統自主研究提供了明確思路，應以完善直接液壓控制方案為基礎，積極開展先導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提供技術保障，通過對目前相關技術的分析[39-40]，總結該系統國產化研究難點問題主要有以下4點。

1) 聲波無線遙測技術。

2) 壓力平衡蓄能器技術。

水下蓄能器的設置能有效提高系統響應速度，但入井前需要根據每口井的特定條件對蓄能器進行預充，錯誤的預充壓力、平臺操作以及井下條件的變化都可能會導致安全事故的發生。在考慮長臍帶纜傳輸、液壓沖擊以及特殊工況時，如何優化水下蓄能器組的控制策略，從而快速實現蓄能器充放液過程中的壓力脈動吸收，是目前水下蓄能器技術研究的關鍵。Schlumberger公司推出的壓力平衡蓄能器技術，首先通過顯著降低預充壓力來減少平臺加壓氣體的預處理時間和降低事故發生風險，隨后依據不同工況自動平衡蓄能器壓力，該技術下的蓄能器體積更小，在高靜水壓力下情況下，為系統提供更多的可用空間。

3) 系統集成技術。

坐落管柱控制系統的成本效益是長期以來的研究熱點，因為在深水環境下設備的維修和更換需要花費高昂成本。系統集成技術通過集成多個不同供應商的控制設備和模塊化組件，使該控制系統可以與其他井控系統相集成，減少控制系統的設計費用和運行管理成本。當遇到動力定位系統失效或惡劣海況引起平臺突發性偏離井口，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封堵高壓油氣后，應用防噴器組控制系統控制直接剪切閘板切斷剪切短節，再將測試管柱提出，關閉全封閘板，國產化研究過程中確保如何與其他井控系統的兼容性，保障作業安全是一大難點。目前中國以東方1-1氣田項目為牽引，正積極開展500 m級水深的系統集成技術研究。

4) 長管道系統動態響應分析。

響應時間是控制系統的重要指標之一，完成系統動態響應分析可以對實際工程應用提供指導和依據。但是從平臺指令發出到水下執行機構響應需要經過臍帶纜長距離傳輸、換向閥動作、蓄能器供油等一系列復雜流程，并且由于許多不確定性因素的存在，例如系統流量及壓力波動、球閥剪切連續油管時負載變化、系統存在飽和、回環等非線性特性、以及元件損壞失效等。如何考慮系統瞬態變化過程、依據壓力流量特性判斷系統執行狀態、模擬故障，搭建符合實際作業工況的分析模型，正確預測系統的響應時間，該研究需要通過大量的測試模擬和現場應用數據來實現。

4 結束語

坐落管柱控制系統的發展歷程表明，隨著深水測試作業逐漸轉向超深水，全電控制、與其他井控系統集成、提供海底智能診斷是坐落管柱控制系統未來的發展趨勢。國內對于該技術尚處于起步階段，已基本具備獨立研發該控制系統的能力，在中國南海成功實現自營深水測試。推進坐落管柱控制系統國產化研究，應結合中國海洋油氣發展戰略，完善及加快直液控制方案，推進邊際油田開發，并積極開展先導液壓控制和電液控制方案研究。目前國產化研究難點主要是聲波無線遙測技術、壓力平衡蓄能器技術、系統集成技術和長管道系統動態響應分析。