基于SimulationX的水下采油樹液壓控制系統(tǒng)仿真分析

摘 要 采用SimulationX軟件建立整棵采油樹液壓控制系統(tǒng)仿真模型，得到液壓系統(tǒng)充壓時間、閥門啟閉時間和依次操作閥門的時間間隔，仿真結(jié)果均符合標準要求。同時研究了閥門操作帶來的壓力波動對其他就位閥門的影響，仿真表明：當閥門操作造成的系統(tǒng)壓力波動的最小值大于已就位閥門的開啟壓力時，系統(tǒng)壓力波動對已就位閥門影響較小，結(jié)果可為水下采油樹液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計提供參考，同時可為水下采油樹測試及生產(chǎn)作業(yè)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 復(fù)合電液控制 水下采油樹 液壓分析 水下閥門 響應(yīng)時間 閥門操作時間間隔

中圖分類號 TP273；TE95" "文獻標志碼 A" "文章編號 10003932（2025）02026908

利用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)海上油氣田逐漸成為主流模式［1］。水下采油樹作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心裝備，承載著控制油氣井生產(chǎn)流體或者注入流體通道以及井下和井口流體動態(tài)參數(shù)監(jiān)測的重要功能［2］，是連接油氣井和整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)的橋梁，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于海洋油氣開發(fā)項目。國內(nèi)目前已經(jīng)研發(fā)了采油樹樣機，但采油樹控制系統(tǒng)仍依賴進口［3］，因此針對水下采油樹控制系統(tǒng)的研究刻不容緩。目前，復(fù)合電液控制系統(tǒng)是水下采油樹的主流控制系統(tǒng)［4］，該系統(tǒng)是將液壓信號通過液壓動力單元（HPU）、臍帶纜（Umbilical）、水下分配單元（SDU）和水下控制模塊（SCM）傳輸?shù)讲捎蜆渖系囊簤簣?zhí)行機構(gòu)。單個采油樹上的若干液壓執(zhí)行機構(gòu)需要共用同一個SCM，會出現(xiàn)兩種特殊情況：一是依次開啟采油樹上的液壓執(zhí)行機構(gòu)時，如果開啟時間間隔過小，SCM供油壓力尚未恢復(fù)至系統(tǒng)額定工作壓力，可能導(dǎo)致下一個液壓執(zhí)行機構(gòu)不能順利開啟，因此需要確定多個執(zhí)行機構(gòu)依次開啟的間隔時間，為現(xiàn)場作業(yè)和測試提供指導(dǎo)；二是閥門操作帶來的壓力波動會對其他就位閥門產(chǎn)生影響，在設(shè)計水下采油樹液壓控制系統(tǒng)時應(yīng)該避免。

水下控制系統(tǒng)仿真分析是水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計的核心技術(shù)之一，復(fù)合電液控制系統(tǒng)是目前最常用的水下控制系統(tǒng)，針對其進行仿真分析對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運行具有重要影響。針對復(fù)合電液控制系統(tǒng)的研究，文獻［5］建立了水下液壓控制系統(tǒng)模型，研究不同液壓管線結(jié)構(gòu)下閥門的開啟時間和關(guān)閉時間，并分析水深、回接距離、臍帶纜液壓管徑、水下蓄能器容積等參數(shù)對閥門開啟時間和關(guān)閉時間的影響；文獻［6］利用AMESim軟件建立水下采油樹多個液壓執(zhí)行機構(gòu)動作時相互干擾的模型，并提出了相應(yīng)的改善方法；文獻［7］梳理了水下生產(chǎn)復(fù)合電液控制系統(tǒng)液壓分析方法，從液壓分析目的及評價準則、液壓分析典型思路、液壓分析參數(shù)、液壓分析實際案例等方面進行了闡述；文獻［8］采用SimulationX對低壓液壓系統(tǒng)進行仿真分析，研究了水深、回接距離、液壓管線直徑、水下蓄能器參數(shù)以及液壓動力單元液壓泵參數(shù)對充泄壓時間和采油樹閘閥開關(guān)時間的影響規(guī)律；文獻［9］用FLUENT軟件建立了水下控制模塊內(nèi)閥板關(guān)鍵油路的流場仿真模型，分析了關(guān)鍵油路的壓降。然而，目前還沒有針對水下采油樹液壓控制系統(tǒng)進行整體仿真分析的報道。在水下采油樹液壓控制系統(tǒng)設(shè)計初期，對采油樹液壓控制系統(tǒng)整體進行仿真分析，可以確定系統(tǒng)參數(shù)并模擬采油樹特殊工況，為水下控制系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理

水下采油樹液壓控制系統(tǒng)是將平臺上HPU中的液壓信號通過臍帶纜的液壓管線傳輸?shù)絊DU，再由SDU分配到各個水下采油樹上的SCM。SCM中設(shè)計有多套液壓控制閥組及液壓管線驅(qū)動水下采油樹上的多個液壓執(zhí)行機構(gòu)。當執(zhí)行機構(gòu)開啟時，SCM中的蓄能器通過水下方向控制閥（DCV）向執(zhí)行機構(gòu)的彈簧腔供油，同時HPU通過SDU給SCM中的蓄能器充壓，執(zhí)行機構(gòu)回油腔中的液壓油流向SCM補償器，當補償器被液壓油充滿時液壓油排向海里。當執(zhí)行機構(gòu)關(guān)閉時，執(zhí)行機構(gòu)彈簧腔的液壓油經(jīng)由方向控制閥流至執(zhí)行機構(gòu)回油腔。水下采油樹液壓控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 采油樹工況要求

水下采油樹油氣生產(chǎn)過程需要通過控制閥控制整個油氣生產(chǎn)流程。

采油樹樹體包括3個通道：生產(chǎn)通道、環(huán)空通道和化學(xué)藥劑注入通道。生產(chǎn)通道負責(zé)整個油氣的開采工作，可以調(diào)節(jié)生產(chǎn)流量以控制生產(chǎn)總量，生產(chǎn)通道主要的閥門有生產(chǎn)主閥PMV和生產(chǎn)翼閥PWV；環(huán)空通道負責(zé)排放生產(chǎn)過程中的井底伴生氣，正常工況下該通道處于備用狀態(tài)，環(huán)空通道主要的閥門有環(huán)空主閥AMV、環(huán)空翼閥AWV、環(huán)空溢閥AAV和轉(zhuǎn)換閥XOV；化學(xué)藥劑注入通道負責(zé)將藥劑輸送到井下，起防凍和清蠟的作用，從而保障油氣正常生產(chǎn)，化學(xué)藥劑注入通道的閥門主要有化學(xué)藥劑注入隔離閥CIV和化學(xué)藥劑計量閥CIMV，為了保障油氣安全生產(chǎn)，還設(shè)有水下安全控制閥（SCSSV）。

水下臥式采油樹的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采油樹上的閥門大多是閘閥，都是由液壓執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動，其中，生產(chǎn)通道上閥門的液壓執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)徑為4英寸（1英寸=2.54 cm），非生產(chǎn)通道上閥門的液壓執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)徑為2英寸。由于本次仿真考慮的是油氣生產(chǎn)工藝過程，因此選取SCSSV、PMV、PWV、AMV及AWV的液壓執(zhí)行機構(gòu)進行研究。

水下采油樹樹上閥門動作是根據(jù)油田工藝要求確定的，雖然閥門的啟、閉時間有明確要求［7］，但當閥門依次開啟時各閥門開啟的時間間隔未明確規(guī)定，如果閥門開啟時間間隔過小，SCM供油壓力尚未恢復(fù)至系統(tǒng)額定工作壓力，可能導(dǎo)致下一個液壓執(zhí)行機構(gòu)不能順利開啟，因此需確定多個執(zhí)行機構(gòu)依次開啟的間隔時間，為現(xiàn)場作業(yè)和測試提供指導(dǎo)。

另一種特殊工況是由于所有閥門開啟時共用同一液壓系統(tǒng)，因此閥門操作帶來的壓力波動會對其他就位閥門產(chǎn)生影響。

針對上述兩種情況，初步確定液壓控制系統(tǒng)的各參數(shù)后，分別對這兩種工況進行仿真分析，來確定閥門開啟時間間隔，并研究閥門操作帶來的壓力波動對其他就位閥門產(chǎn)生的影響。

3 仿真及分析

3.1 仿真內(nèi)容、準則及軟件

液壓系統(tǒng)仿真分析遵循的國際標準為API 17F《Standard for Subsea Production Control Systems》，由API 17F中的Hydraulic Systems章節(jié)可知，液壓系統(tǒng)仿真分析的內(nèi)容包括液壓系統(tǒng)充壓時間、液壓系統(tǒng)泄壓時間、采油樹閥門啟閉時間及閥門開啟后液壓系統(tǒng)恢復(fù)時間等指標。

本次研究采用的SimulationX是一款德國ITI公司開發(fā)的可用于機械、液壓、氣動、電及磁等多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的工程建模仿真軟件，其中包含海洋工程的深海液壓元件庫，建模直觀簡單，輸入?yún)?shù)和變量便于管理，還支持與其他軟件的聯(lián)合仿真。

3.2 仿真原理及主要參數(shù)

基于SimulationX軟件建立的水下采油樹液壓控制系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。仿真模型采用閉式連接，其特點是臍帶纜中設(shè)有一條液壓回油管路與HPU相連，閥門彈簧腔出口管路與液壓回油管路相連。DCV控制油路切換，從而控制水下閘閥啟閉，當DCV處于狀態(tài)1時，液壓系統(tǒng)處于供油狀態(tài)，閥門開啟；當DCV處于狀態(tài)0時，液壓系統(tǒng)處于回油狀態(tài)，閥門關(guān)閉。

3.3 仿真結(jié)果及分析

5 000 s和第6 000 s切換到狀態(tài)1，得到液壓系統(tǒng)壓力變化曲線，即蓄能器壓力變化曲線，如圖5所示。

由于所有閥門開啟時共用同一液壓系統(tǒng)，因此閥門操作帶來的壓力波動會對其他就位閥門產(chǎn)生影響。由圖10可以看出，PMV開啟時，液壓系統(tǒng)壓力在3 007.81 s波動到最低（4 367.55 psi），大于已開啟的SCSSV的開啟壓力3 000 psi，因此，系統(tǒng)壓力波動沒有影響已就位閥SCSSV的開啟。由此得出，當閥門操作造成的系統(tǒng)壓力波動的最小壓力大于已就位閥門的開啟壓力時，系統(tǒng)壓力波動對已就位閥門的影響最小，因此，降低閥門動作造成系統(tǒng)壓力波動范圍是關(guān)鍵。

統(tǒng)壓力未恢復(fù)且壓力不平穩(wěn)進而影響下一閥門的動作，需確定閥門操作時間間隔。雖然確定閥門的操作時間間隔能為現(xiàn)場作業(yè)和測試提供指導(dǎo)，但閥門操作時間間隔相關(guān)標準并未規(guī)定。每個閥門動作后系統(tǒng)壓力均發(fā)生波動，為防止系統(tǒng)壓力未恢復(fù)或系統(tǒng)壓力不平穩(wěn)影響下一閥門動作，當系統(tǒng)壓力恢復(fù)且平穩(wěn)后，才允許下一閥門開啟。針對本次仿真而言，應(yīng)確定系統(tǒng)壓力恢復(fù)最長時間作為最短的閥門操作時間間隔。5個閥門動作引起壓力波動后壓力恢復(fù)平穩(wěn)時間如圖11所示，可見，SCSSV、PMV、PWV、AMV和AWV開啟引起系統(tǒng)壓力波動，系統(tǒng)壓力平穩(wěn)的時間點分別為第2 723.78 s、第3 782.61 s、第4 789.86 s、第5 550.72 s和第6 550.72 s，可知閥門開啟后系統(tǒng)壓力恢復(fù)平穩(wěn)的最長時間即為閥門操作最短時間間隔789.86 s。

4 結(jié)束語

針對整棵水下采油樹液壓控制系統(tǒng)進行動態(tài)仿真分析，可知水下采油樹液壓系統(tǒng)充壓時間約1 300 s；SCSSV、PMV、PWV、AMV和AWV閥的開啟時間和關(guān)閉時間均滿足標準要求；閥門開啟后系統(tǒng)壓力恢復(fù)平穩(wěn)的最長時間即為閥門操作最短時間間隔，因此閥門操作最短時間間隔為789.86 s；當閥門操作造成的系統(tǒng)壓力波動大于已就位閥門的開啟壓力時，系統(tǒng)壓力波動不會影響已就位閥門，因此降低閥門動作造成系統(tǒng)壓力波動范圍是關(guān)鍵。

筆者首次針對整棵水下采油樹上的所有液控閥門用SimulationX軟件進行仿真分析，得到液壓系統(tǒng)充壓時間、閥門開啟/關(guān)閉時間和依次操作閥門的時間間隔，并研究了閥門操作帶來的壓力波動對其他就位閥門的影響。通過仿真分析，不僅能為水下采油樹液壓控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考，也能為水下采油樹測試及生產(chǎn)作業(yè)提供指導(dǎo)。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2024-08-03，修回日期：2024-12-18）