水下采油樹液壓執行機構開啟過程中相互干擾的研究

王 鑫 , 左 信 , 楊青青 , 馬恬然 , 葉天源 , 王 停

[1. 中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心， 北京 102249; 2. 中國石油大學(北京)地球物理與信息工程學院， 北京 102249;3. 中國石化江漢油田分公司， 湖北 武漢 430000;4. 重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司， 重慶 401121;5. 重慶前衛科技集團， 重慶 401121]

水下采油樹液壓執行機構開啟過程中相互干擾的研究

王 鑫1,2, 左 信1,2, 楊青青1,3, 馬恬然1,2, 葉天源4, 王 停5

[1. 中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心， 北京 102249; 2. 中國石油大學(北京)地球物理與信息工程學院， 北京 102249;3. 中國石化江漢油田分公司， 湖北 武漢 430000;4. 重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司， 重慶 401121;5. 重慶前衛科技集團， 重慶 401121]

水下油氣開采過程中，水下采油樹上有多個液壓執行機構，這些液壓執行機構的開啟由位于采油樹上的水下控制模塊(SCM)控制。當依次開啟這些液壓執行機構時，由于供液管線內液壓油的壓降變化，液壓執行機構之間會相互影響，有時甚至會導致誤動作的產生。采用AMESim軟件，建立了水下采油樹多個液壓執行機構動作時相互干擾的模型，通過仿真分析它們之間的相互影響產生的干擾及改善方法。仿真結果表明，增大蓄能器容積和增加臍帶纜供油管線管徑均能一定程度改善甚至消除執行機構之間的相互影響導致的誤動作情況。從理論上分析了這兩種方法如何結合才能在避免液壓執行機構誤動作的同時節省經濟代價。

水下采油樹；液壓執行機構；干擾；水下控制模塊(SCM)；管徑；蓄能器

0 引 言

隨著石油勘探開發重心由內陸向海洋轉移，水下采油樹作為海洋油氣勘探開發的關鍵設備，越來越多地應用于海洋油氣開發[1]。水下采油樹是一組安裝于水下井口系統上的閥組，主要包括采油樹連接器、采油樹本體、采油樹閥組、采油樹大四通、導向架等部件。盧沛偉等[2]對水下采油樹的發展現狀及結構等作了詳細研究與說明。

水下生產控制系統是海上油氣田生產的神經中樞，它根據生產工藝要求實時監控水下采油樹工作狀態和油氣田生產狀態，從而保證長期高效安全地開發海洋油氣資源[3]。水下采油樹工作于海水環境，無法進行人工操作。為了保證水下采油樹安全可靠地運行，需要為其設計水下采油樹控制系統。水下采油樹控制系統主要有液壓控制和電液復合控制兩種控制方式，其中電液復合控制方式使用液壓動力單元 (HPU)、臍帶纜(Umbilical)、水下分配單元 (SDU)、水下控制模塊(SCM)以及一系列水下采油樹上的液壓執行機構[4]。單個采油樹上的液壓執行機構需要共用同一個SCM，在某些緊急情況下，依次開啟水下采油樹上的液壓執行機構時，后面開啟的執行機構會導致SCM供油壓力在尚未調回初始值時繼續降低，可能導致前面已經開啟的執行機構開始復位，因此需要提出一套方法避免液壓執行機構在多個執行機構開啟過程中的復位等情況的發生。對于水下采油樹電液復合控制系統的研究，已經有一些相關的成果[1-2,5-7]，主要包括建立水下采油樹測試系統及通過AMESim軟件進行仿真驗證兩種方法。海洋石油工程股份有限公司的程寒生等[5]曾對此問題進行了概述，但是并沒有用軟件建模并仿真出這種干擾的情況和進行具體的分析。本文采用AMESim軟件，建立了水下采油樹液壓執行機構之間相互干擾的模型，并且仿真和分析水下單個采油樹低壓液壓控制系統的執行機構之間的相互影響作用以及產生誤動作后的改善方法。在項目的設計階段可以借此來檢驗整個水下采油樹液壓控制系統的正常功能，從而避免產生錯誤。

1 系統構成及工作原理

通常情況下，水下采油樹控制系統采用水上平臺供油來驅動水下幾個井口的采油樹上的液壓執行機構動作。HPU位于水上平臺，它是整個水下采油樹控制系統的液壓源[8]。通過臍帶纜中的液壓管線到達SDU，經過SDU分配連接至各個井口的SCM。每個采油樹上有多個液壓執行機構，因此需要從SCM內部的液壓控制閥組分配出多路液壓管線以驅動水下采油樹上的液壓執行機構。當執行機構開啟時，如果回油補償機構已經充滿油液，執行器關閉腔的油液就直接通過回油管線流至海水中；如果補償器未被回油控制液充滿，水下液壓執行機構關閉腔的控制液就先充滿回油管線上的補償器，多余的控制液排至海水中。當執行機構關閉時，執行器開啟腔的控制液經過電液換向閥的主閥流至執行機構的關閉腔。水下采油樹上的多個執行機構的液壓控制圖如圖1所示。

圖1 水下液壓執行機構控制圖Fig.1 Subsea hydraulic actuator control diagram

2 工況要求

水下采油樹主要有以下閥門：生產主閥(PMV)、生產翼閥(PWV)、轉換閥(XOV)、修井閥、環空主閥(AMV)、環空翼閥(AWV)等。水下采油樹上的大多數閥門都是開關閥，在水下油氣生產中，這些開關閥的控制都屬于開環控制，目標是控制油氣生產管路的通斷，從而使采油樹完成一系列特定的動作。一個水下采油樹上有多個液壓執行機構，如圖2所示。本文考慮的有生產主閥、環空主閥、環空翼閥和生產翼閥的液壓執行機構，圖中還包含環空溢閥(AAV)、生產監控隔離閥(PMIV)，其中采油樹上的環空主閥內徑為2英寸，其余執行機構的內徑為4英寸。

圖2 水下臥式采油樹及液壓執行機構Fig.2 Subsea horizontal Christmas tree and hydraulic actuators

同時，水下采油樹上閥門的動作是根據油田的特定生產工藝要求來進行的，在一般情況下都會給出足夠的時間使這些閥門完成規定的動作[9]，也就是說在某個液壓執行機構開啟之后有充足的時間使SCM供油壓力調節到初始大小，使這個采油樹上的下一個液壓執行機構開啟的時候不至于使SCM供油壓力降至過低，導致前一個液壓執行機構開始關閉而產生誤動作。此外，這些執行機構的動作需在一個時間限制之內完成，以防止在非預期的緊急停車之后產出的油氣冷卻下來[9]。本文將對水下采油樹眾多閥門動作的典型實例中的一種進行分析，其中假設的時間限制是從PWV開啟至最后所有閥門完成開啟的時間不超過70 s，也就是100 s之內完成規定動作，其工藝要求如表1所示。

3 仿真結果及分析

3.1 仿真軟件及步驟

AMESim (Advanced Environment for Performing Simulations of Engineering Systems)是法國IMAGINE公司于1995年推出的基于鍵合圖的液壓/機械系統建模、仿真及動力學分析軟件[10]。AMESim仿真分為四個步驟。

表1 工藝要求

(1)Sketch：從不同的應用庫中選取現存的圖形模塊來建立系統的模型，也可用超模塊工具構建用戶定制的應用庫。

(2)Submodels：為每個模塊選取數學模型(給定合適的模型假設)。

(3)Parameters：為每個圖形模塊設定特定的參數。

(4)Simulation：運行仿真并分析仿真結果。

水下很多元器件都屬于非標元件，需要用AMESim的HCD(Hydraulic Component Design)庫來搭建。搭建好的模型考慮到HPU高于海平面和水深的因素，將這些因素產生的壓力約3 MPa施加在水上HPU的供油油箱內，以此來模擬水下環境的壓力?；赜统隹趬毫σ脖苊獠涣怂钜蛩氐挠绊?，因此也將此油箱的壓力設置為30 MPa。

3.2 主要參數及相關計算

以中國南海的流花4-1油田為例[11]，仿真模型中主要元件參數如表2所示。

設執行機構的行程為L，執行機構開啟腔面積為A，彈簧剛度為K，彈簧預壓縮量為L0，則執行機構的彈簧開始復位時產生的壓差為Δp=K(L+L0)/A，即當執行機構開啟腔和關閉腔之間的壓差小于此值時，執行機構彈簧復位。代入表2的相關參數，計算得出：4英寸執行機構開始復位的彈簧產生壓差Δp4=10.442MPa；2英寸執行機構開始復位的彈簧產生壓差Δp2=7.874MPa。

由以上計算結果可得Δp4>Δp2，因此在以下仿真中，當執行機構開啟腔和關閉腔的壓差開始降低時，4英寸執行機構比2英寸執行機構先復位;并且當壓差降至10.442 MPa以下時，4英寸執行機構開始復位;壓差降至7.874 MPa以下時，2英寸執行機構開始復位。

表2 主要技術參數

本文涉及到多個液壓執行機構，多個液壓執行機構共用同一個SCM，仿真時通過SCM供回油壓力差pSCM能很方便地得出每個液壓執行機構開啟腔和關閉腔的壓差Δp的變化趨勢。假設電液換向閥壓差為ΔpDCR，SCM到液壓執行機構的管線產生的壓差為Δpr，本文中液壓執行機構的開啟腔面積等于關閉腔面積。當每個液壓執行機構開啟時根據油液的流動情況，pSCM和Δp的關系如下：

pSCM=ΔpDCV+2Δpr+Δp.

(1)

因為電液換向閥和SCM到液壓執行機構的管線壓降都非常小，故pSCM略大于Δp，本文中取相等。

3.3 仿真結果及分析

首先，此仿真的目的是為了檢驗使用內徑為1/2英寸的液壓管線是否能夠在規定的時間內順利開啟一個采油樹上的多個液壓執行機構，并且這些液壓執行機構之間的相互影響不會干擾到正常工況。仿真結果如圖3和圖4所示。

圖3 1/2英寸液壓管線的情況下液壓執行機構的位移Fig.3 Hydraulic actuator displacement with 1/2 inch hydraulic control line

圖4 1/2英寸液壓管線的情況下SCM供油壓力和回油壓力Fig.4 SCM hydraulic supply pressure and return pressure with 1/2 inch hydraulic control line

由圖3可見，采油樹上的PMV在第70 s時開始關閉，同時AWV開始開啟，但是隨著時間的推移，SCM供油管的壓力漸漸恢復初始值，PMV又漸漸完全開啟。第90 s時 PWV開啟，使得SCM供油管剛剛恢復的壓力又開始降低，之前已經開啟的閥門除了2英寸執行機構的AMV不受影響，PMV和AWV都開始關閉，它們的執行機構關閉至位移為100 mm處才開始漸漸恢復開啟，同時，后續開啟的執行機構所需要的動作時間更長。靠前開啟的執行機構會產生位移減小，靠后開啟的執行機構所需的開啟時間漸漸增加的原因是臍帶纜的供油管徑過小難以維持系統的流量和操作壓力，另外，液壓執行機構PMV、AWV的彈簧也會產生使得執行機構位移減小的推力。

從圖4很容易看出SCM供油壓力最低處比初始的22 MPa降了約10 MPa，并且持續40 s壓力一直處在較低值。上文已經說明，由于SCM到執行機構的管路長度比較短，SCM供回油壓差幾乎等于執行機構開啟腔和關閉腔的壓差，以上已算出當執行機構開啟腔和回油腔壓差降至10.442 MPa以下時，4英寸執行機構開始復位。

鑒于以上情況，可以采取不同的方法來改善。首先，嘗試使用在SCM的供油端增大蓄能器容積的方法，仿真結果如圖5所示。

圖5 增加蓄能器容積情況下液壓執行機構的位移Fig.5 Hydraulic actuator displacement with larger accumulator

由圖5可見，增大蓄能器的容積，雖然可以對執行器開啟過程中相互之間的干擾起到一定的改善作用，但是仍然會影響到正常工況。如果再換一個更大容積的蓄能器，相互干擾的情況無疑可以繼續改善，但是蓄能器的充壓時間將會隨著蓄能器容積的不斷增加而增加，并且蓄能器是一個需要時常更換和維修的元器件，過大容積的蓄能器對水下操作不利。增加蓄能器容積情況下SCM供油壓力和回油壓力如圖6所示。

圖6 增加蓄能器容積情況下SCM供油壓力和回油壓力Fig.6 SCM hydraulic supply pressure and return pressure with larger accumulator

圖6顯示出SCM供油壓力最低處比初始的22 MPa下降了約7 MPa，并且持續30 s壓力一直處在較低值。雖然比上一種情況有很大改善，但是仍然干擾了正常工況。

在AMESim中已經搭建好模型，因此很容易嘗試使用不同的解決辦法來改善相互干擾的情況。除增大蓄能器容積外，還可以考慮加大臍帶纜內徑來加以改善，可以選用內徑為3/4英寸的液壓管線，但是臍帶纜在整個水下生產系統中是最昂貴的元件，內徑的加大意味著經濟代價的增加。雖然如此，還是可以用AMESim搭建模型并且仿真來驗證這種方法的可行性。結果發現加大液壓管線尺寸后干擾情況完全消失了，工況得以正常運行，如圖7所示。

圖7 3/4英寸液壓管線的情況下液壓執行機構的位移Fig.7 Hydraulic actuator displacement with 3/4 inch hydraulic control line

SCM供油壓力最低值處比初始的22 MPa降了約6 MPa，但是壓力很快得以調整，使已經開啟的執行機構保持開啟的狀態，沒有影響到正常工況的進行，如圖8所示。

圖8 3/4英寸液壓管線的情況下SCM供油壓力和回油壓力Fig.8 SCM hydraulic supply pressure and return pressure with 3/4 inch hydraulic control line

導致水下采油樹液壓執行機構產生誤動作的關鍵原因就是，供油管線和蓄能器的流量之和不能及時達到開啟執行機構需要的流量，使得SCM供油壓力也不能得到及時調整，導致在規定時間內不能完成水下采油樹液壓執行機構的規定動作。雖然增加臍帶纜供油管徑可以非常有效地改善這種情況，但是供油臍帶纜管徑過大會導致經濟成本大大增加。蓄能器的容積和臍帶纜管徑存在一個優化匹配的問題，優化匹配的原則應當是在滿足執行機構之間不相互干擾的情況下，盡量地增加供油臍帶纜的液阻，也就是減少供油臍帶纜的管徑。

設執行機構的行程為L，執行機構開啟腔面積為A，允許動作的最大時間限制為tmax，本文中需要開啟3個4英寸執行機構和1個2英寸執行機構，則這些執行機構開啟的最小允許平均流量為

(2)

設水下蓄能器的容積為Va，預充壓力為p0，最低工作壓力為pl，水上平臺的供油壓力為ps，水深為h，SDU到SCM管路的液阻為R′。

將式(2)代入，則水下蓄能器能夠放出的最大平均流量為[5]

(3)

供油臍帶纜水下入口處的瞬態液阻降需要滿足[5]

(4)

由式(4)可知，隨著SCM供油側的水下蓄能器的流量Q的增加，R會越來越大，這樣能夠有效地放寬對供油臍帶纜液阻的限制，供油臍帶纜液阻的增加意味著供油管徑的減小，可以大大節約經濟成本。由式(3)可知，在其他參數既定的情況下，蓄能器容積Va的增加可以使水下蓄能器能夠放出的最大流量Q增加。因此，在設計合理的前提下，盡量選取水下蓄能器Va允許的最大值，然后進行臍帶纜液阻的范圍計算，盡量選取液阻較大的臍帶纜。這樣既可以大大降低經濟代價，又可以避免誤動作的產生。

4 結 語

水下采油樹上的多個液壓執行機構之間的相互影響作用是一直存在的，在某些緊急情況下，這種相互影響作用會干擾正常工況的進行。在項目早期階段核實設計是否可靠合理具有重要意義。本文使用AMESim軟件建模并仿真，在項目早期階段發現了這種相互影響作用，采用了增加臍帶纜液壓管徑尺寸和增大蓄能器容積的辦法。增大蓄能器容積雖然能夠一定程度改善這種影響作用導致的結果，但是蓄能器的容積不可以無限制地增加并且不容易避免誤動作的產生。增加臍帶纜供油管徑能很快消除執行機構之間相互影響作用帶來的誤動作情況，但是經濟代價相應地增加。本文將這兩種方法結合并理論上分析出其間的關系，既能消除誤動作的產生又能節約經濟成本。

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ResearchontheInterruptionsamongSubseaHydraulicActuatorsintheOpeningProcess

WANG Xin1,2, ZUO Xin1,2, YANG Qing-qing1,3, MA Tian-ran1,2, YE Tian-yuan4, Wang Ting5

[1.OffshoreOil&GasResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;2.CollegeofGeophysicsandInformationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;3.SINOPECJianghanOilField,Wuhan,Hubei430000,China;4.ChongqingQianweiOffshorePetroleumEngineering&EquipmentCo.,Ltd.,Chongqing401121,China;5.ChongqingQianweiScience&TechnologyGroup,Chongqing401121,China]

There are many hydraulic actuators on one subsea Christmas tree.When the hydraulic actuators are turned on in sequence, mutual influence among the hydraulic actuators will happen and sometimes even lead to the generation of malfunction. In this paper, the software AMESim is adopted, the model of many hydraulic actuators on one subsea Christmas tree interfering with each other in the process of action is established and the simulation analysis is made on the interaction among them which leads to interference of normal operating conditions so as to improve the situation properly. The results show that increasing the size of the accumulator and increasing the oil supply pipe diameter of umbilical cable can improve or even eliminate the malfunction caused by the interaction among the hydraulic actuators. And then how to combine these two methods to save the economic costs and avoid the malfunction of hydraulic actuators is analyzed theoretically.

subsea Christmas tree; hydraulic actuator; interruption; subsea control module (SCM); pipe diameter; accumulator

2016-09-19

國家發展改革委2013年海洋工程裝備研發及產業化專項之“水下采油樹研發及產業化”(發改辦高技﹝2013﹞1764號)

王鑫(1988—)，男，博士研究生，主要從事海洋油氣生產過程控制系統設計方面的研究。

TP271+.31

A

2095-7297(2016)06-0350-06