王聚團(tuán),戚曉寧,黃志明
(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,深圳 518067;2.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451;3.深圳深洋海工技術(shù)有限公司,深圳 518067)
隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn),以及陸地、中淺水的油氣資源勘探趨向飽和,世界各國紛紛將眼光投向深水的油氣資源。相較于傳統(tǒng)的海上油氣平臺,水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其顯著的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢[1],日益成為深水開發(fā)的主力軍,而為了降低開發(fā)投資成本,將新開發(fā)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)回接至現(xiàn)役的生產(chǎn)設(shè)施,越來越受到各大石油公司的青睞。
水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要由水下采油樹、水下生產(chǎn)管匯、跨接管、海底管道、臍帶纜等組成[2]。作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分,水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是實現(xiàn)水下與水面通信的橋梁[3],不僅將水下的生產(chǎn)動態(tài),如壓力、溫度、流量、通信等實時反饋給水面控制系統(tǒng),更要執(zhí)行水面控制系統(tǒng)下達(dá)的各項指令,如關(guān)斷指令、開關(guān)閥門、調(diào)整藥劑注入量等。
水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試是為了論證水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)在經(jīng)歷海上安裝以后,其系統(tǒng)性能是合格的、可行的、可操作的[4],是水下生產(chǎn)系統(tǒng)投產(chǎn)運行的前提條件。
水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要分為三大類,即全液壓控制系統(tǒng)、電液復(fù)合控制系統(tǒng)、全電控制系統(tǒng)[57]。
全液壓控制系統(tǒng)使用專用的液壓管線來實現(xiàn)閥門的控制,不使用任何電子設(shè)備。優(yōu)點是操作簡單直觀,缺點是系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、無法實時監(jiān)測、臍帶纜成本高,適用于短距離回接的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。
電液復(fù)合控制系統(tǒng)通過使用水下電子模塊(subsea electric module,SEM)、電磁閥及傳感器,克服了全液壓控制系統(tǒng)的缺點,優(yōu)點是響應(yīng)速度快、可以實時監(jiān)測、臍帶纜成本低;缺點是控制系統(tǒng)復(fù)雜、控制成本高,適用于中距離回接的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。
全電控制系統(tǒng)省去了液壓系統(tǒng),采用直流電輸送來控制水下閥門,優(yōu)點是無液壓泄漏風(fēng)險、響應(yīng)速度更快、控制系統(tǒng)成本更低,適合長距離回接、智能化生產(chǎn)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。
本文以當(dāng)下主流的電液復(fù)合控制系統(tǒng)為研究對象。
根據(jù)ISO 13628-6及GBT 21412.6[8-9],水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要由液壓動力單元(hydrualic power unit,HPU)、化學(xué)藥劑注入單元(chemical injection unit,CIU)、主控站(master control station,MCS)、集散式控制系統(tǒng)(discrete control system,DCS)、供電單元(electrical power unit,EPU)、不間斷電源(uninterrupted power system,UPS)、臍帶纜、調(diào)制解調(diào)器、水下路由模塊(subsea route module,SRM)、水下控制模塊(subsea control module,SCM)、水下分配系統(tǒng)、水下和井下傳感器、控制流體、電液飛線組成。
圖1展示了我國某現(xiàn)役深水氣田A的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)。為簡單起見,在示意圖每個管匯上僅連接一顆采油樹,臍帶纜中包含電力、液壓、光纖和化學(xué)藥劑,電飛線和液飛線統(tǒng)稱為電液飛線,由于光纖信號經(jīng)管匯中的SRM轉(zhuǎn)換為DSL(digital subscriber line)信號并組合在電飛線中,因此電液飛線中包含電力(含DSL信號)、液壓和化學(xué)藥劑。ESD代表應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、MUTA代表臍帶纜裝配終端、SDA與SDH構(gòu)成了水下分配系統(tǒng)、M-1/M-2/M-3代表不同的水下生產(chǎn)管匯、U-1至U-6代表不同的臍帶纜段、F-1/F-2/F-3代表不同的電液飛線、XT代表水下采油樹。每個管匯均配有SRM和SCM,每顆采油樹上也配有一個SCM。

圖1 氣田A的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Overview of subsea production control system in Gas Field A
臍帶纜是水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的大動脈,用來向水下設(shè)施傳送電力、信號、化學(xué)藥劑和液壓動力。水下分配系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將電力、信號、化學(xué)藥劑、液壓動力分配到水下各個用戶。EPU通過臍帶纜向水下提供所需的電力。UPS負(fù)責(zé)向EPU和MCS提供可靠、不間斷的電源。HPU通過臍帶纜為水下液控閥門提供穩(wěn)定和清潔的控制流體[10]。CIU通過臍帶纜為水下管匯和井口提供必需的化學(xué)藥劑。
MCS是中心控制節(jié)點,不僅與水下進(jìn)行通信,同時與HPU、EPU、UPS、ESD、DCS進(jìn)行通信。DCS可以完成與MCS相同的功能,但采用分散布置。
SRM負(fù)責(zé)光電信號轉(zhuǎn)換,用來轉(zhuǎn)換MCS與SCM之間的通信。SCM接收MCS的指令引導(dǎo)控制流體開關(guān)閥門,并收集水下傳感器信息,將其反饋給MCS。
ESD獨立于水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)之外,但是MCS/UPS/HPU必須無條件執(zhí)行ESD發(fā)出的指令。
根據(jù)開發(fā)設(shè)計,新氣田B需要回接至氣田A,并增加一條臍帶纜U-7、一個水下生產(chǎn)管匯M-4、采油樹及電液飛線F-4,回接后的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)如圖2所示。在氣田B回接之后,整個控制系統(tǒng)變得更為復(fù)雜,不僅要考慮A和B兩套系統(tǒng)的兼容性,更要考慮回接對現(xiàn)役設(shè)施生產(chǎn)的擾動。

圖2 氣田B回接至氣田A后的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Overview of subsea production control system after Gas Field B being tied back to Gas Field A
SRM/SCM是水下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其內(nèi)部設(shè)置1∶1冗余的水下電子模塊SEM,SEM通過信號電纜與MCS通信[11-12]。氣田A的SRM/SCM以及MCS均由廠家X來提供,如果氣田B的SRM/SCM來自不同廠家Y,則需要考慮如何與廠家X的SRM/SCM以及MCS之間的兼容性問題。
即使氣田B繼續(xù)采用廠家X的SRM/SCM,也要考慮兼容性問題。若新采購的SRM/SCM是經(jīng)過升級迭代的,其內(nèi)部電子通信元件及結(jié)構(gòu)不同,也有可能與現(xiàn)役的SRM/SCM產(chǎn)生兼容性問題。
氣田B為了最大限度地降低兼容性問題,選擇繼續(xù)使用原廠家X的產(chǎn)品,雖然新采購的SRM/SCM中的DSL模塊數(shù)量從5個減少為2個,但并沒有造成兼容性問題。
EPU設(shè)計有單獨的電力輸出模塊(subsea output module,SOM),可以通過水下分配系統(tǒng)分別向管匯M-1、M-2、M-4直接供電,并經(jīng)過M-2向M-3供電。整個水下系統(tǒng)的電力供應(yīng)與負(fù)載要考慮臍帶纜總長度、電纜截面積、電纜特性、水下耗電設(shè)備數(shù)量(如SRM/SCM等)以及供電模式是單通道還是雙通道等因素,并按照最壞工況(即單通道供電、系統(tǒng)負(fù)載最大)進(jìn)行電力分析。
經(jīng)過對電力系統(tǒng)進(jìn)行分析,在考慮單通道供電、系統(tǒng)負(fù)載最大(即設(shè)計的所有26口水下采油樹均在生產(chǎn))情況下,主臍帶纜U-1中為氣田B預(yù)留的1條20 mm2截面的電纜依然滿足使用條件,無須更換。但是針對氣田B的新增支臍帶纜U-7必須使用2條16 mm2截面的電纜才能滿足氣田B的電力需求;同時在系統(tǒng)負(fù)載最大情況下,管匯M-1如果按照原設(shè)計的8口水下采油樹進(jìn)行生產(chǎn),管匯處電壓只有750 V,已經(jīng)低于SCM設(shè)計的安全電壓861 V;為避免低于SCM設(shè)計的安全電壓,管匯M-1最多只能滿足4口水下采油樹的生產(chǎn)。氣田A在氣田B回接時,M-1管匯恰好只有4口水下采油樹在生產(chǎn),且沒有新增水下采油樹的計劃,因此,并沒有對M-1造成實質(zhì)性的影響;如果將來M-1管匯需要增加新的水下采油樹,則必須控制在生產(chǎn)采油樹的數(shù)量不超過4或者對M-1管匯的電力供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。
MCS通過臍帶纜中的光纖與水下進(jìn)行雙向通信[13],由于光纖類型、長度、融接點、連接處均會影響通信信號在光纖中的衰減。合理計算光纖的雙向衰減程度,對于通信質(zhì)量的好壞有著極為重要的影響。
氣田A選用的光纖是截面積為16 mm2的單模光纖,因此氣田B也選用了同種規(guī)格的光纖,該種光纖在1 550 nm波長下的衰減率為0.19~0.22 dB/km,每個光纖接頭的衰減為0.5 dB,每個光纖熔接點的衰減為0.1 d B。在氣田A中,所有的SRM均是同種型號的,MCS和SRM之間的光纖雙向衰減最大允許值均為38 d B。氣田B的SRM中的光纖轉(zhuǎn)換器由于進(jìn)行了升級換代,MCS到氣田B的SRM的衰減最大允許值只有34 d B,但氣田B到MCS之間的衰減最大允許值仍然為38 d B。氣田A和氣田B的光纖衰減計算結(jié)果分別如表1和表2所示,結(jié)果表明,無論是氣田A還是氣田B,在所設(shè)計的光纖長度范圍內(nèi),光纖衰減均在最大允許衰減值以內(nèi),不會影響通信效果。

表1 氣田A的光纖衰減計算結(jié)果Tab.1 Calculation result of fiber optic attenuation in Gas Field A

表2 氣田B的光纖衰減計算結(jié)果Tab.2 Calculation result of fiber optic attenuation in Gas Field B
HPU供液穩(wěn)定主要取決于HPU儲液罐的容積、增壓泵的性能、蓄能器的蓄能能力、液壓管線長度及尺寸[14-16]。經(jīng)過計算,現(xiàn)役HPU的設(shè)計能力(見表3和表4)可以滿足最多19口生產(chǎn)井的穩(wěn)定供液,而氣田B回接后,總的生產(chǎn)井只有17口,因此回接后不存在HPU供液不足問題。

表3 HPU蓄能器設(shè)計能力Tab.3 Capacity of HPU accumulators

表4 HPU增壓泵設(shè)計能力Tab.4 Capacity of HPU pumps
氣田A的CIU主要向水下輸送甲醇和防垢劑;甲醇用于在開關(guān)井時注入,以防止水合物的產(chǎn)生;防垢劑則注入井下,用于防止由于地層水的析出而導(dǎo)致的結(jié)垢問題。
甲醇和防垢劑能否注入氣田B的水下井口,取決于注入泵在井口的注入壓力能否克服井口生產(chǎn)壓力,以及注入流量能否滿足井口需求量。如表5所示,氣田B回接以后,現(xiàn)役甲醇和防垢劑系統(tǒng)仍能滿足需求。

表5 化學(xué)藥劑注入能力核算結(jié)果Tab.5 Calculation results of chemical injection capacity
對于氣田,在正常生產(chǎn)時,可以使用MCS或者DCS來執(zhí)行對水下的監(jiān)控功能,但在臺風(fēng)生產(chǎn)模式期間,所有功能必須由DCS來執(zhí)行。MCS與DCS之間通過OPC進(jìn)行通信,若要DCS能夠行使MCS的功能,必須將MCS的所有控制點位全部轉(zhuǎn)換為DCS的控制點位,然后由DCS的控制器執(zhí)行邏輯運算,再經(jīng)OPC傳輸?shù)組CS。
現(xiàn)役的MCS及DCS都只擁有氣田A的控制點位,而對于氣田B的2 500個控制點位則需要重新在MCS及DCS組態(tài)。MCS只需將控制軟件進(jìn)行升級即可,但DCS由于控制點位已滿,還必須增加新的控制機(jī)柜,來處理新增的2 500個控制點位。
在新增的控制點位組態(tài)以后,如何進(jìn)行MCS與DCS之間的界面測試則顯得尤為關(guān)鍵,要保證MCS的狀態(tài)能夠完好地輸入DCS,又要保證DCS的指令能夠正常地輸入MCS。測試不但要包含所有的新增控制點位,也要包括現(xiàn)役的控制點位,確保控制點位無遺漏或者無刪減。
對于ESD發(fā)出的指令,MCS只能接收并傳遞給SCM執(zhí)行,并將執(zhí)行結(jié)果反饋到ESD。ESD等級高低可分為ESD0、ESD1、ESD2、ESD3。對于不同級別的ESD,MCS執(zhí)行不同的動作。但無論何種級別,MCS執(zhí)行的指令都是針對所有的SCM,而不是某一指定的SCM。
這種設(shè)計從本質(zhì)上講是安全可靠的,但是這種設(shè)計對于氣田B回接后的ESD測試則有著重要的影響,這一點將在聯(lián)合調(diào)試的時候進(jìn)行論述。
現(xiàn)役設(shè)施的控制系統(tǒng)升級或者改造,往往需要在計劃關(guān)停期間進(jìn)行,如果能將其融合到回接時一起進(jìn)行,則既可以降低風(fēng)險,又可以避免對產(chǎn)量的影響。
比如氣田A的MCS服務(wù)器需要更換,而氣田B的回接又要求對現(xiàn)有的MCS軟件進(jìn)行升級,可以考慮在陸地的時候,將升級后的MCS軟件預(yù)先安裝到新的MCS服務(wù)器上,然后在海上回接及調(diào)試的時候只需更換MCS服務(wù)器即可,而不必再次進(jìn)行MCS軟件的升級,就可以避免因MCS軟件升級失敗所帶來的風(fēng)險。
水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試可以分為水上部分的調(diào)試和水下部分的調(diào)試[14]。水上部分的調(diào)試主要包括UPS的啟動與調(diào)試、EPU的啟動與調(diào)試、HPU的啟動與調(diào)試、MCS的啟動與調(diào)試等。水下部分的調(diào)試主要包括水下系統(tǒng)通電、電力及通信狀態(tài)檢查、水下液壓系統(tǒng)充壓、水下液控閥門開關(guān)測試、水下故障測試、ESD測試等。
由于回接的水下控制系統(tǒng)是功能獨立的、從屬于現(xiàn)有控制系統(tǒng)的子系統(tǒng),且現(xiàn)役生產(chǎn)控制系統(tǒng)已處在正常運行狀態(tài),因此無須再進(jìn)行水上部分的調(diào)試,只需進(jìn)行水下部分的調(diào)試。但由于氣田B的回接使得MCS與DCS均出現(xiàn)了不同程度的升級改造,在完成MCS與DCS升級以后,對水上部分的控制系統(tǒng)進(jìn)行再次檢查是必要的。
在MCS和DCS的硬件和軟件均已升級并安裝完畢后,此時的氣田A可以正常通電。通電后需要檢查MCS與氣田A的水下通信是否正常、與HPU/UPS/EPU之間的通信是否正常,以及與DCS和ESD之間的通信是否正常。待一切檢查正常后,則可以恢復(fù)氣田A的生產(chǎn);此時的氣田B雖未通電,但已經(jīng)具備調(diào)試的條件。
水上控制系統(tǒng)檢查主要是對EPU和HPU的檢查。
EPU的檢查主要包括水下供電模塊SOM的輸出電壓、輸出電流、在線絕緣等是否在正常范圍之內(nèi)。
HPU的檢查主要包括儲液罐液位、增壓泵設(shè)定點、系統(tǒng)壓力設(shè)定點、蓄能器預(yù)填充壓力、系統(tǒng)警報設(shè)定點、控制液體清潔度等。
如圖2所示,氣田B的臍帶纜U-7回接至SDA,其所需要的電力、通信、化學(xué)藥劑、液壓均來自臍帶纜U-1,而U-1中分配給U-7的電纜、光纖、化學(xué)藥劑管線、液壓管線已經(jīng)有6年未使用過。因此,在對氣田B的水下控制系統(tǒng)通電前,應(yīng)對U-1中的這部分電纜、光纖、化學(xué)藥劑管線、液壓管線進(jìn)行測試。
臍帶纜中電纜、光纖、化學(xué)藥劑管線、液壓管線測試遵循的是ISO 13628-5標(biāo)準(zhǔn)[17]。電纜應(yīng)進(jìn)行絕緣測試IR、導(dǎo)體絕緣測試CR、時域反射技術(shù)測試TDR;光纖應(yīng)進(jìn)行光時域反射技術(shù)測試OTDR;化學(xué)藥劑及液壓管線應(yīng)進(jìn)行壓力測試,測試壓力應(yīng)至少為系統(tǒng)操作壓力[1819]。
上述測試完成以后,則可以對氣田B的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)通電,通電主要是通過啟動EPU中對應(yīng)的SOM。在啟動SOM前要預(yù)先設(shè)定電壓和電流保護(hù)值,防止啟動電壓或啟動電流過高而造成的設(shè)備損壞。水下電力及通信系統(tǒng)通常都采用冗余設(shè)計,即通道A和通道B,在通電時要分別啟動通道A和通道B。
電力及通信狀態(tài)檢查要分別檢查通道A和通道B。
電力狀態(tài)檢查內(nèi)容如下:
(1)SOM的啟動電壓、啟動電流、在線絕緣、運行電壓、運行電流、運行絕緣。
(2)SRM供電模塊的輸入電壓和輸出電壓。
(3)SCM供電模塊的輸入電壓和輸出電壓。
通信狀態(tài)檢查內(nèi)容如下:
(1)SRM/SCM通信地址。
(2)SRM/SCM的CANBus狀態(tài)。
(3)SRM/SCM的控制板以及IO板的溫度和濕度。
(4)水下壓力溫度傳感器的反饋。
(5)水下液控閥門的狀態(tài)。
(6)與第三方設(shè)備的通信。
水下液控閥門開關(guān)測試,主要是通過MCS發(fā)送開關(guān)閥門的指令,并記錄閥門開關(guān)響應(yīng)時間。與此同時,通過水下機(jī)器人ROV實際開關(guān)狀態(tài),并將實際開關(guān)狀態(tài)與MCS中的閥門狀態(tài)指示進(jìn)行對比。
在進(jìn)行液控閥門開關(guān)測試時:
(1)需要對SCM進(jìn)行靜水壓力補償設(shè)置,以消除靜水壓力影響。
(2)為避免液壓系統(tǒng)的壓力波動,同一時間只能操作一個閥門。
(3)整個測試期間,井下安全閥必須處在關(guān)閉狀態(tài)。
(4)需要高級別的MCS操作權(quán)限來克服閥門存在的邏輯鎖限制問題。
水下故障測試分為失去電力故障測試和失去液壓故障測試。失去電力故障測試[20-21],是通過啟停對應(yīng)的SOM,測試在失去單通道或雙通道的電力供應(yīng)時,對水下控制系統(tǒng)的影響。失去液壓故障測試,是通過泄放液壓系統(tǒng)壓力來測試水下液控閥門是否關(guān)閉。
值得注意的是,電力供應(yīng)是相對獨立的,而液壓供應(yīng)則是一體的。失去電力故障測試可以只針對氣田B,而不影響氣田A;但失去液壓故障測試則同時影響氣田B和氣田A。因此在進(jìn)行失去液壓故障測試時,必須選擇合適的測試時機(jī),將對氣田A的影響降至最低。在實際設(shè)計中,如果能將氣田B的液壓回路獨立于氣田A而存在,比如在水下分別設(shè)置針對于氣田B和氣田A的閥門,即可以做到不影響氣田A的液壓系統(tǒng),從而降低對現(xiàn)有設(shè)施的影響。
ESD測試是通過按動ESD按鈕或從DCS發(fā)出指令,分別測試不同級別的ESD。ESD測試前可以選擇性地將水下液控閥門保持打開狀態(tài),以驗證閥門在ESD指令下執(zhí)行關(guān)閉命令。
如前所述,不管是何種級別的ESD,MCS執(zhí)行的指令是針對所有SCM的,而不是某一指定的SCM。高等級的ESD測試如ESD-0和ESD-1,不僅會對HPU下達(dá)關(guān)斷命令并泄放液壓系統(tǒng)壓力,也會同時下達(dá)關(guān)閉MCS和UPS的命令。由此可見,氣田B的ESD測試一定會影響氣田A,這一點是無法避免的。如果MCS能夠?qū)崿F(xiàn)只針對于某一SCM或某一組SCM的ESD邏輯,則可以通過MCS來實現(xiàn)只針對于氣田B的ESD測試,從而避免對氣田A的影響。
水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)通常集成了多種第三方設(shè)備,如濕氣流量計、含砂檢測儀、沖蝕檢測儀、腐蝕檢測儀、化學(xué)藥劑計量閥等。這些第三方設(shè)備在氣田尚未投產(chǎn)的情況下,只能測試其與MCS之間的通信是否正常,至于其功能性和準(zhǔn)確度如何,只有待氣田投產(chǎn)以后再進(jìn)行測試。
針對回接至現(xiàn)役設(shè)施的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng),在設(shè)計階段應(yīng)從技術(shù)角度全面考慮對現(xiàn)役設(shè)施的影響,設(shè)計原則應(yīng)該是功能相對獨立、控制歸于一體,即電力、光纖、化學(xué)藥劑、液壓回路、ESD邏輯均可實現(xiàn)獨立運行并可以進(jìn)行獨立測試,但所有指令與控制仍由主控站統(tǒng)一調(diào)配。這樣才能保證在聯(lián)合調(diào)試期間,尤其是在關(guān)鍵測試如失去液壓故障測試、ESD測試的過程中,確保液壓回路整體不失壓、MCS能夠區(qū)別執(zhí)行去往SCM的ESD指令,將對現(xiàn)役設(shè)施的影響降至最低。