朱高磊，趙宏林，段夢蘭，劉振鵬

（中國石油大學（北京）a.海洋油氣研究中心；b.機械與儲運工程學院，北京102249）①

水下采油樹于20世紀60年代在北海油田開始應用，作為海洋油氣田生產(chǎn)和井下作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，肩負著控制生產(chǎn)時井口的壓力和流量、清蠟和化學藥劑注入等重任。我國在水下采油樹的研究開發(fā)方面起步晚，技術(shù)落后。深水采油樹的關(guān)鍵技術(shù)受到國外知識產(chǎn)權(quán)的保護，很大程度上影響我國深水油氣田的開發(fā)和發(fā)展。國外在水下采油樹的研發(fā)、制造和使用上都遙遙領(lǐng)先于國內(nèi)，最具有代表性的海洋石油發(fā)展強國有美國、挪威、巴西等。目前，國內(nèi)海洋石油的裝備主要靠進口，因此對水下采油樹相關(guān)技術(shù)進行國產(chǎn)化研究，對突破國外技術(shù)封鎖有著重大意義［1－3］。

1 水下采油樹控制模塊研究現(xiàn)狀

水下控制模塊位于采油樹上，其功能包括：控制采油樹閥門、管匯閥門、油嘴調(diào)節(jié)、閥門位置指示、壓力溫度監(jiān)測、井下智能監(jiān)測、出砂監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測和流量監(jiān)測；監(jiān)控內(nèi)部液壓（壓力和流量）和電子部分；進行常規(guī)自檢，對電子系統(tǒng)故障糾錯，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬷骺叵到y(tǒng)。它作為水下和水上進行信息交流的中轉(zhuǎn)站，長期工作在高壓、強腐蝕和海水流動的惡劣環(huán)境中，對其密封性、耐腐蝕性和穩(wěn)定性都有嚴格的要求。此外，水下控制模塊因某一部件損壞不能正常工作時，需將控制模塊回收維修，所以水下控制模塊還必須具有良好的可拆卸和再安裝能力。水下控制模塊作為單獨的模塊，必須有單獨的回收和下放工具，以便控制模塊更好、更有效地服務于采油樹。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

目前，國外在水下采油樹的研發(fā)上已經(jīng)形成了自己的專利和知識產(chǎn)權(quán)。世界上生產(chǎn)采油樹控制模塊的廠家主要有美國的FMC公司和CAMERON公司、英國的VETCOGRAY公司等。

1.1.1 FMC公司的水下控制模塊

FMC公司作為世界上最大的水下完井設(shè)備供應商，迄今已為250個項目提供了超過1 200臺水下采油樹。第1臺水下采油樹于1967安裝在墨西哥灣，水深20m。長時間以來，標準水下采油樹壓力為34.5MPa（5 000psi），現(xiàn)在大多數(shù)超過69 MPa（10 000psi）。

FMC公司的水下控制模塊已經(jīng)成功應用于1 000個水下采油樹的控制系統(tǒng)，大部分系統(tǒng)的可靠性達到99%～100%，控制距離達到120km，使用水深達到3 000m。水下電子模塊作為水下控制模塊關(guān)鍵部件，采用雙冗余結(jié)構(gòu)，并具有標準的工業(yè)接口，具有高速的長距離通信功能。圖1為FMC公司的水下控制模塊。

圖1 FMC公司水下控制模塊

1.1.2 CAMERON公司的水下控制模塊

CAMERON公司是水下完井設(shè)備的供應商之一，其特點是采用直流電驅(qū)動水下采油樹，不需要通過控制纜線發(fā)送液壓信號，控制更快捷，反饋更迅速。水下控制模塊作為開發(fā)海洋油氣資源設(shè)備的核心部件，控制著水下各種設(shè)備。CAMERON公司的水下控制模塊外形尺寸736mm×736mm×860 mm，質(zhì)量小于1 000kg，適用水深為到3 000m。由于其體積小、質(zhì)量輕，從而成為水下控制行業(yè)中集成度最高的控制模塊。圖2為CAMERON公司的水下控制模塊。

圖2 CAMERON公司水下控制模塊

1.1.3 VETCOGRAY公司的水下控制模塊

VETCOGRAY公司的水下控制模塊是一套技術(shù)先進、可應用于多種水下生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)，其采用復合電液控制方案，能夠監(jiān)控水下采油樹、管匯閥門狀態(tài)和采集水下儀表的測量數(shù)據(jù)。

VETCOGRAY公司在水下控制模塊的設(shè)計過程中引入了靈活性、模塊化和集成的設(shè)計理念，能夠滿足不同復雜程度的工況需求，為用戶提供了價格低廉、方便硬件組態(tài)的水下控制系統(tǒng)解決方案。其特征是：標準模塊化系統(tǒng)；高靈活性的控制功能；標準的外形尺寸1 350mm×770mm×770mm，44路液壓控制通道，水下電子模塊采用雙冗余結(jié)構(gòu)，具有壓力補償功能的密封艙；高溫／高壓兼容性好；液壓控制壓力達103.5MPa（15 000psi），適用水深達3 000m。圖3為VETCOGRAY公司的水下控制模塊。

圖3 VETCOGRAY公司水下控制模塊

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對海洋石油的開采起步晚、技術(shù)落后，沒有高水平的海洋裝備，加之南海水深在500～2 000 m，國外對關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵技術(shù)嚴格封鎖，所以國內(nèi)還沒有廠家能自主設(shè)計和制造水下采油樹。

近年來，我國對南海加大了開采力度，例如流花1－1油田、流花4－1油田和荔灣3－1氣田的相繼開采，但對深海石油開采的關(guān)鍵設(shè)備依然完全依賴進口。流花1－1油田和流花4－1油田的采油設(shè)備來自FMC公司，荔灣3－1氣田的采油設(shè)備來自CAMERON公司，我國并不擁有深水采油裝備的核心技術(shù)。

2 水下采油樹控制模塊設(shè)計要素分析

水下控制模塊主要由內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和外部封裝系統(tǒng)組成（如圖4）。由于長期工作在壓力高、腐蝕性強和海水流動的環(huán)境中，所以水下控制模塊的設(shè)計需要綜合考慮密封、腐蝕、溫度、鎖緊、測試和選材等因素［4－5］。水下控制模塊采用獨立模塊安裝在采油樹上，所以整個設(shè)計有幾個難點：①內(nèi)部電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)及外部的封裝系統(tǒng)要有高可靠性；②水下控制模塊要有良好的可拆卸性、再安裝性；③水下控制模塊的鎖緊機構(gòu)要具有良好的操作性。

圖4 水下控制模塊結(jié)構(gòu)

2.1 封裝系統(tǒng)

水下控制模塊的封裝系統(tǒng)是為保護水下采油樹的控制系統(tǒng)正常運行而設(shè)計的，故封裝系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮各種復雜因素的影響。

2.1.1 設(shè)計因素

封裝系統(tǒng)設(shè)計必須考慮密封、溫度、壓力、海水腐蝕和海水流動等因素的影響，每個因素都值得設(shè)計者重視。

1） 密封 封裝系統(tǒng)密封主要采用金屬密封和非金屬密封組合的方式，金屬密封和非金屬密封機理都是通過預緊力使密封件發(fā)生彈性變形或彈塑性變形與密封面貼合。封裝系統(tǒng)的設(shè)計要考慮密封件具有安裝和拆卸的方便性。

2） 工作壓力 封裝系統(tǒng)主要受到外部海水的靜水壓力和內(nèi)部硅油的靜壓力，其次就是海水流動產(chǎn)生的沖擊壓力。封裝系統(tǒng)應用于水下時，外部的靜水壓力可能會超過控制系統(tǒng)內(nèi)部的壓力，所以應考慮封裝系統(tǒng)的外部載荷，特別是與密封設(shè)計，密封連接和常壓外殼相關(guān)的部分。在考慮外部壓力的同時，還要考慮因內(nèi)部液壓管線爆裂時壓力急劇升高的影響。

3） 工作環(huán)境腐蝕 控制模塊長期工作在海底，腐蝕對整個控制模塊的正常運行影響極大。封裝系統(tǒng)的腐蝕主要來自海水的強腐蝕性，只要與海水接觸的表面都會受到海水的腐蝕，所以封裝系統(tǒng)的設(shè)計應留有足夠的腐蝕余量，或考慮采用犧牲陽極的方法減少封裝系統(tǒng)的腐蝕。

2.1.2 設(shè)計原則

水下采油樹控制模塊的封裝系統(tǒng)作為控制模塊的關(guān)鍵部件，其設(shè)計原則概括起來有以下幾點［6－8］：

1） 設(shè)計規(guī)范 封裝系統(tǒng)的壁厚設(shè)計應滿足GB150—2011壓力容器標準、ASME VIII－1壓力容器規(guī)范和 ASME BPVC XII－2007ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅻ卷（運輸罐的建造和連續(xù)使用規(guī)則）；封裝系統(tǒng)密封件的設(shè)計應滿足ISO 13628－4、API 6A 及 API 17D 等相關(guān)規(guī)定。

2） 工作狀況 封裝系統(tǒng)的設(shè)計應有控制模塊正常工作時所需的電力、通信和控制功能接口；封裝系統(tǒng)應有耐海水腐蝕、防止海水進入的功能；封裝系統(tǒng)設(shè)計必須滿足系統(tǒng)散熱要求，防止內(nèi)部電子元件工作時溫度過高。封裝系統(tǒng)設(shè)計需要滿足的工況應與所在采油樹的工況保持一致，例如壓力等級、溫度等級、防腐蝕等。

3） 正常工作下的壁厚要求 由壓力容器規(guī)范［7］可知，外壓元件的失效主要是因剛度不足而導致失穩(wěn)和因強度不足而導致破壞。對于D0／δe≥10（D0為中間殼體外徑、δe為中間殼體壁厚）薄壁外筒受橫向外壓，軸向失穩(wěn)總是發(fā)生在強度破壞之前，所以彈性穩(wěn)定性計算是薄壁圓筒首要考慮的問題。

由彈性穩(wěn)定理論可得封裝系統(tǒng)外殼臨界壓力為

式中：K為L／D0；L為封裝外殼的高度；E為材料彈性模量。

失穩(wěn)時的周向應變是通過臨界壓力求得周向應力，進而由周向應力轉(zhuǎn)換為周向應變。周向應力可用符號A（即圖5～6中的系數(shù)A）表示為

根據(jù)規(guī)范：用L／D0為縱坐標，A為橫坐標，D0／δe為參變量的幾何參數(shù)計算圖如圖5所示。

圖5 幾何參數(shù)計算圖

表示圓筒在失穩(wěn)時周向應力的1／2用B（即圖6中的系數(shù)B）表示為

式中：pa為封裝外殼的許用外壓；m為穩(wěn)定性安全系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范，B作為縱坐標，A為橫坐標得出外壓材料的壁厚計算圖（如圖6）。

圖6 壁厚計算圖

根據(jù)厚度計算圖，由A查到B，利用pa＝求得封裝外殼的許用壓力pa。根據(jù)規(guī)范許用外壓力pa≥設(shè)計壓力p為滿足要求。

2.2 水下控制模塊內(nèi)部設(shè)計要素

水下控制模塊的所有功能都是通過內(nèi)部工作性能可靠的硬件組態(tài)和基于硬件的軟件組態(tài)實現(xiàn)的，其硬件組態(tài)主要包括水下電子模塊、通信模塊、穩(wěn)壓電源模塊、換向閥和電液附屬元件。

根據(jù)控制模塊內(nèi)部硬件組態(tài)的工作情況，可將控制模塊內(nèi)部設(shè)計要素歸結(jié)為3點：

1） 冗余設(shè)計 水下控制系統(tǒng)需要有可靠性高和使用壽命長的特點，故控制模塊內(nèi)部的部分元件必須要有冗余設(shè)計，例如水下電子模塊、換向閥組、電液接頭等。

2） 防腐設(shè)計 控制模塊內(nèi)部元件要求性能好、精度高，如果腐蝕氧化將會影響通信質(zhì)量，甚至影響整個控制系統(tǒng)，所以設(shè)計時必須在控制模塊內(nèi)充滿防腐介質(zhì)（硅油或惰性氣體），在電子模塊內(nèi)充滿防腐氣體。

3） 壓力補償系統(tǒng)設(shè)計 壓力補償系統(tǒng)包括控制模塊內(nèi)絕緣油壓力補償系統(tǒng)和電子模塊密封艙壓力補償系統(tǒng)。在計算補償壓力時，不僅要考慮水深引起的體積變化，同時還要考慮從陸地到海底之間溫差引起的影響，以及補償裝置內(nèi)部空氣的影響。電子模塊密封腔壓力補償系統(tǒng)為了補償電子模塊密封腔泄漏的氮氣，在控制模塊腔內(nèi)設(shè)計壓力補償系統(tǒng)，利用蓄能器補償泄漏的氮氣。

2.3 水下控制模塊試驗測試

水下控制模塊在投產(chǎn)前只有進行充分的理論分析和嚴格的試驗測試，才能保證控制模塊工作時的安全、可靠、可行，才能消除采油過程中潛在的風險。根據(jù)ISO 13628－4、ISO 13628－6以及 API 17D的有關(guān)規(guī)定，水下控制模塊的試驗測試包括以下幾個方面［6－11］。

2.3.1 材料的檢測與測試

水下控制模塊所用到的材料都要根據(jù)ASTM E790規(guī)定進行無損檢測，檢驗材料是否存在裂痕等缺陷。對控制模塊的封裝系統(tǒng)頂部、底座和安裝基座進行強度測試；中間殼體屬于壓力容器結(jié)構(gòu)，需要進行穩(wěn)定性和強度測試。

2.3.2 壓力和密封試驗

控制模塊的壓力測試主要是對封裝系統(tǒng)進行外壓測試，外壓測試設(shè)備使用高壓艙。測試時封裝系統(tǒng)內(nèi)部充滿硅油，采用迅速加壓進行壓力沖擊測試，壓力變化率的上限需要與控制模塊最快下放速度一致。密封性能測試時，需要將壓力升高至工作水深處靜水壓力的1.5倍，然后停止加壓，進行保壓測試，壓力保持10min后，檢測壓力變化，檢查是否有硅油漏出。若壓力在允許的變化范圍內(nèi)，硅油無泄漏，說明密封性能良好。

2.3.3 通信系統(tǒng)測試

通信系統(tǒng)測試主要是通過電子測試單元對水下電子模塊進行測試，目的是核實在電子測試單元和水下電子模塊之間是否具有良好的通信功能。電子模塊測試包括自身測試和對其他元件進行控制測試：自身測試包括狀態(tài)緩沖器測試、長時間通信測試和接收信息、更新信息測試；控制測試主要是對電磁換向閥測試以及通過電磁換向閥控制采油樹上各種閥的開啟和關(guān)閉。通信測試的每一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會影響整個控制模塊的正常工作，所以要對通信系統(tǒng)進行嚴格的測試。

除了以上幾種重要測試之外，還有液壓接頭測試、閥門功能驗證、內(nèi)部傳感器功能驗證和流量計功能驗證。

3 結(jié)語

1） 水下采油樹控制模塊是開發(fā)深海油氣資源的關(guān)鍵設(shè)備之一，產(chǎn)品應適用于3 000m水深，壓力可達103MPa。

2） 控制模塊的設(shè)計需要機械、安全、控制工程、自動化、工藝等多學科知識。本文分析了需要考慮的設(shè)計要素，例如：密封、腐蝕、強度等。

3） 為了開發(fā)我國的深海油氣資源，應加強水下采油樹控制模塊的研究。

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