(海洋石油工程股份有限公司， 天津300051)

0 引 言

在深海油氣田開(kāi)發(fā)中，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)是降低開(kāi)發(fā)成本、實(shí)現(xiàn)油田有效開(kāi)發(fā)的先進(jìn)措施。其中，水下分離器是整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，用于海底氣液分離或油氣水分離。海底氣液分離后，氣體自然舉升，液體通過(guò)電潛泵增壓輸送，可減小井口背壓，提高采收率，加速油田生產(chǎn)，同時(shí)可有效避免水合物的生成。海底油氣水分離和采出水回注有效補(bǔ)充地層壓力，提高采收率，使開(kāi)發(fā)深水低儲(chǔ)層壓力油田得以實(shí)施，為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的流動(dòng)保障提供有力支持。目前國(guó)外應(yīng)用水下分離器的生產(chǎn)油田較少，但是隨著油田資源儲(chǔ)存量的不斷減少，如何提高采收率，如何開(kāi)發(fā)邊際油田，如何降低開(kāi)發(fā)成本等新問(wèn)題將會(huì)逐漸顯現(xiàn)。水下分離器開(kāi)采模式可有效解決即將面臨的各種問(wèn)題，為水下油田開(kāi)采提供一條新的解決方案。

圖1 水下油田示例

本文針對(duì)沉箱式水下分離器控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，通過(guò)對(duì)比國(guó)外已有水下分離器應(yīng)用案例，選擇適合中國(guó)南海500 m以內(nèi)水深應(yīng)用的水下分離器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。

1 水下分離器介紹

石油和天然氣工業(yè)正在向深水開(kāi)發(fā)推進(jìn)，目的是尋找更高效的開(kāi)發(fā)深水油氣井的方法[1]。水下分離器和增壓泵可以提高油田的預(yù)期產(chǎn)量，分離器和增壓泵設(shè)施可以布置在距離井口較近的位置，有效降低井口背壓，提高油氣井的采收率。水下油田[2]如圖1所示。

在井口將水進(jìn)行分離，可輸送較遠(yuǎn)的距離，減少流動(dòng)保障問(wèn)題，同時(shí)減少上部基礎(chǔ)設(shè)施的需求，這對(duì)于在極寒、極熱、臺(tái)風(fēng)等環(huán)境的區(qū)域意義重大。在成熟的油田，增加水下分離器可以提高產(chǎn)量，解決水處理能力帶來(lái)的生產(chǎn)瓶頸問(wèn)題。

圖2 沉箱式水下分離器原理圖

常用的水下分離器分為幾種形式：臥式分離器、沉箱式分離器、立式分離器、管式分離器(緊湊式)。分離器結(jié)構(gòu)形式的選取取決于油田布置面積、分離效果(不同油質(zhì))、處理量、水深等因素。其中，沉箱式水下分離器有如下優(yōu)點(diǎn)：適用于更深的水深(2 000 m以上)，可有效避免段塞流的影響，可利用現(xiàn)有電潛泵成熟的技術(shù)，可靠性更好。本文主要針對(duì)沉箱式水下分離器開(kāi)展研究，重點(diǎn)分析沉箱式分離器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨的難點(diǎn)。

2 工藝特點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)的要求

沉箱式水下分離器原理如圖2所示，多相流通過(guò)左上角多相流切向進(jìn)口注入沉箱，通過(guò)離心力、重力將油、氣、水三相進(jìn)行分離，氣相通過(guò)頂部氣相出口排出，油和水則通過(guò)電潛泵從上部油和水出口排出，輸送至平臺(tái)或者陸地終端，如果井下需要注水，則分離器分離出的水可以直接通過(guò)注水泵注水，這樣提高了海管的輸送效率，同時(shí)也滿足了注水的需求。

沉箱式水下分離器主要有2大工藝難點(diǎn)：(1)乳狀液的形成或起泡導(dǎo)致的氣體夾帶現(xiàn)象；(2)液體在氣體立管中聚集或段塞問(wèn)題，如液體夾帶和氣體夾帶現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)、液位控制檢測(cè)、沙控制和處理。

為實(shí)現(xiàn)較好的分離效果，分離器控制系統(tǒng)需要控制好相關(guān)工藝參數(shù)：(1)控制分離器中油、氣、水三相參數(shù)，如油水界位、油面液位及氣相壓力等；(2)控制入口流量波動(dòng)對(duì)于三相參數(shù)的影響；(3)控制電潛泵輸出流量；(4)監(jiān)控液體夾帶和氣體夾帶，及時(shí)采取控制措施；(5)監(jiān)控電潛泵各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)；(6)控制沉箱底部沙量，及時(shí)除沙。

2.1 沉箱式水下分離器控制系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)

與傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)相比，水下分離器對(duì)控制系統(tǒng)要求更高，系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：(1)水下強(qiáng)電傳輸過(guò)程對(duì)于通信信號(hào)的干擾及水下高壓變頻泵對(duì)水下控制模塊的干擾；(2)分離器控制模塊布置合理，可回收式設(shè)計(jì)；(3)分離器控制系統(tǒng)傳感器可回收式設(shè)計(jì)；(4)較高的分離器傳感器數(shù)據(jù)傳輸速度要求；(5)控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)；(6)液位、壓力探測(cè)方式及傳感器選擇；(7)控制方式和控制策略。

2.2 已投產(chǎn)國(guó)外水下分離器項(xiàng)目案例分析

目前已經(jīng)投產(chǎn)的國(guó)外水下分離器項(xiàng)目中，有臥式分離器、沉箱式分離器、立式分離器、管式分離器(緊湊式)等形式。已投產(chǎn)水下分離器項(xiàng)目總覽[3]見(jiàn)表1。已投產(chǎn)水下分離器項(xiàng)目控制系統(tǒng)對(duì)照見(jiàn)表2。

表1 已投產(chǎn)水下分離器項(xiàng)目總覽表

表2 已投產(chǎn)水下分離器項(xiàng)目控制系統(tǒng)對(duì)照表

圖3 水下分離器控制策略示例

由表1和表2可知，目前國(guó)外已投產(chǎn)沉箱式分離器控制方式為：(1)水下控制系統(tǒng)與上部通過(guò)光纖進(jìn)行通信；(2)分離器液位和界位通過(guò)壓差形式進(jìn)行監(jiān)測(cè)；(3)分離器液位和界位通過(guò)控制調(diào)節(jié)電潛泵控制。

3 典型水下分離器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

水下分離器控制策略示例如圖3所示，水下分離器控制系統(tǒng)由水上和水下等2部分組成：水上部分由主控站、電力單元、液壓動(dòng)力單元和變頻控制器組成；水下部分由水下控制模塊(Subsea Control Module，SCM)、水下調(diào)節(jié)閥、水下關(guān)斷閥、水下傳感器(液位、界位、溫度、壓力傳感器、含沙監(jiān)測(cè))、水下控制模塊內(nèi)部傳感器和電潛泵組成。水上的控制信號(hào)、電力和液壓通過(guò)臍帶纜上部終端(Topside Umbilical Terminal Assembly，TUTA)、臍帶纜(Umbilical)傳遞至水下，通過(guò)水下分配單元(Subsea Umbilical Terminal Unit，SUTU)以飛線形式連接至水下設(shè)備。

3.1 測(cè)量?jī)x表選型設(shè)計(jì)

為更好地選擇適合水下環(huán)境的液位傳感器，各種原理的液位傳感器特點(diǎn)比較見(jiàn)表3。

表3 各種原理的液位傳感器特點(diǎn)比較

因沉箱式分離器體積較大，通常液位控制只需控制在一定區(qū)間即可，對(duì)傳感器響應(yīng)速度和精準(zhǔn)度要求不高，但對(duì)可靠性要求較高，結(jié)合表3中液位測(cè)量方法的對(duì)比情況，通常選用差壓形式進(jìn)行液位測(cè)量。

3.2 調(diào)節(jié)器選擇

目前，國(guó)外水下各分離器項(xiàng)目所采用的調(diào)節(jié)和控制的執(zhí)行器選取如表2所示，主要有：泵(電潛泵、多相流泵)、自力式壓力調(diào)節(jié)閥和Choke的不同組合形式。通過(guò)調(diào)節(jié)Choke的開(kāi)度以實(shí)現(xiàn)分離器所相壓力的調(diào)節(jié)和控制，通過(guò)調(diào)節(jié)電潛泵的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)分離器液位的控制。

3.3 分離器控制系統(tǒng)水下部分設(shè)計(jì)方案

分離器控制系統(tǒng)水下部分設(shè)計(jì)方案如圖4所示，沉箱式水下分離器控制系統(tǒng)分為2個(gè)控制回路，即沉箱液位控制回路和沉箱壓力控制回路[4]。

圖4 分離器控制系統(tǒng)水下部分設(shè)計(jì)方案

沉箱式氣液分離器的主要被控變量為液位，而水下分離器液位受多種因素的干擾和波動(dòng)影響，主要有：分離器入口流量及氣液比的波動(dòng)，分離器液相含氣率，分離器氣相含液和分離器油相泡沫等。其中，對(duì)液位波動(dòng)影響最大的為分離器入口流量和氣液比波動(dòng)。為消除波動(dòng)的影響，須在主控制回路中加入前饋控制，提前將波動(dòng)引入控制系統(tǒng)，能夠控制速度、減少液位波動(dòng)。主回路通過(guò)控制電潛泵的流量控制液位。

在沉箱底部(低于泵體要求的最低點(diǎn))、正常工作液位下部和正常工作液位上部分別設(shè)置1個(gè)和3個(gè)壓力傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液位的變化。同時(shí)，在分離器三相入口處設(shè)置壓力傳感器用于記錄進(jìn)入分離器的總流量波動(dòng)情況。因?yàn)槿肟谕ㄟ^(guò)旋流管道消除段塞留，可以通過(guò)合理選取壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)入口的氣液流量波動(dòng)情況，以預(yù)防突然的流量波動(dòng)對(duì)于分離器液位的影響。

(1) 液位控制回路。因?yàn)槌料涫椒蛛x器控制液位設(shè)定值要求在一定范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)的目的是使液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)即可，對(duì)控制精度要求并不高，重點(diǎn)應(yīng)在抑制液位出現(xiàn)較大波動(dòng)，預(yù)防意外事故的發(fā)生。所以，須通過(guò)仿真模擬確定合理的控制器參數(shù)和報(bào)警值。

(2) 沉箱壓力控制回路。沉箱分離器利用旋流方式，氣相通過(guò)自然舉升到達(dá)水上終端。氣相被控變量為沉箱氣相壓力和氣相舉升管線壓力，為保證舉升氣流量的穩(wěn)定和分離器氣相壓力的穩(wěn)定，須加入串級(jí)控制，通過(guò)控制沉箱氣相出口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，同時(shí)引入入口流量波動(dòng)進(jìn)行前饋控制；主回路被控變量為舉升管線壓力，其主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的輸入。在沉箱上部氣相和氣舉升管線(水上)分別設(shè)置1塊壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)沉箱氣相壓力和舉升管線壓力。通過(guò)工藝分析結(jié)果和優(yōu)化控制算法，達(dá)到上部管線和沉箱壓力的控制調(diào)節(jié)。

(3) 水下分離器光纖通信分析。由于分離器變頻電潛泵的采用，電力諧波會(huì)對(duì)載波信號(hào)質(zhì)量有較大的影響，同時(shí)臍帶纜電壓等級(jí)較高，光纖信號(hào)抗干擾能力較強(qiáng)。同時(shí)，如果采用光纖通信，則主臍帶纜可以集成液壓、光纖、控制系統(tǒng)電力及動(dòng)力系統(tǒng)電力，只需要1條臍帶纜就可以實(shí)現(xiàn)。如果采用電力載波通信方式，則電力載波需要與電力分開(kāi)，用2條臍帶纜，會(huì)增加鋪設(shè)安裝費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。對(duì)比表2可知，目前已投產(chǎn)的水下分離器項(xiàng)目均采用了光纖通信方式。

光通信鏈路為：主控站(光通信單元)→TUTA→臍帶纜→SUTU→光飛線(Optical Fiber Line，OFL)→SCM光纖功能單元。

(4) SCM設(shè)計(jì)方案?？紤]到控制回路數(shù)量較少，通信信息量并不大，對(duì)帶寬要求不大，所以SCM采用遠(yuǎn)程終端的形式，具體控制計(jì)算在主控站進(jìn)行。

SCM應(yīng)至少具備6路模擬量輸入通道、8路數(shù)字量輸入通道、4路液壓輸出通道，具體數(shù)量需在詳細(xì)設(shè)計(jì)中確定。SCM應(yīng)具備自身安全監(jiān)測(cè)功能，其應(yīng)包括但不限于內(nèi)部壓力監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、海水內(nèi)漏監(jiān)測(cè)、電子器件艙室溫濕度監(jiān)測(cè)、電路電壓及絕緣電阻監(jiān)測(cè)等功能。SCM應(yīng)當(dāng)具備滿足設(shè)計(jì)水深工作要求的壓力平衡裝置、防腐蝕能力和抗震能力。由于能力撬體上安裝有電潛泵，工作于振動(dòng)環(huán)境中，所以應(yīng)考慮SCM抗振分析和出廠測(cè)試中增加振動(dòng)測(cè)試。

(5) 冗余設(shè)計(jì)。SCM的供電和光纖通信采用冗余設(shè)計(jì)，水下電子模塊為冗余設(shè)計(jì)。重要傳感器(如液位傳感器等)信號(hào)也須進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。水下電力(電潛泵)也須考慮冗余供電形式。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)油氣開(kāi)采往深海推進(jìn)，提高油田采收率和降低油田投資成本已經(jīng)成為當(dāng)前的迫切需求。水下分離器作為一種油氣田開(kāi)發(fā)方式可有效提高油田采收率，降低上部設(shè)施投資及空間使用，提高海管輸送效率。對(duì)于氣候條件惡劣地區(qū)，通過(guò)水下分離器開(kāi)發(fā)方案和相關(guān)配套設(shè)施，通過(guò)增壓泵和海管直接將開(kāi)采并經(jīng)過(guò)初步分離的油氣輸送至陸地終端，可有效防范臺(tái)風(fēng)、冰凍等自然災(zāi)害，降低潛在風(fēng)險(xiǎn)。

我國(guó)油藏資源普遍開(kāi)采難度較大、隨著油田開(kāi)采的進(jìn)行含水率不斷增加，開(kāi)采難度不斷升高。水下分離器開(kāi)發(fā)方案對(duì)于提高采收率、降低開(kāi)采難度具有較好的效果。

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