基于流花11-1油田水下采油树的地面测试单元研制

袁晓兵，欧宇钧，卢沛伟，罗玉贵，杨　文，苏瑞华，张云卫，张长齐，蔡宝平

（1.中海油能源发展股份有限公司 深圳油田建设分公司，广东 深圳518000；2.中国石油大学机电工程学院，山东青岛266580）①

开发应用

基于流花11-1油田水下采油树的地面测试单元研制

袁晓兵1，欧宇钧1，卢沛伟1，罗玉贵1，杨文1，苏瑞华1，张云卫2，张长齐2，蔡宝平2

（1.中海油能源发展股份有限公司 深圳油田建设分公司，广东 深圳518000；2.中国石油大学机电工程学院，山东青岛266580）①

随着石油勘探开发重心由内陆向海洋转移，作为海洋勘探开发的关键设备，水下采油树得以迅速发展，越来越多地应用于油气开发。水下采油树出现问题时不能够完成生产，及时发现并解决问题对于油气开发具有非常重要的意义，其测试工作变的越来越重要。在深入研究流花11-1油田水下采油树的基础上，研制了地面测试单元，并开发了其监控系统。结果表明：该地面测试单元能准确测试水下采油树的各种状况，保证了水下采油树运行的安全性，应用效果良好。

石油勘探开发；流花11-1油田；水下采油树；地面测试单元；监控系统

海洋水下井口和采油装备起源于20世纪60年代。自从诞生以来，海洋水下井口和采油装备得到快速发展。英国著名的石油和天然气工业数据分析机构——Infield Systems预测，全球水下设备市场在2016年的投资将达到＄1 060亿元，水下采油树的市场为：非洲263套、欧洲和北美洲674套、亚洲和澳大利亚285套、拉丁美洲300套，其他地区约130套等［1］。

随着时间的推移，作为海洋油气田生产和井下作业的关键设备，水下采油树及其相关设备广泛应用于海洋油气生产［2-3］。水下采油树及其相关设备的维修保养和安全运行的工作将越来越多。设计1套水下采油树测试单元对水下采油树进行维护检测，不仅可以深入了解水下生产系统设备的工作原理，也可以大幅提升水下油气勘探开发、生产系统设备的研发及制造能力。

本文以流花11-1油田所采用的卧式采油树为研究对象，研制了水下采油树测试单元，并利用西门子PLC和WinCC组态软件开发了监控系统。

1　流花11-1油田水下采油树

流花11-1油田位于南海，距香港东南部约200 km，水深为310 m，发现于1987-01，1989年完成钻井评估和划分，1996-03投产，是中国第1个深水开发项目［4-6］。流花11-1油田采用的生产模式为FPS ＋FPSO＋水下生产系统＋电潜泵人工举升，是我国第1个采用水下生产技术进行开发的海上油气田［7-8］。

水下生产系统设计生产能力为24口井，采用H型集中管汇系统［9］。采油树为ESP完井的水下卧式采油树，采用大通道设计，无需回收采油树就可以回收井下管柱及电潜泵。采油树结构如图1所示，主要由导向基座、油管悬挂器、顶部堵塞器、密封轴套、出油管路、出油管线连接器、采油树连接器、ROV操作阀门等组成。所有阀门在水平方向设置，并在水平方向由水下机器人操作，16个不同性能的球阀、阀门的开关（如生产翼阀（PWV）、生产监控隔离阀（PMIV）、环空翼阀（AWV）、环空监控隔离阀（AMIV）、化学药剂注入阀（CIV）等）集中地设在便于ROV操作的1块ROV操作盘上，利用这些开关就可以直接控制阀门的开启和关闭［10］。另外，生产翼阀、化学药剂注入阀和安全阀同时可由液压远程控制其开启和关闭，安全阀在紧急情况下可自动关闭［11］。

图1　流花11-1油田水下采油树

2　地面测试单元

本文在深入研究水下采油树结构以及功能的基础上，研制了水下采油树地面测试单元，主要由液控系统和监控系统2部分组成，如图2所示。

图2　地面测试单元

液控系统原理如图3所示，主要由油箱、补油回路、高压泵回路、水泵回路、蓄能器组、调压供油回路、回油回路以及接口回路等组成，其主要功能是根据水下采油树测试的要求输出不同压力的液压油，为水下采油树的测试提供高压油。储存测试所需的液压油箱内安装有液位控制器、隔爆热电阻、过滤器、液位计等，可检测油箱温度以及液位，并能够实现补油泵的控制。当油箱中液压油降到一定液位，可启动补油泵由补油回路进行补油。高压泵回路采用冗余设计，在维修1个泵回路时另1个泵回路可以继续工作，不影响系统的正常运行。水泵回路提供测试所需一定压力的水，加压方式采用增压器。蓄能器组共包括4个蓄能器，其主要功能是作为辅助动力源，向系统提供压力液体。每个蓄能器上安装有易熔塞，当发生火灾或其他意外情况使液压系统温度过高时，易熔塞会熔化，排放掉蓄能器内的氮气，防止系统压力过高伤害工作人员或损坏设备。调压供油回路通过比例减压阀，将蓄能器组中的液压油调节到测试所需的压力。接口回路用于测试单元与采油树的连接。

图3　地面测试单元液控系统原理

监控系统采用西门子S7-300作为下位机进行控制，上位机采用WinCC作为组态软件对整个系统进行监控［12］。监控系统主要功能是控制油路通断，采集运行数据，并将运行数据进行记录，以判断水下采油树的状况，原理如图4所示。

图4　地面测试单元监控系统原理

3　监控系统开发

3.1 监控系统硬件开发

西门子S7-300是一种通用型PLC，满足中、小规模的控制要求，适用于自动化工程中的各种场合，尤其是在生产制造工程中的应用［13］。因此，测试单元监控系统采用西门子S7-300。电源模块选用PS307-5A，可为CPU模块和输入/输出模块提供电源。CPU模块选用CPU314C-2PNDP，组合的MPI/DP接口可用于DP主站或从站，带有2端口交换机的集成PROFINET接口，二进制和浮点运算处理性能高。本测试单元共有17个数字量输入点，29个数字量输出点，16个模拟量输入点和2个模拟量输出点，在设计控制站点时为了方便系统升级和维护，需提供至少20%～40%的冗余输入/输出点数作为备用［14］。因此，数字量输入模块选用1 块SM321模块，拥有32个输入点，用于连接按钮、液位开关等；数字量输出模块选用2块SM322模块，具有48个输出点，用于连接电磁阀；模拟量输入模块选用2块SM331模块，具有24个输入点，用于连接传感器；模拟量输出模块选用1块SM332模块，具有4个输出点，用于连接比例减压阀。

3.2 监控系统软件开发

3.2.1 PLC设计

PLC编程采用STEP 7 V5.5软件，STEP 7是一种用于对西门子PLC进行组态和编程的标准软件包［15］。PLC的设计包括硬件组态、变量定义、信号采集处理编程、控制程序以及与上位机组态通讯。硬件组态就是模拟真实的PLC硬件系统，将CPU、电源和信号等模块安装到相应的机架上，并对各模块的参数进行设置和修改的过程，如图5所示。控制程序包括主程序和中断程序2部分，主程序包括OB1组织块、FC1和FC2功能块、OB1可调用FC1 和FC2；中断程序为OB35组织块，可实现压力、温度等数据的采集以及压力的设定。

3.2.2 上位机监控软件设计

WinCC是SIEMENS公司和Microsoft公司合作开发的过程可视化系统［16］。WinCC是一款功能强大的组态软件，可应用于简单的工业应用、复杂的多客户应用以及分布式控制系统中。因此，上位机监控软件选用SIEMENS公司新型组态软件Simat-ic WinCC V7.0＋SP3版本编写，该组态软件运行于Windows环境，提供一种高效、开放的组态开发环境。

图5　硬件组态界面

3.2.3 数据通信

S7-300 PLC与WinCC使用TCP/IP协议，通过工业以太网通信。第1步，用STEP7软件进行硬件组态，设置PN-IO的IP地址和子网掩码；第2步，设置计算机的TCP/IP参数，需保证WINCC组态计算机的IP地址设置成和PLC以太网通讯模块或者PN-IO的IP地址在同一个网段中；第3步，添加驱动程序，设置系统参数；第4步，通讯接口设置；第5步，添加驱动链接，设置参数；第6步，连接测试以及通讯诊断，通过WinCC工具中的通道诊断程序WinCC Channel Diagnosis即可测试通讯是否建立。通过上述步骤即可实现S7-300 PLC与WinCC之间的数据通信。

3.2.4 画面设计

根据测试流程和用户要求，利用WinCC的变量管理、图形编辑器、报警记录、变量记录、报表编辑器以及全局脚本等功能组态了监控系统的人机界面。主要包括：

1） 首页。首页界面如图6所示，直观展现了系统压力、1＃减压压力以及2＃减压压力、油箱的温度和液位以及设备的工作状态，通过该界面可以实现泵的控制、加压方式的选择以及比例阀的调节。

图6　首页界面

2） 测试工具。测试工具界面如图7所示，直观展现了各项测试所需要的测试工具，并能够查看测试工具图形，便于测试工具准备。

图7　测试工具界面

3） 出油管路测试。出油管路测试界面如图8所示，展现了每项测试的主要步骤，水泵的工作状态，并能够监测测试时的压力值以及实现水泵控制。

图8　出油管路测试界面

4） 采油树液压测试。采油树液压测试包括采油树阀件测试和液压管线测试，如图9所示。采油树液压测试界面直观展现了1＃泵和2＃泵的工作状态、减压压力和系统压力，通过该界面可查看每项测试的具体步骤，实现泵的控制以及压力的设定。

图9　采油树液压测试界面

5） 密封轴套测试。密封轴套测试包括静压测试和回收功能测试，如图10所示。密封轴套测试界面直观展现了1＃泵、2＃泵以及水泵的工作状态、减压压力、1＃试压口压力以及8＃～12＃试压口压力，通过该界面可查看每项测试的具体步骤，实现泵的控制、压力的设定以及8＃～12＃试压口的控制。

6） 油管挂测试。油管挂测试包括静压功能测试、上部测试、锁定测试、回收功能测试和导向环设置，如图11所示。油管挂测试界面直观展现了1＃泵、2＃泵以及水泵的工作状态、系统压力、减压压力、1＃～12＃试压口压力，通过该界面可查看每项测试的具体步骤，实现泵的控制、压力的设定以及2＃～12＃试压口的控制。

图10　密封轴套测试界面

图11　油管挂测试界面

7） 联合测试。联合测试包括采油树安装功能测试、密封轴套安装功能测试、油管挂安装功能测试、采油树帽液压管线静压测试，油管挂回收功能测试、采油树连接器解锁功能测试和油管挂导向环设置，如图12所示。联合测试界面直观展现了1＃～2＃泵以及水泵的工作状态、系统压力、减压压力、1＃～12＃试压口压力；通过该界面可查看每项测试的具体步骤，实现泵的控制、压力的设定以及2＃～12＃试压口的控制。

8） 压力温度曲线。压力温度曲线界面如图13所示，直观展现了系统压力、1＃减压压力、2＃减压压力、1＃～2＃试压口压力以及油箱温度的曲线以及表格数据。曲线和表格数据可以导出、打印，通过对这些数据的分析，可准确地判断水下采油树的状况。

图12　联合测试界面

图13　压力温度曲线界面

9） 报警记录。报警记录界面可记录测试单元的报警信息，例如油箱温度高、油箱温度低、油箱液位高、油箱液位低等。

4　水下采油树测试

将本测试单元通过接口回路与水下采油树进行连接，根据设计的测试流程，完成水下采油树的测试，测试结果准确，应用效果良好。

5　结语

本文对流花11-1油田水下采油树进行了简单介绍。在深入研究的基础上，研制出水下采油树地面测试单元，并以S7-300 PLC为下位机，以WinCC为上位机组态软件，设计开发了水下采油树地面测试单元监控系统，通过本测试单元，可对水下采油树的各种状况有一个充分的了解，能够及时发现问题，从而保证油气生产以及水下采油树运行的安全性。

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Research of Ground Testing Unit Based on Liuhua 11-1 Oilfield Subsea Tree

YUAN Xiaobing1，OUYujun1，LU Peiwei1，LUO Yugui1，YANGWen1，SU Ruihua1，ZHANG Yunwei2，ZHANG Changqi2，CAI Baoping2（
1.CNOOC Energy Technology&Services Limited OCEC Shenzhen Co.，Shenzhen 518000，China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

With the oil exploration and development focus shifted from inland to the sea，as a key e-quipment of ocean exploration and development，the subsea tree develops rapidly and is more and more used in oil and gas development.When subsea tree has a problem，the production cannot be completed，to discover and solve the problem has very important significance for oil and gas devel-opment，its testing work becomes important increasingly.In this paper，the ground testing unit and its monitoring system are developed based on an in-depth study of the Liuhua 11-1 oilfield subsea tree.The results show that the ground testing unit can accurately test various conditions of subsea tree，ensure the subsea tree Security operation，good application results.

petroleum exploration and development；Liuhua 11-1 oilfield；subsea tree；ground tes-ting unit；monitoring system

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.016

1001-3482（2015）07-0064-06

①2015-01-20

国家自然科学基金“基于动态贝叶斯网络的深水防喷器系统实时可靠性评估方法研究”（51309240）；教育部博士点基金“基于多传感器数据融合的深水防喷器系统实时可靠性建模与评估方法研究”（20130133120007）；青岛市科技发展计划项目“基于动态贝叶斯网络的深水防喷器组状态监测与故障诊断技术研究”（14-2-4-68-jch）；黄岛区重点科技发展计划项目“水下采油树远程监控及故障诊断系统研制”（2014-1-48）；山东省自主创新计划项目“ZJ90/5850DB海洋钻井装备”（2012CX80101）

袁晓兵（1977-），男，辽宁瓦房店人，高级工程师，博士研究生，主要从事石油装备运行维护安全管理工作，E-mail：yuanxb＠cnooc.com.cn。