水下生产控制系统结构的设计与研究

谭壮壮，李小瑞，张凤红

(中国石油集团海洋工程有限公司，北京 100028)



水下生产控制系统结构的设计与研究

谭壮壮，李小瑞，张凤红

(中国石油集团海洋工程有限公司，北京 100028)

摘要：作为水下生产系统的重要组成部分，水下生产控制系统(SPCS)提供了数据采集、远程控制和异常情况监测处理等功能。为了满足SPCS在安全可靠性、经济性和可操作性等方面的要求，研究了SPCS的结构设计,介绍了SPCS的功能、组成，对比了独立式、平衡式、组合式和环式等多种SPCS结构的优缺点，分析了SPCS设计应考虑的因素。最后，得出了SPCS结构设计的要点，可供SPCS设计参考。

关键词：深水油气田开发水下生产系统水下生产控制系统控制系统结构

目前，水下生产系统已成为深水油气田开发中最常用的开发方式[1-3]。水下生产系统通过水下井口、水下生产设施、海底管线和脐带缆，将油气井生产的油气混合物输送至依托设施或陆上终端。水下生产系统能够适应深水油气田的开发，具有开发成本低、建设周期短、开发效益高的特点[4-5]。

水下生产控制系统SPCS(subsea production control system)是水下生产系统的重要组成部分，为水下生产提供安全、可靠、高效的数据采集和监控功能。SPCS通过控制水下采油树、水下管汇等水下设施来保证生产的安全进行，并对水下仪表和各控制模块进行监控。SPCS通过控制网络与浮式生产储卸油船FPSO(floating production storage and offloading,)、浮式生产装置FPU(floating production unit)或陆上终端等依托设施的控制系统相连，向依托设施提供数据，并执行来自依托设施的操作指令[6-7]。

SPCS的结构是指SPCS的控制设备在水下的分布方式、水下安装设备与上部安装设备的连接方式以及水下设备相互之间的连接方式等，主要包括独立式、平衡式、组合式、环形等结构。由于每个项目的控制距离、水下井口分布、依托设施各不相同，需要根据项目具体情况选择不同的SPCS结构。SPCS结构的选择是SPCS设计初期的重点工作，不仅要满足生产系统的功能要求，还必须考虑职业健康、安全和环境(HSE)、可靠性、可操作性、经济性以及技术成熟度。笔者以目前较为常用的复合电液控制系统[8-10]为例，结合较为先进的水下生产控制系统[11-12],介绍了SPCS的基本组成、各种SPCS结构的优缺点以及设计时应考虑的因素。

1水下生产控制系统的组成

SPCS由上部安装的控制设备、水下安装的控制设备以及连接上部和水下设备的脐带缆组成。

1.1上部安装的SPCS控制设备

上部安装的SPCS控制设备与依托设施的控制系统、电力系统相连，能够执行依托设施的操作指令，并向依托设施上传采集到的水下生产数据。同时，上部安装的SPCS控制设备还通过脐带缆为水下安装的控制设备提供控制信号、电源和液压源。上部安装的SPCS控制设备如图1所示，主要由以下部分组成：

1) 主控站MCS(master control station)。为上部安装和水下安装的SPCS控制设备提供监控功能，并提供了与依托设施控制系统的接口。

2) 液压动力单元HPU(hydraulic power unit)。为水下采油树和管汇上的阀门提供稳定、清洁的液压液。

3) 电力单元EPU(electrical power unit)。由UPS供电，为SPCS提供电源。

4) 上部脐带缆终端单元TUTU(topside umbilical termination unit)。控制电缆、电力电缆、液压管线以及化学药剂管线通过TUTU进入脐带缆，供给水下生产系统。

图1　上部安装的SPCS控制设备结构示意

1.2水下安装的SPCS控制设备

水下安装的SPCS控制设备能够接受依托设施传来的控制信号，执行水下阀门操作等控制功能，并可以向依托设施传输水下仪表的数据。水下安装的SPCS控制设备主要由以下部分组成：

1) 水下脐带缆终端总成UTA(umbilical termination assembly)和水下分配单元SDU(subsea distribution unit)。UTA与脐带缆相连，将脐带缆内的信号分配到跨接缆FL(flying lead)中，通过FL与SDU相连。SDU可将1组FL中的信号分配到多组FL中，FL可以直接与采油树或管汇上的水下控制模块连接。

2) 水下控制模块SCM(subsea control module)。SCM接受来自依托设施的控制信号，通过电液控制完成对采油树、管汇上阀门的操作，并能读取采油树、管汇上仪表的数据，上传到依托设施。

3) 水下仪表和阀门。包括水下采油树和管汇上安装的仪表，如压力温度传感器、油嘴阀位指示器、沙含量探测仪、井下压力温度传感器，阀门包括上部控制井下安全阀、生产主阀、生产翼阀、环空主阀、环空翼阀、转换阀、化学药剂注入阀和生产油嘴等。

1.3脐带缆

脐带缆中包含多根控制通信电缆、电力电缆、液压管线和化学药剂管线等，能够传输信号、电力、液压和化学药剂。脐带缆按照连接对象，可分为主脐带缆和内部脐带缆。主脐带缆用于连接上部安装的SPCS控制设备与水下安装的SPCS控制设备，在依托设施上与TUTU连接，在水下与UTA连接；内部脐带缆用于水下设备之间的连接，两端与UTA连接。

2水下生产控制系统的结构

SPCS常见的结构有独立式、平衡式、组合形和环形结构等，主要由脐带缆、UTA和SDU等组成。

以图2所示的水下油田井口布置为例分析各种结构的优缺点。从图2中可以看出，该油田依托设施为FPSO，水下生产系统包含3个井群，每个井群包含1个水下管汇和若干个水下采油树。其中，A井群与FPSO最近，与B和C井群相距较远；B井群与FPSO距离较远，与C井群较近；C井群离FPSO最远。

图2　水下油田井口布置示意

2.1独立式结构

独立式结构如图3所示，每个井群都有独立的主脐带缆。主脐带缆在水下与井群附近的UTA连接，通过SDU与水下采油树、管汇连接，井群之间没有内部脐带缆。

独立式结构的优点： 水下设备少，且设备类型统一；无内部脐带缆，每根主脐带缆的截面结构相同；每根脐带缆只需供给1个井群，可以缩小电缆、管线的尺寸，减小了脐带缆的截面积，且控制距离短，响应速度快；1个井群出现故障不影响其他井群的生产。缺点： 需要3条主脐带缆，同时意味着需要3套悬挂装置，占据较多的转塔空间；主脐带缆总长较长；各种电缆和管线的数量多。

2.2平衡式结构

平衡式结构如图4所示，FPSO通过1条主脐带缆与中间的井群连接，其他2个井群使用内部脐带缆与中间井群连接。

图3　独立式结构示意

图4　平衡式结构示意

平衡式结构的优点： 只需要1条脐带缆，1套悬挂装置；主脐带缆长度最短；脐带缆总长较短。缺点： 远端井群的控制距离长，响应速度慢；UTA的数量较多；SDU类型不一；水下连接较多，潜在的水下泄漏点多；每条脐带缆供给的井群数不一样，都需要单独设计截面结构；可靠性低，主脐带缆故障会造成3个井群的停产。

2.3组合式结构

组合式结构为独立式结构和平衡式结构的组合，如图5所示。最近的1个井群由1条主脐带缆直接连接，其他2个井群共用1条主脐带缆，并用内部脐带缆连接。

组合式结构的优点： 控制距离较短，数据更新和阀门响应速度较快；每根主脐带缆供给的设备较少，主脐带缆截面积较小；脐带缆长度与独立式相比较短。缺点： 与平衡式结构相比，主脐带缆和悬挂装置的数量较多；SDU类型不一；2条主脐带缆供给的水下设备数量不同，截面结构可能不同；包含1条内部脐带缆，需要单独设计。

2.4环形结构

如图6所示，环形结构通过2根主脐带缆连接两端的井群，再用内部脐带缆与中间的井群连接，形成环形连接。

环形结构的优点： 可靠性高，任何1条主脐带缆或内部脐带缆故障都不会引起系统失效；每条脐带缆供给的井群数量相同，具有相同的截面结构。缺点： 脐带缆长度长；每条内部脐带都需要具备供给2个井群的能力，因而截面积大；水下连接点多，潜在的泄漏点多；需要的UTA与SDU数量最多。

图5　组合式结构示意

图6　环形结构示意

3设计中应考虑的因素

设计过程中，SPCS结构的选择，应综合考虑HSE、控制技术、投资以及可操作性等因素。

1) HSE方面需要考虑系统对环境的影响。SPCS对环境的影响主要是液压液和化学药剂的泄漏，而水下连接点越多，泄漏的可能性越大。在本文所述的结构中，独立式结构的水下连接点最少，环形结构最多。

2) 技术方面应考虑技术成熟程度、脐带缆设计简化程度、设备标准化程度等。本文所述结构中，独立式结构常应用于井群数量较少、主脐带缆数量少、总长短的项目；平衡式结构常应用于井口区域距离依托设施较远的项目；环形结构常应用于脐带缆故障风险较大的项目中。脐带缆方面，独立式结构只有主脐带缆，且3条主脐带缆的设计相同，设计过程最简单；组合式结构有2条主脐带缆和1条内部脐带缆，且2条主脐带缆供给的井群数不同，截面结构有差异，因而共需要设计3条脐带缆，设计过程最为复杂。设备标准化程度方面，独立式结构的SDU和UTA均为同种类型；其他结构均需要2种不同类型的SDU。

3) 投资方面主要考虑设备数量和脐带缆长度。独立式结构的SDU和UTA的数量最少，但脐带缆长度最多；平衡式结构的UTA数量较多，并且在中间井群处需要1个较大型的SDU，但脐带缆总长较短，尤其是主脐带缆少；环形结构的设备数量最多，且需要较大型的SDU，脐带缆长度也是最长的。组合式结构的设备数量和脐带缆长度介于独立式结构和平衡式结构之间。

4) 可操作性方面主要考虑响应时间和停产风险。独立式结构每个井群有独立的脐带缆，且控制距离较短，响应速度快，每条主脐带缆的失效会引起1个井群停产；平衡式结构两端井群的控制距离长，且3个井群共用1条主脐带缆，响应速度较独立式慢，主脐带缆的失效会引起3个井群停产，每条内部脐带缆的失效会引起1个井群停产；环形结构由于采用了环形连接，任何1条脐带缆的失效都不会引起停产；组合式结构中，第1个井群有独立主脐带缆，响应速度快，主脐带缆故障会引起1个井群停产；第2个和第3个井群共用主脐带缆，远端井群响应较慢，主脐带缆故障会引起2个井群停产，内部脐带缆故障会引起1个井群停产。

4结束语

综上所述，得出结论如下：

1) 独立式结构控制距离短、响应速度快、水下设备少且类型统一，该结构适用于井群较少、井口区距离依托设施较近、转塔空间充足的项目。

2) 平衡式结构主脐带缆少、总脐带缆长度短，适用于井群较为集中且距离依托设施远的项目。

3) 组合式结构各项性能居于独立式和平衡式结构之间，适用于一部分井群集中，而与其他井群距离较远的项目。

4) 环形结构具有最低的停产风险，但水下设备多、脐带缆总长长且结构复杂，适用于脐带缆故障风险较高的项目。

笔者介绍了独立式、平衡式、组合式和环形的SPCS结构，对比了各种结构的优缺点，并提出了SPCS结构设计过程中应考虑的因素，不同的项目需要根据具体情况选择不同的SPCS结构。

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Design and Research on Subsea Production Control System Configuration

Tan Zhuangzhuang，Li Xiaorui，Zhang Fenghong

(China National Petroleum Offshore Engineering Co. Ltd., Beijing, 100028, China)

Abstracts： As an important part of subsea production system, subsea production control system (SPCS) provides functions including data acquisition, remote control, monitoring and treatment of abnormal situation. To meet requirements of safety, reliability, economy and operability, configuration design of SPCS is studied, functions and composition of SPCS are described, advantages and disadvantages of various SPCS architectures of independent, balance, combination and ring are compared, factors considered for design are analyzed. Key design points for SPCS architecture are drawn which can be used as reference in SPCS design.

Key words:deep-water oilfield development; subsea production system; subsea production control system; control system configuration

作者简介：谭壮壮(1988—)，男，山西长治人，2014年毕业于中国石油大学(北京)控制科学与工程专业，获硕士学位，现就职于中国石油集团海洋工程有限公司，从事海洋石油工程仪讯设计工作，任助理工程师。

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)03-0013-05

稿件收到日期： 2015-12-25，修改稿收到日期： 2016-03-20。