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強勢突圍:電控系統制霸深水井控

強勢突圍:電控系統制霸深水井控

深水井開采難度不言而喻,在以往的應用中,深水井控技術都以液壓技術為主,但也存在著諸多缺點。相較而言,電控技術是一種新興手段,能夠提高開采效率和作業安全性,并大幅降低成本。

來自 | Total; HAL; SLB等
編譯 | 張德凱 影子

當前,深水井控領域的優質手段幾乎都以液壓技術為基礎。通常來講,液壓油從主機設備通過臍帶纜內的液壓管線直接作用于深水井,根據需要,還可不同比例的液壓油分配至不同的井筒。顯而易見,相對于電控技術,液壓技術存在著效率低、精準度差等缺點,為了改變這一趨勢,K5F3是世界上首口全電控深水井已在2016年8月4日投入生產。本文介紹了與當前最先進的液壓技術相比,深水電子控制的優勢。

電控系統優勢

降低成本

如果要考慮為油氣行業引進如電子控制等新技術,就必須設定引進成功的標準,比如顯著降低資本支出(CAPEX)和運營支出(OPEX)、改善HSE狀況,同時還要具有快速部署的特點。

為了實現電子控制系統的應用,同時將其與常規的電動液壓系統作比較,Total攜手Halliburton及OneSubsea,共同建立了一個案例,其中包括五口采油井、一口注氣井和三口注水井,以便于對比新舊技術在降本增效方面的作用。最終,該研究得出如下結論:相對于同等規模的電液多通道控制系統,電控技術具有一系列優勢。

提高操作效率

在大多數情況下,深水電控開采系統都具有明顯優勢,特別是在超深水開采或長距離油氣輸送方面。不管水深如何,電動馬達都能保持高水平效率和全扭矩能力,而液壓技術則必須克服海水靜壓,效率較低。

此外,使用高壓直流進行長距離電力輸送遠比交流電或液壓方法更有效。

如能將液壓管線從臍帶纜中去除,減少液壓控制器的數量,開采系統將具有更多優勢。例如,電控臍帶纜的橫截面更小,在同等狀況下,生產和卷繞的連續長度就更長。此外,電纜的整體重量更輕,就可以使用更輕便的安裝設備。而且在長距離輸送中,臍帶纜中的接頭數量將大幅減少或完全消除。

改善HSE水平

全電動系統無需液壓油,不存在環境污染問題,同時還消除了高壓相關的安全問題。

應用潛力

與常規電液控制系統相比,電控系統能為水下提供更高水平的電力控制能力,可以在水下進行更多工具的操縱和安裝,如傳感器、流量計等。此外,它還有助于智能井、新型傳感器和數字流量控制閥的配置。

技術發展現狀

電控采油樹

自20世紀90年代以來,深水油田服務商從未停止全電動海底生產系統的開發。通過建立嚴格的產品開發和資格認證計劃,已完成了多種技術的開發和測試。2004年,有服務商完成了一次成功的現場試驗,向著實際應用又邁出了堅實的一步。2006年,第一個全電控海底生產系統項目開始實施,包含兩個采油樹及配套的生產控制、安裝和修井控制系統。最終該項目于2008年完成并投入了實際應用。

電控系統綜述

全電控海底生產系統采用直流電進行驅動,通過使用電動閥門,完全替代了傳統海底液壓生產控制系統。每一套電控系統經過專門設計,目標是將地面設備、動力、通信傳輸與所有海底控制設備集成為一個整體系統,提高設備的可靠性和耐用性。

在控制端,電控系統包括雙冗余主控站(MCS)、兩個獨立的高壓電力單元(EPU)和一個頂部臍帶纜終端單元(TUTU)。MCS內部是一個標準的人機界面,用于控制和監控所有的頂部和海底生產設備。EPU由主機設備供電,并將其轉換為高壓電,以便傳輸到連接的海底設備。此外,EPU還配備了一個由銅纜調制解調器構成的雙工器,可以將通信信號疊加到電力線上。作為一個完全冗余的組件,電力系統通過TUTU將兩條獨立的電力、信號線路通過主臍帶纜連接到海底設備。

與TUTU連接的是拖曳式陽極封裝包,陽極構成海水回流通道的一部分,一般置于水下并靠近平臺。作為臍帶纜的一部分,電力和通信線路(同軸電纜)的終點是海底的臍帶纜終端組件,此后,電力和通信信號通過電子浮動引線被分配到制定的海底設備。每個水下采油樹都配有兩個獨立的電子海底控制模塊(ESCM),確保工作順利進行。

發展趨勢

控制系統的實際操作反饋證實,在水下采油樹上安裝兩個獨立的ESCM及固定基座并不是理想方案。根據最初的設計,如果一個通道上的ESCM失效,那么在修復ESCM的同時,可以通過另一個ESCM繼續操控采油樹。在實際工作中,在操作水下機器人或潛水員進行干預作業時,采油樹通常為關閉狀態;因此,安裝兩個采油樹并不會帶來翻倍的效果,并且一個基座即可滿足冗余ESCM的安裝。這種安裝方法既可以降低硬件成本,同時又保持最初設計的ESCM系統可用性。

第一代ESCM的每個觸發器和傳感器都有足夠的冗余設計。設計人員討論結果表明,這種冗余設計并不是必需的,并且一些非關鍵功能可以通過ESCM的單通道方式操作。因此,新一代設計應該具有非常高的靈活性,即可以通過單通道控制滿足任何設計的冗余要求。

安裝于K5F3的電控系統使用同軸電纜進行電力傳輸,并使用專有通訊技術將數據信號與其疊加。通過該項技術的實施,證實了高比特率數據傳輸和開放式架構通信技術的優勢。對于電力傳輸而言,雙心或四心電纜都可以使用。

電控井下安全閥(ESCSSV)

當前ESCSSV的控制都是通過引入浮動磁耦合井下安全閥實現的,閥門觸發裝置一般處于密閉腔室中,與井筒壓力隔絕。觸發裝置一般為置于可回收(通過液壓管線)安全閥(TRSV)內部的活塞桿,通過磁力耦合的方式與油管連接。將觸發開關置于與井壓隔離的密封腔室中,那么TRSV的控制就不會受到井筒壓力的影響。這種設計顯著降低了安全閥所需的開啟壓力,為緊湊型線性觸發器的使用打下了基礎。

完成ESCSSV設計的關鍵在于開發出耐用、緊湊、低功耗的線性觸發器。ESCSSV中的電動觸發器取代了傳統的TRSV液壓活塞組件,如果井筒要投入生產,觸發器就會為ESCSSV的完全開啟提供動力。電控系統還采用了與傳統液壓安全閥相同自動防故障裝置,在接受指令或緊急情況下(如失去動力,緊急關停),閥門將自動關閉。ESCSSV電動觸發器使用直流步進電機為ESCSSV的觸發打開提供動力。

技術總結

電控技術極大的簡化了安全操作系統,能夠大幅降低CAPEX和OPEX。此外,與現有的傳統電液控制系統相比,電控技術消除了液壓油使用,無相關污染風險,改善了對環境的影響; 同時,由于避免頂部高壓設備使用,工作環境也更加安全。

實際應用表明,通過彈簧控制的自動防故障裝置非常有效,尤其是當油井處于不可控狀態時,基于此,設計人員認為電控系統的這一特性應該推廣應用至更大的閥門設備中。

當然,這一代直流電控技術也存在缺點,比如缺少模擬閥指示器。電控系統采用了電動觸發器設計,因此無法再安裝模擬閥指示器或機械閥覆蓋控制器,而這兩項功能在水下機器人檢測和電纜作業中都很重要,這也是電控技術在未來發展中應該繼續改進提高的地方。

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