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强势突围:电控系统制霸深水井控

强势突围:电控系统制霸深水井控

深水井开采难度不言而喻,在以往的应用中,深水井控技术都以液压技术为主,但也存在着诸多缺点。相较而言,电控技术是一种新兴手段,能够提高开采效率和作业安全性,并大幅降低成本。

来自 | Total; HAL; SLB等
编译 | 张德凯 影子

当前,深水井控领域的优质手段几乎都以液压技术为基础。通常来讲,液压油从主机设备通过脐带缆内的液压管线直接作用于深水井,根据需要,还可不同比例的液压油分配至不同的井筒。显而易见,相对于电控技术,液压技术存在着效率低、精准度差等缺点,为了改变这一趋势,K5F3是世界上首口全电控深水井已在2016年8月4日投入生产。本文介绍了与当前最先进的液压技术相比,深水电子控制的优势。

电控系统优势

降低成本

如果要考虑为油气行业引进如电子控制等新技术,就必须设定引进成功的标准,比如显著降低资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)、改善HSE状况,同时还要具有快速部署的特点。

为了实现电子控制系统的应用,同时将其与常规的电动液压系统作比较,Total携手Halliburton及OneSubsea,共同建立了一个案例,其中包括五口采油井、一口注气井和三口注水井,以便于对比新旧技术在降本增效方面的作用。最终,该研究得出如下结论:相对于同等规模的电液多通道控制系统,电控技术具有一系列优势。

提高操作效率

在大多数情况下,深水电控开采系统都具有明显优势,特别是在超深水开采或长距离油气输送方面。不管水深如何,电动马达都能保持高水平效率和全扭矩能力,而液压技术则必须克服海水静压,效率较低。

此外,使用高压直流进行长距离电力输送远比交流电或液压方法更有效。

如能将液压管线从脐带缆中去除,减少液压控制器的数量,开采系统将具有更多优势。例如,电控脐带缆的横截面更小,在同等状况下,生产和卷绕的连续长度就更长。此外,电缆的整体重量更轻,就可以使用更轻便的安装设备。而且在长距离输送中,脐带缆中的接头数量将大幅减少或完全消除。

改善HSE水平

全电动系统无需液压油,不存在环境污染问题,同时还消除了高压相关的安全问题。

应用潜力

与常规电液控制系统相比,电控系统能为水下提供更高水平的电力控制能力,可以在水下进行更多工具的操纵和安装,如传感器、流量计等。此外,它还有助于智能井、新型传感器和数字流量控制阀的配置。

技术发展现状

电控采油树

自20世纪90年代以来,深水油田服务商从未停止全电动海底生产系统的开发。通过建立严格的产品开发和资格认证计划,已完成了多种技术的开发和测试。2004年,有服务商完成了一次成功的现场试验,向着实际应用又迈出了坚实的一步。2006年,第一个全电控海底生产系统项目开始实施,包含两个采油树及配套的生产控制、安装和修井控制系统。最终该项目于2008年完成并投入了实际应用。

电控系统综述

全电控海底生产系统采用直流电进行驱动,通过使用电动阀门,完全替代了传统海底液压生产控制系统。每一套电控系统经过专门设计,目标是将地面设备、动力、通信传输与所有海底控制设备集成为一个整体系统,提高设备的可靠性和耐用性。

在控制端,电控系统包括双冗余主控站(MCS)、两个独立的高压电力单元(EPU)和一个顶部脐带缆终端单元(TUTU)。MCS内部是一个标准的人机界面,用于控制和监控所有的顶部和海底生产设备。EPU由主机设备供电,并将其转换为高压电,以便传输到连接的海底设备。此外,EPU还配备了一个由铜缆调制解调器构成的双工器,可以将通信信号叠加到电力线上。作为一个完全冗余的组件,电力系统通过TUTU将两条独立的电力、信号线路通过主脐带缆连接到海底设备。

与TUTU连接的是拖曳式阳极封装包,阳极构成海水回流通道的一部分,一般置于水下并靠近平台。作为脐带缆的一部分,电力和通信线路(同轴电缆)的终点是海底的脐带缆终端组件,此后,电力和通信信号通过电子浮动引线被分配到制定的海底设备。每个水下采油树都配有两个独立的电子海底控制模块(ESCM),确保工作顺利进行。

发展趋势

控制系统的实际操作反馈证实,在水下采油树上安装两个独立的ESCM及固定基座并不是理想方案。根据最初的设计,如果一个通道上的ESCM失效,那么在修复ESCM的同时,可以通过另一个ESCM继续操控采油树。在实际工作中,在操作水下机器人或潜水员进行干预作业时,采油树通常为关闭状态;因此,安装两个采油树并不会带来翻倍的效果,并且一个基座即可满足冗余ESCM的安装。这种安装方法既可以降低硬件成本,同时又保持最初设计的ESCM系统可用性。

第一代ESCM的每个触发器和传感器都有足够的冗余设计。设计人员讨论结果表明,这种冗余设计并不是必需的,并且一些非关键功能可以通过ESCM的单通道方式操作。因此,新一代设计应该具有非常高的灵活性,即可以通过单通道控制满足任何设计的冗余要求。

安装于K5F3的电控系统使用同轴电缆进行电力传输,并使用专有通讯技术将数据信号与其叠加。通过该项技术的实施,证实了高比特率数据传输和开放式架构通信技术的优势。对于电力传输而言,双心或四心电缆都可以使用。

电控井下安全阀(ESCSSV)

当前ESCSSV的控制都是通过引入浮动磁耦合井下安全阀实现的,阀门触发装置一般处于密闭腔室中,与井筒压力隔绝。触发装置一般为置于可回收(通过液压管线)安全阀(TRSV)内部的活塞杆,通过磁力耦合的方式与油管连接。将触发开关置于与井压隔离的密封腔室中,那么TRSV的控制就不会受到井筒压力的影响。这种设计显著降低了安全阀所需的开启压力,为紧凑型线性触发器的使用打下了基础。

完成ESCSSV设计的关键在于开发出耐用、紧凑、低功耗的线性触发器。ESCSSV中的电动触发器取代了传统的TRSV液压活塞组件,如果井筒要投入生产,触发器就会为ESCSSV的完全开启提供动力。电控系统还采用了与传统液压安全阀相同自动防故障装置,在接受指令或紧急情况下(如失去动力,紧急关停),阀门将自动关闭。ESCSSV电动触发器使用直流步进电机为ESCSSV的触发打开提供动力。

技术总结

电控技术极大的简化了安全操作系统,能够大幅降低CAPEX和OPEX。此外,与现有的传统电液控制系统相比,电控技术消除了液压油使用,无相关污染风险,改善了对环境的影响; 同时,由于避免顶部高压设备使用,工作环境也更加安全。

实际应用表明,通过弹簧控制的自动防故障装置非常有效,尤其是当油井处于不可控状态时,基于此,设计人员认为电控系统的这一特性应该推广应用至更大的阀门设备中。

当然,这一代直流电控技术也存在缺点,比如缺少模拟阀指示器。电控系统采用了电动触发器设计,因此无法再安装模拟阀指示器或机械阀覆盖控制器,而这两项功能在水下机器人检测和电缆作业中都很重要,这也是电控技术在未来发展中应该继续改进提高的地方。

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二丫
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(北京),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。如需获取更多技术资料,请联系二丫(QQ295900524;微信13132550596)

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