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水下油气生产系统控制模块组成及应用

摘要本文以南海某气田工程项目为背景，介绍了水下采油树控制模块在油

气田开发中的使用情况，简单分析了水下控制模块的工作原理、组成结构以及控

制方式，为今后水下油气生产系统中电液复合控制系统的使用提供实践参考。

关键词复合电液控制；水下生产系统；控制系统；水下控制模块

前言

南海某气田位于中国南海东部珠江口盆地，距香港东南约250公里，水深最

深约350米。该气田依靠气田自身压力，通过水下采油树利用海底管道接到PY

中心平台，然后接到LW中心平台，与气田群生产的天然气混合后，外输至陆地

终端。

1水下生产控制系统

目前海洋油气开发工程中，水下生产控制系统大致分为三类：全液压控制系

统（直接液压、先导液压、顺序液压）；电液控制系统（直接电控液压系统、复

合电液控制系统、光电复合液压控制系统）和全电式控制系统[1]。该气田控制

系统采用了复合电液控制系统，将多个水下控制模块连接到同一根脐带缆的终端

上，在平台或浮体上的控制室可以操作水下设备的阀门及获取工作状态。其特点

是响应速度快、传输距离长、易实现集中控制。

2水下控制模块系统

水下控制模块是复合电液控制方式的重要组成部分，水下控制模块（SCM）

用于采集水下设施的数据、井下数据，控制水下阀门的开启、闭合。主要完成内

部压力传感器、节流阀位置指示器、下游压力/温度传感器、环空压力传感器、

井下压力/温度传感器、上游压力/温度传感器、多相流量计、化学药剂注入计量

阀、腐蚀监测器及砂传感器等的数据采集，并将信息发送至水面主控站，典型外

部连接图见图1。

2.1水下电子模块（SEM）系统

水下电子模块（SEM）是水下采油树控制模块的核心部件，采用冗余设计。

主要功能是接收水面主控站的控制信号，完成电磁阀的换向，从而引导液压液的

流向来驱动阀门执行器；另外，采集水下采油设备上的传感器数据，经过处理后

传送到水面主控站，实现水下油气生产的检测作用，保证水下生产的顺利进行。

水下电子模块采用模块化设计，包括阀门控制板、通信接口板（包括内部总

线通讯及外部通讯卡）、电源板、I/O板（数据采集板）和主控板等。主控站可以

对SEM程序进行重新配置，具备大容量的内存，可临时存储相关数据，典型水

下电子模块内部配置见图2。

2.2电液换向阀

电液换向阀通常安装在水下控制模块的密封腔体内。按照控制回路的压力等

级，可将电液换向阀分为高压和低压两类。高压阀门主要控制井下安全阀和智能

井控制阀，低压阀门主要控制采油树上的液压闸阀。按照阀芯的驱动类型，电液

换向阀又可分为单电控和双电控[2]。单电控阀通常成对使用，主要用于节流阀

步进执行机构的运动控制，双电控阀则主要用于控制具有双向运动能力的液压闸

阀。

2.3鎖紧结构

紧锁结构是水下控制模块的关键部件。运输时，将水下控制模块通过紧锁结

构锁紧在配套框架上，降低了液压接头等零部件遭到破坏的风险。安装时通过紧

锁结构施加的轴向力使液压接头对接的两端完全配合，实现液压回路导通。运行

时减轻水下机器人对模块本体的撞击或者其他外力的拖拽。反向操作紧锁结构进

行解锁，便可对单个的水下控制模块进行维修或者更换，从而最大化的保证整个

水下控制系统的连续运行。

2.4水下控制模块设计

水下控制模块设计需要考虑空间布置的合理性、安全性及可维护性。内部液

压源走向图如图3。由图可知，4路外部液压源汇总为2路，液压管路上设置过

滤器，用于保证液压油的清洁度；设置单向阀旁通回路，确保过滤器封堵情况下

的备用通道；设置流量计用于统计液压油的流量。

该井口采用了智能井控制技术。智能井技术是为了适应现代油藏经营管理和

信息技术应用于油藏开发而发展起来的新技术，利用放置在井下的传感器实时采

集井下设备的工况以及生产层段的压力、温度、流量、组分等参数，通过电缆或

者光缆将采集的信号传输到地面，利用开发的软件对数据进行挖掘、分析和学习，

结合油藏自动历史拟合技术和油藏数值模拟预测技术，形成管理决策信息系统，

通过控制系统反馈到井下对油层进行生产遥控、随时重新配置井身结构和提高油

井产状的生产技术。主要特征是利用井下层间控制阀ICV（IntervalControlValve）

控制各个储层流体，且可以在一个井眼内独立控制井下多个油层，使一口井同时

具备开采多个油层成为可能。通过生产动态的实时监