CN110566180A - 深水测试管柱安全装置先导液压控制系统 - Google Patents

深水测试管柱安全装置先导液压控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及海洋油气开发领域，公开了一种深水测试管柱安全装置先导液压控制系统，包括地面控制平台、地面液压动力单元、水下液压控制系统、液压执行器和脐带系统。根据作业工艺需要或在特殊工况下，地面控制平台控制地面液压动力单元中的液压油和化学试剂供给，经脐带系统传输到水下液压控制系统中，将其中水下蓄能器组的高压液压油导通，实现对液压执行器的驱动，本发明实现由地面对液压执行器的先导液压控制，有效提高了深水测试管柱安全装置的可控距离，且具有成本低，结构简单，可靠性高等特征，可以更好地保障深水测试安全作业。

Description

深水测试管柱安全装置先导液压控制系统
技术领域
本发明涉及一种深水测试管柱安全装置控制系统，属于海洋油气开发领域。
背景技术
目前，深水测试作业平台一般采用半潜式钻井平台或钻井船等浮式结构物，受海上风、浪、涌和海流影响，平台会发生升沉、横摇等运动，与之相连的深水测试管柱将会发生偏移、断裂和爆炸等危险情况，此时为了避免发生人员伤亡、财产损失和环境污染等严重事故，必须及时将测试深水测试管柱上下分离，并封堵内部高压油气。
深水测试管柱安全装置位于深水测试管柱串下部，由水下测试树连接器、水下测试树安全阀、止回阀组成，其中水下测试树连接器用于实现深水测试管柱的解脱，水下测试树安全阀用于剪切油管、电缆和对下部油气进行封堵，止回阀安装位于水下测试树连接器上部，在水下测试树连接器断开连接前，需先关闭止回阀，实现对上部油气的封堵和泄掉内部压力。而深水测试管柱安全装置先导液压控制系统就是应用于该套装置，该控制系统需要实现针对不同作业情况完成指定流程，控制对象包括水下测试树连接器液压缸、水下测试树安全阀液压缸、水止回阀液压缸。
在近50年海洋油气开发过程中,深水测试管柱安全装置控制系统在欧美国家已拥有了较为成熟的研究,并广泛应用于西非、巴西、爱尔兰、安哥拉等深水油气测试作业过程中，目前主要有直接液压控制系统、先导液压控制系统、电液控制系统和全电控制系统。
我国深水测试研究起步较晚，深水测试作业主要依靠国外测试公司，国外对于关键技术的垄断与封闭大大阻碍了我国深水测试发展，这导致我国对于深水测试管柱安全装置控制系统的研究几近空白，现在已经在水下测试树、止回阀等的机械结构上开展了一些简化和优化设计，但并没有与之匹配的控制系统。
所提出的深水测试管柱安全装置先导液压控制系统能满足以下需求：
1.能实现地面平台对深水测试管柱安全装置的直接控制，并能监测系统压力；
2.能够实现深水测试管柱安全装置的解脱与重新连接，能够在不同作业情况下实现不同解脱动作；
3.能够实现对水下测试树安全阀腔室的化学试剂填充，防止水合物生成；
4.能够适配现在国内优化后的深水测试管柱安全装置。
发明内容
本发明所需要解决的技术问题在于针对国内对于深水测试管柱安全装置控制系统研究几近空白这一现状，提出一种先导液压控制系统，实现对国内简化和优化后的液压执行器的适配，具有结构简单、成本低、可靠性高等特征，能够实现深水测试管柱安全装置的解脱和重新连接。
1.一种深水测试管柱安全装置先导液压控制系统，其特征在于，包括：地面控制平台（0-1）、地面液压动力单元（0-2）、水下液压控制系统（0-3）、液压执行器（0-4）和脐带系统（0-5）。所述的地面控制平台（0-1）包括电源接触器（1）串口服务器（2）、地面控制面板（3）、交换机(4)、下位机（5）、继电器（6）、电磁换向阀（7）和液压站（20）；所述的地面液压动力单元（0-2）包括水下测试树动力单元（8）、止回阀动力单元（9）、化学试剂动力单元（10）和回油站（11）；所述的水下液压控制系统（0-3）包括回油路（12）、止回阀控制回路（13）和水下测试树控制回路（17）；所述的液压执行器（0-4）包括止回阀（14）、水下测试树连接器（15）和水下测试树安全阀（16）；所述的脐带系统（0-5）包括脐带缆（18）和脐带缆绞车（19）。
所述的水下测试树动力单元（8）包括第一油箱（8-1）、第一高压泵回路（8-2）、第一减压回路（8-3）、第一电磁换向阀（8-4）、第一地面蓄能器（8-5）和第二电磁换向阀（8-6）。
所述的止回阀动力单元（9）包括第二油箱（9-1）、第二高压泵回路（9-2）、第二减压回路（9-3）、第三电磁换向阀（9-4）和第二地面蓄能器（9-5）。
所述的化学试剂动力单元（10）包括第三油箱（10-1）、第三高压泵回路（10-2）、第三减压回路（10-3）、第四电磁换向阀（10-4）和第三地面蓄能器（10-5）。
所述的回油站（11）包括第四油箱（11-1）和地面过滤器（11-2）；
所述的回油路（12）包括补偿水下蓄能器（12-1）、第一调压回路（12-2）和液控换向阀出油口（12-3）；
所述的止回阀控制回路（13）包括止回阀水下蓄能器（13-1）、第二调压回路（13-2）和第一液控换向阀（13-3）。
所述的水下测试树控制回路（17）包括水下测试树水下蓄能器（17-1）、第二液控换向阀（17-2）、第三液控换向阀（17-3）和第三调压回路（17-4）。
所述的脐带缆（18）包括水下测试树安全阀/连接器断开控制管道（18-1）、止回阀控制管道（18-2）、化学试剂注入管道（18-3）、回油管道（18-4）和水下测试树连接器连接控制管道（18-5）。
所述的高压泵回路包括地面单向阀、地面过滤器、压力表和高压泵；所述的减压回路包括地面溢流阀、地面减压阀、电磁换向阀；所述的调压回路包括水下溢流阀、水下单向阀和水下压力传感器。
其中地面控制平台（0-1）与地面液压动力单元（0-2）和脐带系统（0-5）电连接，地面液压动力单元（0-2）通过脐带系统（0-5）与水下液压控制系统（0-3）管道连接，水下液压控制系统（0-3）与液压执行器（0-4）管道连接，电源接触器（1）与脐带缆绞车（19）和液压站（20）电连接，液压站（20）与电磁换向阀（7）管道连接，液控换向阀出油口（12-3）与回油管道（18-4）相连，第一液控换向阀（13-3）与止回阀（14）管道连接，第二液控换向阀（17-2）与水下测试树连接器（15）管道连接，第三液控换向阀（17-3）与和水下测试树连接器（15）和水下测试树安全阀（16）管道连接，化学试剂注入管道（18-3）与水下测试树安全阀（16）相连。
2.进一步地，根据作业工艺需要或者在特殊工况下，所述的地面控制平台（0-1）控制地面液压动力单元（0-2）中的高压泵启停、电磁换向阀换向，实现高压泵中的液压油和化学试剂供给至脐带缆，由脐带系统（0-5）中的脐带绞车将脐带缆进行运输，水下液压控制系统（0-3）将脐带缆中的液压油和化学试剂分别传输给液控换向阀控制端和水下测试树安全阀腔室，由水下蓄能器提供高压液压油，分别实现对液压执行器（0-4）的液压驱动和复位时的回油补偿。
控制系统包括正常作业流程、正常解脱流程、紧急解脱流程和重新连接流程：
所述的正常作业流程步骤如下：
检测平台位移、深水测试管柱偏移角度和系统压力是否正常，将水下测试树连接器紧闭，打开水下测试树安全阀和止回阀，向水下测试树安全阀腔室注入化学试剂；
所述的正常解脱流程步骤如下：
系统分析是否需要正常解脱，按下正常解脱按钮，停止深水测试工作，将水下测试树安全阀关闭，将止回阀关闭，将水下测试树连接器断开，使深水测试管柱安全装置进行解脱，从而实现安全撤离；
所述的紧急解脱流程步骤如下：
系统分析是否需要紧急解脱，按下紧急解脱按钮，停止深水测试工作，将止回阀关闭，使用深水剪切闸板对剪切短节进行剪切，使深水测试管柱安全装置进行紧急解脱，从而实现安全撤离；
所述的重新连接流程步骤如下：
系统分析是否可以重新连接，按下重新连接按钮，将水下测试树连接器连接，将止回阀开启，将水下测试树安全阀开启，随后注入化学试剂，使深水测试管柱安全装置进行重新连接，可以开始深水测试作业。
进一步地，所述的地面控制平台根据作业工艺需要或者平台位移、深水测试管柱偏移角度和特殊工况发出电信号，输出为继电器。
进一步地，所述的水下液压控制系统设有水下测试树和止回阀水下蓄能器提供的高压供给管道、地面提供的的控制管道、回油管道和化学试剂注入管道。高压供给管道与液控换向阀进油口相连，控制管道与液控换向阀控制端相连，回油管道与液控换向阀出油口相连，化学试剂注入管道与水下测试树安全阀腔室相连。
进一步地，所述的水下液压控制系统中的水下压力传感器用于记录一次深水测试作业过程中的实际工况压力变化。
进一步地，所述的水下液压控制系统中单独设有水下测试树连接器开启回路和水下测试树连接器关闭回路，所述的液压控制系统中水下测试树连接器关闭和水下测试树安全阀动作采用同一根液控管线控制，通过设置液控换向阀控制端开启压力不同，提升水下测试树控制管道压力，实现顺序启动。
本发明的效益：
1.提出了一种深水测试管柱安全装置先导液压控制系统，实现了对国内简化和优化后的液压执行器的适配，解决了在作业工艺需要或特殊工况下，地面平台直接控制深水测试管柱安全装置的解脱和重新连接。
2.将水下测试树连接器关闭和水下测试树安全阀动作采用同一条液控管线控制，有效减少了液控管线数目，简化了控制系统，节约成本。
3.设立化学试剂注入功能，能防止在深水测试过程中水合物的生成
附图说明：
图1是本发明的控制系统结构示意图
图2是本发明的地面液压动力单元液压图；
图3是本发明的水下液压控制系统液压图；
图4是本发明的控制系统原理图
图中0-1为地面控制平台，0-2为地面液压动力单元，0-3为水下液压控制系统，0-4为液压执行器，0-5为脐带系统；1电源接触器，2串口服务器，3地面控制面板，4交换机，5下位机，6继电器，7电磁换向阀，8水下测试树动力单元，9止回阀动力单元，10化学试剂动力单元，11回油站，12回油回路，13止回阀控制回路，14止回阀，15水下测试树连接器，16水下测试树安全阀，17水下测试树控制回路，18脐带缆，19脐带绞车，20液压站。
具体实施方式
1.下面结合图中的具体实例对本发明做进一步详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
2.在直接液压控制系统的基础上，结合优化后的安全装置结构设计了一套深水测试管柱安全装置先导液压控制系统。
3.如图2所示，201回油管线A，202化学试剂管线B，203止回阀液控管线C，204水下测试树连接器重新连接液控管线D，205水下测试树连接器断开/安全阀关闭液控管线E；211、212、213、214、215地面压力表；221、222、223、224电磁换向阀；231、232、233地面补偿蓄能器；241、242地面减压阀；251、252、255地面溢流阀，253地面先导式溢流阀，254电磁换向阀；261化学试剂高压泵，262止回阀高压泵，263水下测试树高压泵。
液控管线D和E中的液压控制信号由水下测试树高压泵263提供，经二级调压回路中地面先导式溢流阀253、电磁换向阀254、地面溢流阀255调节后可以提供两种压力大小的液压控制信号，经过滤器过滤后，传输至电磁换向阀223、224进油口，由地面压力表214、215监测液控管线D和E压力;
液压管线C 中的液压控制信号由止回阀高压泵262提供，经地面溢流阀252、地面减压阀242、过滤器、地面补偿蓄能器232调节后，传输至电磁换向阀222进油口，由地面压力表212监测液控管线B压力;
液压管线B中的液压控制信号由止回阀高压泵261提供，经地面溢流阀251、地面减压阀241、过滤器、地面补偿蓄能器231调节后，传输至电磁换向阀221进油口，由地面压力表211监测液控管线B压力;
回油管线A中的液压油经单向阀、过滤器回到油箱，由地面压力表211监测回油管线A压力。
4.如图3所示，301水下测试树蓄能器，302止回阀蓄能器，303补偿蓄能器；311、312、313水下溢流阀；321三位四通液控换向阀，322、323液控换向阀；331、332顺序阀；341、342、343、344水下压力传感器；351水下测试树连接器液压缸，352水下测试树安全阀液压缸，353止回阀液压缸，354水下测试树安全阀腔室。
正常解脱流程：
液控管线E中液压控制信号传输至三位四通液控换向阀321控制端（压力不能使其换向）和液控换向阀322控制端，液控换向阀322切换至上位，水下测试树蓄能器301中高压液压油经溢流阀311溢流后传输至液控换向阀322进油口，驱动水下测试树安全阀液压缸，水下测试树安全阀关闭；液控管线C中液压控制信号传输至液控换向阀323控制端，液控换向阀323切换至上位，止回阀蓄能器302中高压液压油经溢流阀312溢流后传输至液控换向阀323进油口，驱动止回阀液压缸，止回阀关闭，顺序阀322导通；提高液控管线E中液压控制信号压力，三位四通液控换向阀321切换至上位，水下测试树蓄能器301中高压液压油经溢流阀311溢流后传输至三位四通液控换向阀321进油口，驱动水下测试树连接器液压缸，水下测试树连接器断开，实现深水测试管柱安全装置正常解脱。
紧急解脱流程：
液控管线C中液压控制信号传输至液控换向阀323控制端，液控换向阀323切换至上位，止回阀蓄能器302中高压液压油经溢流阀312溢流后传输至液控换向阀323进油口，驱动止回阀液压缸，止回阀关闭，深水剪切闸板对剪切短节进行剪切，实现深水测试管柱安全装置紧急解脱。
重新连接流程：
液控管线D中液压控制信号传输至液控换向阀321控制端，液控换向阀321切换至下位，补偿蓄能器303中高压液压油经溢流阀313溢流后对液压执行器回油路进行压力补偿，驱动水下测试树连接器液压缸、止回阀液压缸，水下测试树连接器重新连接、止回阀开启，顺序阀331导通，驱动水下测试树安全阀液压缸，水下测试树安全阀液开启，实现深水测试管柱安全装置重新连接。
5.如图4所示，图中401为地面控制平台，402为地面溢流阀，403为高压泵，404为地面过滤器，405为油箱，406为地面补偿蓄能器，407为水下压力传感器，408为液压执行器，409为水下液控换向阀，410、411为水下溢流阀，412为水下蓄能器，413为脐带缆，414为压力表，415为电磁换向阀，416为地面减压阀。
根据作业工艺需要或者在特殊工况下，地面控制平台401发出电信号，使电磁换向阀415换向，液压控制信号由高压泵403提供，经地面溢流阀402和地面减压阀416减压、地面补偿蓄能器406补偿压力后，经脐带缆413的液控管道，传输至液控换向阀409的控制端，使液控换向阀409换向，水下蓄能器组412中的高压液压油经水下溢流阀410溢流后传输至液控换向阀409的进油口，实现对液压执行器的驱动；液压执行器复位时，水下蓄能器组412中的高压液压油对回油路进行压力补偿，液压油经脐带缆413的回油管道、地面单向阀、地面过滤器404回到油箱405。

Claims (5)

1.一种深水测试管柱安全装置先导液压控制系统及其方法，其特征在于，包括：地面控制平台（0-1）、地面液压动力单元（0-2）、水下液压控制系统（0-3）、液压执行器（0-4）和脐带系统（0-5）,
所述的地面控制平台（0-1）包括电源接触器（1）串口服务器（2）、地面控制面板（3）、交换机(4)、下位机（5）、继电器（6）、电磁换向阀（7）和液压站（20）；所述的地面液压动力单元（0-2）包括水下测试树动力单元（8）、止回阀动力单元（9）、化学试剂动力单元（10）和回油站（11）；所述的水下液压控制系统（0-3）包括回油回路（12）、止回阀控制回路（13）和水下测试树控制回路（17）；所述的液压执行器（0-4）包括止回阀（14）、水下测试树连接器（15）和水下测试树安全阀（16）；所述的脐带系统（0-5）包括脐带缆（18）和脐带缆绞车（19）,
所述的水下测试树动力单元（8）包括第一油箱（8-1）、第一高压泵回路（8-2）、第一减压回路（8-3）、第一电磁换向阀（8-4）、第一地面蓄能器（8-5）和第二电磁换向阀（8-6）,
所述的止回阀动力单元（9）包括第二油箱（9-1）、第二高压泵回路（9-2）、第二减压回路（9-3）、第三电磁换向阀（9-4）和第二地面蓄能器（9-5）,
所述的化学试剂动力单元（10）包括第三油箱（10-1）、第三高压泵回路（10-2）、第三减压回路（10-3）、第四电磁换向阀（10-4）和第三地面蓄能器（10-5）,
所述的回油站（11）包括第四油箱（11-1）和地面过滤器（11-2）；
所述的回油回路（12）包括补偿水下蓄能器（12-1）、第一调压回路（12-2）和液控换向阀出油口（12-3）；
所述的止回阀控制回路（13）包括止回阀水下蓄能器（13-1）、第二调压回路（13-2）和第一液控换向阀（13-3）,
所述的水下测试树控制回路（17）包括水下测试树水下蓄能器（17-1）、第二液控换向阀（17-2）、第三液控换向阀（17-3）和第三调压回路（17-4）,
所述的脐带缆（18）包括水下测试树安全阀/连接器断开控制管道（18-1）、止回阀控制管道（18-2）、化学试剂注入管道（18-3）、回油管道（18-4）和水下测试树连接器连接控制管道（18-5）,
其中地面控制平台（0-1）与地面液压动力单元（0-2）和脐带系统（0-5）电连接，地面液压动力单元（0-2）通过脐带系统（0-5）与水下液压控制系统（0-3）管道连接，水下液压控制系统（0-3）与液压执行器（0-4）管道连接，电源接触器（1）与脐带缆绞车（19）和液压站（20）电连接，液压站（20）与电磁换向阀（7）管道连接，液控换向阀出油口（12-3）与回油管道（18-4）相连，第一液控换向阀（13-3）与止回阀（14）管道连接，第二液控换向阀（17-2）与水下测试树连接器（15）管道连接，第三液控换向阀（17-3）与和水下测试树连接器（15）和水下测试树安全阀（16）管道连接，化学试剂注入管道（18-3）与水下测试树安全阀（16）相连。
2.根据权利要求1所述的一种深水测试管柱安全装置先导液压控制系统，其特征是，根据作业工艺需要或者在特殊工况下，所述的地面控制平台（0-1）控制地面液压动力单元（0-2）中的高压泵启停、电磁换向阀换向，实现高压泵中的液压油和化学试剂供给至脐带缆，由脐带系统（0-5）中的脐带绞车将脐带缆进行运输，水下液压控制系统（0-3）将脐带缆中的液压油和化学试剂分别传输给液控换向阀控制端和水下测试树安全阀腔室，由水下蓄能器提供高压液压油，分别实现对液压执行器（0-4）的液压驱动和复位时的回油补偿。
3.根据权利要求1所述的一种深水测试管柱安全装置先导液压控制系统，其特征是，所述的地面控制平台根据作业工艺需要、平台位移、深水测试管柱偏移角度和特殊工况发出电信号，输出为继电器。
4.根据权利要求1所述的一种深水测试管柱安全装置先导液压控制系统，其特征是，所述的水下液压控制系统设有水下测试树和止回阀水下蓄能器提供的高压供给管道、地面液压动力单元提供的的控制管道、回油管道和化学试剂注入管道,
高压供给管道与液控换向阀进油口相连，控制管道与液控换向阀控制端相连，回油管道与液控换向阀出油口相连，化学试剂注入管道与水下测试树安全阀腔室相连。
5.根据权利要求4所述的一种深水测试管柱安全装置先导液压控制系统，其特征是，所述的水下液压控制系统中单独设有水下测试树连接器开启回路和水下测试树连接器关闭回路，所述的液压控制系统中水下测试树连接器关闭和水下测试树安全阀动作采用同一根液控管线控制，通过设置液控换向阀控制端开启压力不同，提升水下测试树控制管道压力，实现顺序启动。
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刘清友: "深水油气井测试海底控制系统及其关键设备", 《石油机械》 *

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