一种水下测试树立管控制系统的制作方法

本发明属于海洋油气开发测试领域，具体地涉及一种水下测试树立管控制系统。

背景技术：

用于海洋深水油气勘探开发的载体多为浮式平台(如钻井船)，受海上风、浪、流等的影响，浮式平台会发生升沉、纵摇、横摇等运动。深水测试是海洋深水油气资源开发中必不可少的环节之一。在深水测试作业过程中，若作业工艺需要或出现特殊工况，甚至遭遇恶劣海况如台风、潮汐、海啸等，需立即停止测试作业，通过平台防喷器组控制系统封堵海底井口环空，并由平台控制系统发出指令到水下测试树立管控制系统，由立管控制系统控制水下测试树安全阀迅速关闭海底井口管柱，封堵测试管柱内的高压流体；再由立管控制系统控制止回阀封堵测试管柱上部流体，最后由立管控制系统控制水下测试树连接器断开测试管柱，使浮式平台和测试管柱从海底井口分离，从而可以保护测试管柱的安全，或快速撤离浮式平台，以降低作业风险，确保平台及工作人员的安全，和对海洋环境的保护。如果在紧急情况，不能保证水下测试树系统的快速封堵和断开，则会造成深水测试管柱毁坏，可能发生泄露、火灾、爆炸等严重安全事故，严重威胁到工作人员的生命安全，导致巨大的设备及经济损失。

目前，国内用于深水测试的水下测试树系统还主要以租赁国外产品为主，并未形成具有自主知识产权的产品，仅仅在水下测试树系统的部分机械结构开展了较多研究，而对于水下测试树系统中的水下控制中心——立管控制系统，目前相关研究还较少。水下测试树系统是深水测试作业中保证深水测试管柱安全的关键装置。而立管控制系统是水下测试树系统能实现功能和作用的控制中心。

由于水下测试树系统关系着整个深水测试作业安全，因此，对其控制系统要求具有响应迅速，信号传递快、指令下达正确、执行系统快速响应并实时反馈等特征，同时对于其被控对象水下测试树、止回阀等要求设置多种应急预案、多种控制方式使其能及时、准确、有效地断开，以保证人员，设备安全，避免环境污染。因此，有必要设计出一种可快速、灵敏、可靠的水下测试树立管控制系统，以保障深水测试、修井和替喷等作业的安全。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种水下测试树立管控制系统，该系统具有响应迅速，信号传递快、指令下达正确、执行系统快速响应并实时反馈等特征，同时对于其被控对象水下测试树、止回阀等设置了多种应急预案、多种控制方式，有效提高了该系统的鲁棒性，更好地保障了深水测试、修井和替喷等作业的安全。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种水下测试树立管控制系统，其特征在于，包括：平台控制器、作业监测器、脐带管线、蓄能器、气液控制箱、海底立管控制系统及液压执行器液压缸，所述海底立管控制系统包括液压海底立管电子控制系统和海底立管液压控制系统，所述海底立管液压控制系统包括四个比例伺服阀，一个比例减压阀及四个顺序阀，所述的海底立管控制系统中还包括压力传感器、位移传感器、温度及流速传感器，所述液压执行器液压缸包括水下测试树及止回阀两大部分液压缸，所述的比例伺服阀及所述的比例减压阀分别与所述的海底立管电子控制系统的输出端电连接，所述的平台控制器与所述的作业监测器通信连接，所述平台控制器的输出端与所述的海底立管电子控制系统的输入端通过脐带管线电连接。

进一步地，所述平台控制器能够将作业环境工艺参数发送给所述的海底立管电子控制系统，所述的作业环境工艺参数包括平台位移，管柱角度，风力等级、浪流速度等，所述海底立管电子控制系统能够根据所述作业环境工艺参数判断出所述的水下测试树及止回阀液压缸工作流程，所述海底立管电子控制系统能够对所述的比例伺服阀及所述的比例减压阀下达动作命令，所述海底立管电子控制系统能够接受来自各电液执行器液压缸位移传感器及比例减压阀前后的压力传感器的信号，并将这些信号进行处理分析，并再次做出判断出所需要的工作流程并下达执行命令，所述海底立管电子控制系统能够将所述水下测试树、所述止回阀的工作情况发送给所述平台控制器，并在所述作业监测器上显示出来。

进一步地，本发明在所述的比例减压阀进油及出油口的连接管路上分别安装有压力传感器，各所述液压执行器液压缸分别设有位移传感器，各所述的压力传感器，位移传感器分别与海底立管电子控制系统的输入端电连通。

进一步地，本发明所述止回阀的阀门关闭管线与泄压筒打开管线并联，并在所述泄压筒打开管线上设有顺序阀，所述止回阀的阀门打开管线与所述泄压筒关闭管线并联，并在阀门打开管线上设有顺序阀。

进一步地，本发明所述水下测试树的连接器断开管线中设并联地有两个先导式顺序阀，一个所述的先导式顺序阀的先导管线与所述止回阀关闭管线及所述的先导式顺序阀进油口并联连通，另一个所述先导式顺序阀的先导管线与所述的安全阀1关闭管线及所述的先导式顺序阀进油口并联连通。

进一步地，本发明所述的海底立管电子控制系统带有实时性嵌入式处理器。

进一步地，本发明所述的蓄能器为气瓶式蓄能器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：提出了一种水下测试树立管控制系统，适用于深水的海洋油气测试作业，能够填补国内在水下测试树立管控制系统方面的空白。本发明提出了一中海底可实时处理，智能闭环控制，向平台反馈海底情况的深水油气测试水下测试树立管控制系统，并满足深水测试控制快速响应需要、拥有多种不同工况的应急预案以及多重电路及液压构架的顺序控制方式等要求。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种水下测试树立管控制系统结构示意图；

图2是本发明的海底立管控制系统原理图；

图3是本发明海底立管控制系统电控及液控分布示意图；

图4是本发明的智能闭环控制原理图。

其中1.平台控制器，2.作业监测器，3.人工控制器，4.气液控制箱，5.脐带管线，5-1.信号传输电缆，5-2.动力电传输电缆，5-3.气压补给管线，5-4.液压补给管线，6蓄能器，7.海底立管电子控制系统，7-1.控制输出端，7-2.信号输入端，8.海底立管液压控制系统，8-1.比例减压阀， 8-2.1、8-2.2、8-2.3、8-2.4.比例伺服阀，8-3.1、8-3.2.先导式顺序阀、8-4.1、8-4.2.顺序阀，9. 止回阀液压缸，9-1.止回阀阀门液压缸，9-2.止回阀泄压筒液压缸，10.水下测试树液压缸，10-1. 水下测试连接器液压缸，10-2.水下测试安全阀1液压缸，10-3.水下测试安全阀2液压缸，11-1、 11-2、11-3、11-4、11-5.液压缸位移传感器，12-1、12-2、12-3.压力传感器，13温度传感器， 14流速传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种水下测试树立管控制系统，其特征在于，包括：平台控制器1，作业监测器2，人工控制器3，气液控制箱4，脐带管线5，蓄能器6，海底立管电子控制系统7和海底立管液压控制系统8，海底立管液压控制系统8包括比例减压阀8-1，四个比例伺服阀8-2.1、 8-2.2、8-2.3、8-2.4，两个先导式顺序阀8-3.1、8-3.2，两个顺序阀8-4.1、8-4.2。具体地说，在图1中，蓄能器6与比例减压阀8-1进油口连通，比例减压阀8-1出油口与四个比例伺服阀8-2.1、8-2.2、8-2.3、8-2.4进油口连通，蓄能器6与液压补给管线5-4，气压补给管线5-3 下端相连接，液压补给管线5-4，气压补给管线5-3上端与气液控制箱相连接。由比例伺服阀 8-2.1、水下测试树连接器液压缸10-1组成第一回路，由比例伺服阀8-2.2、水下测试树安全阀1液压缸10-2组成第二回路，由比例伺服阀8-2.3、水下测试树安全阀2液压缸10-3组成第三回路，由比例伺服阀8-2.4、止回阀阀门液压缸9-1、止回阀泄压筒液压缸9-2组成第四回路，比例伺服阀8-2.1A端口与水下测试树连接器液压缸9-1油口A连通，比例伺服阀8-2.1B 端口与先导式顺序阀8-3.1进油口连通，先导管线与比例伺服阀8-2.4A端口及先导式顺序阀 8-3.1进油口并联连通，先导式顺序阀8-3.1出油口与先导式顺序阀8-3.2进油口相连，先导管线与比例伺服阀8-2.2A端口及先导式顺序阀8-3.2进油口并联连通，先导式顺序阀8-3.2出油口与水下测试树连接器液压缸10-1油口B连通，比例伺服阀8-2.2A端口与水下测试树安全阀1液压缸10-2油口A连通，比例伺服阀8-2.2B端口与水下测试树安全阀1液压缸10-2油口B连通，比例伺服阀8-2.3A端口与水下测试树安全阀2液压缸10-3油口A连通，比例伺服阀8-2.3B端口与水下测试树安全阀2液压缸10-3油口B连通，比例伺服阀8-2.4A端口与止回阀阀门液压缸9-1油口A、顺序阀8-4.2进油口相连，顺序阀8-4.2出油口与止回阀泄压筒液压缸9-2油口A相连，比例伺服阀8-2.4B端口与止回阀泄压筒液压缸9-2油口B、顺序阀8-4.1进油口相连，顺序阀8-4.1出油口与止回阀阀门液压缸9-1油口B相连，水下测试树连接器液压缸10-1油口A为连接器连接进油端口，油口B为连接器断开进油端口，水下测试树安全阀1液压缸10-2油口A为安全阀1关闭进油端口，油口B为安全阀1打开进油端口，水下测试树安全阀2液压缸10-3油口A为安全阀2关闭进油端口，油口B为安全阀2 打开进油端口，止回阀阀门液压缸9-1油口A为阀门关闭进油端口，油口B为阀门打开进油端口，止回阀泄压筒液压缸9-2油口A为泄压筒打开进油端口，油口B为泄压筒关闭进油端口。各液压调节器比例减压阀8-1，比例伺服阀8-2.1、8-2.2、8-2.3、8-2.4分别于海底立管电子控制系统7的输出端7-1电连接，位移传感器11-1、11-2、11-3、11-4、11-5，压力传感器 12-1、12-2、12-3，温度传感器13、流速传感器14分别与海底立管电器控制系统信号输入端 7-2电连接，海底立管电子控制系统7与平台控制器1之间可由can总线等其他方式由信号传输电缆5-1通信连接，海底管柱控制器连接7的比例阀的动力与平台控制器1由动力点传输电缆5-2连接，平台控制器1还与作业监视器2、人工控制器3电连接。

如图2所示，海底立管电子控制系统包括立管电源模块，信号传输模块，实时处理器模块，储存器模块，传感器信号输入模块及比例阀信号输出模块，立管电源模块能够将脐带动力电缆传输的电力转化为其他模块所需的电压及电流大小，信号传输模块能够接收平台控制器的信号及向平台控制器传输信号，实时处理器负责计算及处理，储存器模块可以储存程序以及海底运行数据，传感器信号输入模块可以处理传感器输入的信号，并发送给处理器模块，比例阀信号输出模块可以向海底立管液压控制系统传输执行命令。海底立管液压控制系统包括比例减压阀，比例伺服阀，先导式顺序阀，顺序阀，由这些阀门在海底立管电子控制系统的控制下使液压执行器液压缸完成相应的动作，同时还包括可以检测压力、位移、温度、流速的压力传感器，能感知控制系统及执行系统的运行情况，井口内部油气情况，并向作业平台反馈。

如图3所示，海底立管控制系统安装在蓄能器的下方，分为两个腔室，上部为电控腔，安装海底立管电子控制系统元器件，下部为液控腔，安装海底立管液压控制系统元器件，两个腔室相互隔离，并封闭在外壳中。

如图4所示，在油气测试时进行紧急关闭阀门，断开连接器时，需要实时对液压缸的位移大小、液压油管线的压力进行监测，并作出新的判断，以保证阀门关闭，连接器断开能够在规定的时间内完成，维护人员及设备的安全，保护海洋环境。同时在平台上可以从作业监测器上看到执行情况，可以通过人工控制器进行控制。当位移传感器，压力传感器监测到油缸速度ds/dt太小或者管线压力太小时，可以通过加大比例伺服阀的开度以使速度增加或比例减压阀增加液压管线压力，当位移传感器，压力传感器监测到油缸速度ds/dt太大或者管线压力太大时，可以通过减小比例伺服阀的开度以使速度降低或比例减压阀降低液压管线压力，如果时间超过预计时间的1.3倍时，所需执行命名没有完成时，直接加大整个液压控制系统管线中的压力，并强行进行下一步操作。

根据作业环境工艺参数、各液压缸的位移情况、比例减压阀前后的压力大小，海底立管电子控制系统可以进行以下几种不同的作业情况判断：

作业情况1：平台位移在20m范围内，管柱与竖直方向夹角不超过5°，风力、海洋浪、流速度可能会使平台位移持续增加，测试管柱中没有连续油管或电缆等，进行以下动作：减压阀使蓄能器出来的液压压力减小，比例伺服阀8-2.2及比例伺服阀8-2.3由A端口出油，使水下测试树安全阀1及水下测试树安全阀2关闭，当位移传感器10-2、10-3监测两个阀门完成关闭动作时，比例伺服阀8-2.3关闭，比例伺服阀8-2.4由A端口出油，止回阀阀门关闭，位移传感器10-4监测到阀门完成关闭动作时，比例减压阀8-1增大液压出口压力，打开先导式顺序阀8-3.1、8-3.1及顺序阀8-4.2，使得比例伺服阀8-2.1B端口与水下测试树连接器液压缸 10-1B端口之间形成通路，比例伺服阀8-2.4A端口与止回阀泄压筒液压缸9-2A端口之间形成通路，打开止回阀泄压筒，位移传感器10-5监测到止回阀泄压筒完成打开动作时，比例伺服阀8-2.2、8-2.4关闭，比例伺服阀8-2.1由B端口出油，使水下测试树连接器断开，位移传感器10-1监测到水下测试树连接器完成断开动作时，比例伺服阀8-2.1关闭，测试管柱及平台可进行撤离。

作业环境2：平台位移在20m范围以上，管柱与竖直方向夹角超过5°，风力、海洋浪、流速度使平台位移持续增加，测试管柱中没有连续油管或电缆等，进行以下动作：减压阀使蓄能器出来的液压压力减小，但可以打开各个顺序阀，比例伺服阀8-2.4A端口出油，止回阀阀门关闭，打开先导式顺序阀8-3.1及顺序阀8-4.2，使得比例伺服阀8-2.1B端口与水下测试树连接器液压缸10-1B端口之间形成通路，比例伺服阀8-2.4A端口与止回阀泄压筒液压缸9-2A 端口之间形成通路，此时可使止回阀泄压筒打开，位移传感器10-4监测到阀门完成关闭动作时，位移传感器10-5监测到止回阀泄压筒完成打开动作时，比例伺服阀8-2.4恢复关闭(上述动作如果时间来不及可不进行)，同时进行海底防喷器剪切闸板剪断剪切短节，然后撤离测试管柱及平台。

作业情况3：当测试管柱内存在如连续油管或电缆时，进行以下动作：减压阀使蓄能器出来的液压压力减小，比例伺服阀8-2.2由A端口出油，使水下测试树安全阀1进行关闭，同时进行剪切连续油管或电缆，打开先导式顺序阀8-3.2，当位移传感器10-2监测阀门完成关闭动作(即也完成剪切动作，此时连续油管或电缆将会弹回，使得其他阀门可完成关闭，如果不能完成弹回，则由平台上提)时，比例伺服阀8-2.2关闭，比例减压阀使出口液压压力减小，比例伺服阀8-2.3由A端口出油，使水下测试树安全阀2关闭，当位移传感器10-3监测安全阀2完成关闭动作时，比例伺服阀8-2.3关闭，比例伺服阀8-2.4A端口出油，止回阀阀门关闭，位移传感器10-4监测到阀门完成关闭动作时，比例减压阀8-1增大压力，打开先导式顺序阀8-3.1及顺序阀8-4.2，使得比例伺服阀8-2.1B端口与水下测试树连接器液压缸10-1B端口之间形成通路，比例伺服阀8-2.4A端口与止回阀泄压筒液压缸9-2A端口之间形成通路,打开止回阀泄压筒，位移传感器10-5监测到止回阀泄压筒完成打开动作时，比例伺服阀8-2.4 关闭，比例伺服阀8-2.1B端口出油，使水下测试树连接器断开，位移传感器10-1监测到水下测试树连接器完成断开动作时，比例伺服阀8-2.1关闭，然后撤离测试管柱及平台。

当进行以上各种情况操作作业时，如果由于控制系统或其他原因导致本应该进行的操作不能在设定时间1.3倍范围内完成时，直接加大整个液压控制系统管线中的压力，并强行进行下一步操作，也可通过人工下达命令控制，如果最后还不能完成断开连接操作时，直接进行海底防喷器剪切闸板进行剪切操作。

当作业环境恢复到正常情况时，需要将测试管柱重新连接并连通管柱通道，当测试管柱达到预定位置时，此时进行以下动作：减压阀使蓄能器出来的液压压力减小，比例伺服阀8-2.1 A端口出油，水下测试树连接器重新连接，位移传感器10-1监测到连接器连接后，比例伺服阀8-2.4 B端口出油,止回阀泄压筒关闭，位移传感器10-5监测到泄压筒完成关闭后，比例减压阀压力增加，打开顺序阀8-4.1，使比例伺服阀8-2.4与止回阀阀门液压缸9-1油口B之间连通，止回阀阀门打开，位移传感器10-4监测到阀门完成打开后，比例伺服阀8-2.4关闭，比例伺服阀8-2.2B端口及比例伺服阀8-2.3B端口出油，水下测试树安全阀1及安全阀2打开，位移传感器10-2、10-3监测到阀门完成打开后，比例伺服阀8-2.2及比例伺服阀8-2.3关闭，完成测试管柱的重新连接动作。

以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。