全电式水下阀门执行器设计及多电机同步控制策略研究

通过对全电式水下控制系统的研究,参考国外的相关产品,完成了全电式水下阀门执行器的结构设计,为了增加阀门执行器的可靠性,提出采用多电机冗余的方式驱动阀门。通过对多电机冗余驱动控制方法的研究,提出了一种基于遗传算法对时间误差积分进行优化的模糊PID控制方法,并引入了置信度对计算过程进行了优化,缩短了寻优的计算量,最终实现了多电机同步控制。利用Adams建立了阀门执行机构的动力学模型,使用Simulink对阀门不同的工作情况下的响应进行了联合仿真,结果表明本文设计的多电机冗余驱动的全电式水下阀门执行器可以实现对全电式水下阀门的冗余驱动,满足全电式水下阀门执行器的工作要求。     

水下采油树生产通道可靠性设计及分析

水下采油树所处海底环境较为复杂,需要对水下采油树的各重要部件进行高可靠性设计。针对水深1 500m、压力等级69MPa的设计条件,根据ASME B31.3中高压管道壁厚公式计算出水下采油树生产管道壁厚为11mm。在安全系数设计的基础上,综合了有限元分析、蒙特卡洛模拟方法,对生产管道进行可靠性分析,验证了设计壁厚的可靠性满足强度要求,并根据灵敏度分析得出影响生产管道可靠度的关键因素是壁厚、内压和材料屈服极限。     

水下阀门执行机构同轴并联双弹簧优化设计

介绍了一种同轴并联的双圆柱螺旋压缩弹簧结构。以在一定设计条件下双弹簧结构的安装尺寸最小为目标,采用机械优化设计方法,建立了双弹簧结构优化设计的数学模型,并结合实例借助Matlab软件进行了寻优计算,得到了满足实际需求的优化结果。结果表明:双弹簧结构的安装尺寸在优化后有了明显的减小,并在同样设计条件下与单弹簧结构的优化结果相比,双弹簧结构具有更小的安装尺寸,说明将机械优化设计与Matlab结合对双弹簧结构进行优化设计具有重要的实用价值,同时也为弹簧结构方案的优化提供了一种新的可行的设计方法。     

水下阀门可靠性设计研究

水下阀门是水下油气生产设备的关键组件,其可靠性是保证水下油气设备安全运行的关键因素。水下阀门失效将造成重大经济损失、环境污染、人身伤害等后果。本文介绍了通过模块化的设计技术改进水下阀门设计可靠性,用FMECA分析法评估水下阀门失效形式,通过型式试验的方法验证水下阀门可靠性,从而达到改进水下阀门可靠性的目的。     

水下采油树电液复合控制系统设计

根据水下采油树系统及相关标准要求,设计了水下采油树电液复合控制系统,包括通信控制系统、液压动力单元(HPU)和水下控制模块(SCM)。采用PROFIBUS-DP和工业以太网通信方式,设计了主从站和冗余控制系统,并分别设计了HPU和SCM的液压系统和电控系统,其中HPU电控系统采用软冗余控制,SCM电控系统采用硬冗余控制。该控制系统可实现对水下采油树阀门管汇的精确、稳定控制。     

水下卧式采油树静水压试验装置设计

基于水下卧式采油树使用工况和结构特点,确定了水下采油树静水压试验方案,完成了水下卧式采油树静水压试验装置设计和关键结构设计,在此基础上拓展了试验装置的功能和用途。该试验装置具备采油树静水压试验时所需的连接、密封、承载等功能,装置中螺纹式连接接头可用于金属密封垫环预紧力的测试,建立的金属密封垫环工作内压与预紧力之间的对应关系可用于研究海洋水下设备之间金属密封垫环的连接、挤压、变形和密封等问题,从而为现场使用提供参考依据。     

阀门电动执行机构及通道测试仪的设计

阀门电动执行机构系统的日常维护包括:测试维护;对各远程控制和监视通道的测试维护。测试仪由分立电子元件组成,能够在现场替代PLC远程控制系统对阀门电动执行机构进行模拟远程操作,并接受电动执行机构的回馈信号,从而检测阀门电动执行机构远程控制部分是否完好;能够在现场替代阀门电动执行机构,接受PLC远程控制系统的信号,模仿电动执行机构的运行,回馈给PLC远程监视系统相应的信号,从而检测PLC控制及监视系统是否完好。运行结果表明,该测试仪适用于绝大部分国内外阀门电动执行机构及PLC控制通道,性能稳定可靠。     

水下采油树及下放安装技术研究

了解水下设备的结构类型与控制方法,掌握正确的安装方式是深水钻、完井工程研究的重要内容。介绍了水下采油树的发展、结构组成与不同类型的优缺点,分析其远程控制的实现方式,研究下放安装步骤与要求。为我国水下采油树的选型与自主研发提供借鉴与思路。     

水下采油树发展现状研究

水下采油树是海洋油气开发的重要设备,国外在水下采油树方面的技术已经相当成熟,在油气田开发中得到广泛应用;国内仅有少数油气田采用水下采油树,并且尚无国产的水下采油树应用于油气田开发中,技术被国外全面垄断,国内外之间差距明显。我国应大力引进国外先进技术,同时加大自主研发力度,全面提高水下采油树设计制造、检测、安装、维护方面的能力。     

全电水下生产控制系统设备发展现状

水下生产控制系统是水下生产系统的重要组成部分,其中全电水下生产控制系统与复合电液水下生产控制系统相比具有响应速度快、无污染、可靠性高等特点,是未来水下生产控制系统的发展趋势之一。本文分析了全电水下生产控制系统的工作原理及结构组成特点,阐述了全电水下生产控制系统的发展过程,对全电水下生产控制系统的关键设备进行了研究,以期为我国自主设计全电水下生产控制系统提供参考。     

水下采油树控制模块设计要素分析

水下控制模块安装在采油树本体上,用于控制采油树生产时井口的流量和压力,并控制多种采油工艺措施的实施.依据安全为本的设计理念,采用理论分析和试验验证相结合的方法,着重考虑功能和操作可行性,对水下采油树控制模块设计要素进行研究和分析.为水下控制模块的自主设计打下基础.     

水下采油树关键部件的材料设计选型

我国海洋油气开采所需的水下采油树长期依赖于进口,成本高昂。文章针对水下采油树所处的深水、高温、高压、高腐蚀等应用工况,对水下采油树关键部件的基体材料、防腐材料及密封材料的相关性能进行了分析与选型,并将研究成果应用于中国南海流花11-1油田和番禺35-2/1气田采油树的国产化制造中。自主研发和设计选型的水下采油树关键部件材料,不仅达到了国际行业标准的性能指标,而且成本只有国外的1/3。     

立式双管式水下采油树设计分析

水下采油树作为实现海上油气田开发的重要设备之一,其工作状态直接决定了整个水下生产系统的运行状态。设计了一种基于注采技术的立式双管式水下采油树,设计中选用的闸阀是液压驱动的故障关断式水下闸阀,节流阀是液压驱动的步进式水下节流阀,各类阀组及促动器集中在组合阀上,结构简单紧凑,安装拆卸方便,密封性良好,可实现远程控制或水下ROV控制。对采油树主要闸阀的试验验证结果表明,水下闸阀和节流阀满足API 6A中PR2等级要求,水下控制模块功能能够满足在水下环境中对于控制的要求,具有较高的可靠性。     

基于水下采油树生产弯管的压力损失变化规律研究

在采油树国产化的设计计算中,需要对采油树的压力损失进行估算。该文针对输油过程中常见的弯管,建立理论方程,并利用有限元软件进行数值模拟,验证了弯管结构模型产生的压力损失与入口质量流量的平方近似成正比,而与出口条件无关。     

水下采油树MEC密封试验装置研究

MEC密封是水下卧式采油树密封的一项关键技术。为了进行密封性能试验,设计了MEC密封件的密封试验装置。分析了该装置的组成部分和关键参数,并采用ABAQUS软件对其上、下安装盖的强度进行有限元分析。分析结果表明,设计的试验装置满足强度要求。     

水下采油树水合物抑制剂注入研究

在海洋油气生产过程中,通过注入水合物抑制剂防止水合物生成是流动保障技术的重要组成部分。针对荔湾3-1油田所采用的卧式采油树,根据不同的工况要求,研究了相适合的化学试剂注入策略和阀门操作顺序。以正常工况下乙二醇注入量计算为例,应用HYSYS工艺软件模拟计算,采用天然气干基首先进行饱和水处理再与抑制剂混合的方法,将计算结果同常规理论计算对比,发现软件计算结果约为理论计算的2倍,在工程设计允许范围内。在水下采油树工艺设计中可以选用HYSYS软件计算水合物抑制剂的注入量,计算过程动态、准确且应用范围广。     

水下采油树装配预紧力程序化设计及有限元分析

分析了水下采油树装配预紧力计算方法,计算出了1 500m水深69 MPa(100 00psi)工作压力下水下采油树的生产阀块装配预紧力为494 645~559 360N。开发了基于C语言的采油树装配预紧力计算软件,通过ANSYS软件对加载计算所得预紧力下的零部件进行强度校核。结果表明:计算所得预紧力符合采油树装配规范要求,验证了所开发计算软件的正确性。     

水下采油树生产模块通道多相冲蚀数值分析

冲蚀是水下采油树生产通道失效的主要因素。通过对冲蚀机理的研究,分析了冲蚀的本质和能量平衡,并对冲蚀的影响因素进行了分析。采用Fluent软件建立了水下采油树生产模块通道模型,对模型的内部流场进行了分析。分析结果表明,冲蚀的本质是机械磨损和化学、电化学腐蚀,主要受流体的流速、入射角度和磨粒特性等因素的影响;水下采油树生产模块通道冲蚀最严重部位在相贯线上和外拱壁处;冲蚀率和冲蚀深度随流体速度的增大而增大,一定速度后呈指数增长,随颗粒直径的增大而减小,随颗粒体积分数的增大而增大。研究结果可为有效防治冲蚀和机械结构优化提供参考。     

水下卧式采油树研制及浅水试验

水下采油树是海洋油气开发的关键装备,该设备制造技术长期以来被国外垄断。为了加快我国海洋油气的开发步伐,降低开发成本,依托863计划课题和中石油重点研发项目,我国突破了水下高压密封、水下远程控制、复杂形面零件加工及检测等多项关键技术,成功研制了拥有自主知识产权的水下卧式采油树。厂内试验表明,其各项指标均已达到设计要求,18米浅水试验进一步验证了水下卧式采油树的安装回收功能、ROV操作性能和水下远程控制功能均满足设计要求,试验获得的基础数据及技术经验作为宝贵的科研成果,对下一步工程海试具有重要的指导意义。     

水下采油树复合电液控制系统仿真研究

为了研究水下采油树复合电液控制系统的性能,以宝鸡石油机械有限责任公司研发的1 500 m水深卧式采油树为研究对象,采用AMESim软件建立了换向阀的仿真模型,在极限工况下分析了采油树闸阀启闭、系统稳定性和控制系统紧急关断特性。分析结果表明:该复合电液控制系统单个闸阀启闭时间以及启闭过程中系统的稳定性均满足API标准要求,连续开启2个5 in闸阀的间隔时间应不小于12 min;可通过提高换向阀的复位压差来实现液压控制系统紧急关断工况下的快速复位。所得结论可为卧式采油树的设计和优化提供参考。