水下采油树液压控制系统设计与仿真

２０１８年１０月

第４６卷第２０期

机床与液压

ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ

Ｏｃｔ ２０１８

Ｖｏｌ ４６Ｎｏ ２０

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ ２０ ０１７

收稿日期：２０１７－０４－０９

基金项目：中国博士后科学基金资助项目（２０１６Ｍ５９２２６９）

作者简介：张长齐（１９８９ ），男，硕士，助理工程师，研究方向为固完井井下工具设计开发和水下采油树控制系统设计㊂

Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｃｑ＠ｓｈｅｌｆｏｉｌ ｃｏｍ㊂

水下采油树液压控制系统设计与仿真

张长齐１，黄鲁蒙２，李富平１，阮臣良１，张彦廷２

（１ 中国石化石油工程技术研究院德州大陆架石油工程技术有限公司，山东德州２５３００５；

２ 中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛２６６５８０）

摘要：实现对水下采油树的控制是保证水下生产正常进行的必要条件㊂通过分析ＡＰＩ标准要求，结合水下采油树阀门执行器工作参数，设计水下采油树液压控制系统，包括液压动力单元和水下控制模块，并对相关元件进行计算和选型㊂根据控制系统要求，利用ＡＭＥＳｉｍ软件，建立水下采油树液压控制系统模型，对水下采油树阀执行器的开启和关闭过程进行响应分析㊂结果表明：所设计的液压控制系统可以满足水下采油树控制要求㊂

关键词：水下采油树；液压控制系统；计算选型

中图分类号：ＴＥ９５２㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１８）２０－０７４－６

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎＨｙｄｒａｕｌｉｃＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＳｕｂｓｅａＴｒｅｅ

ＺＨＡＮＧＣｈａｎｇｑｉ１，ＨＵＡＮＧＬｕｍｅｎｇ２，ＬＩＦｕｐｉｎｇ１，ＲＵＡＮＣｈｅｎｌｉａｎｇ１，ＺＨＡＮＧＹａｎｔｉｎｇ２

（１ ＳｈｅｌｆｏｉｌＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｑｕｉｐｍｅｎｔ＆ＳｅｒｖｉｃｅｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＳｉｎｏｐｅｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤｅｚｈｏｕＳｈａｎｄｏｎｇ２５３００５，Ｃｈｉｎａ；２ ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，ＱｉｎｇｄａｏＳｈａｎｄｏｎｇ２６６５８０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｓｕｂｓｅａｔｒｅｅｉｓｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｔｏｅｎｓｕｒｅｓｕｂｓｅａｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒｕｎｎｉｎｇｎｏｒｍａｌｌｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ

ｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｒＡＰＩｓｔａｎｄａｒｄｓａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｕｂｓｅａｔｒｅｅｖａｌｖｅａｃｔｕａｔｏｒ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｕｂｓｅａｔｒｅｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｏｗｅｒｕｎｉｔａｎｄｓｕｂｓｅａｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅｎｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｎｄｔｈｅｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｙｓｔｅｍｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ＡＭＥＳｉｍｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｆｏｒｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ

ｏｐｅｎｉｎｇａｎｄｃｌｏｓｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｓｕｂｓｅａｔｒｅｅｖａｌｖｅａｃｔｕａｔｏｒ．Ｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓｕｂｓｅａｔｒｅｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｕｂｓｅａｔｒｅｅ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎ

０㊀前言

自１９５２年美国ＭＯＨＯＬＥＦ工程ＷｅｓｔＣａｍｅｒｏｎ１９２Ｎｏ ７井第一次实现真正意义上的水下完井，并首次使用油管（ＴＦＬ）修井技术［１］，水下生产系统已有六十多年的发展历史㊂其中，水下采油树是水下生产系统的重要装备［２］㊂液压控制系统是水下采油树控制系统的关键组成部分，主要包括液压动力单元和水下控制模块㊂控制系统可根据工作要求，控制液压动力单元，保证液压源供给稳定，并控制水下控制模块中的电磁阀，从而控制采油树液控阀门的打开和关闭，同时控制系统监测水下生产压力㊁温度等

参数［３－

４］㊂

实现对水下采油树的有效控制是确保生产安全㊁保证油气产量的关键因素㊂近年来，我国大力发展海洋石油装备，在水下生产系统领域取得了一定的发

展，但在水下采油树控制系统等关键技术上的研究较少㊂目前该系统的关键技术被国外公司垄断，水下采油树供应完全靠进口，一台水下采油树的平均价格高达５５０多万美元，相当昂贵㊂因此对水下采油树控制系统进行研究，具有非常重要的理论价值和现实意义㊂

１㊀水下采油树液压控制系统设计１ １㊀液压动力单元设计

参照ＡＰＩ等相关标准［５］，在明确液压动力单元（ＨｙｄｒａｕｌｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｔ，ＨＰＵ）设计要求㊁分析水上部分与水下控制模块控制联系的基础上，设计液压动力单元液压系统各回路㊂主要包括油箱及其附件㊁高（低）压泵回路㊁蓄能器组㊁循环泵回路㊁调压回路㊁接口回路㊁回油回路等㊂所设计的液压系统原理图和原理示意图分别如图１和图２所示㊂

图１㊀

液压动力单元液压系统原理图

图２㊀液压动力单元液压系统原理示意图

（１）油箱及其附件

油箱的功能是为系统提供充足且清洁的液压油液，主要由供㊁回油箱和油箱附件组成㊂供㊁回油箱分开设计可保证供油油液清洁度㊂卸压阀和防爆阻火呼吸阀可保证油箱使用安全㊂

（２）高（低）压泵回路

高（低）压泵回路的功能是提供高压稳定流体，输出压力为系统压力，主要包括高压泵组㊁溢流阀㊁单向阀㊁压力传感器㊁压力表等㊂

（３）蓄能器组

蓄能器组的作用是辅助供能和补充泄漏㊂回路主要包括蓄能器㊁安全阀㊁隔离球阀组等㊂蓄能器的最大工作压力大于３１ ５ＭＰａ，最小工作压力不低于

２０ ７ＭＰａ㊂

（４）减压回路

减压回路的主要作用是将系统压力调节到采油树阀门执行机构需要的压力，要求调压准确㊁稳定㊂主

要包括隔离球阀㊁滤油器㊁减压阀㊁溢流阀㊁压力传

㊃５７㊃第２０期张长齐等：水下采油树液压控制系统设计与仿真

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