水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試技術(shù)綜述

梁 稷，姚寶恒，曲有杰，段立志，石錦坤

（1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067；2.上海交通大學，上海 200240）

0 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)（subsea production systems）作為深水油田最為核心的組成部分，如何制定合理的測試要求和測試方法以確保其在生產(chǎn)運行中的功能有效性及安全可靠性，是深海油氣田開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。水下生產(chǎn)系統(tǒng)[1]主要由主控站、液壓動力站、臍帶纜及臍帶纜分配單元、水下采油樹、水下管匯及跨接管和水下控制系統(tǒng)等各子系統(tǒng)組成，并且每個子系統(tǒng)都包含了多種單元部件。因此，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的測試[2]需要包括基礎(chǔ)的單元測試、子系統(tǒng)工廠接收測試、系統(tǒng)集成測試、現(xiàn)場接收測試以及生產(chǎn)調(diào)試等內(nèi)容。

目前國內(nèi)只有少數(shù)平臺使用水下生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)模式，如流花11-1、陸豐22-1（已拆除）等，此外我國即將開發(fā)的第1個深水油氣田荔灣3-1（水深1 481m）以及流花4-1等也將采用這一生產(chǎn)模式。但這些水下生產(chǎn)系統(tǒng)從產(chǎn)品制造至最終的安裝、生產(chǎn)調(diào)試整個程序和技術(shù)都是由國外少數(shù)幾個公司所提供，而國內(nèi)對水下生產(chǎn)系統(tǒng)核心技術(shù)的掌握卻還是非常有限的。

1 相關(guān)標準

現(xiàn)行的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的標準主要有API 17、ISO 13628以及NORSOK等，其他標準如歐洲標準（EN）、德國標準（DIN）等均采用ISO 13628標準，內(nèi)容完全一致 （如：EN ISO 13628、DIN ISO 13628），ABS、DNV沒有針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的專用規(guī)范。

2 主要測試方法和要求

雖然各個測試階段的測試目的不同，但其測試內(nèi)容和測試方法基本大同小異。主要的測試內(nèi)容和測試方法歸納如下：

（1）壓力測試[3-5]：

1）外壓，在有測試接口的壓力容器內(nèi)進行；

2）內(nèi)壓，以加壓泵動力為單元，主要測試對象為液壓接頭。

（2）電氣系統(tǒng)的絕緣檢查：主要是檢驗線間的絕緣電阻。

（3）機械/電氣接口檢查：主要是通過測試連接器進行接口驗證。

（4）控制系統(tǒng)聯(lián)合測試：電子測試單元、電源臍帶通信單元、控制模塊、閥門單元、傳感器模擬單元的聯(lián)合測試。

2.1 單元測試（SUT）技術(shù)

由于水下生產(chǎn)設(shè)施高投入、高風險的特點，單個設(shè)備的失效會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響。所以，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的各個零部件應根據(jù)API SPEC 17D標準規(guī)定，在進行更高一級裝配前，需要對零件和部件進行單元測試，需要進行單元測試的零、部件應參照高層次組裝設(shè)備的主要設(shè)備列表。

2.2 子系統(tǒng)工廠接收試驗（FAT）技術(shù)

FAT的目的是確定設(shè)備制造商已完工設(shè)備的各組件是否能夠滿足特定的功能與技術(shù)要求[3-4，6-8]。FAT測試在設(shè)備制造場地進行，工廠接收試驗一般由設(shè)備的供貨方完成，買方派專業(yè)人員現(xiàn)場監(jiān)督。在進行FAT測試前，應注意以下2點要求：

（1）承包商的設(shè)備在裝船運輸和集成其他硬件前，所有完成的裝配體都要進行FAT測試，以驗證設(shè)備的功能完整性和操作可靠性；

（2）FAT測試包括水壓力測試、功能測試、循環(huán)閥測試等，測試必須論證設(shè)備所有的操作和設(shè)計功能。

子系統(tǒng)測試的目的是為了將整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)分解成能夠同時測試的子系統(tǒng)。子系統(tǒng)的分解也使調(diào)試變得更加容易，子系統(tǒng)測試用于暴露相關(guān)設(shè)備在操作期間發(fā)生的異?，F(xiàn)象（系統(tǒng)限制），比如低液壓供應、低電壓供應等。子系統(tǒng)測試應該分成下列4項活動：

（1）用生產(chǎn)控制系統(tǒng)來進行采油樹測試。測試的目的是為了驗證生產(chǎn)控制系統(tǒng)和采油樹作為一個整體系統(tǒng)的可操作性。

（2）使用修井控制系統(tǒng)的采油樹/下部立管組件（LRP）/水平采油樹下入工具（XTRT）的測試。該測試的操作應該與使用生產(chǎn)控制系統(tǒng)的測試相類似。

（3）生產(chǎn)控制系統(tǒng)的測試。測試的目的是為了驗證水下控制系統(tǒng)與平臺PCDA、關(guān)斷系統(tǒng)的接口以及系統(tǒng)控制、監(jiān)測所有預知井的能力。

（4）維修系統(tǒng)的測試。維修系統(tǒng)的試驗目的是測試維修系統(tǒng)中不同組件的功能（如ROT系統(tǒng)），包括ROV工具。

2.3 系統(tǒng)集成試驗（SIT）技術(shù)

系統(tǒng)集成試驗[2，4，7]主要是對多個設(shè)備結(jié)合而成的系統(tǒng)的性能指標的檢查驗收，其主要目的是測試由不同設(shè)備制造商提供的各設(shè)備及子系統(tǒng)之間的接口是否符合設(shè)計要求，并研究系統(tǒng)集成后綜合測試方法、測試系統(tǒng)設(shè)計要求和設(shè)計方案等。測試對象包括了水下采油樹、水下控制系統(tǒng)、水下管匯以及水下跨接管各組件的安裝及功能要求測試。在進行SIT之前，各設(shè)備及系統(tǒng)都應通過FAT等測試檢驗。SIT包括系統(tǒng)測試檢驗（ST）與集成測試檢驗（IT）兩部分。ST的目的是通過模擬真實的操作條件來測試系統(tǒng)各部分的操作是否滿足設(shè)計生產(chǎn)要求。

水下設(shè)備的集成試驗程序的典型格式中應包括以下內(nèi)容：目的/目標、范圍、工裝/裝配要求、設(shè)施、裝備、環(huán)境和人員、性能數(shù)據(jù)、變更、接收標準、認證和參考信息。不同測試活動的程序應與適用的綜合測試和試運行程序相類似。在開始測試步驟之前，應制定概要性的試運行程序。因此在制定實際的測試程序之前，要明確最終用戶的要求。這個要求的主要目的是盡可能地從一個階段向下一個階段過程中獲得適用的經(jīng)驗，所以在FAT過程中獲得的經(jīng)驗對在SIT與試運行過程中的測試活動中是適用的。

SIT應用來檢查設(shè)備可重復性，并且可以用來說明接口要求以及整個系統(tǒng)的功能等。應在測試開始之前編寫有關(guān)SIT的詳細程序。

而在SIT過程中，水下生產(chǎn)系統(tǒng)應接受下列檢查：

（1）記錄卸載前對各部件和子系統(tǒng)進行集成功能測試；

（2）最終記錄功能測試，其中包括井眼測試和泄漏測試；

（3）最終記錄所有電氣和液壓控制接口的功能測試；

（4）記錄對所有接口部件和模塊進行的定向和導向安裝測試；

（5）按實際情況模擬安裝、維修和生產(chǎn)模式作業(yè)驗證和優(yōu)化相關(guān)的程序和技術(shù)規(guī)范；

（6）按實際情況進行指定條件（包括極限的公差條件）下的作業(yè)，以便發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)、工具和程序的缺陷；

（7）按實際情況進行相關(guān)條件下的作業(yè)，以便獲得系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如關(guān)閉操作的響應時間等；

（8）測試發(fā)證明設(shè)備能按計劃裝配（濕條件是必須的）并且整個系統(tǒng)的能執(zhí)行它應有的功能；

（9）進行測試以證明設(shè)備能按計劃（有必要是濕條件下）裝配并實現(xiàn)其作為一個完整系統(tǒng)的正常功能；

（10）根據(jù)要求填充正確的流體并進行潤滑、清理、保護和封嚴；

（11）最終檢測以驗證完工文件的正確性。

2.4 現(xiàn)場接收試驗（SRT）技術(shù)

現(xiàn)場接收試驗的目的是在設(shè)備接收場地，確認設(shè)備及各系統(tǒng)在運輸過程中沒有發(fā)生任何損傷或功能降級，驗證所用系統(tǒng)從子承包商運來后沒有受到破壞且工作正常，而不是完整的重復FAT程序。此外，還需研究水下生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)吊裝和運輸?shù)冗^程，在系統(tǒng)安裝現(xiàn)場接收試驗的方法、標準和條件建設(shè)方案。現(xiàn)場接收檢查程序應該包括測試程序和設(shè)備處理程序的索引，應該更進一步識別設(shè)施、設(shè)備和材料以及其他現(xiàn)場接收檢查程序所要求的項目?，F(xiàn)場接收試驗應該包括：

（1）開箱，組裝，檢查設(shè)備與系統(tǒng)；

（2）確保在運輸過程中設(shè)備沒有受到結(jié)構(gòu)或機械損傷；

（3）確保設(shè)備處于正常工作狀態(tài)；

（4）設(shè)備準備好出海動員；

（5）在出海動員前保存好設(shè)備；

（6）檢查液壓流體的清潔度；

（7）試驗所有的機械和液壓功能。對于液壓中轉(zhuǎn)控制盒，應該從測試PC中發(fā)送所有的適用命令，來驗證合適的應答和動作（如果相關(guān)）。

2.5 調(diào)試（commissioning）技術(shù)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)是為了驗證水下生產(chǎn)系統(tǒng)海上安裝后的性能，論證所有系統(tǒng)是合格的、可行的和可操作的，為系統(tǒng)試運行做準備。水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試程序應包含調(diào)試的內(nèi)容、方法以及應達到的標準，主要內(nèi)容包括主控站調(diào)試、水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試、海管沖水試壓和系統(tǒng)初始啟動等。水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試的目的在于：

（1）為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的運行投產(chǎn)做準備；

（2）驗證水下生產(chǎn)系統(tǒng)和水面平臺系統(tǒng)的接口是否正常；

（3）驗證水下生產(chǎn)系統(tǒng)集成安裝后運行狀態(tài)是否正常。

3 結(jié)束語

目前國內(nèi)還沒有水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計、建造經(jīng)驗，同樣也無相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)的測試經(jīng)驗，更沒有專用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試的相關(guān)平臺和測試基地。水下生產(chǎn)系統(tǒng)各種測試的內(nèi)容、項目非常多，幾乎每項關(guān)鍵的測試都需要專用的測試支持平臺，國內(nèi)現(xiàn)有的條件尚不能滿足自主研發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的需求。因此，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試技術(shù)研究以及主要專用測試平臺的建設(shè)不僅具有較大的工程應用價值，而且可以帶動國內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)研究工作，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟和社會效益。

[1]ISO 13628-1—2005 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 1 general requirements and recommenda-tions[S].2005.

[2]ISO 13628-1—2005 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 1：General requirements and recommenda-tions[S].2005：48-50.

[3]ISO 13628-2—2006 Petroleum and natural gas industries Design and operation of subsea production systems Part 2：Unbonded flexible pipe systems for subsea and marine applications[S].2006：54-56.

[4]ISO 13628-4—1999 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 2：subsea wellhead and tree equipment[S].1999.

[5]ISO 13628-7—2005 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 7：completion/workover riser systems[S].2005：128-129.

[6]ISO 13628-5—2002 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 5：subsea Umbilicals[S].2002：58-60.

[7]ISO 13628-6—2006 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 6：Subsea Production Control systems[S].2006：56-59.

[8]ISO 13628-7—2005 Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 7：completion/workover riser systems[S].2005：130-131.