南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性保障設(shè)計(jì)

尹 豐

（中海油研究總院，北京100027） ＊

南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性保障設(shè)計(jì)

尹 豐

（中海油研究總院，北京100027）＊

深水油氣田開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，水下生產(chǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單的水下維修作業(yè)都非常昂貴。為保持經(jīng)濟(jì)性，油氣田開(kāi)發(fā)不僅要求有高的產(chǎn)量，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的可靠性也提出更高的要求。以南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)為例，將可靠性保障設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于該氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)（SPS）設(shè)計(jì)中，可有效保障設(shè)備的可靠性。

深水；水下生產(chǎn)系統(tǒng)；可靠性保障；RAM

南海某氣田采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)，依托新建中心平臺(tái)開(kāi)發(fā)，井流依靠自身壓力，通過(guò)水下生產(chǎn)系統(tǒng)和新建的海底管道回接到中心平臺(tái)處理，然后利用中心平臺(tái)上的天然氣外輸系統(tǒng)和海底管道經(jīng)由另外1座中心平臺(tái)輸往珠海天然氣終端。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則為：

1） 采用國(guó)際成熟的水下生產(chǎn)系統(tǒng)與技術(shù)［1］。

2） 充分利用周邊已有和在建的基礎(chǔ)設(shè)施。

3） 考慮周邊小區(qū)塊的開(kāi)發(fā)。

4） 在安全可靠的情況下，最大限度簡(jiǎn)化水下生產(chǎn)設(shè)施。

由于南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)距離中心平臺(tái)有一定距離，后期維運(yùn)需要依靠支持船來(lái)完成，因此水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性保障尤為重要。

1 可靠性保障設(shè)計(jì)

1.1 必要性

對(duì)于深水油田開(kāi)發(fā)，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)不是來(lái)自技術(shù)，而是設(shè)備的可靠性。由于深水作業(yè)的高成本和高難度，對(duì)水下設(shè)備的可靠性和可安裝性提出更高標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)外深水項(xiàng)目普遍采用可靠性保障設(shè)計(jì)［2－6］。穩(wěn)定的水下生產(chǎn)系統(tǒng)意味著減少生產(chǎn)關(guān)停和節(jié)省作業(yè)費(fèi)用，并決定著油田的經(jīng)濟(jì)效益。深水項(xiàng)目要求水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性＞95%，AKPO油田要求達(dá)到98.35%，南海某氣田要求水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性為98%。

可靠性保障設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于從水下生產(chǎn)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)到海上安裝全過(guò)程，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效質(zhì)量控制，保障設(shè)備質(zhì)量和可靠性。

1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1） 系統(tǒng)設(shè)備可靠性和潛在故障的識(shí)別包括：設(shè)備可靠性要求；設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)和可靠性分析；可靠性保障計(jì)劃。

2） 系統(tǒng)可靠性保障計(jì)劃執(zhí)行和改進(jìn)包括：可靠性確定和基準(zhǔn)；項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理；設(shè)備的可靠性和質(zhì)量鑒定試驗(yàn)；設(shè)備性能跟蹤和分析；供應(yīng)鏈管理；變更管理；可靠性提高和風(fēng)險(xiǎn)降低。

1.3 優(yōu)點(diǎn)

1） 是一種基于量化分析的風(fēng)險(xiǎn)管理方法。

可靠性保障計(jì)劃（Reliability Assurance Program）制定從概念設(shè)計(jì)到海上安裝貫穿項(xiàng)目全過(guò)程。根據(jù)油田水下系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的概念，制定出水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性框圖（Reliability Block Diagrams），對(duì)各節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行可靠性、可用性和維修性（Reliability，Availability and Maintenance－RAM）的系統(tǒng)量化分析和設(shè)備故障模式及影響、危害度分析（Failures Mode，Effect and Criticality Analysis－FMECA）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，制定設(shè)備在設(shè)計(jì)、采辦、制造、測(cè)試和安裝各階段中質(zhì)量保障和控制計(jì)劃。

可靠性保障計(jì)劃（Reliability Assurance Program）主要內(nèi)容包括：水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性定義和目標(biāo)；實(shí)現(xiàn)可靠性要求的方法和途徑；達(dá)到可靠性設(shè)計(jì)文件資料等內(nèi)容；設(shè)備在設(shè)計(jì)、采辦、制造、測(cè)試和安裝各階段中質(zhì)量保障和控制計(jì)劃。

2） 是基于事前控制的管理方法。

根據(jù)可靠性保障計(jì)劃來(lái)設(shè)計(jì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)和影響可靠性的設(shè)備都有了具體解決和降低的措施，變傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中事后補(bǔ)救方法為事前控制，降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備可靠性。

3） 提高水下生產(chǎn)設(shè)備價(jià)值工程（Value Engineering－VE）。

可靠性保障計(jì)劃是基于量化計(jì)算和設(shè)備歷史使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在滿足設(shè)備生命周期內(nèi)可靠性要求的情況下，有效避免傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中設(shè)備過(guò)可靠（Over－reliability）設(shè)計(jì)，提高設(shè)備工程經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4） 提供詳細(xì)系統(tǒng)可靠性保障設(shè)計(jì)文件。

可靠性保障計(jì)劃設(shè)計(jì)方法要提交詳細(xì)的可靠性設(shè)計(jì)文件?？煽啃栽O(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)備操作環(huán)境、設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)方法、風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果、防止措施、設(shè)備預(yù)期運(yùn)行的功能和使用限制都有具體說(shuō)明。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)由水下采油樹(shù)、生產(chǎn)管線和臍帶纜等設(shè)施組成，如圖1所示。

圖1 南海某氣田生產(chǎn)設(shè)施示意

2.1 水下設(shè)備

水下設(shè)備包括：采油樹(shù)、井口頭及相關(guān)工具；中心生產(chǎn)管匯；在線生產(chǎn)管匯；PLEM；水下控制系統(tǒng)；修、完井設(shè)備。

在基本設(shè)計(jì)階段，確定南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性達(dá)到98.0%（不包括維修船舶動(dòng)員時(shí)間因素）?？煽啃苑治鰧?duì)象包括了水下生產(chǎn)系統(tǒng)各設(shè)備單元。

如何提高和保障水下生產(chǎn)設(shè)備可靠性，成為水下項(xiàng)目組所面臨的最大挑戰(zhàn)和貫穿項(xiàng)目全程的管理重點(diǎn)。

為了提高水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，項(xiàng)目組根據(jù)可靠性保障設(shè)計(jì)要求首先通過(guò)對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行可靠性和維修性（RAM）定量分析，找出各單元設(shè)備故障對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，并進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到系統(tǒng)可靠性要求。并貫穿從概念設(shè)計(jì)到海上安裝水下項(xiàng)目管理全程，確保水下設(shè)備可靠性達(dá)到這一新的水平。

2.2 影響水下設(shè)備可靠性的關(guān)鍵階段

對(duì)影響水下設(shè)備可靠性關(guān)鍵的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試3個(gè)階段，需制訂詳細(xì)質(zhì)量控制計(jì)劃，通過(guò)廣泛的測(cè)試和質(zhì)量監(jiān)督，消除可能的設(shè)備故障隱患。

2.2.1 設(shè)備選型階段的質(zhì)量鑒定測(cè)試

根據(jù)南海某氣田整體布置，列出水下系統(tǒng)各類(lèi)設(shè)備清單。通過(guò)對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行可靠性和可維修性（RAM）定量分析，找出各單元設(shè)備故障對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，并進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到系統(tǒng)可靠性要求。所有設(shè)備在最終設(shè)計(jì)和采辦之前，都要根據(jù)廠家提供的歷史使用紀(jì)錄或質(zhì)量測(cè)試資料進(jìn)行評(píng)估，確定能否滿足南海某氣田最?lèi)毫庸r下油田外部環(huán)境、內(nèi)部環(huán)境和設(shè)計(jì)周期中操作要求。

對(duì)于水下各液壓設(shè)備能否滿足油田具體情況［7］，主要從內(nèi)外部壓力、壓差、液壓操作壓力、油田生命周期情況、操作頻率、預(yù)計(jì)操作次數(shù)等方面（但不限于）來(lái)評(píng)估。

對(duì)于水下電氣設(shè)備，主要從操作電壓和電流、外部壓力密封、內(nèi)部壓差、油田生命周期情況、回接和分開(kāi)頻率、震動(dòng)、井下電接頭等方面（但不限于）來(lái)評(píng)估。

一般設(shè)備都按照API 6A和API 17D標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，這些規(guī)范對(duì)于水下設(shè)備試驗(yàn)都有很詳細(xì)的指導(dǎo)。API 17D對(duì)設(shè)備環(huán)境因素也有所考慮，對(duì)水下系統(tǒng)的閥門(mén)生命周期內(nèi)的使用次數(shù)測(cè)試都有具體要求，確保設(shè)備在完成15a使用壽命后，閥門(mén)保持不漏。

2.2.2 設(shè)備制造和組裝期間質(zhì)量保障和控制

通過(guò)鑒定的設(shè)備是在實(shí)驗(yàn)室的條件下測(cè)試。對(duì)于大量制造和組裝階段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試每一個(gè)設(shè)備。為了保障設(shè)備能按照設(shè)計(jì)的規(guī)范制造和測(cè)試，需要制訂嚴(yán)格的質(zhì)量保障和質(zhì)量控制（QA／QC）計(jì)劃。所有供應(yīng)商質(zhì)量保障和質(zhì)量控制文件都要提交公司審查批準(zhǔn)。

公司對(duì)SPS設(shè)備制造、試驗(yàn)進(jìn)行全程檢驗(yàn)，項(xiàng)目組、第三方和承包商內(nèi)部各方同時(shí)檢查，將問(wèn)題解決于萌芽之初，確保設(shè)備按設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試。

2.2.3 安裝之前的系統(tǒng)整體測(cè)試（SIT）

單元設(shè)備制造完成后，組裝成生產(chǎn)系統(tǒng)各子系統(tǒng)，具備進(jìn)行海上安裝條件后，在海上安裝之前還要進(jìn)行嚴(yán)格的整體測(cè)試（SIT）。

系統(tǒng)整體測(cè)試對(duì)項(xiàng)目意義重大，它不但可以測(cè)試整體系統(tǒng)的功能、機(jī)械界面及調(diào)試設(shè)備的可操作性和可安裝性，而且可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的安裝程序，培訓(xùn)海上安裝人員和生產(chǎn)作業(yè)人員。

通過(guò)系統(tǒng)整體測(cè)試，許多設(shè)備間的機(jī)械干涉和操作碰撞得以消除，可優(yōu)化安裝程序、培訓(xùn)安裝人員，試驗(yàn)的錄像可作為海上安裝和作業(yè)人員的重要參考資料。

經(jīng)分析，南海某氣田水下生產(chǎn)單元設(shè)備對(duì)系統(tǒng)整體可靠性影響的RAM結(jié)果為：平均的操作穩(wěn)定性為98.1%；固有的穩(wěn)定性為99.5%。

在基本設(shè)計(jì)階段，只做了單元設(shè)備層面的可靠性分析，在EPIC階段時(shí)，需進(jìn)一步分析單元設(shè)備每一部件的可靠性，以對(duì)水下系統(tǒng)中所有部件都有更清楚的認(rèn)識(shí)，并對(duì)關(guān)鍵的部件予以特別關(guān)注，保證其可靠性能滿足系統(tǒng)可靠性要求。

在生產(chǎn)作業(yè)階段，有效的設(shè)備維修策略和維修船舶動(dòng)員的及時(shí)性對(duì)保證較高的系統(tǒng)可靠性也十分重要。

3 結(jié)論

1） 國(guó)外多數(shù)油氣田采用可靠性保障設(shè)計(jì)投產(chǎn)后，水下生產(chǎn)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)未來(lái)深水油氣田開(kāi)發(fā)中水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考樣板。

2） 國(guó)內(nèi)深水油氣田目前也進(jìn)入到了高速發(fā)展的階段，如何保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性尤為重要。鑒于可靠性保障設(shè)計(jì)在國(guó)外深水油氣田的成功應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的深水油氣田也應(yīng)大力推廣。

3） 南海某氣田開(kāi)發(fā)工程按照可靠性保障設(shè)計(jì)的方法和要求，細(xì)化和優(yōu)化各水下生產(chǎn)系統(tǒng)、設(shè)備及其部件的設(shè)計(jì)、建造、測(cè)試和安裝，保證水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

［1］ 王瑩瑩，段夢(mèng)蘭，馮 瑋，等.西非深水油氣田典型開(kāi)發(fā)模式分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（11）：1－8.

［2］ 劉軍鵬，段夢(mèng)蘭，羅曉蘭，等.深水浮式平臺(tái)選擇方法及其在目標(biāo)油氣田的應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（12）：70－75.

［3］ 于芳芳，段夢(mèng)蘭，郭 宏，等.深水管匯設(shè)計(jì)方法及其在荔灣3－1氣田中的應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（1）：24－29.

［4］ 張長(zhǎng)智，王桂林，段夢(mèng)蘭，等.深水開(kāi)發(fā)中的幾種新型混合生產(chǎn)立管系統(tǒng)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（9）：20－25.

［5］ 王 懿，段夢(mèng)蘭，李麗娜，等.深水立管安裝技術(shù)進(jìn)展［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（6）：4－8.

［6］ 王定亞，李?lèi)?ài)利.海洋鉆井隔水管系統(tǒng)配套技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（7）：12－15.

［7］ 康永田，田紅平，羅曉蘭，等.水下采油樹(shù)內(nèi)部輸油管應(yīng)力分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（4）：33－36.

Reliability Assurance Design in One of Nanhai Gas Field Subsea Production System

YIN Feng
（CNOOC Research Institute，Beijing100027，China）

Experience on all of the developed deepwater oil and gas fields has shown that the cost of even the simplest intervention becomes very expensive.To be economic in deepwater，the anticipated higher production rates must be not only realized but also maintained throughout the life of the project.Downtime for any reason is considered unacceptable；especially problems caused by equipment failures.Reliability Assurance Approach could provide more confidence for the deepwater Subsea Production System.This paper illustrates how to implement Reliability Assurance Approach to maintain one of Nanhai gas field SPS high system availability.

deepwater；SPS；reliability assurance；RAM

1001－3482（2012）07－0023－03

TE952

A

2012－01－19

尹 豐（1979－），男，湖北仙桃人，工程師，主要從事儀表自動(dòng)控制設(shè)計(jì)工作。