水下生產(chǎn)系統(tǒng)淺水測試技術(shù)研究

陳 斌，蘇 鋒，姚寶恒，連 璉，周 凱

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.上海交通大學(xué)海洋研究院，上海 200240）

水下生產(chǎn)系統(tǒng)淺水測試技術(shù)研究

陳 斌1，蘇 鋒1，姚寶恒2，連 璉2，周 凱1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.上海交通大學(xué)海洋研究院，上海 200240）

針對目前國內(nèi)在建的珠海海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施制造基地淺水測試需求，分析水下生產(chǎn)設(shè)施淺水測試功能和測試場地分類需求，并以水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)為例，介紹主要測試內(nèi)容和淺水測試工藝步驟，相關(guān)工作可為今后國內(nèi)自主研發(fā)水下設(shè)備淺水測試提供參考。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；淺水測試；系統(tǒng)集成測試；場地建設(shè)

0 引 言

由于陸地石油和淺海油氣可開采資源日益減少，深水油氣開發(fā)已逐漸成為趨勢；因此，國際上各大石油公司在深海領(lǐng)域的投資不斷增加，各國對海洋石油水下裝備的需求迅速上升。在深海及超深海的開發(fā)中，采用傳統(tǒng)干式采油樹（dry tree）的浮式平臺(tái)，如半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)及SPAR，其干式采油樹隨著水深的增加而變高，浮式系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)以及深水中的惡劣條件都對其產(chǎn)生嚴(yán)重影響。水下生產(chǎn)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)設(shè)施布置在海底，受風(fēng)、浪和涌的干擾小，濕式采油樹（wet tree）彌補(bǔ)了干式系統(tǒng)在深水的不足，在深水油氣田開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。

深水油氣開發(fā)經(jīng)過多年的發(fā)展，已形成了一些成熟的開發(fā)模式，包括浮式系統(tǒng)、浮式系統(tǒng)+水下系統(tǒng)、水下系統(tǒng)+淺水固定平臺(tái)、水下系統(tǒng)+陸地終端等。由于經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面的原因，從發(fā)展趨勢來看，水下生產(chǎn)系統(tǒng)是油氣工業(yè)發(fā)展的未來。在全球諸多的深海和超深海油氣田開發(fā)項(xiàng)目中，水下生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)成為主流的開發(fā)手段。我國海洋油氣開發(fā)正逐步走向深海，水下生產(chǎn)系統(tǒng)已在南海東部流花、惠州等數(shù)個(gè)合作開發(fā)的油田中采用。另外，石油公司也越來越重視附近具備整裝油氣開采設(shè)施的邊際油氣資源的開發(fā)，而水下生產(chǎn)系統(tǒng)的高效、低成本等特性，正是開發(fā)這些邊際資源的有利條件[1-8]。隨著全球能源需求量的日益增加，海上的石油開采也逐漸向深海領(lǐng)域發(fā)展，而水下生產(chǎn)系統(tǒng)作為深水油田最核心的組成部分，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(yùn)行中功能的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)裝備的精密制造、工廠測試和淺水測試是水下生產(chǎn)系統(tǒng)深海安裝之前非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，是深水油氣田開發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的保證。水下生產(chǎn)設(shè)施附加值高，目前主要由FMC、Aker Solutions、Cameron、Vetcogray等少數(shù)幾個(gè)國外供應(yīng)商所壟斷。根據(jù)INFIELD公司報(bào)告，2008年至2012年水下產(chǎn)品的支出總額達(dá)1060億美元。目前隨著我國石油勘探開發(fā)向深海的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，對海洋石油裝備的需求進(jìn)一步加大，對國外的技術(shù)和裝備依賴性更大，所以無論是從國家能源安全方面還是從裝備制造業(yè)未來發(fā)展方面，研究適合我國油氣勘探和開發(fā)的海洋石油水下生產(chǎn)設(shè)施的制造技術(shù)和測試裝備，實(shí)現(xiàn)水下生產(chǎn)設(shè)施的自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化都迫在眉睫。

國外的主要水下生產(chǎn)系統(tǒng)和水下主要設(shè)備、部件供應(yīng)商如FMC、Aker Solutions、Cameron、Vetcogray、Advantec、Framo等都掌握了淺水測試技術(shù)并擁有專業(yè)化的淺水測試場地，如FMC的馬來西亞基地和Framo公司的Fusa基地等。

為了適應(yīng)南海深水油氣田開發(fā)的需要，目前我國珠海也正在進(jìn)行海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施制造基地淺水測試場地的建設(shè)與規(guī)劃。珠海海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施制造基地占地207萬m2，岸線1349m，港池水深12m，主要功能區(qū)分為裝備建造主場地、海上設(shè)施維修與工程船舶補(bǔ)給區(qū)、水下產(chǎn)品區(qū)（包括水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝配與測試線、深水海底管線與軟管接長線）、辦公區(qū)和動(dòng)力配套區(qū)。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要由主控站、液壓動(dòng)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、水下連接器、水下分離器和水下控制系統(tǒng)等系統(tǒng)和設(shè)備組成，其測試技術(shù)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)中子系統(tǒng)和設(shè)備眾多，測試工藝復(fù)雜，本文首先介紹典型水下生產(chǎn)設(shè)施的淺水測試功能和場地分類需求，再以水下生產(chǎn)系統(tǒng)中最重要的水下控制系統(tǒng)為例，闡述其測試的主要內(nèi)容和淺水測試步驟，相關(guān)工作可以為水下裝備的研發(fā)提供參考和借鑒。

1 水下生產(chǎn)設(shè)施淺水測試功能需求分析

水下生產(chǎn)設(shè)施淺水測試（SWT）用于水下生產(chǎn)設(shè)施下放、安裝、回收試驗(yàn)和濕環(huán)境下水下生產(chǎn)設(shè)施功能、性能的測試。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[9-10]要求，對于首次使用的產(chǎn)品以及部分功能，必須在產(chǎn)品投產(chǎn)前進(jìn)行淺水測試，以保障水下生產(chǎn)設(shè)施深水安裝的安全性及相關(guān)功能的可靠性，并提高效率。另外，從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化，水下生產(chǎn)設(shè)施一般需要經(jīng)過3個(gè)階段：淺水測試、100～200m的深水測試、100～500m的長時(shí)間油田現(xiàn)場測試。同時(shí)，淺水測試也是產(chǎn)品研發(fā)的重要實(shí)驗(yàn)手段。因此，研究淺水測試技術(shù)，建成淺水測試場地，將為水下生產(chǎn)設(shè)施研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化提供重要的基礎(chǔ)條件。通過淺水測試，可以驗(yàn)證新研發(fā)的水下采油樹、井口裝置、水下管匯、跨接管、連接器、PLET、水下分離器、水下閥門和水下控制系統(tǒng)等水下生產(chǎn)設(shè)施產(chǎn)品下放、安裝、回收試驗(yàn)和濕環(huán)境下水下生產(chǎn)設(shè)施的功能、性能，并可以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)合理性和長時(shí)間工作性能可靠性。

2 典型水下生產(chǎn)設(shè)施測試場地分類需求

水下生產(chǎn)系統(tǒng)淺水測試作為系統(tǒng)集成測試（SIT）的重要組成部分，進(jìn)行實(shí)際測試時(shí)需要的測試支持場地主要包括陸上SIT場地和海邊試驗(yàn)場地或水池兩部分，為了提高效率，其中一部分安裝模擬操作測試可在陸上SIT場地進(jìn)行。本文對在建珠海場地水下生產(chǎn)設(shè)施典型水下生產(chǎn)設(shè)施測試場地需求進(jìn)行分類，如表1所示。

表1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備測試場地需求分類

3 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要測試內(nèi)容

以水下生產(chǎn)系統(tǒng)中最重要的水下控制系統(tǒng)為例，其主要測試內(nèi)容包括水下控制系統(tǒng)電子模塊單元性能測試、水下控制液壓系統(tǒng)性能測試、深海模擬高壓環(huán)境下性能測試和淺水安裝模擬測試4個(gè)主要部分，具體測試內(nèi)容為：

3.1 水下控制系統(tǒng)（SCM)電子模塊單元性能測試

裝入SCM前水下電子模塊SEM第1次隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)；

裝入SCM前水下電子模塊SEM溫度適應(yīng)性測試；

水下電子模塊SEM最高設(shè)計(jì)溫度下的老化試驗(yàn)；

水下電子模塊SEM最高最低溫度循環(huán)試驗(yàn)；

裝入SCM前水下電子模塊SEM第2次隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)；

裝入SCM后水下電子模塊通信測試；

動(dòng)力轉(zhuǎn)換時(shí)SEM性能測試。

其中：隨機(jī)振動(dòng)的總時(shí)間為10 min，在熱循環(huán)前后分別執(zhí)行1次5min的隨機(jī)振動(dòng)。頻率變化為20～80 Hz時(shí)，上升斜率為3 dB/octave；頻率變化為80～350Hz，能量密度為0.04g2/Hz；頻率變化為350～2 000 Hz，下降斜率為-3 dB/octave；能量密度-頻率關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 能量密度-頻率關(guān)系曲線

SEM溫度適應(yīng)性試驗(yàn)裝置測試原理如圖2所示。水下電子模塊SEM最高設(shè)計(jì)溫度下的老化試驗(yàn)需要將SEM模塊放到溫度調(diào)節(jié)艙室中，開啟水下電子測試模塊，調(diào)節(jié)溫度適應(yīng)性艙室至最高設(shè)計(jì)溫度40℃，保持該溫度并持續(xù)48 h，在該艙室內(nèi)進(jìn)行48 h的最高設(shè)計(jì)溫度老化試驗(yàn)后，接下來進(jìn)行最高最低溫度循環(huán)試驗(yàn)：

在該艙室內(nèi)，以5℃/min的速度將溫度增加到最高設(shè)計(jì)溫度40℃，并保持該溫度至少30min；

開啟水下電源通信測試單元和電子測試模塊A，確保水下電子模塊電源供給正常；

開啟水下電源通信測試單元和電子測試模塊，并在最高溫度下持續(xù)通電48h；

然后以5℃/min的速度將溫度降到最低設(shè)計(jì)溫度，并保持該溫度至少30min，重復(fù)最高溫度時(shí)的測試過程。

3.2 水下控制液壓系統(tǒng)性能測試

水下控制液壓系統(tǒng)性能測試主要內(nèi)容包括：液壓系統(tǒng)電磁閥操作測試；內(nèi)部壓力傳感器測試；電磁閥泄漏測試；液壓流量計(jì)測試；電磁閥復(fù)位檢查；液壓介質(zhì)清潔度測試。

3.3 水下控制系統(tǒng)深海模擬高壓環(huán)境下性能測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證水下控制系統(tǒng)在深海工作環(huán)境下的性能，需要將水下控制模塊SCM淹沒在深海模擬高壓艙水中，并加壓到工作水深環(huán)境壓力的1.1倍，如圖3所示。

圖2 SEM溫度適應(yīng)性試驗(yàn)裝置測試原理圖

圖3 SCM吊放在壓力筒內(nèi)示意圖

SCM和SCM外罩組裝到一起，使用硅油密封；SCM安裝到壓力艙，連接電線和液壓管線；高低壓供給管線充壓；確?；赜凸芫€充滿液壓油，連接VAS，然后開啟或關(guān)閉任意閥門3～4次；向壓力艙充水，將SCM暴露在1.1倍SCM工作環(huán)境壓力中（由SCM的設(shè)計(jì)水深確定），測試時(shí)，在合適的時(shí)間間隔，記錄水溫、水壓；循環(huán)調(diào)整水壓兩次（從0bar（1bar=105Pa）到設(shè)計(jì)水深確定的環(huán)境壓力的1.1倍），同時(shí)分別在0bar和設(shè)計(jì)水深確定的環(huán)境壓力保持5 min，每個(gè)循環(huán)需50～60 min；保持設(shè)計(jì)水深確定的環(huán)境水壓1.1倍的最小周期為12h；重新測試SEM通信。

3.4 水下控制系統(tǒng)淺水安裝模擬測試

連接水下控制模塊與水下采油樹本體，使用水下控制模塊安裝工具（SCMRT），將水下控制模塊與采油樹上的水下控制模塊基座固定；

移除水下控制模塊安裝工具（SCMRT）；

使用無人遙控潛水器（remote operated vehicle，ROV）或模擬水下機(jī)器人（Dummy ROV）操作液壓扳手檢測水下控制模塊與水下控制模塊基座能否順利鎖緊，觀察扭距儀并記錄解鎖扭矩與解鎖所需轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)是否與產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格書一致；

使用ROV或模擬水下機(jī)器人（Dummy ROV）操作液壓扳手，使水下控制模塊從水下控制模塊基座上移除，以檢測其能否順利解鎖，觀察扭距儀并記錄解鎖扭矩與解鎖所需轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，對比數(shù)值是否與產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格書一致；

確認(rèn)能順利解鎖后，再將水下控制模塊鎖緊；

移除ROV或模擬水下機(jī)器人扭距工具，進(jìn)行水下采油樹的閥門控制功能測試。

4 結(jié)束語

本文針對目前國內(nèi)在建的珠海海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施淺水測試需求，分析了水下生產(chǎn)設(shè)施淺水測試功能需求和測試場地分類，并以水下控制系統(tǒng)為例，介紹水下控制系統(tǒng)主要測試內(nèi)容和淺水安裝模擬測試主要工藝步驟，相關(guān)工作可為今后國內(nèi)自主研發(fā)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備淺水測試提供參考及借鑒。

隨著我國南海深水油氣資源開發(fā)步伐的加快和水下生產(chǎn)系統(tǒng)在海上油田開發(fā)中的廣泛應(yīng)用，水下生產(chǎn)系統(tǒng)淺水測試技術(shù)研究的重要性將會(huì)進(jìn)一步顯現(xiàn)出來。開展水下生產(chǎn)系統(tǒng)淺水測試技術(shù)的研究工作可為我國南海油氣資源開發(fā)提供強(qiáng)有力的支持，從而進(jìn)一步提高南海深水油氣資源開發(fā)能力。

[1]大型油氣田及煤層氣開發(fā)專項(xiàng)：深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測試裝備及技術(shù)（2011ZX05027-004）可研性報(bào)告，內(nèi)部資料[R].

[2]劉清友，唐洋.水下測試樹國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與國產(chǎn)化思考[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（2）：1-6.

[3]楊少坤，代一丁，呂音，等.南海深水天然氣測試關(guān)鍵技[J].中國海上油氣，2009，21（4）：237-241.

[4]楊立平.海洋石油完井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油鉆采工藝，2008，30（1）：-6.

[5]于振華.深水浮式平臺(tái)試油測試技術(shù)[J].油氣井測試，2007，16（6）:38-39.

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[7]任克忍，王定亞，周天明，等.海洋石油水下裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油機(jī)械，2008，36（9）：151-153.

[8]《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007：164.

[9]ISO 13628-1―2005Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 1：general requirements and recommendations[S].2005.

[10]梁稷，姚寶恒.水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試技術(shù)綜述[J].中國測試，2012，38（1）：38-40.

Study of shallow water testing technology of subsea production system

CHEN Bin1，SU Feng1，YAO Bao-heng2，LIAN Lian2，ZHOU Kai1
（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China；2.Institute of Oceanology，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The function and filed requirements for shallow water testing of subsea production system are studied through the analysis of Zhuhai marine equipments field in construction.Shown as example，the testing contents and shallow water installation simulation procedure of subsea control system are introduced，which help to provide referencesforshallow watertesting ofsubsea equipments.

subsea production system；shallow water test；system integration test；field construction

TE53；TM930.12；TP274；TE319

：A

：1674-5124（2014)06-0010-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.003

2014-01-19；

：2014-03-25

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05027-004）

陳 斌（1983-），男，甘肅鎮(zhèn)原縣人，工程師，碩士，主要從事水下系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)及水下生產(chǎn)設(shè)施測試相關(guān)工作。