水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)水下測試設(shè)施研究

蘇　鋒，陳　斌，張　凡，周　凱，劉冬冬

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310000）

水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)水下測試設(shè)施研究

蘇鋒1，陳斌1，張凡2，周凱1，劉冬冬1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310000）

針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試所需要的大型測試水池，首先對相關(guān)技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，分析需要在大型水池中進(jìn)行的測試主要包括淺水安裝測試和資格驗(yàn)證測試兩種，然后對國外水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)測試水池進(jìn)行研究，分析其測試設(shè)施、測試功能以及測試方法，最終為我國進(jìn)行大型測試設(shè)施的規(guī)劃建造提出探索性建議。

水下測試；淺水安裝測試；資格驗(yàn)證測試；測試水池；水下生產(chǎn)系統(tǒng)

0　引　言

目前，海洋油氣特別是深海油氣，資源豐富，勘探開發(fā)正在迅速發(fā)展，可以說石油工業(yè)的未來在于海洋石油[1]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)作為開發(fā)深水油氣資源的關(guān)鍵設(shè)施，其性能要求更為嚴(yán)格。目前，我國國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）支持了一批水下生產(chǎn)系統(tǒng)核心設(shè)備的研發(fā)，并取得可喜的進(jìn)展，但是設(shè)施的性能還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試設(shè)施的研究，對我國進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)的測試以及驗(yàn)證，突破國外的技術(shù)瓶頸，逐漸由淺海走向深海油氣田開發(fā)具有非常重要的意義。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要由地面控制單元、臍帶纜、水下采油樹、水下管匯及水下處理系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)都包含多種單元部件。對水下設(shè)施進(jìn)行安裝測試和長期性資格驗(yàn)證測試，是確保水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠安裝，以及在生產(chǎn)運(yùn)行中的功能有效性及安全性的必要措施[2]。

目前，國內(nèi)有不少海上油氣田使用過的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，如LH11-1、LF22-1、HZ32-5/26-1N、LH33-1、YC13-4、PY35-1/2、LW3-1等。但這些系統(tǒng)從產(chǎn)品制造到安裝再到最終的生產(chǎn)調(diào)試，整個程序和技術(shù)都是由國外公司提供，這種模式對于我國深水油氣田開發(fā)造成很大掣肘。淺水安裝測試設(shè)施可以用于安裝流程的驗(yàn)證優(yōu)化以及對海上作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，有助于提升我國的水下生產(chǎn)設(shè)施的安裝能力。

1　水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試分析

由于水下生產(chǎn)系統(tǒng)對可靠性的苛刻要求，水下生產(chǎn)系統(tǒng)在制造完成之后需要進(jìn)行嚴(yán)格的測試。對于技術(shù)成熟并具有成功運(yùn)用案例的產(chǎn)品，通常只需要進(jìn)行工廠驗(yàn)收測試（FAT）、擴(kuò)展工廠驗(yàn)收測試（EFAT）和系統(tǒng)集成測試（SIT）。

對于新型水下產(chǎn)品，在制造之前需要進(jìn)行模型樣機(jī)的資格驗(yàn)證測試，制造完成之后除了常規(guī)的FAT、EFAT和SIT測試，還需要進(jìn)行淺水安裝測試、資格測試和連續(xù)性測試。淺水安裝測試考慮無人遙控潛水器（ROV）的配合，需要在水環(huán)境中進(jìn)行，用于對安裝流程進(jìn)行優(yōu)化以及對海上安裝人員進(jìn)行培訓(xùn)；典型的資格測試主要是在水池中進(jìn)行保溫冷卻測試；連續(xù)性測試是為了保證測試系統(tǒng)的長時間運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性和穩(wěn)定性，需要在水環(huán)境中進(jìn)行[3-5]。

2　水下測試標(biāo)準(zhǔn)研究

API 17A附錄C對強(qiáng)制性淺水測試內(nèi)容進(jìn)行了一定的描述，主要分為安裝測試和功能測試兩大類；同時，也說明非強(qiáng)制性的淺水試驗(yàn)可以使用模型結(jié)構(gòu)執(zhí)行。在實(shí)際淺水測試時，不同設(shè)施的測試內(nèi)容差別較大，應(yīng)基于實(shí)際水下安裝流程選擇。

API 17Q是專門針對水下生產(chǎn)設(shè)施驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對水下生產(chǎn)設(shè)施的驗(yàn)證進(jìn)行了總體的描述，具體驗(yàn)證內(nèi)容應(yīng)依據(jù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)子單元所對應(yīng)的規(guī)范。另外，很多國際公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對國際規(guī)范進(jìn)行了加強(qiáng)和補(bǔ)充。

3　國外水下測試案例分析

歐美公司在水下生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域經(jīng)過了半個多世紀(jì)的發(fā)展，技術(shù)已趨成熟。對于常規(guī)水下產(chǎn)品，如水下采油樹、水下管匯、連接器等，已很少進(jìn)行水下測試，但仍保留有完整的測試體系。當(dāng)前國際上水下測試主要針對水下處理系統(tǒng)，如水下增壓泵、水下分離器、水下壓縮機(jī)等。目前，國際上可查閱的水下測試設(shè)施及案例極為有限，有必要專門對其進(jìn)行分析，主要研究其測試需求、測試設(shè)施以及測試方法。

3.1Ormen Lange水下處理系統(tǒng)測試

Ormen Lange氣田位于挪威西南部海域，水深1000m左右。海底井口收集的氣水混合物直接通過海底管道輸送至陸地的Nyhamna處理終端進(jìn)行處理。由于氣田在開發(fā)的過程中壓力會驟降，因此，需要在海底安裝水下增壓處理系統(tǒng)進(jìn)行增壓。

為了驗(yàn)證水下處理系統(tǒng)的性能，Aker Solutions公司在Nyhamna陸地天然氣處理廠內(nèi)專門建造了一個長42m寬28m深17m的測試池。其總體布局[6]如圖1所示。

由于是進(jìn)行持續(xù)性測試，系統(tǒng)必須構(gòu)成流動回路，測試系統(tǒng)就需要包括水下系統(tǒng)和陸地系統(tǒng)兩個部分。水下系統(tǒng)位于水池內(nèi)，由8個模塊組成，測試時對其模塊布局進(jìn)行了優(yōu)化處理；陸地系統(tǒng)包括一個大型的天然氣處理模塊以及輔助設(shè)施。

圖1　測試系統(tǒng)總體布局

該測試是水下處理系統(tǒng)最終階段的技術(shù)測試。將水下設(shè)備全部浸入水中之后，在2年的時間里采用閉環(huán)回路對水下處理系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性和持續(xù)性進(jìn)行測試。

Aker Solutions在水下壓縮系統(tǒng)領(lǐng)域的研究始于1985年，盡管其技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際工程中得到驗(yàn)證，但是直到2010年才進(jìn)行第一次水下全比率測試。由于該水下處理系統(tǒng)采用了大量的新技術(shù)并且項(xiàng)目自身意義重大，因此有必要進(jìn)行水下測試對其性能進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。為了進(jìn)行此測試，Aker Solutions聯(lián)合Shell專門為其訂做一個超大型的深水池，可見盡管國外在水下生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域經(jīng)過了很多年的發(fā)展，但是仍缺乏超大型的測試水池。

3.2巴西水下分離與增壓系統(tǒng)測試

水下樣機(jī)測試是巴西水下分離與增壓系統(tǒng)（VASPS）開發(fā)項(xiàng)目的最后一個階段，測試的目的是驗(yàn)證所開發(fā)的水下分離、壓縮系統(tǒng)的可行性，具體測試內(nèi)容：1）驗(yàn)證系統(tǒng)硬件的完整性、可靠性；2）展示系統(tǒng)操作的技術(shù)及工具；3）驗(yàn)證水下系統(tǒng)的可控性；4）論證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

從1990年開始，該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，1993年在意大利ENI公司Trecate陸地測試場進(jìn)行樣機(jī)測試，1995年樣機(jī)被運(yùn)往位于巴西東北部的Atalaia測試場進(jìn)行陸地測試，1998年至2002年樣機(jī)在巴西近海的Marimba油氣田進(jìn)行海試。

水下井口水深435m，連接到水下分離與增壓系統(tǒng)樣機(jī)（水深395 m，距離采油樹550 m）；新鋪設(shè)的4英寸（1英寸=0.0254m）管線將分離出來的氣體輸送到平臺，現(xiàn)有6英寸輸油管線負(fù)責(zé)輸送原油；管線長1050m，柔性立管長660m，平臺水深423m。

自1986年巴西推出第一個深海石油技術(shù)發(fā)展計(jì)劃以來，巴西已成為唯一一個在水下生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域取得卓越進(jìn)展的發(fā)展中國家，其發(fā)展模式值得國內(nèi)借鑒。

3.3Pazflor水下分離器安裝測試

Pazflor油氣田位于安哥拉深海，水深600～1500m。出于對生產(chǎn)設(shè)施、操作、鉆井等多個因素的考慮，該油氣田開發(fā)選用3套水下立式分離器。水下分離器通過FAT測試之后，被運(yùn)往位于挪威Horten的FMC測試基地進(jìn)行測試[7]。測試內(nèi)容包括擴(kuò)展工廠驗(yàn)收測試、系統(tǒng)集成測試、冷卻測試、功能測試、淺水測試、互換性測試。

安裝水下分離器基盤和水下分離器分別如圖2和圖3所示，該測試場位于挪威Horten工業(yè)區(qū)，測試水池由Horten船廠改建。水池長243.20m，寬34.15m，淺水區(qū)深大約12m，深水區(qū)深度大約為20m。

圖2　安裝水下分離器基盤

圖3　安裝水下分離器

測試的主要目的為：1）測試所有的水下安裝和干預(yù)操作；2）測試設(shè)備所有的功能；3）提高實(shí)際安裝過程可靠性；4）對海上安裝人員進(jìn)行培訓(xùn)。

Horten船廠有兩個船塢，其大船塢被FMC公司進(jìn)行了加深加強(qiáng)改造，可進(jìn)行水下安裝測試。水下生產(chǎn)設(shè)施的安裝以及功能性大部分都可以在SIT測試階段得到驗(yàn)證，淺水安裝測試側(cè)重于真實(shí)ROV的參與以及水下濕式環(huán)境操作。FMC在Pazflor項(xiàng)目之前進(jìn)行了Tordis水下臥式分離器項(xiàng)目，Tordis項(xiàng)目供應(yīng)世界上第一個商業(yè)化的水下分離增壓注入站設(shè)施。同樣是新型水下處理系統(tǒng)，Tordis項(xiàng)目只對Framo公司泵模塊進(jìn)行了例行水下測試，分離器模塊在陸地進(jìn)行測試。根據(jù)FMC的報(bào)告，本文分析可能是Pazflor項(xiàng)目分離器各個模塊之間存在較多接頭，這些接頭需要ROV在水下進(jìn)行連接，而兩模塊之間的間隙寬僅為0.8m左右。對于如此高風(fēng)險性的操作，必須要通過淺水安裝測試驗(yàn)證。

3.4Statoil A/S公司水下分離器測試

1992年Statoil A/S對水下處理設(shè)備和控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試。

圖4　在干船塢內(nèi)的分離器原型機(jī)

分離器的連續(xù)性測試和安裝測試都在干船塢內(nèi)進(jìn)行，其原型機(jī)如圖4所示，先后進(jìn)行了干濕環(huán)境測試。旁邊的工廠提供多相流（氣、水、油），同時接收從分離器分離出的各種流體。當(dāng)時唯一符合該測試條件的場地是位于英國Middlesbrough的海洋測試中心。綜合測試程序包括3個部分：關(guān)鍵部件的FAT，子系統(tǒng)裝配測試（包括泵、控制器等）和系統(tǒng)集成測試。系統(tǒng)集成測試分別在干濕環(huán)境下開展。測試模擬了寬范圍的測試條件，包括正常流量范圍和一些特殊情況。

3.5Dalia項(xiàng)目采油樹保溫測試

Dalia項(xiàng)目采油樹保溫測試在Aker Solutions公司Tranby測試水池內(nèi)開展。

采油樹總成被安裝在測試樁上，并裝上測試井口頭，如圖5所示。測試時將采油樹用跨接管連接至外部管道，以模擬邊界條件。測試用的流體循環(huán)系統(tǒng)包括2英寸保溫管道（接入測試井口頭下部）、兩個隔離閥、加熱裝置（功率24 kW，容量3000L）、兩個循環(huán)泵（一備一用，流量700L/min）。采用34個高準(zhǔn)確度熱電偶對采油樹的溫度變化進(jìn)行測量，同時利用水下液控單元連接到電氣測試單元以便監(jiān)控采油樹自身的壓力和溫度傳感器[8]。

圖5　采油樹保溫測試

具體測試步驟：1）采油樹在空氣中預(yù)熱至45℃，保持12 h；2）采油樹在水中加熱并保持溫度12 h；3）達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；4）冷卻測試。

測試時水池內(nèi)的水需要進(jìn)行循環(huán)，防止熱量在水池內(nèi)積累，新注入水池內(nèi)的水需要通過一個冷卻單元將其冷卻至1℃以下。在穩(wěn)定階段，水池的水溫控制在8.5℃，循環(huán)流體的溫度控制在50.5℃。

由于Dalia油田的油藏特性（低壓和高含蠟），容易形成水合物，因此Dalia油田水下采油樹的保溫設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。首先通過軟件模型對采油樹進(jìn)行熱傳遞分析，然后通過水下全比例測試對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.6Moho Bilondo水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試

2005年Total與FMC簽訂了安哥拉水下生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)議。工程師面臨的一個主要問題是安裝采油樹時需要維持6h保溫狀態(tài)，以防止低溫時形成水合物。該測試包括采油樹、管匯、水下控制系統(tǒng)。

整個測試內(nèi)容包括SIT測試、堆棧測試、淺水測試、冷卻測試。其中淺水測試和冷卻測試在水池內(nèi)進(jìn)行，其他測試在水池岸邊進(jìn)行。

淺水測試的內(nèi)容包括多相流保溫套的安裝、高壓帽的安裝和回收、線管和臍帶纜與管匯的連接等。

考慮安全和實(shí)用性，采用常壓的熱水代替實(shí)際運(yùn)行過程中輸送的高壓氣體來進(jìn)行冷卻測試。測試時對真實(shí)的測試模型以及邊界條件進(jìn)行分析。測試內(nèi)容包括采油樹冷卻測試和管匯冷卻測試。

從FMC淺水測試的內(nèi)容可以看出，淺水測試的測試內(nèi)容并不豐富，因?yàn)槠溥M(jìn)行淺水測試的目的很明確：

1）新型部件的安裝驗(yàn)證；

2）進(jìn)行在空氣中無法進(jìn)行的測試項(xiàng)目（必須在水環(huán)境中進(jìn)行）；

3）與臍帶纜和流線管分包商的磨合。

測試布局如圖6所示，可以看出，Moho Bilondo保溫測試與Pazflor水下分離器淺水測試采用的是同一個測試水池，都是在FMC位于Horten的水池?？梢?，對于這兩類測試，可以在同一個水池內(nèi)進(jìn)行，對于保溫測試需要另外安裝保溫管道。

圖6　測試布局

4　淺水測試水池規(guī)劃

在對國外水池進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研以及對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國際主流趨勢以及未來水下產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，對水池的功能需要進(jìn)行研究。淺水測試場測試主要針對的產(chǎn)品包括水下采油樹、水下管匯、水下分配單元、水下PLET/PLEM、水下分離器（包含立式和臥式）、小型水下組件、ROV培訓(xùn)。

由于水下產(chǎn)品的多樣性，部分測試需要使用大量的陸地設(shè)備，測試水池宜設(shè)計(jì)成開放的水池，便于進(jìn)行功能擴(kuò)展，如圖7所示。

不管是進(jìn)行淺水測試、長期資格測試還是保溫測試，測試時只針對單個設(shè)備，對于水池的空間規(guī)劃只需滿足對單個設(shè)備進(jìn)行測試的需要。目前，我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試針對的產(chǎn)品范圍較廣，水池的尺寸應(yīng)該滿足對大型水下產(chǎn)品進(jìn)行測試的空間需求。需分析各個功能要求的測試流程，以及詳細(xì)計(jì)算各個測試內(nèi)容所需要的水池空間，最終才得到水池的總體尺寸。

Subsea oil&gas production system underwater test facility study

SU Feng1，CHEN Bin1，ZHANG Fan2，ZHOU Kai1，LIU Dongdong1
（1.China National Offshore Oil Corporation，Tianjin 300451，China；2.Zhejiang University，Hangzhou 310000，China）

By investigating and studying of international subsea production testing cases，the article gives brief introductions of subsea processing system testing，subsea separation and boosting system testing，subsea tree testing，and subsea connector thermal testing.By doing so，a thorough understandingofsubseaproductionsystemtestingpurpose， testingmethodandnecessary requirements can be reached.

subseatest； shallowwaterinstallationtest； qualificationtest； testpit； subsea production system

A

：1674-5124（2015）07-0006-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.002

2015-01-11；

：2015-03-21

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05027-004）

蘇鋒（1976-），男，山西太原市人，高級工程師，主要從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)研究工作。