由ROV可操作性看水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

胡夏琦，張　寧，唐咸弟，劉太元，林影煉

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000)

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由ROV可操作性看水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

胡夏琦，張寧，唐咸弟，劉太元，林影煉

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000)

摘要：為了研究ROV可操作性對水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的影響，以中國南海番禺35-2/35-1項目水下生產(chǎn)系統(tǒng)為例，采用設(shè)計跟蹤和現(xiàn)場調(diào)研的方法，分析了設(shè)計階段、工廠測試和現(xiàn)場作業(yè)階段ROV可操作性驗證的方法，以及各階段反饋對水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計的影響。

關(guān)鍵詞：水下生產(chǎn)系統(tǒng)；設(shè)計優(yōu)化；ROV可操作性

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是由水下井口、水下采油樹、水下管匯和水下控制系統(tǒng)等水下設(shè)備和海底管纜組成的海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于深水油氣田和邊際油氣田的開發(fā)[1]。從20世紀(jì)50年代第1口水下井口投入生產(chǎn)到現(xiàn)在，水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)得到了快速發(fā)展[2]。我國南海采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)陸續(xù)開發(fā)了多個項目，大部分項目均為500 m以下水深。

根據(jù)IMCA標(biāo)準(zhǔn)，潛水員安全極限作業(yè)深度是300 m，因此，在>300 m的水下作業(yè)就需要通過ROV來完成。在完成海洋石油作業(yè)準(zhǔn)備中，一般首先根據(jù)下潛深度的要求選擇合適的ROV本體(框架)，然后根據(jù)水下作業(yè)的目的和性質(zhì)、要求等，選擇具體的輔助作業(yè)工具[3]。海洋石油水下作業(yè)的ROV輔助作業(yè)工具可以細(xì)分為液壓剪系列、扭矩扳手系統(tǒng)、注入撬、熱拔插工具、鉆石線切割機(jī)、TSS系列工具、聲納系列、CP探頭和多普勒測速儀等，用于進(jìn)行各種水下設(shè)施的安裝支持、水下打壓測試、水下取樣、水下開閥作業(yè)、水下導(dǎo)向和水下腐蝕檢測等作業(yè)。在水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計之中，應(yīng)綜合考慮ROV的可操作性進(jìn)行設(shè)計。

1番禺35-2/35-1氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)

1.1番禺35-2/35-1氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)介紹

番禺35-2/35-1氣田位于中國南海北部，氣田所在海域水深為190.2～338 m，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)模式進(jìn)行開發(fā)。其水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括7棵水下采油樹及配套電、液飛纜，1整套平臺水下控制系統(tǒng)，2套水下臍帶纜終端單元，5條臍帶纜，1套中心管匯，2套終端管匯，2套在線管匯，3套管道終端，11個跨接管以及2條復(fù)合海管。開發(fā)示意圖如圖1所示。

1.2番禺35-2/35-1氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)工作ROV和ROV工具

在同一個項目中，由于安裝設(shè)備和選擇安裝船舶的不同，可能使用不同品牌、型號和大小的ROV進(jìn)行相關(guān)水下作業(yè)，但不同ROV所配備的功能應(yīng)該是類似的。番禺35-2/35-1氣田水下采油樹安裝承包商選擇的是Furgo工作ROV，而水下結(jié)構(gòu)承包商選擇的是Triton和Quantum工作ROV。這些ROV均配備1個Titan七功能手和1個五功能手用于支持作業(yè)。在水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計階段，為了保證水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可操作性，應(yīng)在與各安裝承包商進(jìn)行澄清后，選擇尺寸最大的工作ROV作為ROV可操作性設(shè)計輸入。

ROV可操作性設(shè)計中除了考慮ROV的尺寸，還需要考慮ROV工具的大小。番禺35-2/35-1氣田使用的ROV工具主要有1～4級扭力工具、5級扭力工具、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、閥門頂開工具、2″ 線性閥門鎖開工具、5″ 線性閥門鎖開工具、雙孔熱拔插頭、單孔熱拔插頭、陰極保護(hù)測試探針、飛纜導(dǎo)向工具、18-3/4″ 鋼圈替換工具、18-3/4″ 鋼圈槽清洗工具、低扭矩工具、遙測定位工具、剪切工具和低壓清洗工具等。

圖1　番禺35-2/35-1項目開發(fā)示意圖

2番禺35-2/35-1氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)ROV可操作性模擬、測試及驗證

水下采油樹相關(guān)的ROV可操作性測試主要包括：水下采油樹IWOCS控制系統(tǒng)ROV可操作性測試、水下井口ROV可操作性測試、水下采油樹永久基座ROV可操作性測試、水下采油樹漁網(wǎng)拖掛框架ROV可操作性測試、水下采油樹閥門ROV可操作性測試、水下采油樹熱拔插接頭ROV可操作性測試、水下采油樹可回收模塊(RPM,SCM)ROV可操作性測試、仿真液壓飛纜安裝ROV可操作性測試、仿真電飛纜安裝ROV可操作性測試和水下采油樹立式接頭ROV可操作性測試。

水下結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)相關(guān)的ROV可操作性測試主要包括：水下結(jié)構(gòu)閥門ROV可操作性測試、水下電分配盒(EDB)安裝和取出ROV可操作性測試、仿真液壓飛纜安裝ROV可操作性測試、仿真電飛纜安裝ROV可操作性測試、仿真臍帶纜終端接頭安裝ROV可操作性測試、水下接頭安裝和測試ROV可操作性測試以及水下臍帶纜分配單元閥門ROV可操作性測試。

2.1ROV可操作性三維模擬

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計過程中，ROV可操作性驗證體現(xiàn)為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的ROV可操作性三維模擬。水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備廠家根據(jù)項目ROV的大小和項目ROV工具的實(shí)際情況，利用水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的三維模型和ROV及ROV工具的三維模型，在電腦中模擬水下機(jī)器人和水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成測試(SIT)中的各種工況下的相對位置，演練水下ROV相關(guān)的作業(yè)步驟，如果有位置沖突，就對設(shè)計做出適當(dāng)調(diào)整，避免設(shè)備建造完成后，在實(shí)際安裝過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備不可操作，需要返工的情況。番禺35-2/35-1氣田在ROV可操作性三維模擬中選用的ROV參數(shù)見表1。三維模擬結(jié)果示意圖如圖2～圖5所示。

表1　番禺35-2/35-1氣田在ROV可操作性

圖2　水下采油樹閥門ROV可操作性三維模擬

圖3　水下結(jié)構(gòu)閥門ROV可操作性三維模擬

圖4　水下接頭安裝和測試ROV可操作性三維模擬

圖5　仿真電飛纜安裝ROV可操作性三維模擬

從理論上來說，ROV可操作性三維模擬需要在水下生產(chǎn)系統(tǒng)建造開始前完成；但在實(shí)際項目執(zhí)行過程中，由于水下開發(fā)工期較為緊張，水下生產(chǎn)系統(tǒng)承包商往往是設(shè)計和建造平行進(jìn)行。番禺35-2/35-1氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)項目水下采油樹的設(shè)計采用了快速跟進(jìn)的設(shè)計模式，即在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)采油樹設(shè)計的基礎(chǔ)上，融合項目特殊需求進(jìn)行設(shè)計完善。在該項目中，其ROV可操作性三維模擬完成時間晚于建造開始時間。在該項目采油樹ROV可操作性三維模擬中，設(shè)計方發(fā)現(xiàn)采油樹操作面板(見圖6)上的CIVA(化學(xué)藥劑注入)閥門的保護(hù)帽卡住了下面GTV(鋼圈測試)閥門的操作口。在操作GTV時，應(yīng)先拆除GTV和CIVA閥門的保護(hù)帽，操作之后再堵上；但是當(dāng)時采油樹大部分構(gòu)件的采辦已完成，無法針對這個問題進(jìn)行修改。在2013年10月采油樹實(shí)際安裝打壓期間，這個問題的出現(xiàn)增加了水下機(jī)器人的水下作業(yè)時間。

圖6　采油樹操作面板示意圖

2.2ROV可操作性場地測試

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備制造完成后，為了驗證水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的ROV可操作性，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成測試中包括了實(shí)體的ROV可操作性場地測試。在ROV可操作性場地測試前，應(yīng)確保所有參與測試的水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備通過了工廠測試(FAT)和擴(kuò)展工廠測試(EFAT)。測試中采用該項目的真實(shí)ROV或與真實(shí)ROV尺寸一樣的仿真ROV及該項目的ROV輔助作業(yè)工具模仿在安裝和調(diào)試過程中所有可能發(fā)生的水下作業(yè)工況。所有測試都在水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備不帶壓情況下進(jìn)行。ROV可操作性場地測試實(shí)施的一個現(xiàn)場情況如圖7所示。如場地測試出現(xiàn)問題，應(yīng)在工廠對設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的整改。

圖7　ROV可操作性場地測試

2.3ROV可操作性現(xiàn)場驗證

真實(shí)水下作業(yè)環(huán)境和工廠環(huán)境不同，除了空間相對位置的考慮，還會受到浮力、海底水流、海生物和其他在位設(shè)備等多個因素的影響。在設(shè)計過程中雖已盡量考慮這些參數(shù)，但真實(shí)水下環(huán)境與設(shè)計模擬環(huán)境還存在差異，且由于安裝船舶的不確定性，安裝船舶的調(diào)整，可能導(dǎo)致安裝方案的改變，進(jìn)而對ROV可操作性造成影響。這就需要在水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝階段，進(jìn)一步對ROV可操作性進(jìn)行現(xiàn)場驗證。當(dāng)有問題發(fā)生時，應(yīng)及時反饋設(shè)計方。如有必要，應(yīng)在設(shè)計方的建議下，現(xiàn)場對出現(xiàn)問題的水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改造。

例如，2014年2月在安裝番禺35-2/35-1氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)項目水下采油樹永久基座期間，安裝船舶由設(shè)計階段的南海五號改為海洋石油708。由于海洋石油708月池尺寸限制，安裝方案調(diào)整為先安裝基座本體，再使用水下機(jī)器人安裝永久基座面板防海生物保護(hù)罩(MGC)。在采油樹設(shè)計階段，未考慮MGC停泊在海底的工況。實(shí)際水下機(jī)器人入水操作期間，MGC脫手即隨著海流飄走。后續(xù)和設(shè)備廠家溝通，采用了下入ROV籃，作為MGC停泊籃的方案，解決了這個問題。通過現(xiàn)場反饋，廠家提出下一個項目將考慮MGC在預(yù)定水深是否會因正浮力而自動漂浮，對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

再例如，番禺35-2/35-1氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下采油樹完井作業(yè)取出抗磨補(bǔ)心的步驟，需ROV下水打開THV(油管掛泄壓)閥門，然后通過采油樹安裝和控制系統(tǒng)(IWOCS)對其泄壓，再打入完井液，幫提抗磨補(bǔ)心。在前期ROV可操作性三維模擬分析和ROV可操作性場地測試中，ROV并未出現(xiàn)不能操作面板的情況。但是在2014年3月8日凌晨實(shí)際采油樹完井作業(yè)時，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)由于THV閥門操作孔在采油樹操作面板上部，ROV靠近時被采油樹上部的防噴器(BOP)防撞桿阻擋(見圖8)，不能插入扭力工具操作該閥門，后續(xù)完井階段需要開啟的TCT(采油樹帽測試)閥門操作也受到阻礙無法完成。為了節(jié)約船舶作業(yè)時間，經(jīng)現(xiàn)場和設(shè)備廠家討論，采用了不助推的方式取出抗磨補(bǔ)心，抗磨補(bǔ)心出去后發(fā)現(xiàn)其O型密封圈丟失，其他正常。在提取抗磨補(bǔ)心的同時，ROV廠家在作業(yè)現(xiàn)場對ROV的機(jī)械手進(jìn)行改造/加長，直到2014年3月9日下午才完成了改造，可以成功操作THV和TCT閥門。這一ROV不可操作工況的出現(xiàn)，不僅延誤了作業(yè)時間，也給作業(yè)帶來了額外的風(fēng)險。通過現(xiàn)場反饋，廠家提出下一個項目將考慮鉆完井平臺調(diào)研期間，獲取BOP相關(guān)外形尺寸參數(shù)，在ROV可操作性三維模擬時加入防噴器模塊，并考慮防噴器模塊與采油樹不同艏向配合的情況下的作業(yè)模擬。

圖8　ROV和BOP的相對位置

3結(jié)語

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可操作性對成功進(jìn)行系統(tǒng)的水下作業(yè)至關(guān)重要。水下作業(yè)期間ROV不可操作工況的出現(xiàn)，將會導(dǎo)致船舶、人員待機(jī)費(fèi)用增加，嚴(yán)重情況下可能會導(dǎo)致項目的推遲或失敗。為了確保水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可操作性，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計階段，應(yīng)進(jìn)行ROV可操作性三維模擬，在設(shè)備建造完成后進(jìn)行的系統(tǒng)集成測試階段應(yīng)進(jìn)行ROV可操作性場地測試；在系統(tǒng)現(xiàn)場安裝階段，應(yīng)考慮到浮力、海底水流、海生物、其他在位設(shè)備、不同安裝船舶和不同安裝方案的影響，進(jìn)一步對ROV可操作性進(jìn)行現(xiàn)場驗證；在三維模擬期間，如出現(xiàn)ROV不可操作工況，應(yīng)結(jié)合設(shè)備建造進(jìn)度對設(shè)備進(jìn)行盡可能的優(yōu)化；在場地測試和現(xiàn)場驗證期間，如出現(xiàn)ROV不可操作工況，應(yīng)在設(shè)計方的建議下，對相關(guān)水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行改造。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計已基本成熟，但在使用過程中，在不同的油氣田進(jìn)行不同作業(yè)時可能會遇到不同的ROV不可操作工況問題。目前，關(guān)于國內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)可操作性相關(guān)的文獻(xiàn)和作業(yè)經(jīng)驗分享較少。作業(yè)者除了在設(shè)計階段、場地測試階段對水下生產(chǎn)系統(tǒng)ROV可操作性進(jìn)行驗證并進(jìn)行設(shè)計/設(shè)備調(diào)整，還應(yīng)特別注重和鼓勵安裝階段ROV可操作性的反饋及經(jīng)驗教訓(xùn)收集，以期形成從現(xiàn)場反饋影響設(shè)計、設(shè)計優(yōu)化助力生產(chǎn)的良性循環(huán)，并為將來更好地在我國深海順利進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)提供借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋琳,楊樹耕,劉寶瓏.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)備發(fā)展與研究[J].海洋開發(fā)與管理,2013,21(5):111-114.

[2] 劉太元,霍成索.水下生產(chǎn)系統(tǒng)在我國南海深水油氣田開發(fā)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J].中國工程科學(xué),2015,17(1):101-106.

[3] 晏勇,馬培蓀,王道炎. 深海ROV及其作業(yè)系統(tǒng)綜述[J]. 機(jī)器人, 2005,16(1):134-139.

責(zé)任編輯鄭練

ROV Accessibility Study——The Impact to Subsea Production System Design Optimization

HU Xiaqi, ZHANG Ning, TANG Xiandi, LIU Taiyuan, LIN Yinglian

(CNOOC Deepwater Development Co., Ltd., Zhuhai 519000, China)

Abstract：In order to research ROV accessibility study impact on subsea production system design optimization, this article takes South China Sea Panyu 35-2/35-1 project subsea production system as an example. Use design track and field survey methods, analyze ways of ROV accessibility study during design stage, factory test stage and introduce field operation stage, and how ROV accessibility study feedback influent the subsea production system design.

Key words:subsea production system, design optimization, ROV accessibility

中圖分類號：TE 37

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：胡夏琦(1983-)，女，工程師，主要從事南海深水天然氣開發(fā)項目組水下開發(fā)部水下設(shè)備研究等方面的研究。