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(cè)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(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試所需要的大型測(cè)試水池，首先對(duì)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(cè)試主要包括淺水安裝測(cè)試和資格驗(yàn)證測(cè)試兩種，然后對(duì)國(guó)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)測(cè)試水池進(jìn)行研究，分析其測(cè)試設(shè)施、測(cè)試功能以及測(cè)試方法，最終為我國(guó)進(jìn)行大型測(cè)試設(shè)施的規(guī)劃建造提出探索性建議。

水下測(cè)試；淺水安裝測(cè)試；資格驗(yàn)證測(cè)試；測(cè)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(shuō)石油工業(yè)的未來(lái)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(guó)國(guó)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(cè)試設(shè)施的研究，對(duì)我國(guó)進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)的測(cè)試以及驗(yàn)證，突破國(guó)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(gè)子系統(tǒng)都包含多種單元部件。對(duì)水下設(shè)施進(jìn)行安裝測(cè)試和長(zhǎng)期性資格驗(yàn)證測(cè)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(guó)內(nèi)有不少海上油氣田使用過(guò)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(gè)程序和技術(shù)都是由國(guó)外公司提供，這種模式對(duì)于我國(guó)深水油氣田開發(fā)造成很大掣肘。淺水安裝測(cè)試設(shè)施可以用于安裝流程的驗(yàn)證優(yōu)化以及對(duì)海上作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，有助于提升我國(guó)的水下生產(chǎn)設(shè)施的安裝能力。

1　水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試分析

由于水下生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)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(cè)試。對(duì)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(cè)試（FAT）、擴(kuò)展工廠驗(yàn)收測(cè)試（EFAT）和系統(tǒng)集成測(cè)試（SIT）。

對(duì)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(cè)試，制造完成之后除了常規(guī)的FAT、EFAT和SIT測(cè)試，還需要進(jìn)行淺水安裝測(cè)試、資格測(cè)試和連續(xù)性測(cè)試。淺水安裝測(cè)試考慮無(wú)人遙控潛水器（ROV）的配合，需要在水環(huán)境中進(jìn)行，用于對(duì)安裝流程進(jìn)行優(yōu)化以及對(duì)海上安裝人員進(jìn)行培訓(xùn)；典型的資格測(cè)試主要是在水池中進(jìn)行保溫冷卻測(cè)試；連續(xù)性測(cè)試是為了保證測(cè)試系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)研究

API 17A附錄C對(duì)強(qiáng)制性淺水測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行了一定的描述，主要分為安裝測(cè)試和功能測(cè)試兩大類；同時(shí)，也說(shuō)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(cè)試時(shí)，不同設(shè)施的測(cè)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(duì)水下生產(chǎn)設(shè)施驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)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(duì)應(yīng)的規(guī)范。另外，很多國(guó)際公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)國(guó)際規(guī)范進(jìn)行了加強(qiáng)和補(bǔ)充。

3　國(guó)外水下測(cè)試案例分析

歐美公司在水下生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域經(jīng)過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，技術(shù)已趨成熟。對(duì)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(cè)試，但仍保留有完整的測(cè)試體系。當(dāng)前國(guó)際上水下測(cè)試主要針對(duì)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(guó)際上可查閱的水下測(cè)試設(shè)施及案例極為有限，有必要專門對(duì)其進(jìn)行分析，主要研究其測(cè)試需求、測(cè)試設(shè)施以及測(cè)試方法。

3.1Ormen Lange水下處理系統(tǒng)測(cè)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(guò)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(guò)程中壓力會(huì)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(gè)長(zhǎng)42m寬28m深17m的測(cè)試池。其總體布局[6]如圖1所示。

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

圖1　測(cè)試系統(tǒng)總體布局

該測(cè)試是水下處理系統(tǒng)最終階段的技術(shù)測(cè)試。將水下設(shè)備全部浸入水中之后，在2年的時(shí)間里采用閉環(huán)回路對(duì)水下處理系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性和持續(xù)性進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)試對(duì)其性能進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。為了進(jìn)行此測(cè)試，Aker Solutions聯(lián)合Shell專門為其訂做一個(gè)超大型的深水池，可見盡管國(guó)外在水下生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域經(jīng)過(guò)了很多年的發(fā)展，但是仍缺乏超大型的測(cè)試水池。

3.2巴西水下分離與增壓系統(tǒng)測(cè)試

水下樣機(jī)測(cè)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(gè)階段，測(cè)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(cè)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(cè)試，1993年在意大利ENI公司Trecate陸地測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試，1995年樣機(jī)被運(yùn)往位于巴西東北部的Atalaia測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行陸地測(cè)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(lái)的氣體輸送到平臺(tái)，現(xiàn)有6英寸輸油管線負(fù)責(zé)輸送原油；管線長(zhǎng)1050m，柔性立管長(zhǎng)660m，平臺(tái)水深423m。

自1986年巴西推出第一個(gè)深海石油技術(shù)發(fā)展計(jì)劃以來(lái)，巴西已成為唯一一個(gè)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(guó)家，其發(fā)展模式值得國(guó)內(nèi)借鑒。

3.3Pazflor水下分離器安裝測(cè)試

Pazflor油氣田位于安哥拉深海，水深600～1500m。出于對(duì)生產(chǎn)設(shè)施、操作、鉆井等多個(gè)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(guò)FAT測(cè)試之后，被運(yùn)往位于挪威Horten的FMC測(cè)試基地進(jìn)行測(cè)試[7]。測(cè)試內(nèi)容包括擴(kuò)展工廠驗(yàn)收測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試、冷卻測(cè)試、功能測(cè)試、淺水測(cè)試、互換性測(cè)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(cè)試場(chǎng)位于挪威Horten工業(yè)區(qū)，測(cè)試水池由Horten船廠改建。水池長(zhǎng)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(cè)試的主要目的為：1）測(cè)試所有的水下安裝和干預(yù)操作；2）測(cè)試設(shè)備所有的功能；3）提高實(shí)際安裝過(guò)程可靠性；4）對(duì)海上安裝人員進(jìn)行培訓(xùn)。

Horten船廠有兩個(gè)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(cè)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(cè)試階段得到驗(yàn)證，淺水安裝測(cè)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(gè)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(duì)Framo公司泵模塊進(jìn)行了例行水下測(cè)試，分離器模塊在陸地進(jìn)行測(cè)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(gè)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(duì)于如此高風(fēng)險(xiǎn)性的操作，必須要通過(guò)淺水安裝測(cè)試驗(yàn)證。

3.4Statoil A/S公司水下分離器測(cè)試

1992年Statoil A/S對(duì)水下處理設(shè)備和控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)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(cè)試和安裝測(cè)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(cè)試。旁邊的工廠提供多相流（氣、水、油），同時(shí)接收從分離器分離出的各種流體。當(dāng)時(shí)唯一符合該測(cè)試條件的場(chǎng)地是位于英國(guó)Middlesbrough的海洋測(cè)試中心。綜合測(cè)試程序包括3個(gè)部分：關(guān)鍵部件的FAT，子系統(tǒng)裝配測(cè)試（包括泵、控制器等）和系統(tǒng)集成測(cè)試。系統(tǒng)集成測(cè)試分別在干濕環(huán)境下開展。測(cè)試模擬了寬范圍的測(cè)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(cè)試

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

采油樹總成被安裝在測(cè)試樁上，并裝上測(cè)試井口頭，如圖5所示。測(cè)試時(shí)將采油樹用跨接管連接至外部管道，以模擬邊界條件。測(cè)試用的流體循環(huán)系統(tǒng)包括2英寸保溫管道（接入測(cè)試井口頭下部）、兩個(gè)隔離閥、加熱裝置（功率24 kW，容量3000L）、兩個(gè)循環(huán)泵（一備一用，流量700L/min）。采用34個(gè)高準(zhǔn)確度熱電偶對(duì)采油樹的溫度變化進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)利用水下液控單元連接到電氣測(cè)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(cè)試

具體測(cè)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(cè)試。

測(cè)試時(shí)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(guò)一個(gè)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(guò)軟件模型對(duì)采油樹進(jìn)行熱傳遞分析，然后通過(guò)水下全比例測(cè)試對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.6Moho Bilondo水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)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(gè)主要問(wèn)題是安裝采油樹時(shí)需要維持6h保溫狀態(tài)，以防止低溫時(shí)形成水合物。該測(cè)試包括采油樹、管匯、水下控制系統(tǒng)。

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

淺水測(cè)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(guò)程中輸送的高壓氣體來(lái)進(jìn)行冷卻測(cè)試。測(cè)試時(shí)對(duì)真實(shí)的測(cè)試模型以及邊界條件進(jìn)行分析。測(cè)試內(nèi)容包括采油樹冷卻測(cè)試和管匯冷卻測(cè)試。

從FMC淺水測(cè)試的內(nèi)容可以看出，淺水測(cè)試的測(cè)試內(nèi)容并不豐富，因?yàn)槠溥M(jìn)行淺水測(cè)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(wú)法進(jìn)行的測(cè)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(cè)試布局如圖6所示，可以看出，Moho Bilondo保溫測(cè)試與Pazflor水下分離器淺水測(cè)試采用的是同一個(gè)測(cè)試水池，都是在FMC位于Horten的水池。可見，對(duì)于這兩類測(cè)試，可以在同一個(gè)水池內(nèi)進(jìn)行，對(duì)于保溫測(cè)試需要另外安裝保溫管道。

圖6　測(cè)試布局

4　淺水測(cè)試水池規(guī)劃

在對(duì)國(guó)外水池進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研以及對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)際主流趨勢(shì)以及未來(lái)水下產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)水池的功能需要進(jìn)行研究。淺水測(cè)試場(chǎng)測(cè)試主要針對(duì)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(cè)試需要使用大量的陸地設(shè)備，測(cè)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(cè)試、長(zhǎng)期資格測(cè)試還是保溫測(cè)試，測(cè)試時(shí)只針對(duì)單個(gè)設(shè)備，對(duì)于水池的空間規(guī)劃只需滿足對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試的需要。目前，我國(guó)水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試針對(duì)的產(chǎn)品范圍較廣，水池的尺寸應(yīng)該滿足對(duì)大型水下產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試的空間需求。需分析各個(gè)功能要求的測(cè)試流程，以及詳細(xì)計(jì)算各個(gè)測(cè)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(guó)家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05027-004）

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