高 磊，葉永彪，曹聚杭，張 捷，楊志彬，胡成李，張 婕

深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518000

在深水海洋石油開采工程中，海底管道將海上油氣田儲油設(shè)施或陸上處理終端連接成一個有機(jī)的整體，使海上生產(chǎn)設(shè)施的各個環(huán)節(jié)通過管道形成相互關(guān)聯(lián)、相互協(xié)調(diào)作業(yè)的生產(chǎn)操作系統(tǒng)。隨著海上油、氣田不斷向深水開發(fā)，管道輸送工藝在深水海洋石油開發(fā)中的重要作用也更加突出。深水海底管道預(yù)調(diào)試（清管、測徑、試壓、排水、干燥、惰化等）作為新建管道投產(chǎn)前的關(guān)鍵驗(yàn)收指標(biāo)[1]，其進(jìn)展順利與否將直接影響油氣田的投產(chǎn)情況。深水海底管道預(yù)調(diào)試工作通常沒有平臺終端支持且包含較多水下生產(chǎn)設(shè)施。常規(guī)預(yù)調(diào)試方案使用水下收發(fā)球筒，預(yù)調(diào)試設(shè)備布置在施工母船上，從母船側(cè)下放高壓注水軟管并通過潛水員連接至水下發(fā)球筒，進(jìn)行清管試壓作業(yè)[2]。深水海底管道預(yù)調(diào)試時，常規(guī)作業(yè)方式在技術(shù)上主要受到兩方面的限制：其一，飽和潛水最大安全作業(yè)水深限制（-300 m）；其二，軟管長度過長帶來軟管拉伸失效問題。隨著作業(yè)水深的增加，常規(guī)作業(yè)方式對母船甲板面積需求加大，同時所需施工時間增加，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增大。綜合技術(shù)與經(jīng)濟(jì)考慮，常規(guī)海底管道預(yù)調(diào)試作業(yè)方式已難以滿足深水海底管道作業(yè)要求。

目前，深水海底管道預(yù)調(diào)試的施工主要有兩種工藝模式[3]：其一，施工母船上布置連續(xù)油管系統(tǒng)，ROV將連續(xù)油管連接至水下設(shè)施進(jìn)行清管試壓；其二，水下布置高度集成的清管試壓橇，ROV將清管試壓橇的鶴臂管連接至水下設(shè)施，進(jìn)行清管試壓[4]。針對常規(guī)作業(yè)方式中存在的問題，水下清管試壓橇的應(yīng)用具有明顯的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。隨著國內(nèi)深水油氣田開發(fā)逐步展開，尤其是隨著國內(nèi)流花29-1項(xiàng)目（-1400m），流花16-2項(xiàng)目（-400m）以及陵水17-2項(xiàng)目（-1 500 m）的開展以及南海深水油氣資源開發(fā)的需求，海底管道預(yù)調(diào)試工作中水下清管試壓橇的應(yīng)用將越來越廣泛，十分有必要對該技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 深水海底管道預(yù)調(diào)試技術(shù)

與淺水油氣田開發(fā)相比，深水油氣田主要采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)[5]。典型深水油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)如圖1所示：海底井口通過跨接管連接至管匯，管匯通過跨接管與水下泵站連接，再連接至海底管道終端（以下簡稱PLET），或管匯直接連接至PLET，最后通過海底管道將井流物輸送至淺水平臺或浮式生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行加工處理。深水海底管道預(yù)調(diào)試通常通過PLET上的接口連接發(fā)球筒、注水帽、試壓帽等水下結(jié)構(gòu)物，采用連續(xù)油管技術(shù)或水下清管試壓技術(shù)對海底管道進(jìn)行清管、壓力測試等工作。受水深條件的影響，所有水下動作全部由ROV完成。

圖1 典型深水油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 連續(xù)油管技術(shù)

連續(xù)油管技術(shù)依靠施工母船支持，主要包括常規(guī)清管試壓流程、連續(xù)油管控制室、動力橇、連續(xù)油管滾筒、注入頭及注入頭塔架、連續(xù)油管[6-7]等附屬部件，所有設(shè)備安裝在施工母船上。注入頭塔架安裝在母船的月池位置，連續(xù)油管注入頭位于塔架上方，動力橇為滾筒與注入頭提供液壓動力[8]，滾筒上的連續(xù)油管通過注入頭下放至海底，注入頭為連續(xù)油管提供夾持作用力，保證連續(xù)油管不發(fā)生滑脫。下放至海底的連續(xù)油管在ROV的協(xié)助下連接至水下發(fā)球筒。連續(xù)油管為鋼制管道，長度可達(dá)2 200 m，有效解決了軟管下放深度受限的問題。連續(xù)油管的抗拉伸能力也遠(yuǎn)高于軟管，有效降低了失效發(fā)生的可能性。連續(xù)油管為剛性管，可以避免軟管在海流作用下發(fā)生扭曲的問題。然而，連續(xù)油管作業(yè)需要母船的全程支持，水深越深所需清管試壓設(shè)備的數(shù)量就越多，對設(shè)備的壓力流量要求也越大，不僅需要占用大量的船舶甲板面積，且由于設(shè)備壓力的增大也增加了施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 水下模塊技術(shù)

水下模塊技術(shù)的核心在于水下清管試壓橇。水下清管試壓橇是一個高度集成化的清管試壓流程模塊，包括：由水下增壓泵、水下試壓泵、高壓過濾器、深水閥門、深水流量計(jì)、深水節(jié)流單元、水下藥劑吸入單元、水下藥劑儲存單元、鶴臂管、快速接口等組成的清管試壓管路系統(tǒng)，由深水壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、深水?dāng)?shù)據(jù)顯示器、記錄儀、深水?dāng)?shù)據(jù)傳輸端口等組成的清管試壓儀表系統(tǒng)，以及為水下增壓泵與試壓泵提供動力的液壓循環(huán)系統(tǒng)。典型水下清管試壓橇預(yù)調(diào)試作業(yè)示意如圖2所示：水下清管試壓橇通過施工母船吊機(jī)下放至海底，ROV打開水下清管試壓橇的鶴臂管并將其通過快速插拔接頭[9]連接至水下發(fā)球筒，ROV通過操作閥門可以實(shí)現(xiàn)海底管道的自由注水，ROV液壓系統(tǒng)與水下清管試壓橇的液壓系統(tǒng)對接后，驅(qū)動水下增壓泵與試壓泵工作，完成海底管道清管試壓作業(yè)。

圖2 典型水下清管試壓橇預(yù)調(diào)試作業(yè)示意

表1對比了連續(xù)油管技術(shù)與水下模塊技術(shù)，可以明顯發(fā)現(xiàn)：水下模塊技術(shù)非常適用于深水海底管道的清管試壓。

2 水下清管試壓橇

國外各大海工企業(yè)如Weatherford、Baker Hughes、EnerMech、Halliburton都擁有用于深水海底管道清管試壓的水下設(shè)備，國內(nèi)海洋石油工程股份有限公司（以下簡稱海油工程）也已經(jīng)列裝了其獨(dú)立建造的水下清管試壓橇。Weatherford公司設(shè)備包括用于海底管道注水的水下注水橇、用于海底管道升壓的水下試壓橇[12]以及試壓過程用于記錄顯示數(shù)據(jù)的水下數(shù)據(jù)顯示記錄橇，如圖3所示。該設(shè)備設(shè)計(jì)最大作業(yè)水深3 000 m，最大試驗(yàn)靜水壓強(qiáng)為138 MPa，水下注水橇配備的增壓泵可提供注水動力。EnerMech公司設(shè)備也分為水下注水橇、水下試壓橇及水下試壓測試管匯橇，設(shè)計(jì)作業(yè)水深3 000 m，最大試驗(yàn)靜水壓強(qiáng)為150 MPa。

表1 連續(xù)油管技術(shù)與水下模塊技術(shù)對比

圖3 Weatherford公司水下注水橇、水下試壓橇、水下數(shù)據(jù)顯示記錄橇

圖4為水下清管試壓一體化設(shè)備，該類設(shè)備可以同時滿足清管試壓作業(yè)要求。Baker Hughes公司設(shè)備為RFHM，該設(shè)備可以同時實(shí)現(xiàn)海底管道注水、清管、試壓作業(yè)，設(shè)計(jì)作業(yè)水深為3 000 m；Halliburton公司設(shè)備為SPHU，可以同時實(shí)現(xiàn)注水、清管、試壓作業(yè)，設(shè)計(jì)作業(yè)水深4 000 m，最大試驗(yàn)靜水壓強(qiáng)為172.5 MPa；海油工程公司設(shè)備為SFHM，可以同時進(jìn)行注水、清管、試壓，設(shè)計(jì)作業(yè)水深3 000 m，最大試驗(yàn)靜水壓強(qiáng)為140 MPa。

圖4 水下清管試壓一體化設(shè)備

綜上分析，深水海底管道水下清管試壓模塊大致可以分為兩類：一類為單功能水下橇，主要包括水下清管橇、水下試壓橇與水下數(shù)據(jù)記錄橇，分別實(shí)現(xiàn)海底管道注水清管、海底管道試壓與數(shù)據(jù)記錄；另一類為多功能水下橇，集海底管道清管、試壓及水下記錄功能于一身。單功能水下橇制造流程簡單、造價(jià)低、操作難度低，組合靈活多變，但完成海底管道清管試壓需要多個單功能水下橇協(xié)同完成；多功能水下橇制造流程復(fù)雜，造價(jià)高，操作難度高，但使用一個多功能水下橇就可以完成海底管道清管試壓作業(yè)。

以海油工程SFHM水下清管試壓橇為例，詳細(xì)分析如何利用清管試壓橇進(jìn)行深水海底管道清管試壓。為適應(yīng)水下連接，水下注水橇上延伸出的軟管/鶴臂管作為注水連接管，在注水連接管的端部帶有水下熱插拔的快速接頭，在ROV的輔助下可實(shí)現(xiàn)與發(fā)球筒水下接口的快速連接。水下注水橇可實(shí)現(xiàn)自由充水和ROV輔助充水兩種操作。

深水海底管道鋪設(shè)完成后內(nèi)部為空氣，壓強(qiáng)為101.325 kPa；兩端為PLET，通過在PLET上連接發(fā)球筒或使用注水帽對海底管道進(jìn)行自由注水。水下注水橇的鶴臂管連接PLET上的發(fā)球筒或注水帽，此時海底管道內(nèi)外靜水壓強(qiáng)差為水深壓強(qiáng)，水深越深，內(nèi)外壓強(qiáng)差越大，利用管內(nèi)外壓強(qiáng)差對海底管道進(jìn)行注水，即水下注水橇的自由注水作業(yè)過程。

自由注水過程中，管內(nèi)空氣被壓縮，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知，壓縮前后PV/T比值相等，也就是自由注水可以完成管道體積95%～99%的注水，剩余1%～5%的管道體積需要使用ROV液壓驅(qū)動水下注水橇進(jìn)行注水。自由注水過程巧妙地利用了海底管道內(nèi)外的靜水壓差，節(jié)約了作業(yè)工期與成本。

圖5為水下清管試壓橇對某海底管道清管示意。該海底管道直徑為12 in（1 in=25.4 mm），總長度為27.1 km，海底管道鋪設(shè)完成后兩端分別為PLET，海底管道內(nèi)部壓力為101.325 kPa。海底管道注水、清管、測徑時，首先將發(fā)球筒（內(nèi)裝有清管測徑列車）與收球筒分別裝在海底管道兩端的PLET上，隨后水下清管試壓橇布置在海底PLET 1附近，ROV將水下清管試壓橇的鶴臂管打開，并連接至PLET 1上發(fā)球筒。利用海底管道內(nèi)外壓強(qiáng)差對海底管道進(jìn)行自由注水并發(fā)射清管測徑列車。設(shè)計(jì)的清管測徑列車長度0.8 km，通過理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算可知，通過自由注水清管測徑列車的前進(jìn)距離約為26 km，因此整條海底管道未清管段僅剩250 m。

圖5 水下清管試壓橇對某海底管道清管示意

當(dāng)自由注水清管結(jié)束后，需要利用水下清管試壓橇的加壓注水功能完成剩余清管。ROV的液壓系統(tǒng)連接水下注水橇的液壓系統(tǒng)，并為水下注水橇的增壓泵提供動力，向海底管道內(nèi)加壓注水，即水下注水橇的加壓注水作業(yè)過程。

海底管道清管測徑結(jié)束后，內(nèi)部充滿海水，水下清管試壓橇則通過海底管道內(nèi)海水對海底管道進(jìn)行試壓。清管完成后海底管道內(nèi)外壓力平衡，施工母船在ROV的協(xié)助下利用吊機(jī)將水下收發(fā)球筒從PLET上解脫，并在兩端的PLET上安裝壓力帽，ROV將水下清管試壓橇的試壓管道連接至壓力帽。隨后ROV的液壓系統(tǒng)連接水下清管試壓橇的液壓系統(tǒng)，驅(qū)動水下試壓泵對海底管道進(jìn)行升壓，為保證安全并控制管內(nèi)壓力不超過目標(biāo)試驗(yàn)壓力，通常分兩個階段進(jìn)行升壓。在達(dá)到管道目標(biāo)試驗(yàn)壓力的95%前，以100 kPa/min的速率進(jìn)行升壓；95%目標(biāo)試驗(yàn)壓力達(dá)到后，以10 kPa/min速率進(jìn)行升壓。達(dá)到目標(biāo)試驗(yàn)壓力后，關(guān)閉水下清管試壓橇上的隔離閥，進(jìn)行海底管道保壓。海底管道試壓需要滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或業(yè)主規(guī)格書的要求，通常DNV規(guī)范要求在保壓24 h范圍內(nèi)，海底管道系統(tǒng)壓力波動不超過±0.2%。保壓合格后試壓結(jié)束，否則需要查找泄漏點(diǎn)，修復(fù)后重新進(jìn)行試壓。在試壓過程中水下清管試壓橇的深水壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器將實(shí)時獲取升壓過程中的壓力、流量、溫度數(shù)據(jù)及保壓過程中壓力、溫度數(shù)據(jù)。深水?dāng)?shù)據(jù)顯示器顯示獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)，水下記錄儀記錄數(shù)據(jù)，并通過深水?dāng)?shù)據(jù)傳輸端口傳輸至甲板便于分析。由于水下清管試壓橇采用海床底部海水注水試壓，因此可以認(rèn)為注入海底管道內(nèi)的海水溫度與管外海水溫度相等，這將省掉注水后海底管道內(nèi)外溫度平衡時間，工程實(shí)踐證明，如果試壓采用表層海水，海底雙層管的溫度平衡時間需要8～10 d，因此使用水下清管試壓橇將極大縮短工期，節(jié)約成本。

總結(jié)以上內(nèi)容，水下清管試壓橇優(yōu)勢如下：

（1）安全性大幅度提高，避免了常規(guī)試壓作業(yè)中人員暴露在高壓設(shè)備與管道周邊的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）施工船舶靈活機(jī)動性提高，如自由注水、海底管道保壓過程中船舶可以離開進(jìn)行其他作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)船舶資源利用率最大化。

（3）所需船舶甲板空間最小化，高度集成的管路系統(tǒng)可以大幅度節(jié)省緊張的船舶甲板面積，與常規(guī)清管試壓流程相比，高度集成的管路系統(tǒng)使用甲板面積極小。

（4）操作人員少，海上操作施工人員相比常規(guī)清管試壓所需人員大幅度減少，可以為其他作業(yè)人員留出空間。

（5）費(fèi)用降低，相比使用常規(guī)清管試壓設(shè)備與連續(xù)油管，施工費(fèi)用更低。

（6）節(jié)省工期，由于清管注水所用海水為海底海水，因此注水完成后即可進(jìn)行試壓且穩(wěn)壓時間短，管內(nèi)外熱平衡時間短。

（7）天氣適應(yīng)范圍廣，與常規(guī)清管試壓設(shè)備及連續(xù)油管相比，水下清管試壓橇適用于更加惡略的海況。

（8）與常規(guī)清管試壓設(shè)備與連續(xù)油管相比，水下清管試壓橇可以為清管球提供更快的球速，因?yàn)闆]有連續(xù)油管部分的壓力損失。

3 國內(nèi)工程應(yīng)用

2019年10月27 日，海油工程利用自主研發(fā)的水下清管試壓橇SFHM成功實(shí)施了流花16-2深水海底管道（-400m）的清管試壓作業(yè)（見圖6），打破國外工程公司在該領(lǐng)域的壟斷，使海油工程成為全球第四家能進(jìn)行深水預(yù)調(diào)試施工的工程公司，建立起海油工程水下預(yù)調(diào)試技術(shù)體系。

圖6 海油工程水下清管試壓橇應(yīng)用于流花16-2項(xiàng)目

此次施工中，海油工程歷時三年多自研自制的3 000 m級水下預(yù)調(diào)試裝備——SFHM投入到項(xiàng)目中，與國外設(shè)備相比，幾項(xiàng)指標(biāo)均創(chuàng)記錄：SFHM配備了八缸試壓泵，可實(shí)現(xiàn)70MPa壓強(qiáng)下120L/min的流量注入，在同類裝備中居世界第一；配備20km水下超聲數(shù)據(jù)通信模塊，水下通訊距離居世界第一。海洋石油286施工母船在進(jìn)行10 in海底管道A調(diào)試作業(yè)時，發(fā)指令給1 km外的SFHM，成功實(shí)施流花20-2區(qū)塊14 in海底管道B壓力監(jiān)測，無需航行和下放ROV即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程壓力溫度監(jiān)控，提升調(diào)試作業(yè)效率與船舶靈活性；水下模塊配備的多級節(jié)流孔板設(shè)計(jì)從最初的3級孔板設(shè)計(jì)定型為11級孔板設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)超國外競爭對手單級節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)4種模式流體控制，滿足3 000m水深海水整流和降壓效果，與國外只有單級節(jié)流孔板的設(shè)備相比，海油工程的裝備工作水深更深，整流效果更好，降壓效果明顯，無氣蝕，進(jìn)行了流體理論計(jì)算分析、CFD模擬和陸地測試驗(yàn)證，為清管球水下運(yùn)行提供均衡穩(wěn)定的動力；鋼制萬向節(jié)式水下鶴臂管保證超深水海底管道清管試壓作業(yè)時管路耐壓，避免軟管連接容易吸憋情況的發(fā)生；3 000 m級水下顯示器可滾動顯示全部數(shù)據(jù)，ROV水下清晰可讀，方便ROV水下作業(yè)時進(jìn)行觀察；光學(xué)水下實(shí)時通信系統(tǒng)，在ROV控制間即可實(shí)現(xiàn)對水下壓力、流量數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，實(shí)現(xiàn)水上水下高速的數(shù)據(jù)傳輸和對水下儀表系統(tǒng)的控制。

模塊化水下調(diào)試技術(shù)還兼具：將試壓從施工母船甲板轉(zhuǎn)移至水下，施工人員不再接觸高壓作業(yè)；化學(xué)藥劑注入自動吸入，藥劑注入均衡穩(wěn)定，對海底管道形成有效長期保護(hù)；清管介質(zhì)從海底取海水，后續(xù)試壓作業(yè)無熱交換時間，提升船舶作業(yè)效率；試壓期間，船舶可移開進(jìn)行其他作業(yè)，模塊在水下繼續(xù)自動連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，一邊保壓一邊進(jìn)行其他水下作業(yè)，解放了船舶，再次提升船舶作業(yè)效率；清管、試壓、藥劑注入功能集成在一起，實(shí)現(xiàn)了水下施工的模塊化、集成化、智能化作業(yè)，降低油氣田開發(fā)成本等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論與展望

通過分析比較兩種深水海底管道預(yù)調(diào)試作業(yè)模式的優(yōu)勢和劣勢，即連續(xù)油管系統(tǒng)作業(yè)模式與水下清管試壓橇作業(yè)模式，指出水下清管試壓橇作業(yè)模式更適合深水海底管道清管試壓。各大公司的水下清管試壓橇大體分為兩類：一類為單功能水下橇，即清管、試壓、數(shù)據(jù)記錄單獨(dú)成橇；另一類為多功能水下橇，即清管、試壓、數(shù)據(jù)記錄整體成橇。不同類型水下清管試壓橇適應(yīng)的工程條件不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行選擇。在實(shí)際深水海底管道的預(yù)調(diào)試施工過程中，水下清管試壓橇的應(yīng)用可以顯著提高施工的安全性，提升船舶作業(yè)的靈活性，大幅度減小所需船舶甲板面積，通過縮短試壓過程管內(nèi)海水熱平衡時間，大幅縮短施工時間。

基于南海油氣田大開發(fā)的戰(zhàn)略部署，預(yù)計(jì)到2025年，將全面推進(jìn)建成南海西部油田2 000×104m3、南海東部油田2 000×104t的上產(chǎn)目標(biāo)，結(jié)合目前正在開展的流花29-1項(xiàng)目（-1 400 m），流花16-2項(xiàng)目（-400 m）以及陵水17-2項(xiàng)目（-1 500 m），水下清管試壓橇的應(yīng)用將越來越廣泛，也將為未來深水項(xiàng)目節(jié)約更多成本，縮短更多工期。因此，在深水海底管道的預(yù)調(diào)試實(shí)踐過程中，進(jìn)一步優(yōu)化水下清管試壓橇的設(shè)計(jì)，更加深入開展深水清管試壓技術(shù)的研究，仍然是目前研究和改進(jìn)的重點(diǎn)。