蔣兵兵,陳 娟,洪龍飛,鄧馳譽(yù),龍小品,曹聚杭,胡云海

(1. 中海油深圳海洋工程技術(shù)服務(wù)有限公司,廣東 深圳 518000; 2. 海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

0 引 言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是開發(fā)深水油氣田的關(guān)鍵裝備[1],由水上控制部分和水下生產(chǎn)設(shè)施兩部分組成,如圖1所示。水上控制部分主要設(shè)備有主控站(MCS)、電動(dòng)力單元(EPU)、液壓動(dòng)力單元(HPU)、化學(xué)藥劑注入單元(CIU)、上部臍帶纜裝配單元(TUTA)等;水下設(shè)施主要有水下管匯、采油樹。臍帶纜是連接水上控制部分和水下生產(chǎn)設(shè)施的生命線,水上控制部分中,電動(dòng)力單元、通信單元、液壓動(dòng)力單元、化學(xué)藥劑注入單元通過TUTA接入臍帶纜中的電纜、光纜、液壓管線、化學(xué)藥劑管線,然后,通過水下臍帶纜端頭(UTH)連接至水下生產(chǎn)管匯、采油樹,為水下生產(chǎn)設(shè)施提供電力、液壓控制、化學(xué)藥劑以及通信,最終實(shí)現(xiàn)MCS對(duì)水下管匯、采油樹的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制,保障油氣生產(chǎn)正常進(jìn)行[2、 3]。此外,水上應(yīng)急關(guān)斷(ESD)設(shè)備通過與MCS和HPU相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)急關(guān)斷控制。

圖1 典型的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)Fig.1 Typical subsea production control system

水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試是氣田投產(chǎn)前最后的關(guān)鍵一步,目的是驗(yàn)證水上各控制設(shè)備與水下設(shè)施是否連接成了一個(gè)有機(jī)整體,系統(tǒng)可正常、安全地運(yùn)行。具體內(nèi)容包括驗(yàn)證系統(tǒng)的電力供應(yīng)正常,各設(shè)備、設(shè)施上電后電壓/電流值穩(wěn)定;驗(yàn)證MCS與各設(shè)備、設(shè)施間的通信正常,MCS可對(duì)水下管匯、采油樹等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);驗(yàn)證HPU對(duì)水下管匯、采油樹的液壓供應(yīng)壓力可達(dá)到水下液控閥門開閥壓力;驗(yàn)證MCS對(duì)水下液控閥門的遠(yuǎn)程開關(guān)控制可以實(shí)現(xiàn);驗(yàn)證水下出現(xiàn)故障、報(bào)警時(shí),系統(tǒng)觸發(fā)相應(yīng)的緊急關(guān)斷功能正常。

1 南海某氣田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)基本情況

南海某氣田位于中國(guó)南海北部,采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)模式開發(fā)。其水下設(shè)施包括一套管匯、一棵采油樹,臍帶纜連接水上控制部分至水下管匯,然后,通過管匯至采油樹間的三根電飛線、一根液飛線連接至采油樹。臍帶纜中電纜采用冗余設(shè)計(jì),包括A和B兩個(gè)通道,EPU通過1000VAC/50Hz電纜、24VDC的儀表電纜、CAT 6數(shù)據(jù)電纜,將電、數(shù)據(jù)和信號(hào)輸送到管匯和采油樹的控制模塊(SCM),EPU的輸出為220-560VAC/50Hz。臍帶纜中有一根光纜,可實(shí)現(xiàn)水下系統(tǒng)的光纖通信,水下系統(tǒng)的主通信方式為電力載波通信。臍帶纜中有兩根低壓(LP)液壓管線,當(dāng)壓力達(dá)到3000psi時(shí)可控制管匯、采油樹上液控閥門的開關(guān);兩根高壓(HP)液壓管線,當(dāng)壓力達(dá)到4500psi時(shí),可控制井下安全閥的開關(guān)。系統(tǒng)使用的液壓油是HW443R,清潔度要求為AS 4059 Class6 B-F級(jí)。平臺(tái)HPU將液壓油通過臍帶纜、液飛線中的LP、 HP液壓管線輸送到水下管匯、采油樹。臍帶纜中有一根甲醇管線,用于在生產(chǎn)通道注入水合物抑制劑甲醇進(jìn)行水合物防治。系統(tǒng)使用的甲醇清潔度要求為AS 4059 CL8 B-F級(jí)。平臺(tái)CIU將甲醇通過臍帶纜、液飛線中的甲醇管線輸送到水下采油樹。

2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試分為兩部分,通常先進(jìn)行水上控制設(shè)備聯(lián)合調(diào)試。在該過程中,需要從TUTA處先斷開與水下的連接,水上控制設(shè)備聯(lián)合調(diào)試完成后再連接水下,進(jìn)行水上控制設(shè)備與臍帶纜、水下設(shè)施的聯(lián)合調(diào)試[4～6]。為確保水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試時(shí)整體運(yùn)行功能正常及安全可靠,水下生產(chǎn)系統(tǒng)在建造完成后,需進(jìn)行合格性測(cè)試(QT)、工廠驗(yàn)收測(cè)試(FAT)、擴(kuò)展工廠驗(yàn)收測(cè)試(EFAT)、系統(tǒng)完整性測(cè)試(SIT)及現(xiàn)場(chǎng)接收測(cè)試(SRT)[7、 8]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)施在安裝完成后需進(jìn)行一系列的預(yù)調(diào)試工作,通常為單個(gè)設(shè)備或管纜的功能完整性測(cè)試。水下生產(chǎn)系統(tǒng)各單體設(shè)施預(yù)調(diào)試完成后,連接成一個(gè)整體,進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。

2.1 水上控制部分聯(lián)合調(diào)試

2.1.1 水上控制部分聯(lián)合調(diào)試前準(zhǔn)備工作

在水上控制部分聯(lián)合調(diào)試開始前,檢查水上各控制設(shè)備的安裝和單機(jī)測(cè)試完工文件,確認(rèn)單個(gè)設(shè)備安裝和測(cè)試完成,無遺留問題清單。確認(rèn)所有水上控制設(shè)備調(diào)試所需的工具和備件已送往平臺(tái),氮?dú)?、液壓油、甲醇供?yīng)充足。確認(rèn)平臺(tái)已具備供電條件。此外,為了確保HPU可正常啟動(dòng),檢查HPU蓄能器預(yù)填充氮?dú)鈮毫κ欠穹弦?HPU LP蓄能器壓力值需達(dá)到1850psi,HPU HP蓄能器壓力值需達(dá)到3200psi。如果不夠,需填充氮?dú)庵练弦蟆?/p>

檢查水上各控制設(shè)備間互聯(lián)的管纜是否完好。對(duì)HPU至TUTA液壓管線和CIU至TUTA的甲醇管線按照管線設(shè)計(jì)壓力的1.1倍進(jìn)行壓力測(cè)試。在測(cè)試壓力下,保壓4h,壓力變化不超過測(cè)試壓力的±1%[9];目視檢查水上控制設(shè)備間所有互連的電纜、光纜、通信網(wǎng)線已按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安裝矩陣安裝且無損壞,對(duì)電纜進(jìn)行導(dǎo)體電阻、絕緣電阻測(cè)試[10]。CR測(cè)試要求為小于等于1.15Ω/km@20℃,IR測(cè)試要求為大于等500MΩ·km@500VDC。對(duì)光纜進(jìn)行光纖衰減度測(cè)試,測(cè)試要求為小于等于0.35dB/km@1310nm以及0.22dB/km@1550nm。

最后,為了確保在聯(lián)合調(diào)試過程中導(dǎo)入系統(tǒng)的液壓油、甲醇清潔度合格,使用潔凈度檢測(cè)儀測(cè)試液壓油清潔度是否優(yōu)于AS 4059 Class6 B-F級(jí)。清潔度合格后將其導(dǎo)入HPU油罐中,測(cè)試HPU出口液壓油清潔度是否合格。若不合格需要對(duì)HPU進(jìn)行自沖洗至出口液壓油清潔度滿足系統(tǒng)要求,對(duì)HPU至TUTA的LP和HP液壓管線進(jìn)行沖洗至TUTA出口液壓油清潔度合格。使用潔凈度檢測(cè)儀測(cè)試甲醇清潔度是否優(yōu)于AS 4059 Class8 B-F級(jí)。清潔度合格后測(cè)試CIU出口甲醇清潔度是否合格,若不合格需要對(duì)CIU進(jìn)行自沖洗至出口甲醇清潔度滿足系統(tǒng)要求,對(duì)CIU至TUTA的甲醇管線進(jìn)行沖洗至TUTA出口甲醇清潔度合格。

2.1.2 水上控制部分聯(lián)合調(diào)試

1. 水上控制系統(tǒng)供電調(diào)試

平臺(tái)不間斷電源(UPS)給EPU供電。啟動(dòng)EPU,EPU通過上部輸出模塊(TOM)向水上控制設(shè)備MCS供電。檢查EPU的輸入電壓電流值,接收標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓值為230V±5%,輸入電流值小于25A。檢查EPU對(duì)MCS的輸出電壓電流值,接收標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓值為230V±5%,輸出電流值小于20A。確認(rèn)各設(shè)備正常上電,無電壓、電流值報(bào)警。

2. 水上控制系統(tǒng)通信調(diào)試

打開MCS操作界面,MCS可與水上各控制設(shè)備EPU、 HPU進(jìn)行通信,且有A和B兩通道通信。檢查MCS對(duì)各設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)備本地控制器顯示的數(shù)據(jù)是否一致,且通過A通道讀取的數(shù)據(jù)與B通道讀取的數(shù)據(jù)是否一致。接收標(biāo)準(zhǔn)為MCS對(duì)各設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)備本地控制器顯示的數(shù)據(jù)完全一致,且通過A通道讀取的數(shù)據(jù)與B通道讀取的數(shù)據(jù)一致,A路通信與B路通信完全獨(dú)立,任意斷開A或B路通信,剩下一路通信仍正常。

3. 水上控制系統(tǒng)液壓調(diào)試

HPU作為系統(tǒng)液壓的動(dòng)力單元,HPU LP泵出口壓力設(shè)計(jì)為3850psi,經(jīng)過調(diào)壓閥后向系統(tǒng)LP液壓管線提供低壓液壓3000psi; HPU HP泵出口壓力設(shè)計(jì)為8250psi,經(jīng)過調(diào)壓閥后向系統(tǒng)HP液壓管線提供高壓液壓4500psi。HPU泵既可進(jìn)行本地控制,也可在MCS的HPU狀態(tài)監(jiān)測(cè)畫面中對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。液壓調(diào)試內(nèi)容具體如下:

(1) MCS遠(yuǎn)程控制HPU測(cè)試:測(cè)試在MCS操作面板可遠(yuǎn)程控制HPU低壓泵、高壓泵、循環(huán)泵等的開關(guān)。

(2) HPU液壓供應(yīng)測(cè)試:關(guān)閉TUTA上的LP和HP管線隔離閥,啟動(dòng)HPU,使其正常向TUTA供液壓,檢查HPU泵出口的壓力值、HPU至TUTA管線壓力值是否符合要求。接收標(biāo)準(zhǔn)為HPU LP泵出口壓力為3850psi,HPU至TUTA的LP管線壓力為3000psi; HPU HP泵出口壓力為8250psi,HPU至TUTA的HP管線壓力為4500psi。

(3) HPU報(bào)警測(cè)試:HPU儲(chǔ)油罐和回油罐體積均為1000L,HPU儲(chǔ)油罐、回油罐內(nèi)油量過低或過高,HPU泵出口壓力過低或過高(表1)情況,均會(huì)發(fā)生報(bào)警,檢查HPU報(bào)警系統(tǒng)是否運(yùn)行正常。

表1 HPU報(bào)警設(shè)置Tab.1 HPU alarm settings

(4) HPU應(yīng)急關(guān)斷測(cè)試:使用平臺(tái)ESD系統(tǒng)對(duì)HPU進(jìn)行ESD 0級(jí)泄壓關(guān)閉測(cè)試,這一測(cè)試的合格標(biāo)準(zhǔn)是泄壓后HPU低壓和高壓出口壓力都泄為0。

2.2 水下系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

2.2.1 水下系統(tǒng)調(diào)試前準(zhǔn)備工作

在水下系統(tǒng)調(diào)試開始前,檢查水上控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試完工證書,確保調(diào)試過程中的問題清單已解決。確認(rèn)所有水下系統(tǒng)調(diào)試所需的工具和備件已送往平臺(tái),氮?dú)狻⒁簤河?、甲醇供?yīng)充足。檢查水下設(shè)備在位狀態(tài),確認(rèn)水下管匯、采油樹、臍帶纜、飛線等已在水下安裝就位。最后,在氣田附近海域有一艘?guī)o人遙控潛水器(ROV)的輔助作業(yè)船待命,調(diào)試期間負(fù)責(zé)觀測(cè)水下液控閥門的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況,調(diào)試如果出現(xiàn)問題,則使用該作業(yè)船進(jìn)行水下設(shè)備的檢查。

2.2.2 水下系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

1. 水下閥門狀態(tài)檢查

檢查管匯、采油樹上的閥門狀態(tài)并登記在閥門狀態(tài)記錄表上,確認(rèn)閥門狀態(tài)是否處于調(diào)試開始前所需狀態(tài),對(duì)閥門狀態(tài)不符合要求的閥門進(jìn)行開關(guān)操作。

2. 水下系統(tǒng)供電調(diào)試

EPU通過水下輸出模塊(SOM)向管匯和采油樹上的控制模塊(SCM)供電,檢查EPU的輸出電壓電流值是否正常。接收標(biāo)準(zhǔn)為EPU對(duì)水下管匯、采油樹的輸出電壓值為280～550V,輸出電流值小于20A。確認(rèn)管匯、采油樹正常上電,無電壓、電流值報(bào)警。

3. 水下系統(tǒng)通信調(diào)試

水下系統(tǒng)的通信方式有電力載波通信和光纖通信兩種模式。兩種通信模式下均有A和B兩通道,系統(tǒng)以電力載波通信為主,在一種通信模式中斷的情況下,系統(tǒng)可自動(dòng)切換至另一種通信模式。水下系統(tǒng)通信調(diào)試內(nèi)容具體如下:

(1) 信號(hào)采集測(cè)試:打開MCS操作界面,MCS可與管匯SCM、采油樹SCM通信,采集到管匯和采油樹上液控閥門、溫壓傳感器的數(shù)據(jù)。檢查MCS對(duì)水下設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是否正常,可通過讀取的SCM的靜水壓力值、水位值、液控閥門開關(guān)狀態(tài)、溫度值等與實(shí)際預(yù)估值是否相符進(jìn)行驗(yàn)證,檢查通過兩種通信模式四個(gè)通道讀取的數(shù)據(jù)是否一致。

(2) 電力載波通信與光纖通信切換測(cè)試:在水下系統(tǒng)電力載波通信與光纖通信均建立的情況下,斷開電力載波通信A和B兩通道,確認(rèn)水下通信模式可自動(dòng)切換至光纖通信,水下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍正常。同理,測(cè)試光纖通信可自動(dòng)切換至電力載波通信。

(3) 電力載波、光纖通信冗余測(cè)試:斷開水下光纖通信,確認(rèn)水下系統(tǒng)為電力載波通信,測(cè)試斷開電力載波通信任一通道A或B,另一通道通信仍正常。斷開水下電力載波通信,確認(rèn)水下系統(tǒng)為光纖通信,測(cè)試斷開光纖通信任一通道A或B,另一通道通信仍正常。

4. 水下系統(tǒng)液壓調(diào)試

啟動(dòng)HPU,使其正常向管匯SCM、采油樹SCM供液壓。壓力升高到工作壓力后隔離HPU電磁閥出口,對(duì)HPU至水下的液壓回路進(jìn)行15min保壓,保壓接收標(biāo)準(zhǔn)為無壓降,以驗(yàn)證液壓回路沒有泄漏。

5. MCS遠(yuǎn)程控制液控閥門調(diào)試

管匯、采油樹上液控閥門采用電液混合控制。MCS逐一執(zhí)行液控閥門打開/關(guān)閉命令,ROV水下監(jiān)測(cè)液控閥門的打開/關(guān)閉狀態(tài),確認(rèn)液控閥門動(dòng)作正確執(zhí)行MCS給出的指令,并記錄各液控閥門完成指令的時(shí)間。任選一液控閥門,測(cè)試LP1和LP2液壓供給切換以及A和B通道供電切換,對(duì)液壓控制閥門開關(guān)狀態(tài)無改變。為防止生產(chǎn)流體溢出,SCSSV應(yīng)始終保持關(guān)閉狀態(tài)。

6. 液壓動(dòng)力故障調(diào)試

HPU將LP系統(tǒng)升壓至工作壓力,打開液控閥門,測(cè)試LP1或LP2一路液壓供應(yīng)失效不會(huì)影響液控閥門的開關(guān)狀態(tài)。液壓供應(yīng)全部失效后將導(dǎo)致液控閥門關(guān)斷,再次供壓后,閥門保持關(guān)斷狀態(tài)。

7. 電力動(dòng)力故障調(diào)試

在EPU至SCM的A和B通道供電均建立的情況下,HPU將LP系統(tǒng)升壓至工作壓力。打開液控閥門,測(cè)試A或B通道一路供電失效不會(huì)影響液控閥門的開關(guān)狀態(tài),供電全部失效后液控閥門仍能維持打開的狀態(tài)。

8. ESD測(cè)試

當(dāng)管匯或采油樹上的溫壓傳感器監(jiān)測(cè)水下設(shè)施的壓力/溫度達(dá)到設(shè)定的低、低低、高、高高報(bào)警值時(shí),MCS可接收到相應(yīng)的報(bào)警信號(hào),并啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的水下設(shè)施關(guān)斷。測(cè)試在MCS處將水下溫壓傳感器臨時(shí)調(diào)低壓力及溫度的低、低低、高、高高報(bào)警值,驗(yàn)證MCS處是否報(bào)警并觸發(fā)緊急關(guān)斷,在MCS觀察管匯、采油樹液控閥門的關(guān)斷順序,ROV水下記錄液控閥門的關(guān)斷順序,檢查水下關(guān)斷順序是否與ESD因果圖一致。

3 總 結(jié)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試作為油氣田投產(chǎn)前最后的關(guān)鍵一步,目的是使其進(jìn)入準(zhǔn)備啟動(dòng)的狀態(tài)。總的來說,水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試主要是一系列功能核實(shí)的測(cè)試工作,包括:

(1) 系統(tǒng)供電測(cè)試:確認(rèn)EPU對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)各設(shè)施的電力供應(yīng)正常,電壓、電流值符合要求;

(2) 系統(tǒng)通信測(cè)試:確認(rèn)MCS可與水下生產(chǎn)系統(tǒng)各設(shè)施建立正確通信,且通信通道有冗余;

(3) 系統(tǒng)液壓測(cè)試:確認(rèn)HPU可對(duì)系統(tǒng)液壓回路升壓至工作壓力,液壓回路無泄漏;

(4) 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制測(cè)試:確認(rèn)MCS可對(duì)HPU泵、水下液控閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制;

(5) 系統(tǒng)故障測(cè)試:檢查系統(tǒng)出現(xiàn)液壓供應(yīng)失效、電力供應(yīng)失效時(shí),水下設(shè)施的狀態(tài);

(6) ESD測(cè)試:確認(rèn)系統(tǒng)發(fā)生各級(jí)別的緊急情況時(shí),MCS可接收到報(bào)警信號(hào),并觸發(fā)相應(yīng)的緊急關(guān)斷。