水下生產系統淺水測試技術研究

陳 斌，蘇 鋒，姚寶恒，連 璉，周 凱

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.上海交通大學海洋研究院，上海 200240）

水下生產系統淺水測試技術研究

陳 斌1，蘇 鋒1，姚寶恒2，連 璉2，周 凱1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.上海交通大學海洋研究院，上海 200240）

針對目前國內在建的珠海海洋油氣生產設施制造基地淺水測試需求，分析水下生產設施淺水測試功能和測試場地分類需求，并以水下生產控制系統為例，介紹主要測試內容和淺水測試工藝步驟，相關工作可為今后國內自主研發水下設備淺水測試提供參考。

水下生產系統；淺水測試；系統集成測試；場地建設

0 引 言

由于陸地石油和淺海油氣可開采資源日益減少，深水油氣開發已逐漸成為趨勢；因此，國際上各大石油公司在深海領域的投資不斷增加，各國對海洋石油水下裝備的需求迅速上升。在深海及超深海的開發中，采用傳統干式采油樹（dry tree）的浮式平臺，如半潛式平臺、張力腿平臺及SPAR，其干式采油樹隨著水深的增加而變高，浮式系統的運動以及深水中的惡劣條件都對其產生嚴重影響。水下生產系統的主要生產設施布置在海底，受風、浪和涌的干擾小，濕式采油樹（wet tree）彌補了干式系統在深水的不足，在深水油氣田開發中得到了廣泛應用。

深水油氣開發經過多年的發展，已形成了一些成熟的開發模式，包括浮式系統、浮式系統+水下系統、水下系統+淺水固定平臺、水下系統+陸地終端等。由于經濟性、安全性等方面的原因，從發展趨勢來看，水下生產系統是油氣工業發展的未來。在全球諸多的深海和超深海油氣田開發項目中，水下生產系統已經成為主流的開發手段。我國海洋油氣開發正逐步走向深海，水下生產系統已在南海東部流花、惠州等數個合作開發的油田中采用。另外，石油公司也越來越重視附近具備整裝油氣開采設施的邊際油氣資源的開發，而水下生產系統的高效、低成本等特性，正是開發這些邊際資源的有利條件[1-8]。隨著全球能源需求量的日益增加，海上的石油開采也逐漸向深海領域發展，而水下生產系統作為深水油田最核心的組成部分，如何制定合理的測試要求和測試方法以確保其在生產運行中功能的有效性及安全可靠性，是深海油氣田開發的關鍵技術之一。

水下生產系統裝備的精密制造、工廠測試和淺水測試是水下生產系統深海安裝之前非常關鍵的一個環節，是深水油氣田開發水下生產系統安全、平穩運轉的保證。水下生產設施附加值高，目前主要由FMC、Aker Solutions、Cameron、Vetcogray等少數幾個國外供應商所壟斷。根據INFIELD公司報告，2008年至2012年水下產品的支出總額達1060億美元。目前隨著我國石油勘探開發向深海的戰略轉移，對海洋石油裝備的需求進一步加大，對國外的技術和裝備依賴性更大，所以無論是從國家能源安全方面還是從裝備制造業未來發展方面，研究適合我國油氣勘探和開發的海洋石油水下生產設施的制造技術和測試裝備，實現水下生產設施的自主研發和產業化都迫在眉睫。

國外的主要水下生產系統和水下主要設備、部件供應商如FMC、Aker Solutions、Cameron、Vetcogray、Advantec、Framo等都掌握了淺水測試技術并擁有專業化的淺水測試場地，如FMC的馬來西亞基地和Framo公司的Fusa基地等。

為了適應南海深水油氣田開發的需要，目前我國珠海也正在進行海洋油氣生產設施制造基地淺水測試場地的建設與規劃。珠海海洋油氣生產設施制造基地占地207萬m2，岸線1349m，港池水深12m，主要功能區分為裝備建造主場地、海上設施維修與工程船舶補給區、水下產品區（包括水下生產系統裝配與測試線、深水海底管線與軟管接長線）、辦公區和動力配套區。

水下生產系統主要由主控站、液壓動力站、臍帶纜及臍帶纜分配單元、水下采油樹、水下管匯及跨接管、水下連接器、水下分離器和水下控制系統等系統和設備組成，其測試技術是深海油氣田開發的關鍵技術之一。水下生產系統中子系統和設備眾多，測試工藝復雜，本文首先介紹典型水下生產設施的淺水測試功能和場地分類需求，再以水下生產系統中最重要的水下控制系統為例，闡述其測試的主要內容和淺水測試步驟，相關工作可以為水下裝備的研發提供參考和借鑒。

1 水下生產設施淺水測試功能需求分析

水下生產設施淺水測試（SWT）用于水下生產設施下放、安裝、回收試驗和濕環境下水下生產設施功能、性能的測試。根據標準[9-10]要求，對于首次使用的產品以及部分功能，必須在產品投產前進行淺水測試，以保障水下生產設施深水安裝的安全性及相關功能的可靠性，并提高效率。另外，從研發到產業化，水下生產設施一般需要經過3個階段：淺水測試、100～200m的深水測試、100～500m的長時間油田現場測試。同時，淺水測試也是產品研發的重要實驗手段。因此，研究淺水測試技術，建成淺水測試場地，將為水下生產設施研發與產業化提供重要的基礎條件。通過淺水測試，可以驗證新研發的水下采油樹、井口裝置、水下管匯、跨接管、連接器、PLET、水下分離器、水下閥門和水下控制系統等水下生產設施產品下放、安裝、回收試驗和濕環境下水下生產設施的功能、性能，并可以驗證其設計合理性和長時間工作性能可靠性。

2 典型水下生產設施測試場地分類需求

水下生產系統淺水測試作為系統集成測試（SIT）的重要組成部分，進行實際測試時需要的測試支持場地主要包括陸上SIT場地和海邊試驗場地或水池兩部分，為了提高效率，其中一部分安裝模擬操作測試可在陸上SIT場地進行。本文對在建珠海場地水下生產設施典型水下生產設施測試場地需求進行分類，如表1所示。

表1 水下生產系統裝備測試場地需求分類

3 水下生產控制系統主要測試內容

以水下生產系統中最重要的水下控制系統為例，其主要測試內容包括水下控制系統電子模塊單元性能測試、水下控制液壓系統性能測試、深海模擬高壓環境下性能測試和淺水安裝模擬測試4個主要部分，具體測試內容為：

3.1 水下控制系統（SCM)電子模塊單元性能測試

裝入SCM前水下電子模塊SEM第1次隨機振動試驗；

裝入SCM前水下電子模塊SEM溫度適應性測試；

水下電子模塊SEM最高設計溫度下的老化試驗；

水下電子模塊SEM最高最低溫度循環試驗；

裝入SCM前水下電子模塊SEM第2次隨機振動試驗；

裝入SCM后水下電子模塊通信測試；

動力轉換時SEM性能測試。

其中：隨機振動的總時間為10 min，在熱循環前后分別執行1次5min的隨機振動。頻率變化為20～80 Hz時，上升斜率為3 dB/octave；頻率變化為80～350Hz，能量密度為0.04g2/Hz；頻率變化為350～2 000 Hz，下降斜率為-3 dB/octave；能量密度-頻率關系曲線如圖1所示。

圖1 能量密度-頻率關系曲線

SEM溫度適應性試驗裝置測試原理如圖2所示。水下電子模塊SEM最高設計溫度下的老化試驗需要將SEM模塊放到溫度調節艙室中，開啟水下電子測試模塊，調節溫度適應性艙室至最高設計溫度40℃，保持該溫度并持續48 h，在該艙室內進行48 h的最高設計溫度老化試驗后，接下來進行最高最低溫度循環試驗：

在該艙室內，以5℃/min的速度將溫度增加到最高設計溫度40℃，并保持該溫度至少30min；

開啟水下電源通信測試單元和電子測試模塊A，確保水下電子模塊電源供給正常；

開啟水下電源通信測試單元和電子測試模塊，并在最高溫度下持續通電48h；

然后以5℃/min的速度將溫度降到最低設計溫度，并保持該溫度至少30min，重復最高溫度時的測試過程。

3.2 水下控制液壓系統性能測試

水下控制液壓系統性能測試主要內容包括：液壓系統電磁閥操作測試；內部壓力傳感器測試；電磁閥泄漏測試；液壓流量計測試；電磁閥復位檢查；液壓介質清潔度測試。

3.3 水下控制系統深海模擬高壓環境下性能測試

為進一步驗證水下控制系統在深海工作環境下的性能，需要將水下控制模塊SCM淹沒在深海模擬高壓艙水中，并加壓到工作水深環境壓力的1.1倍，如圖3所示。

圖2 SEM溫度適應性試驗裝置測試原理圖

圖3 SCM吊放在壓力筒內示意圖

SCM和SCM外罩組裝到一起，使用硅油密封；SCM安裝到壓力艙，連接電線和液壓管線；高低壓供給管線充壓；確?；赜凸芫€充滿液壓油，連接VAS，然后開啟或關閉任意閥門3～4次；向壓力艙充水，將SCM暴露在1.1倍SCM工作環境壓力中（由SCM的設計水深確定），測試時，在合適的時間間隔，記錄水溫、水壓；循環調整水壓兩次（從0bar（1bar=105Pa）到設計水深確定的環境壓力的1.1倍），同時分別在0bar和設計水深確定的環境壓力保持5 min，每個循環需50～60 min；保持設計水深確定的環境水壓1.1倍的最小周期為12h；重新測試SEM通信。

3.4 水下控制系統淺水安裝模擬測試

連接水下控制模塊與水下采油樹本體，使用水下控制模塊安裝工具（SCMRT），將水下控制模塊與采油樹上的水下控制模塊基座固定；

移除水下控制模塊安裝工具（SCMRT）；

使用無人遙控潛水器（remote operated vehicle，ROV）或模擬水下機器人（Dummy ROV）操作液壓扳手檢測水下控制模塊與水下控制模塊基座能否順利鎖緊，觀察扭距儀并記錄解鎖扭矩與解鎖所需轉動圈數是否與產品設計規格書一致；

使用ROV或模擬水下機器人（Dummy ROV）操作液壓扳手，使水下控制模塊從水下控制模塊基座上移除，以檢測其能否順利解鎖，觀察扭距儀并記錄解鎖扭矩與解鎖所需轉動圈數，對比數值是否與產品設計規格書一致；

確認能順利解鎖后，再將水下控制模塊鎖緊；

移除ROV或模擬水下機器人扭距工具，進行水下采油樹的閥門控制功能測試。

4 結束語

本文針對目前國內在建的珠海海洋油氣生產設施淺水測試需求，分析了水下生產設施淺水測試功能需求和測試場地分類，并以水下控制系統為例，介紹水下控制系統主要測試內容和淺水安裝模擬測試主要工藝步驟，相關工作可為今后國內自主研發的水下生產系統設備淺水測試提供參考及借鑒。

隨著我國南海深水油氣資源開發步伐的加快和水下生產系統在海上油田開發中的廣泛應用，水下生產系統淺水測試技術研究的重要性將會進一步顯現出來。開展水下生產系統淺水測試技術的研究工作可為我國南海油氣資源開發提供強有力的支持，從而進一步提高南海深水油氣資源開發能力。

[1]大型油氣田及煤層氣開發專項：深水水下生產設施制造、測試裝備及技術（2011ZX05027-004）可研性報告，內部資料[R].

[2]劉清友，唐洋.水下測試樹國內外研究現狀與國產化思考[J].西南石油大學學報，2013，35（2）：1-6.

[3]楊少坤，代一丁，呂音，等.南海深水天然氣測試關鍵技[J].中國海上油氣，2009，21（4）：237-241.

[4]楊立平.海洋石油完井技術現狀及發展趨勢[J].石油鉆采工藝，2008，30（1）：-6.

[5]于振華.深水浮式平臺試油測試技術[J].油氣井測試，2007，16（6）:38-39.

[6]范亞民.水下生產控制系統的發展[J].石油機械，2012，40（7）：45-49.

[7]任克忍，王定亞，周天明，等.海洋石油水下裝備現狀及發展趨勢[J].石油機械，2008，36（9）：151-153.

[8]《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程深水油氣田開發技術［M］.北京：石油工業出版社，2007：164.

[9]ISO 13628-1―2005Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 1：general requirements and recommendations[S].2005.

[10]梁稷，姚寶恒.水下生產系統測試技術綜述[J].中國測試，2012，38（1）：38-40.

Study of shallow water testing technology of subsea production system

CHEN Bin1，SU Feng1，YAO Bao-heng2，LIAN Lian2，ZHOU Kai1
（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China；2.Institute of Oceanology，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The function and filed requirements for shallow water testing of subsea production system are studied through the analysis of Zhuhai marine equipments field in construction.Shown as example，the testing contents and shallow water installation simulation procedure of subsea control system are introduced，which help to provide referencesforshallow watertesting ofsubsea equipments.

subsea production system；shallow water test；system integration test；field construction

TE53；TM930.12；TP274；TE319

：A

：1674-5124（2014)06-0010-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.003

2014-01-19；

：2014-03-25

國家科技重大專項（2011ZX05027-004）

陳 斌（1983-），男，甘肅鎮原縣人，工程師，碩士，主要從事水下系統電氣設計及水下生產設施測試相關工作。