水下生產系統測試技術研究

陳 斌，蘇 鋒，周 凱，劉冬冬，劉華建

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

水下生產系統測試技術研究

陳 斌，蘇 鋒，周 凱，劉冬冬，劉華建

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

水下生產系統工程技術是未來深海油氣田開發過程中的關鍵技術，而水下生產系統測試技術是其中的一個重要分支。根據我國目前深海油氣田開發技術的現狀，介紹了水下生產系統測試技術的內容及其發展，同時通過研究國外生產廠家和國內油氣田開發實踐，提出將完整性測試與試驗作為國內未來發展水下生產系統測試技術的主要方向。重點闡述了完整性測試的內容和新產品研發所必須測試的內容。

深海油氣； 水下生產系統； 測試技術； 完整性測試

0 引 言

近年來，由于陸地石油和淺海油氣的迅速枯竭，深海油氣開發已成為獲取能源的必由之路。截至2009年，世界上已有近110個深海油氣項目(3 463口深海井口)投產，而且世界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。深海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+水下系統、水下系統+淺水固定平臺、水下系統+陸地等。由于水下生產系統具有水下設備可重復利用、油井布置靈活、節省平臺空間等優點，因此水下生產系統是我國海洋油氣工業發展的未來[1]。

水下生產系統技術是國家重大專項大型油氣田及煤層氣開發重點支持發展方向，也是國家海洋工程裝備產業創新發展戰略(2011～2020)的技術發展核心。通過一系列的水下生產系統技術研究，最終實現自主掌握水下生產系統技術，為我國深海油氣田開發提供動力和支持。水下生產系統測試技術是水下生產系統工程技術的一個重要分支。隨著水下生產系統在國內海上油田開發中的逐步應用，水下生產系統測試技術研究的重要性將會進一步顯現出來。創建水下生產系統的測試平臺，進行相關性能、功能測試和聯合調試，對于保障水下生產系統乃至整個油氣田順利投產和安全運行是至關重要的。

本文通過研究相關規范以及國外生產廠家和國內油氣田開發實踐，提出將完整性測試與試驗作為國內未來發展水下生產系統測試技術的主要方向，并重點闡述了完整性測試的內容和新產品研發所必須測試的內容。

1 水下生產系統技術概述

典型的水下生產系統按照空間位置可簡單概括為水面支持中心系統、海底泥面上的水下生產系統和海底泥面以下的井身系統。三大系統互相聯系，形成整個生產運行體系。另外在整個生產系統的生命周期內，還將涉及其他的輔助系統，如鉆井完井系統、測井系統、維護修井和棄井系統等。

水下生產設施包括水下采油樹、跨接管、水下管匯、海管終端和水下處理設施；控制設備包括主控站、電源通信單元、不間斷電源、液壓動力單元、水面控制纜終端、水下控制模塊、水下分配控制纜終端和控制纜。水下生產系統[2]主要組成如圖1所示。

圖1 水下生產系統主要組成結構圖Fig.1 Structure of subsea production system

2 測試標準和規范要求

根據ISO 13628-1的要求，水下生產設施在制造現場需要依次完成出廠驗收測試(FAT)、擴展出廠驗收測試(EFAT)和系統完整性測試(SIT)[3]。下面分別予以介紹。

2.1 出廠驗收測試

出廠驗收測試針對新制造的每一個水下生產設施單個部件和設備的零件，要求其滿足具體的要求并通過出廠測試。

出廠驗收測試是重要的項目里程碑，賣方以此證明系統設計和制造滿足合同規范。因此，需要在買方在場的情況下正式進行出廠驗收測試，并記錄差異和不符合項，以及不符合項處理措施。出廠驗收測試要求為：

(1) 在整個出廠驗收測試的某些階段，可要求客戶代表見證測試取得成功；所有數據采集點必須無一例外地完成；測試程序給出推薦的測試順序。

(2) 出廠驗收測試程序詳細闡述了測試要求，以確認被測試設備的完整性及適用性。出廠驗收測試包括：通徑檢驗；內部和外部壓力測試(僅限水壓測試)；功能測試；電氣連續性檢查；互換性測試；提升測試；稱重和測定重心位置；耳軸載荷測試；基樁接口測試。

(3) 出廠驗收測試應檢查下列各項：需要確認閥門位置指示器；位置指示器正確指示閥門位置；位置指示器彈簧按照遙控作業機器人面板開孔確定尺寸。

(4) 指示器運行順利，無束縛或跳躍現象。施工后，應按照ASME B31.8[4]施工后測試要求進行閥體靜水壓測試。

2.2 擴展出廠驗收測試

擴展出廠驗收測試闡述了部件之間的測試，以確保接口符合要求。水下生產設施的典型擴展出廠驗收測試包括：(1)水下生產設施之間的連接壓力測試(如管匯和清管環路、跨接管和管線終端等)；(2)閥門阻擋層確認；(3)鉸接部件的運轉；(4)可回收模塊的更換(如節流器、清管環路、保護蓋等)；(5)鎖定機構。

2.3 系統完整性測試

系統完整性測試在完成出廠驗收測試和擴展出廠驗收測試后進行。

系統完整性測試的目的是確保各供應商提供的水下生產設施(管匯、水下采油樹、管線終端、跨接管和清管環路等)相互連接，并正常工作。根據不同的項目，系統完整性測試需要進行許多類型的檢查。如果可能的話，最好采用實際的水下設備和工具進行測試。如果無法進行全面測試，應采用驗證分析法證明系統性能符合要求。

一般來說，系統完整性測試程序以設備實際的海上安裝程序為依據，因此，每一步驗證應嚴格遵守完整性測試程序。在系統完整性測試過程中，如果程序出現問題，任何變化的協調、記錄和實施均應執行變更控制程序(CCP)。系統完整性測試利用“模擬水下機器人”檢查間隙，操作遙控作業機器人(ROV)控制面板，查看運行過程，并驗證運行狀態。遙控作業機器人利用手持式標識線來操縱載荷，以便進行安裝和/或回收作業。

在作業安全分析(JSA)過程中確定標識線位置和長度以及標識線處理者的接近路徑和作業區域。各控制器需要建立一個通信系統，通過超高頻聽筒向標識線處理者和起重機操作者發出指令。需要干預操作控制器的其他遙控作業機器人作業，應由作業人員采用手持式工具實現。在作業安全分析過程中，還需要提供通往操作位置的通道。

這些系統完整性測試程序還作為安裝承包商、遙控作業機器人承包商和其他使用或維護海上系統的人員等服務承包商的見習程序。

3 國外水下生產系統測試技術

對國外水下生產系統廠家FMC、Aker、Framo、Oceaning等公司進行了實地調研。由于它們都是在水下生產系統領域有很多年經驗的工廠，技術都比較成熟，而且產品在各種海域和深海油田都有廣泛應用，因此，他們的產品也經過了大量工程項目的檢驗。正是因為上述原因，他們一般很少做完整產品的淺水測試，只做部分部件的密封測試，但是他們都有完整的測試體系。這些廠家在產品整個建造過程中的所有測試如圖2所示。

圖2 國外水下生產系統產品測試內容Fig.2 Testing content of foreign subsea production system

(1) 合格性測試(QT)由廠家的系統工程師負責協調和跟進，每個工作包(組塊)對其工作范圍內的設備資格測試負責。合格性測試只針對原始組件進行。

(2) FAT的目的是驗證各個組成部分的功能，測試的對象是所有部件和組件，通常會在各自的生產基地完成。每個工作包(組塊)對其工作范圍內設備的功能測試負責。

(3) EFAT的目標是確認系統設計、制造的正確性，驗證在早期階段的各個工作包之間的可互換性和設備之間的接口。兩個不同類型的EFAT測試經常應用于兩個方面：復雜并且完整的系統或子系統通常需要做一次完整的EFAT測試；在進行后續的系統功能性確認時可以進行簡化的EFAT測試。EFAT測試通常在采油樹/管匯制造場地進行，由系統工程師與工作包(組塊)共同負責完成。

控制系統在完成部件FAT后，要進行工廠集成測試(FIT)，這實際上是控制系統特有的EFAT。在該階段，主要檢查水面上和海底組件之間的界面。正因如此，上部組件不需要運到采油樹/管匯制造現場進行控制系統EFAT測試。控制系統工作包完全負責控制系統的FIT。

(4) 系統集成測試的目的是驗證各承包商和設備之間的接口，證明系統功能達到了集成系統的能力。系統集成測試還可以模擬實際操作流程，達到優化海上安裝程序、訓練海上操作員的目標。系統工程師負責系統集成測試。

(5) 淺水測試試驗(SWT)(如果對方有需要)的目的是驗證各承包商和設備之間的接口，演示集成系統在水中的系統能力。測試范圍與系統集成測試一樣，但是ROV的操作性可以在更大的程度進行測試。系統工程師負責淺水測試。

(6) 溫降測試(CDT)(如果需要)的目的是驗證隔熱性能。通常系統工程師負責溫降試驗的工作。

4 國內水下生產設施測試技術發展的

思考 我國海洋工程裝備產業國產化率一直較低，進口比例在70%以上。經過近幾年來海洋工程的快速發展，國內淺水域平臺、深海高技術平臺的設計和建造、安裝、維修技術得到了很大的提高；但是作為新型開發模式的水下生產系統依然國產率很低，關鍵技術主要被國外幾家主要的水下生產系統廠家FMC、Framo、Aker、Cameron、GE等所壟斷。

近年來，隨著國內相關技術的發展，我國已經可以自行設計和建造具有自主知識產權的水下結構物等，例如LH4-1和PY35-1/2等國內深海油氣田的水下管線終端(PLET)、管道終端管匯(PLEM)等，但是諸如水下采油樹等關鍵水下生產設施，主要還是依賴進口國外技術[5-6]。

針對國內目前水下生產系統技術的發展狀況，我們在研究產品測試的同時，更側重于作為集成商，如何從不同供貨商那里采購各個子系統的水下生產設施，然后進行整個系統的完整性測試。根據對ISO 13628系列標準的研究，從接收產品到最后安裝調試的整個過程，測試、試驗如圖3所示。

圖3 完整性測試內容Fig.3 Testing content of integrity test

現場驗收檢查[5]的目的在于驗證分/承包商所運送設備到貨后是否損壞、能否正常工作，而不是重復全部的FAT程序。現場驗收檢查應該包括：開箱、組裝和檢查設備與系統；檢查液壓液的清潔度；試驗所有的機械和液壓功能。同時對于水下控制模塊，應該從試驗控制站中發送所有的應用命令，合適的應答和動作應該驗證。

陸地試驗主要分為子系統試驗、系統試驗和互換性試驗[7]。

(1) 子系統試驗將整個水下生產系統分解成能夠同時試驗的子系統，也可使故障檢查更加容易。為了證明“系統限度”，子系統試驗可以將相關設備處于可能在操作期間發生的異常狀態下，比如低液壓壓力、低電壓等。子系統試驗是在各個子系統FAT試驗和全部水下生產系統試驗之間進行的中間過程，同時對于實際的項目，必須確定子系統的試驗范圍。

(2) 系統試驗的目的是模擬在海上實際作業能完成的所有操作(是陸地應用的擴展)，驗證所有永久性安裝在海底的設備/系統。在試驗中，所有與維修相關的部位都應該加以考慮。

(3) 互換性試驗適用于所有已交付系統(如采油樹系統和水下控制模塊等)。互換性試驗的目的是驗證在井槽上的采油樹、采油樹帽、采油樹上的水下控制模塊、管匯系統和其他系統的互換性。因為對所有的組合進行試驗是不現實的，所以應該建立主系統，其中模擬基盤井槽的特制試驗架可用于驗證采油樹的互換性。

淺水試驗在水下安裝、完井和試產期間進行。考慮到可靠的鉆井船和專業技術人員對整個項目的成功至關重要，故淺水試驗設置目的就是通過優化安裝程序使海上安裝人員熟悉相關設備和設備操作技術，以提高水下井口在安裝和操作時的效率和安全性，更有利于項目的成功實施。通常淺水試驗包括以下工作：油管掛的安裝和回收；帶有所有附加組件的采油樹的安裝和回收；采油樹和管匯間的安裝連接；水下控制模塊、采油樹油嘴和插入式閥門等的安裝和回收；臍帶纜和管線的牽引和連接；使用修井控制系統進行的采油樹功能試驗；使用水下生產控制系統進行的采油樹的功能試驗；遙控作業工具系統的操作；使用遙控作業機器人進行接口、可接近性和功能試驗，包括有意使用遙控作業機器人的安裝工作；驗證修井立管連接在安裝和動態載荷期間維持螺母預應力的能力。上述測試工作內容需要業主與測試方根據實際需求進行合理選取。此外，如果深水試驗應用的子系統中包括新設備的開發，則應考慮對子系統進行深水試驗。

最后要進行的后期完整性試驗應在設備的完整性試驗之后、安裝之前進行。主要工作包括：按程序進行維修(檢查相關性和質量)；應用過程中必要的試驗工作的修正和重復；翻新；保存；將所有文檔更新到“已試驗”狀況；運輸和交付的準備。

5 結束語

目前，中國海洋石油工業正處于發展的轉型期間。利用對外合作多年來取得的寶貴經驗，發展自己完整的海洋石油工業體系，包括海洋工程體系，是中國海洋石油工作者的責任。正是在這種情況下，我們針對南海深海油氣田開展了一系列的對水下生產系統技術研究。在未來的海洋石油行業，掌握水下生產系統技術就能掌握市場的主動權，就會逐漸擺脫依靠國外技術的狀況。在引進消化吸收的過程中，一定要先發展水下生產系統測試技術，然后去理解、消化相關設計技術，最終掌握水下生產系統的設計、建造、測試及安裝技術。

[1] 梁德熾. 水下控制系統技術[C]. 2011年(第二屆)海洋石油工程技術年會論文集，2011： 370.

[2] 白勇，龔順風，白強, 等. 水下生產系統手冊[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2012.

[3] International Standards Organization. ISO 13628-1. Design and operation of subsea production systems: general requirements and recommendations [S]. Geneva: International Standards Organization, 2005.

[4] American Society of Mechanical Engineers. ASME B31.8-2012. Gas transmission and distribution piping systems[S]. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2012.

[5] Bai Y, Bai Q. Subsea engineering handbook[M]. Amsterdam: Gulf Professional Publishing，2010.

[6] 蘇鋒. 復合電液控制系統在流花4-1油田開發項目中的應用[C]. 2011年(第二屆)海洋石油工程技術年會論文集， 2011： 298.

[7] 梁稷，姚寶恒，曲有杰,等. 水下生產系統測試技術綜述[J]. 中國測試， 2012, 38(1): 38.

TestTechnologyofSubseaProductionSystem

CHEN Bin, SU Feng, ZHOU Kai, LIU Dong-dong, LIU Hua-jian

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Test technology is an important branch of the subsea production system engineering in the future deepwater oil and gas exploitation. What and how to do in the development of deepwater oil and gas field are discussed. Based on studying the application of foreign manufacturers and the domestic oil and gas development, we suggest that the integrity test of the subsea production system is the main direction in the future. Meanwhile, we focus on the scope of work of system integrity test and qualification test for new products.

deepwater oil and gas; subsea production system; test technology; integrity test

TE52

A

2095-7297(2014)02-0146-05

2014-04-23

國家科技重大專項(2011ZX05027-004)

陳斌(1983-)，男，碩士，工程師，主要從事水下生產設施測試技術與水下電氣設計研究。