水下油氣生產系統集成測試技術研究

邱 盼，段夢蘭，郭中云，宋振華，張 杰（中國石油大學　海洋油氣研究中心，北京102249）

水下油氣生產系統集成測試技術研究

邱 盼，段夢蘭，郭中云，宋振華，張 杰
（中國石油大學海洋油氣研究中心，北京102249）

水下油氣生產系統的集成測試技術，即SIT（System Integration Test）測試技術對于保障海上油田的生產及安全具有重要作用。我國對于水下油氣生產設備及技術的研究還處于起步階段，尚未建立水下生產系統集成測試場地。分析了國外先進的水下油氣生產設備測試技術，結合我國國情對水下油氣生產系統集成測試場地進行詳細規劃，提出測試場地工作流程。水下生產系統集成測試場地的建立將促進我國水下油氣生產技術的發展。

水下；油氣田；水下生產系統；集成測試

水下生產系統（以下簡稱SIT）是海洋石油開發的重要組成部分，如何進行系統集成測試是海洋石油開發中的關鍵技術之一。研究和完善適應我國國情的水下油氣生產系統的測試方法和步驟，將促進我國在海洋石油開發領域沖破國外的技術封鎖，實現深海石油開發技術的自主和產業化。水下生產系統主要包括水下控制系統、采油樹、跨接管、管匯以及臍帶纜和臍帶纜分配工具等。水下生產系統集成測試技術需要在各個子單元工廠驗收測試（F A T／Factory Assem ble Test）合格之后才能夠進行后續測試，系統集成測試通常需要對設備完成4方面測試。

1） 機械完工，需要復核圖紙尺寸要求。

2） 與其他設備的接口。

3） 在指定參數范圍內的全部功能操作。

4） 對于一些無法使用現有設備來進行系統集成測試（SIT）時，需要使用模擬裝置進行代替，并且保證模擬裝置功能能夠完全替代實際設備功能。

1 水下生產系統概述［1］

1） 主控站和液壓動力站。他們組成了水下生產系統的上部控制裝置，其中水上主控站主要是為水下生產設施提供電力和液壓支持，同時和水下生產設備進行邏輯控制和通信。

2） 臍帶纜。主要作用是為水上控制系統和水下生產設備之間提供接口。即是為水下電動機和水下驅動器設備提供電力和液壓支持，為水下生產設備注入化學試劑提供通道，另外還能夠對油井設備環空壓力進行監測。

3） 水下采油樹。基本可概括為安裝在水下井口上的控制閥門，為油井和水下生產設施之間提供一個可控接口。水下采油樹的主要功能可概括為：實現井口和外界環境的隔離；隔離生產井筒和外界環境；通過采油樹帽提供油井通道；為井下安全閥門提供液壓接口；為電潛泵，井下儀器提供電氣接口；給輸送管道提供支撐結構；提供一條從生產油管經采油樹至生產輸送管道的可控流動通道。

4） 水下管匯。通過布置管道和閥門來控制各油井產量的分配和匯集各油井的產量，能夠將生產液中的高低壓液體進行分離輸送到不同壓力管道，同時利用水下油嘴控制水下井口的流量大小。水下管匯上通常安裝有清管球隔離閥、清管球檢測儀和三通裝置，能夠極大程度上簡化水下清管作業工作量。

5） 跨接管。是一個較短的管狀類連接設備，通常用于采油樹和管匯，管匯與管匯等之間的連接，跨接管是水下生產系統各設備之間的重要連接部件。按照跨接管管子類別可以分為剛性跨接管和柔性跨接管，其中剛性跨接管制造材料較為常見，因此相對于柔性跨接管來說制造成本較低。在安裝剛性跨接管時需要對安裝距離進行精確測量，并且需要較為復雜的安裝工具，柔性跨接管則能夠靈活的選擇連接距離，能夠適應海底復雜安裝環境，安裝較為簡便，但是隨著水深的增加安裝價格也較為昂貴［1］。

6） 水下控制系統模塊。通常是電液混合裝置系統，通過臍帶纜響應水上主控站的控制指令，對被控設備輸送液壓控制功能。一般情況下，水下控制模塊需要連接到井內或采油樹中傳感器，通常將水下控制模塊安裝在管匯基座上，用于監控管匯各種功能。

系統集成測試（SIT）的主要被測設備是采油樹，跨接管，管匯，PLEm和PLET，主要測試各設備接口連接狀況及驗證測試的可重復性［2］。

2 水下生產系統集成測試

2．1 前期準備

通過運輸裝置將測試中需要的設備運送至測試場地，主要包括起吊裝置、采油樹，跨接管，管匯，PLET、PLEm以及被測設備安裝工具，并且需要保障測試過程中電力和液壓動力源正常無間斷供應，同時在測試場外圍安裝防護裝置，防止外界干擾。

2．2 測試過程

系統集成測試過程如1所示。

圖1 水下生產系統測試流程

2．2．1 安裝管匯或者PLEm至模擬測試樁頂部

系統集成測試中為了方便對于管匯和P L Em固定，需要將管匯和P L Em安裝至模擬測試樁頂部，如圖2所示，驗證管匯和P L Em和測試樁接口情況。同時，為了方便后續測試的進行，需要對管匯和P L Em進行固定。

圖2 管匯測試樁接口測試

2．2．2 井口跨接管位置偏差及安裝

對于海底復雜的地形條件，需要跨接管能夠適應不同的安裝環境，因此需要驗證跨接管是否能夠滿足特殊安裝要求，如圖3所示。

圖3 跨接管傾斜安裝和連接器更換密封圈

跨接管連接器安裝步驟（選取液壓套筒式連接器為例）：

1） 利用測試場地吊車，同時配置好跨接管吊掛橫梁，下放跨接管至傾斜模擬測試轂座。

2） 跨接管第1端端口插入，跨接管第2端端口插入。

3） 解鎖跨接管吊掛橫梁。

4） 利用ROV轉矩工具對連接器ROV面板進行操作，對跨接管連接器母端和轂座公端進行鎖緊。

5） ROV轉矩工具對跨接管面板進行操作，解鎖連接器同時更換跨接管連接器密封圈。

6） 對跨接管連接器進行解鎖操作，回收跨接管和吊掛橫梁。

該安裝步驟中不僅需要用到跨接管連接器對跨接管和傾斜安裝裝置進行鎖緊測試和解鎖測試，如圖4～5所示，還需要對連接接口進行壓力測試，壓力測試中需要進行2次，第1次保壓時間為3min，第2次保壓時間為15min，在加壓過程中需要緩慢分多次加壓至工作壓力的1．5倍，觀察有無可視泄漏。

圖4 跨接管套筒式連接器和轂座

圖5 跨接管ROV控制面板

2．2．3 跨接管連接器在管匯、PLEm、采油樹和PLET接頭測試

該測試過程主要是驗證各設備之間接口狀況以及接口密封狀態，如圖6所示。測試過程中主要包括鎖緊，壓力測試和解鎖3個測試過程。使用跨接管連接器和管匯、P L Em、、采油樹和P L E T接頭進行接口測試，同時驗證接口密封圈密封狀態，也即壓力測試。分別進行2次加壓，加壓至工作壓力1．5倍，加壓過程中需要緩慢多次加壓至高壓，觀察有無可視泄漏并記錄測試結果。

圖6 跨接管和采油樹、管匯接口測試

2．2．4 連接器清洗工具測試

高質量的清洗工具能夠保證被清洗設備達到要求清潔度等級，同時能夠最大化減少和避免系統調試和早期運行中產生故障，能夠極大程度縮短系統調試周期，減少不必要的損失。該測試主要是使用清洗工具對連接器進行清洗，驗證清洗工具能否對連接器清洗到要求等級。

2．2．5 控制設備連接測試

水下生產系統實際生產過程中主要是由控制系統來管理，監督和控制水下生產設備的運行狀況，在安裝或者是維修水下生產系統設備時則需要使用IWCOS控制系統對水下生產設備進行控制管理。集成測試中需要將各控制設備進行連接，驗證接口功能是否良好，同時利用IWCOS控制系統對被控設備進行動作指令，驗證設備各連接線路功能是否正常。

2．2．6 控制系統和化學系統壓力測試

控制系統和化學系統壓力測試主要也即是靜水壓力測試，測試兩大系統在工作環境壓力的1．5倍條件下是否能夠正常進行控制動作。壓力測試中需要分2次加壓，第1次保壓3min，第2次保壓時間為15min，觀察有無可視泄漏現象產生［3-4］。

2．2．7 采油樹／管匯／PLEm閥組功能測試

該測試過程中主要需要利用IWCOS控制系統對采油樹／管匯／PL Em液壓閥門進行指令動作，驗證閥門能否按照控制指令進行相應打開或者是關閉動作。同時觀察閥門打開或關閉過程中閥門指示標桿是否與面板上標示一致。

2．2．8 管匯／PLEm清管回路測試

為了清除可能聚集在管道內的結蠟、出砂或者是巖屑，經常需要對水下生產系統進行清管操作。測試中需利用清管球發射裝置發射清管球到管匯和PLEm中，驗證清管球能否順利通過管匯和P L Em清管回路并且進行清管操作［5］。在發射清管球之前需要對管匯進行管道內窺測試和通徑測試，其中管道內窺測試是為了觀察管道內部在管道焊接或者噴涂中管道內部是否有異物，以及觀察管道內部在焊接點是否有凸起部分；通徑測試則主要是利用通徑規對管道內部進行測試，驗證管道在焊接過程中橢圓度是否發生變化。

2．2．9 ROV作業

使用ROV對采油樹、管匯和P L Em手動閥門進行手動操作，驗證閥門動作是否與閥門面板上的開關標志能否對應，并且記錄打開關閉閥門所需的最大轉矩和最小轉矩。同時還需要ROV對面板進行卸螺紋和上緊螺紋操作，驗證ROV操作工具盒面板接口情況，如圖7所示。

圖7 ROV控制面板操作測試

2．2．10 測試收尾及問題記錄和教訓總結

在系統集成測試收尾需要對測試過程中出現的問題和狀況記錄下來，并且需要提高對測試現場的突發狀況的應急舉措。如圖8。

圖8 系統集成測試場地

2．2．11 設備拆卸及出場

所有測試完成之后需要對被測設備和測試設備進行拆卸存儲。在拆卸過程中需要保證設備上所有手動閥門設定在安裝或者是運行所要求的正確位置；所有傳感器斷流閥需要設定在正確位置（通常為打開狀態）；所有報警極限值均返回到額定值（過程參數）或供應商所規定的水下系統設備的正確報警值（HPU、EPU、SCm）；設備如果不立即安裝，則需采用離岸裝運箱（密封、保護）重新包裝。

3 結論

1） 系統集成測試場地需要留有足夠的空間來放置測試設備和被測設備，同時測試場地地基承載能力保證能夠滿足測試要求。另外，集成測試需要在測試場地留有設備存儲倉庫來放置一些輔助設備，方便測試順利進行。

2） 通過學習國內外先進水下生產系統測試技術，結合我國現階段的測試裝備，提出了我國的集成測試場地規劃設計，對加快我國水下生產設備的研制有著重要意義。

3） 基于設計的水下生產系統集成測試場地提出了相應配套測試設備和測試工作流程，為我國水下生產設施測試提供支持和保障。

4） 我國現階段水下生產設備開發技術處于起步階段，因此測試場地設計缺乏實踐經驗的指導，需要學習消化吸收再創新國外先進測試技術。

5） 系統集成測試場地將在珠海基地建立。該研究將為我國首個的水下生產系統集成測試場地規劃提供參考。

6） 未來我國水下生產系統集成測試場地需要加強實踐經驗的積累，努力學習國外先進測試場地規劃設計并結合我國現有裝備技術進行創新，設計出符合我國國情的測試技術先進的水下生產系統集成測試場地。

［1］ 何同，李婷婷，段夢蘭，等．深水剛性跨接管設計的主要影響因素分析［J］．中國海洋平臺，2012（4）：50-56．

［2］ 韓峰，董楠，段夢蘭，等．水下跨接管與管道終端測試技術研究［J］．石油礦場機械，2012，41（7）：1-6．

［3］ IS O 13628-1—2005，Petroleumand natural gas industries design and operation of subsea production systems Part6：Subsea production control systems［S］．2005．

［4］ American PetroleumInstitute．Subsea production controlline［S］．A PI Spec 17E．

［5］ 鄭利軍，王春升，郭宏．水下生產系統清管方案研究［J］．化工設備與管道，2013（5）：79-81．

Technology of Systems Integration Testing for Subsea Production Systems

QIU Pan，DUANmenglan，GUO Zhongyun，SONG Zhenhua，ZHANG Jie （O ffshore Oil／Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Subsea production system Integration testing technology w hich is SIT（System Integration Test）Test technology is an indispensable for ensuring Offshore oilfield production and safety．It is necessary to speed up the design of a subsea production system integration testing base due to that Chinese Subsea production equipment technology development is in the initial stage and also has not risen up the subsea production system integration test site．This article will put forward subsea production system integration testing area for detailed planning and test w orkflow based on the equipment conditions in accordance with the foreign advanced production equipment subsea testing technology．T he subsea production system integration testing base will be an important witness for underwater production equipment testing technology in our country towards a new level stage and provide technical theory reserves for our country．

underwater；oil and gas fields；underwater production system；system integration testing

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．007

2014-11-15

國家科技重大專項“海洋深水工程重大裝備及配套工程技術：水下采油樹制造、測試工藝研究及測試中心規劃”（2011Z X05027-004-01）

邱 盼（1991-），男，江西撫州人，碩士研究生，主要研究方向是海洋油氣工程，E-mail：tianya126com＠126．com。