水下采油樹工廠驗收測試（FA T）技術研究

郭中云，顧繼俊，邱 盼，段夢蘭，張 杰，蘇立國，肖易萍，郭興偉（．中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京049；．海洋石油工程股份有限公司，天津30045）

水下采油樹工廠驗收測試（FA T）技術研究

郭中云1，顧繼俊1，邱 盼1，段夢蘭1，張 杰1，蘇立國1，肖易萍2，郭興偉2
（1．中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2．海洋石油工程股份有限公司，天津300451）①

水下采油樹的工廠驗收測試（F A T）是水下采油樹在正式投入使用前的一項重要測試。根據荔灣3-1氣田的測試資料總結了水下采油樹F A T的關鍵測試內容，介紹了相應的測試條件和主要測試步驟，最后通過A baqus分析測試狀態下V X密封圈密封性能。結果表明：68．96 M Pa的臥式采油樹在過盈量取0．4 m m的情況下滿足相應的密封要求。

水下；采油樹；測試

近年來，海洋油氣開發主要向深海發展，而深海開發所采取的主要開發方案是水下生產系統＋生產儲油輪（FPS O）；水下生產系統在其中起著至關重要的作用。水下生產設施在正式投入使用前需要進行4項基本測試，其中包括單元測試（S U T），工廠驗收測試（F A T），系統集成測試（SIT）以及現場接收試驗（SR T）［1］。

水下生產設施的F A T和SIT需要在專門的測試場地下進行，國外F M C、Ca meron、A ker等公司在全球范圍內都有自己的F A T和SIT測試場地，如圖1所示。測試場地中可進行整套水下生產設施的測試，包括水下采油樹，管匯，跨接管［2］，管匯終端（P L E M）和管道終端（P L E T）［3］。

圖1 Cameron利茲測試基地

水下采油樹是水下生產設施中核心部件之一，主要由閥門、管線、井口連接器等組成。主要用于控制油液從井口流入或流出，同時也作為化學試劑注入口，井口調停，井口監控，安全控制和控制井口壓力等，水下采油樹的F A T是采油樹正式投入使用前的一項重要測試。

1 水下采油樹FA T方法

水下采油樹擁有一套完整的F A T流程，該測試流程針對采油樹內部的所有管線，包括液壓管線、電路管線；閥門包括節流閥、生產閥、環空閥、控制閥；密封包括金屬橡膠密封（MEC密封）、金屬密封（VX密封）；關鍵零部件［4］包括油管懸掛器、阻塞器、采油樹帽、樹體、隔離短節。都需要進行FA T，以檢驗其是否滿足相應的壓力等級、密封和功能要求。

針對水下采油樹各個功能和部件組成，其FA T內容主要包括：液壓清洗、接口測試、閥門功能測試、線纜壓力測試、連接測試、靜水壓測試、V X密封圈密封測試、油管懸掛器的安裝測試、巖屑帽的連接測試及最終線路檢測。

1．1 液壓清洗

液壓清洗是水下采油樹正式進入測試前的重要步驟，采油樹內部的管線、閥門在進行相應的測試或裝配前都需要達到一定的清潔度等級。對密封要求嚴格的密封處或密封副清潔度等級要求更高。

1．2 水下機器人（ROV）接口測試

采油樹ROV面板是ROV操作采油樹的接口，ROV通過自身機械手與ROV面板接口相對接從而實現對采油樹內部閥門的控制。RO V接口測試就是檢驗ROV機械手與采油樹ROV面板接口是否能正確對接。

1．3 水下采油樹閥門功能測試

水下采油樹閥門可分為液壓閥和手動閥2類，液壓閥是通過液壓動力驅動，手動閥通過RO V操作手進行操作。其中生產閥和環空閥均屬于液壓閥；水下安全閥（SCSSV）與化學試劑注入閥屬于手動閥（CIV）。

閥門功能測試內容包括：

1） 液壓閥與手動閥在常壓下的啟閉功能測試，并校正閥門在完全開啟／關閉情況下指示桿位置是否回到‘O’和‘S’位置。

2） 液壓閥與手動閥在1．5倍工作壓力下的啟閉功能測試，并校正閥門在完全開啟／關閉情況下指示桿位置是否回到‘O’和‘S’位置。

3） 手動閥的啟閉轉矩值檢驗，校正閥門啟閉轉矩值是否在正常范圍內，且不能超過規定最大轉矩值。

1．4 水下采油樹控制線壓力測試

控制線纜（Control Line）是連接采油樹體中控制閥門的液壓線，在實際工作中需要承受較大的工作壓力，FA T測試中需要檢驗其承壓能力，測試壓力為工作壓力的1．5倍。采油樹中的控制線纜包括水下安全閥、內壓控制閥（ICV）所對應的控制線纜等。控制線纜的測試步驟如下（以SCSS V控制線纜壓力為例，測試示意圖如圖2）。

1） 開啟SCSS V閥門，并將測試軟管接頭連接到虛擬SC M面板上的SCSS V接口處，旋轉擰緊接頭，通過液壓動力單元向SCSS V控制線纜通入測試液，檢驗整條線纜的流通性。

2） 關閉SCSS V閥，整個閥門設置如圖2所示，通過液壓動力單元向SCSS V控制線纜中加壓至工作壓力的0．75倍，并保壓3 min。

3） 第一次壓力測試結束后，再次加壓至工作壓力的1．5倍，并保壓15 min。完成測試后將壓力降為0，并觀察SCSS V控制線纜是否有可視泄漏。

4） 對ICV控制線纜重復進行以上測試。

圖2 SCSS V控制線纜壓力測試示意

1．5 水下采油樹供給線壓力測試

供給線纜（SupplyLine）是采油樹的“生命線”，它包括化學試劑注入線（CI），甲醇注入閥（MIV）供給線和低壓供給線（LP）高壓供給線（HP）。在供給線纜的FAT中最大測試壓力需達到工作壓力1．5倍。以MIV線為例，如圖3所示，步驟如下：

1） 開啟閥門MIV和生產主閥（PMV），關閉轉換閥（XOV）、CIV和生產翼閥（PWV），并將測試軟管接頭連接到虛擬水下控制模塊SC M面板上的MIV接口處，旋轉擰緊接頭，通過液壓動力單元向MIV控制線纜通入測試液，檢驗整條線纜的流通性。

2） 開啟閥門MIV，關閉閥門PMV，XOV，CIV和PWV，整個閥門設置如圖3所示。對MIV供給線纜進行壓力測試。

3） 對LP1，HP1，LP2，HP2，CI供給線纜分別進行以上測試。

圖3 MIV線纜壓力測試示意

1．6 井口連接器功能測試

采油樹井口連接器（如圖4）用于連接采油樹和井口并將采油樹鎖緊到井口。井口連接器的FAT包括以下幾個步驟：

1） 下放井口連接器到采油樹測試樁，通過采油樹測試樁（如圖4）提供壓力鎖緊井口連接器并記錄鎖緊壓力。

2） 解鎖井口連接器，記錄解鎖壓力，檢查井口連接器內部密封是否完整。

3） 提升采油樹到采油樹測試樁與井口連接器連接并鎖緊，記錄鎖緊壓力。

4） 解鎖井口連接器，記錄解鎖壓力，提升采油樹到采油樹檢測臺，檢查采油樹內部密封是否完整。

圖4 井口連接器與測試樁

1．7VX密封圈功能測試

V X密封圈是采油樹內部最重要的密封圈之一，它是井口、采油樹、隔離短節之間的主要密封處，在采油樹正常工作過程中也起著至關重要的作用。V X密封圈測試需要采油樹與隔離短節和虛擬井口連接后再進行，測試主要通過密封圈測試閥（GTV）與密封圈釋壓閥（GR）協作完成。通過GT V向密封圈處加壓，最大壓力為工作壓力的1．5倍并保壓，完成測試后，將壓力降為0，檢查是否有泄漏。

1．8 油管懸掛器的連接測試

油管懸掛器連接測試是檢驗油管懸掛器與采油樹樹體是否正確安裝，并通過采油樹內部通道檢驗油管懸掛器的兩處M E C密封是否正常。

1．9 巖屑帽的連接測試

采油樹巖屑帽用于保護采油樹樹體，防止外部巖石或碎屑進入采油樹樹體內部。采油樹巖屑帽的連接測試主要是檢驗巖屑帽與采油樹樹體頂部是否正確連接，如圖5所示。

圖5 巖屑帽連接示意

1．10 最終線路檢查

在所有線纜都進行完壓力測試后，需要對線纜進行連通性檢驗，保證所有線纜在測試過程中沒有受到損壞，最后再將所有的測試結果填寫進F A T測試報告中。

在進行完以上所有測試且滿足測試要求的采油樹就通過了所有的F A T流程，然后再將采油樹運送到SIT測試場地進行SIT測試。

2 測試狀態下V X密封圈有限元分析

V X密封圈對下與井口實現井口密封，對上與樹體實現采油樹樹體的密封，在整個采油過程中起著“承上啟下”的作用。V X密封圈采取雙錐面密封，材料采用奧氏體不銹鋼316L［5］，VX密封圈結構和密封原理分別如圖6～7所示。

圖6 VX密封圈

圖7 VX密封圈測試原理

VX密封圈在測試過程中分2個工作狀態［6］：

1） 預緊狀態。該狀態下V X密封圈的密封面1與采油樹體進行過盈配合實現密封面1與采油樹體的密封；密封面2與井口過盈配合實現密封面2與井口的密封。

2） 測試狀態。測試過程中由測試通道通入測試介質對VX密封圈進行測試如圖7所示，該狀態下V X密封圈內表面受到1．5倍工作壓力大小的測試壓力［7］，在A baqus下對以上步驟分析如下。

整個模型是旋轉周期模型，只取模型的1／4進行分析。三種模型的材料屬性如表1。樹體與井口網格劃分采用C3D8 R單元，V X密封圈采用C3D8I單元，最終網格劃分效果如圖8。

表1 V X密封圈材料性能

圖8 V X密封圈在　A baqus中的分析模型

采用過盈配合方式實現VX密封圈與樹體和井口的預緊［8］，取過盈量Δ＝0．4mm進行分析；測試狀態下，取測試壓力為103．45MPa。最終得到VX密封圈在預緊狀態和測試狀態下的應力云圖分別如圖9～10所示。

圖9 預緊狀態下的應力分布

由GB／T150—2010［9］查得，68．96 M Pa的采油樹VX墊片達到密封的比壓為u＝179．5MPa。由圖9可知，在預緊狀態下VX密封圈的密封面最小應力為253 MPa＞密封比壓力u，所以在過盈量Δ ＝0．4 mm時，VX密封圈滿足密封要求；在測試狀態下V X密封圈密封面的最小應力為204 M Pa＞密封比壓力，所以在1．5倍工作壓力下密封圈密封面仍滿足密封要求。

3 結論

針對水下68．96 M Pa臥式采油樹測試相關要求，結合荔灣3-1采油樹相關測試材料，對采油樹F A T內容作出了總結和關鍵步驟介紹，并通過A baqus對采油樹內部VX密封圈在測試條件下進行分析，結果證明該VX密封圈與樹體在過盈量Δ ＝0．4m m情況下，施加1．5倍工作壓力的測試壓力，密封圈仍然滿足密封要求。

［1］ 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（1）：38-40．

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［9］ G B 150—2010．固定式壓力容器［S］．

Research on the Factory Acceptance Testing of Subsea Christmas Tree

GUO Zhongyun1，G U Jijun1，QIU Pan1，D U A N M englan1，ZHANG Jie1，S U Liguo1，XIAO Yiping2，G U O Xing wei2
（1．O ffshore Oil／Gas Research Center，China Universitu of Petroleu m，Beijing102249，China；2．O ffshore Oil Engineering Co．，Ltd．，Tianjin300451，China）

The factory acceptance testing of subsea Christmas tree is an im portant test before put-ting into use．According to the test data of Liwan 31 gas field，the key test content，test require-ment and main test step are su m marized in this paper，then the sealing performance of V X gasket through the abacus software is analyzed．T he results show that the 68．96 MPa horizontal Christ-mas tree satisfies the sealing performance with the set of the interference of 0．4 mm．

under water；christmas tree；tesing

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．06．005

1001-3482（2015）06-0021-05

①2014-12-08

國家科技重大專項“深水水下生產設施制造、測試裝備及技術”（2011Z X0527-004）

郭中云（1990-），男，重慶云陽人，碩士研究生，主要從事水下采油樹測試工藝的研究，E-mail：guozhongyun11＠163．co m。