基于南海某氣田的水下生產系統聯合調試

蔣兵兵,陳 娟,洪龍飛,鄧馳譽,龍小品,曹聚杭,胡云海

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

0 引 言

水下生產系統是開發深水油氣田的關鍵裝備[1],由水上控制部分和水下生產設施兩部分組成,如圖1所示。水上控制部分主要設備有主控站(MCS)、電動力單元(EPU)、液壓動力單元(HPU)、化學藥劑注入單元(CIU)、上部臍帶纜裝配單元(TUTA)等;水下設施主要有水下管匯、采油樹。臍帶纜是連接水上控制部分和水下生產設施的生命線,水上控制部分中,電動力單元、通信單元、液壓動力單元、化學藥劑注入單元通過TUTA接入臍帶纜中的電纜、光纜、液壓管線、化學藥劑管線,然后,通過水下臍帶纜端頭(UTH)連接至水下生產管匯、采油樹,為水下生產設施提供電力、液壓控制、化學藥劑以及通信,最終實現MCS對水下管匯、采油樹的實時監測和遠程控制,保障油氣生產正常進行[2、 3]。此外,水上應急關斷(ESD)設備通過與MCS和HPU相連,實現對水下生產系統的應急關斷控制。

圖1 典型的水下生產控制系統Fig.1 Typical subsea production control system

水下生產系統聯合調試是氣田投產前最后的關鍵一步,目的是驗證水上各控制設備與水下設施是否連接成了一個有機整體,系統可正常、安全地運行。具體內容包括驗證系統的電力供應正常,各設備、設施上電后電壓/電流值穩定;驗證MCS與各設備、設施間的通信正常,MCS可對水下管匯、采油樹等進行實時監測;驗證HPU對水下管匯、采油樹的液壓供應壓力可達到水下液控閥門開閥壓力;驗證MCS對水下液控閥門的遠程開關控制可以實現;驗證水下出現故障、報警時,系統觸發相應的緊急關斷功能正常。

1 南海某氣田水下生產控制系統基本情況

南海某氣田位于中國南海北部,采用水下生產系統模式開發。其水下設施包括一套管匯、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計,包括A和B兩個通道,EPU通過1000VAC/50Hz電纜、24VDC的儀表電纜、CAT 6數據電纜,將電、數據和信號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,可實現水下系統的光纖通信,水下系統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,當壓力達到3000psi時可控制管匯、采油樹上液控閥門的開關;兩根高壓(HP)液壓管線,當壓力達到4500psi時,可控制井下安全閥的開關。系統使用的液壓油是HW443R,清潔度要求為AS 4059 Class6 B-F級。平臺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,用于在生產通道注入水合物抑制劑甲醇進行水合物防治。系統使用的甲醇清潔度要求為AS 4059 CL8 B-F級。平臺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 水下生產系統聯合調試

水下生產系統聯合調試分為兩部分,通常先進行水上控制設備聯合調試。在該過程中,需要從TUTA處先斷開與水下的連接,水上控制設備聯合調試完成后再連接水下,進行水上控制設備與臍帶纜、水下設施的聯合調試[4～6]。為確保水下生產系統聯合調試時整體運行功能正常及安全可靠,水下生產系統在建造完成后,需進行合格性測試(QT)、工廠驗收測試(FAT)、擴展工廠驗收測試(EFAT)、系統完整性測試(SIT)及現場接收測試(SRT)[7、 8]。水下生產系統關鍵設施在安裝完成后需進行一系列的預調試工作,通常為單個設備或管纜的功能完整性測試。水下生產系統各單體設施預調試完成后,連接成一個整體,進行水下生產系統聯合調試。

2.1 水上控制部分聯合調試

2.1.1 水上控制部分聯合調試前準備工作

在水上控制部分聯合調試開始前,檢查水上各控制設備的安裝和單機測試完工文件,確認單個設備安裝和測試完成,無遺留問題清單。確認所有水上控制設備調試所需的工具和備件已送往平臺,氮氣、液壓油、甲醇供應充足。確認平臺已具備供電條件。此外,為了確保HPU可正常啟動,檢查HPU蓄能器預填充氮氣壓力是否符合要求,HPU LP蓄能器壓力值需達到1850psi,HPU HP蓄能器壓力值需達到3200psi。如果不夠,需填充氮氣至符合要求。

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

最后,為了確保在聯合調試過程中導入系統的液壓油、甲醇清潔度合格,使用潔凈度檢測儀測試液壓油清潔度是否優于AS 4059 Class6 B-F級。清潔度合格后將其導入HPU油罐中,測試HPU出口液壓油清潔度是否合格。若不合格需要對HPU進行自沖洗至出口液壓油清潔度滿足系統要求,對HPU至TUTA的LP和HP液壓管線進行沖洗至TUTA出口液壓油清潔度合格。使用潔凈度檢測儀測試甲醇清潔度是否優于AS 4059 Class8 B-F級。清潔度合格后測試CIU出口甲醇清潔度是否合格,若不合格需要對CIU進行自沖洗至出口甲醇清潔度滿足系統要求,對CIU至TUTA的甲醇管線進行沖洗至TUTA出口甲醇清潔度合格。

2.1.2 水上控制部分聯合調試

1. 水上控制系統供電調試

平臺不間斷電源(UPS)給EPU供電。啟動EPU,EPU通過上部輸出模塊(TOM)向水上控制設備MCS供電。檢查EPU的輸入電壓電流值,接收標準輸入電壓值為230V±5%,輸入電流值小于25A。檢查EPU對MCS的輸出電壓電流值,接收標準輸出電壓值為230V±5%,輸出電流值小于20A。確認各設備正常上電,無電壓、電流值報警。

2. 水上控制系統通信調試

打開MCS操作界面,MCS可與水上各控制設備EPU、 HPU進行通信,且有A和B兩通道通信。檢查MCS對各設備的遠程監測數據與設備本地控制器顯示的數據是否一致,且通過A通道讀取的數據與B通道讀取的數據是否一致。接收標準為MCS對各設備的遠程監測數據與設備本地控制器顯示的數據完全一致,且通過A通道讀取的數據與B通道讀取的數據一致,A路通信與B路通信完全獨立,任意斷開A或B路通信,剩下一路通信仍正常。

3. 水上控制系統液壓調試

HPU作為系統液壓的動力單元,HPU LP泵出口壓力設計為3850psi,經過調壓閥后向系統LP液壓管線提供低壓液壓3000psi; HPU HP泵出口壓力設計為8250psi,經過調壓閥后向系統HP液壓管線提供高壓液壓4500psi。HPU泵既可進行本地控制,也可在MCS的HPU狀態監測畫面中對其進行遠程控制。液壓調試內容具體如下:

(1) MCS遠程控制HPU測試:測試在MCS操作面板可遠程控制HPU低壓泵、高壓泵、循環泵等的開關。

(2) HPU液壓供應測試:關閉TUTA上的LP和HP管線隔離閥,啟動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。接收標準為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報警測試:HPU儲油罐和回油罐體積均為1000L,HPU儲油罐、回油罐內油量過低或過高,HPU泵出口壓力過低或過高(表1)情況,均會發生報警,檢查HPU報警系統是否運行正常。

表1 HPU報警設置Tab.1 HPU alarm settings

(4) HPU應急關斷測試:使用平臺ESD系統對HPU進行ESD 0級泄壓關閉測試,這一測試的合格標準是泄壓后HPU低壓和高壓出口壓力都泄為0。

2.2 水下系統聯合調試

2.2.1 水下系統調試前準備工作

在水下系統調試開始前,檢查水上控制系統聯合調試完工證書,確保調試過程中的問題清單已解決。確認所有水下系統調試所需的工具和備件已送往平臺,氮氣、液壓油、甲醇供應充足。檢查水下設備在位狀態,確認水下管匯、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帶無人遙控潛水器(ROV)的輔助作業船待命,調試期間負責觀測水下液控閥門的真實運動情況,調試如果出現問題,則使用該作業船進行水下設備的檢查。

2.2.2 水下系統聯合調試

1. 水下閥門狀態檢查

檢查管匯、采油樹上的閥門狀態并登記在閥門狀態記錄表上,確認閥門狀態是否處于調試開始前所需狀態,對閥門狀態不符合要求的閥門進行開關操作。

2. 水下系統供電調試

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。接收標準為EPU對水下管匯、采油樹的輸出電壓值為280～550V,輸出電流值小于20A。確認管匯、采油樹正常上電,無電壓、電流值報警。

3. 水下系統通信調試

水下系統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,系統以電力載波通信為主,在一種通信模式中斷的情況下,系統可自動切換至另一種通信模式。水下系統通信調試內容具體如下:

(1) 信號采集測試: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、溫壓傳感器的數據。檢查MCS對水下設施的遠程監測是否正常,可通過讀取的SCM的靜水壓力值、水位值、液控閥門開關狀態、溫度值等與實際預估值是否相符進行驗證,檢查通過兩種通信模式四個通道讀取的數據是否一致。

(2) 電力載波通信與光纖通信切換測試:在水下系統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,確認水下通信模式可自動切換至光纖通信,水下監測數據仍正常。同理,測試光纖通信可自動切換至電力載波通信。

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

4. 水下系統液壓調試

啟動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HPU至水下的液壓回路進行15min保壓,保壓接收標準為無壓降,以驗證液壓回路沒有泄漏。

5. MCS遠程控制液控閥門調試

管匯、采油樹上液控閥門采用電液混合控制。MCS逐一執行液控閥門打開/關閉命令,ROV水下監測液控閥門的打開/關閉狀態,確認液控閥門動作正確執行MCS給出的指令,并記錄各液控閥門完成指令的時間。任選一液控閥門,測試LP1和LP2液壓供給切換以及A和B通道供電切換,對液壓控制閥門開關狀態無改變。為防止生產流體溢出,SCSSV應始終保持關閉狀態。

6. 液壓動力故障調試

HPU將LP系統升壓至工作壓力,打開液控閥門,測試LP1或LP2一路液壓供應失效不會影響液控閥門的開關狀態。液壓供應全部失效后將導致液控閥門關斷,再次供壓后,閥門保持關斷狀態。

7. 電力動力故障調試

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

8. ESD測試

當管匯或采油樹上的溫壓傳感器監測水下設施的壓力/溫度達到設定的低、低低、高、高高報警值時,MCS可接收到相應的報警信號,并啟動相對應的水下設施關斷。測試在MCS處將水下溫壓傳感器臨時調低壓力及溫度的低、低低、高、高高報警值,驗證MCS處是否報警并觸發緊急關斷,在MCS觀察管匯、采油樹液控閥門的關斷順序,ROV水下記錄液控閥門的關斷順序,檢查水下關斷順序是否與ESD因果圖一致。

3 總 結

水下生產系統聯合調試作為油氣田投產前最后的關鍵一步,目的是使其進入準備啟動的狀態。總的來說,水下生產系統調試主要是一系列功能核實的測試工作,包括:

(1) 系統供電測試:確認EPU對水下生產系統各設施的電力供應正常,電壓、電流值符合要求;

(2) 系統通信測試:確認MCS可與水下生產系統各設施建立正確通信,且通信通道有冗余;

(3) 系統液壓測試:確認HPU可對系統液壓回路升壓至工作壓力,液壓回路無泄漏;

(4) 系統遠程控制測試:確認MCS可對HPU泵、水下液控閥門進行遠程開關控制;

(5) 系統故障測試:檢查系統出現液壓供應失效、電力供應失效時,水下設施的狀態;

(6) ESD測試:確認系統發生各級別的緊急情況時,MCS可接收到報警信號,并觸發相應的緊急關斷。