南海某气田水下生产系统可靠性保障设计

尹 丰

（中海油研究总院，北京100027） ＊

南海某气田水下生产系统可靠性保障设计

尹 丰

（中海油研究总院，北京100027）＊

深水油气田开发经验表明，水下生产系统简单的水下维修作业都非常昂贵。为保持经济性，油气田开发不仅要求有高的产量，同时对生产设备的可靠性也提出更高的要求。以南海某气田水下生产系统可靠性设计为例，将可靠性保障设计方法应用于该气田水下生产系统（SPS）设计中，可有效保障设备的可靠性。

深水；水下生产系统；可靠性保障；RAM

南海某气田采用水下生产系统，依托新建中心平台开发，井流依靠自身压力，通过水下生产系统和新建的海底管道回接到中心平台处理，然后利用中心平台上的天然气外输系统和海底管道经由另外1座中心平台输往珠海天然气终端。

水下生产系统的基本设计原则为：

1） 采用国际成熟的水下生产系统与技术［1］。

2） 充分利用周边已有和在建的基础设施。

3） 考虑周边小区块的开发。

4） 在安全可靠的情况下，最大限度简化水下生产设施。

由于南海某气田水下生产系统距离中心平台有一定距离，后期维运需要依靠支持船来完成，因此水下生产系统可靠性保障尤为重要。

1 可靠性保障设计

1.1 必要性

对于深水油田开发，采用水下生产系统的风险不是来自技术，而是设备的可靠性。由于深水作业的高成本和高难度，对水下设备的可靠性和可安装性提出更高标准。目前国外深水项目普遍采用可靠性保障设计［2－6］。稳定的水下生产系统意味着减少生产关停和节省作业费用，并决定着油田的经济效益。深水项目要求水下生产系统的可靠性＞95%，AKPO油田要求达到98.35%，南海某气田要求水下生产系统的可靠性为98%。

可靠性保障设计方法应用于从水下生产系统概念设计到海上安装全过程，可以对设备进行有效质量控制，保障设备质量和可靠性。

1.2 设计内容

1） 系统设备可靠性和潜在故障的识别包括：设备可靠性要求；设备风险和可靠性分析；可靠性保障计划。

2） 系统可靠性保障计划执行和改进包括：可靠性确定和基准；项目风险管理；设备的可靠性和质量鉴定试验；设备性能跟踪和分析；供应链管理；变更管理；可靠性提高和风险降低。

1.3 优点

1） 是一种基于量化分析的风险管理方法。

可靠性保障计划（Reliability Assurance Program）制定从概念设计到海上安装贯穿项目全过程。根据油田水下系统开发的概念，制定出水下生产系统可靠性框图（Reliability Block Diagrams），对各节点单元进行可靠性、可用性和维修性（Reliability，Availability and Maintenance－RAM）的系统量化分析和设备故障模式及影响、危害度分析（Failures Mode，Effect and Criticality Analysis－FMECA）。根据计算结果，制定设备在设计、采办、制造、测试和安装各阶段中质量保障和控制计划。

可靠性保障计划（Reliability Assurance Program）主要内容包括：水下生产系统可靠性定义和目标；实现可靠性要求的方法和途径；达到可靠性设计文件资料等内容；设备在设计、采办、制造、测试和安装各阶段中质量保障和控制计划。

2） 是基于事前控制的管理方法。

根据可靠性保障计划来设计水下生产系统，对可能出现的风险和影响可靠性的设备都有了具体解决和降低的措施，变传统工程设计中事后补救方法为事前控制，降低系统风险，提高设备可靠性。

3） 提高水下生产设备价值工程（Value Engineering－VE）。

可靠性保障计划是基于量化计算和设备历史使用统计数据。在满足设备生命周期内可靠性要求的情况下，有效避免传统工程设计中设备过可靠（Over－reliability）设计，提高设备工程经济价值。

4） 提供详细系统可靠性保障设计文件。

可靠性保障计划设计方法要提交详细的可靠性设计文件。可靠性设计中对设备操作环境、设计目标、设计方法、风险分析结果、防止措施、设备预期运行的功能和使用限制都有具体说明。

2 现场应用

南海某气田水下生产系统由水下采油树、生产管线和脐带缆等设施组成，如图1所示。

图1 南海某气田生产设施示意

2.1 水下设备

水下设备包括：采油树、井口头及相关工具；中心生产管汇；在线生产管汇；PLEM；水下控制系统；修、完井设备。

在基本设计阶段，确定南海某气田水下生产系统的可靠性达到98.0%（不包括维修船舶动员时间因素）。可靠性分析对象包括了水下生产系统各设备单元。

如何提高和保障水下生产设备可靠性，成为水下项目组所面临的最大挑战和贯穿项目全程的管理重点。

为了提高水下生产系统的可靠性，项目组根据可靠性保障设计要求首先通过对水下生产系统所有节点设备进行可靠性和维修性（RAM）定量分析，找出各单元设备故障对系统可靠性的影响，并进行系统优化设计，达到系统可靠性要求。并贯穿从概念设计到海上安装水下项目管理全程，确保水下设备可靠性达到这一新的水平。

2.2 影响水下设备可靠性的关键阶段

对影响水下设备可靠性关键的设计、制造和测试3个阶段，需制订详细质量控制计划，通过广泛的测试和质量监督，消除可能的设备故障隐患。

2.2.1 设备选型阶段的质量鉴定测试

根据南海某气田整体布置，列出水下系统各类设备清单。通过对水下生产系统所有节点设备进行可靠性和可维修性（RAM）定量分析，找出各单元设备故障对系统可靠性的影响，并进行系统优化设计，达到系统可靠性要求。所有设备在最终设计和采办之前，都要根据厂家提供的历史使用纪录或质量测试资料进行评估，确定能否满足南海某气田最恶劣工况下油田外部环境、内部环境和设计周期中操作要求。

对于水下各液压设备能否满足油田具体情况［7］，主要从内外部压力、压差、液压操作压力、油田生命周期情况、操作频率、预计操作次数等方面（但不限于）来评估。

对于水下电气设备，主要从操作电压和电流、外部压力密封、内部压差、油田生命周期情况、回接和分开频率、震动、井下电接头等方面（但不限于）来评估。

一般设备都按照API 6A和API 17D标准进行测试，这些规范对于水下设备试验都有很详细的指导。API 17D对设备环境因素也有所考虑，对水下系统的阀门生命周期内的使用次数测试都有具体要求，确保设备在完成15a使用寿命后，阀门保持不漏。

2.2.2 设备制造和组装期间质量保障和控制

通过鉴定的设备是在实验室的条件下测试。对于大量制造和组装阶段，无法实现实验室测试每一个设备。为了保障设备能按照设计的规范制造和测试，需要制订严格的质量保障和质量控制（QA／QC）计划。所有供应商质量保障和质量控制文件都要提交公司审查批准。

公司对SPS设备制造、试验进行全程检验，项目组、第三方和承包商内部各方同时检查，将问题解决于萌芽之初，确保设备按设计规范设计、制造和测试。

2.2.3 安装之前的系统整体测试（SIT）

单元设备制造完成后，组装成生产系统各子系统，具备进行海上安装条件后，在海上安装之前还要进行严格的整体测试（SIT）。

系统整体测试对项目意义重大，它不但可以测试整体系统的功能、机械界面及调试设备的可操作性和可安装性，而且可以检验设计的安装程序，培训海上安装人员和生产作业人员。

通过系统整体测试，许多设备间的机械干涉和操作碰撞得以消除，可优化安装程序、培训安装人员，试验的录像可作为海上安装和作业人员的重要参考资料。

经分析，南海某气田水下生产单元设备对系统整体可靠性影响的RAM结果为：平均的操作稳定性为98.1%；固有的稳定性为99.5%。

在基本设计阶段，只做了单元设备层面的可靠性分析，在EPIC阶段时，需进一步分析单元设备每一部件的可靠性，以对水下系统中所有部件都有更清楚的认识，并对关键的部件予以特别关注，保证其可靠性能满足系统可靠性要求。

在生产作业阶段，有效的设备维修策略和维修船舶动员的及时性对保证较高的系统可靠性也十分重要。

3 结论

1） 国外多数油气田采用可靠性保障设计投产后，水下生产系统平稳运行，对未来深水油气田开发中水下生产系统设计提供了参考样板。

2） 国内深水油气田目前也进入到了高速发展的阶段，如何保障水下生产系统可靠性尤为重要。鉴于可靠性保障设计在国外深水油气田的成功应用，国内的深水油气田也应大力推广。

3） 南海某气田开发工程按照可靠性保障设计的方法和要求，细化和优化各水下生产系统、设备及其部件的设计、建造、测试和安装，保证水下生产系统可靠性目标的实现。

［1］ 王莹莹，段梦兰，冯 玮，等.西非深水油气田典型开发模式分析［J］.石油矿场机械，2010，39（11）：1－8.

［2］ 刘军鹏，段梦兰，罗晓兰，等.深水浮式平台选择方法及其在目标油气田的应用［J］.石油矿场机械，2011，40（12）：70－75.

［3］ 于芳芳，段梦兰，郭 宏，等.深水管汇设计方法及其在荔湾3－1气田中的应用［J］.石油矿场机械，2012，41（1）：24－29.

［4］ 张长智，王桂林，段梦兰，等.深水开发中的几种新型混合生产立管系统［J］.石油矿场机械，2010，39（9）：20－25.

［5］ 王 懿，段梦兰，李丽娜，等.深水立管安装技术进展［J］.石油矿场机械，2009，38（6）：4－8.

［6］ 王定亚，李爱利.海洋钻井隔水管系统配套技术研究［J］.石油矿场机械，2010，39（7）：12－15.

［7］ 康永田，田红平，罗晓兰，等.水下采油树内部输油管应力分析［J］.石油矿场机械，2011，40（4）：33－36.

Reliability Assurance Design in One of Nanhai Gas Field Subsea Production System

YIN Feng
（CNOOC Research Institute，Beijing100027，China）

Experience on all of the developed deepwater oil and gas fields has shown that the cost of even the simplest intervention becomes very expensive.To be economic in deepwater，the anticipated higher production rates must be not only realized but also maintained throughout the life of the project.Downtime for any reason is considered unacceptable；especially problems caused by equipment failures.Reliability Assurance Approach could provide more confidence for the deepwater Subsea Production System.This paper illustrates how to implement Reliability Assurance Approach to maintain one of Nanhai gas field SPS high system availability.

deepwater；SPS；reliability assurance；RAM

1001－3482（2012）07－0023－03

TE952

A

2012－01－19

尹 丰（1979－），男，湖北仙桃人，工程师，主要从事仪表自动控制设计工作。