300 米水深海管水下清管试压技术研究

李 旭 刘彩虹 郑永峻 谭家海 房 凯

（海洋石油工程股份有限公司，中国 天津300451）

0 引言

目前世界上已投产的深水油气田主要是通过水下井口回接方式进行油气开采，流花4-1 油田（以下简称LH4-1）是我国第一个自主开发的采用水下模式的较深水油田， 以水下系统为主体，依托周边油田原有生产设施进行开发，作业水深范围为267m 至310m。油田外输海管采用的是管道终端(pipeline end termination，简写为PLET)+平管的典型深水水下模式， 海管两端PLET 随海管进行S 型铺设，铺设完成后进行水下清管试压。 海管与跨接管的连接接头均为FMC 公司提供的水下接头（Connector），海管铺设及清管试压施工过程中的全部水下操作工作均由工作级水下机器人（Remote Operated Vehicle，简写为ROV）完成。

1 清管试压总体方案

清管试压的基本方案如下：清管试压主作业船（DSV）位于LH4-1端，另一条在辅助拖轮位于LH11-1 端，分别打开PLET 压力帽上的注水阀门注水；然后拆除LH11-1 侧PLET 的压力帽并安装清管接收器，将LH11-1 侧作为接球端； 拆除LH4-1 侧的压力帽， 安装清管发射器。将注水软管连接到清管发射器上，DSV 上布置清管泵开始清管；通过监控清管泵压力来判断清管球是否到达了清管接收器内，清管球到达接收器后，拆除连接的软管，回收清管接收器，检查清管测量结果；清管结果合格后，开始打压稳压。

2 清管试压设备介绍

清管试压设备主要包括：清管发射器和接收器、水下连接器、清管球等。

水下清管试验使用的发射器和接收器安装在水下，各种操作需依靠ROV 来完成。 清管发射器有两个使用hot stab 注水的阀门，4 寸的阀门用于清管时注水，2 寸的阀门用于试压时打压注水； 另有4 个用于控制清管球发射顺序的阀门，在清管时依次打开。 接收器则有4 个用于放水的阀门。

发射器和接收器的连接使用水下连接器，水下连接器（connector）由FMC 公司配套提供的。 首先将发射器和接收器与connector 焊接到一起，再通过ROV 进行水下连接操作与PLET 连接。 清管试压时使用的18 寸connector， 其主要操作是由ROV 使用hot stab 通过ROV 面板进行液压控制。

本次清管试压使用4 个清管球。第一个清管球为标准双向的皮圈清管球， 并附带信号发射器， 可以使用ROV 对清管球的信号进行探测，以确定清管球的位置。第二个清管球为钢刷清管球，第三个清管球是附带磁吸装置的清管球， 将第二个钢刷清管球扫落的铁削进行回收。 第四个清管球为附带测量板的清管球，以便最终判定海管内径是否合格，测量球也附带信号发射器。

3 清管试压施工

3.1 清管施工流程

PLET 成功安装后，DSV 在LH4-1 侧， 辅助拖轮在LH11-1 侧就位， 两端同时使用ROV 打开PLET 上压力帽的阀门开始注水。 拆除LH11-1 侧PLET 压力帽并安装清管接收器。 拆除LH4-1 侧PLET 压力帽，安装清管发射器，安装后连接注水软管，开始清管。

图1 发射器阀门示意图

开始清管注水时，首先打开如图1 所示发射器的阀门4，打出第一个清管球；注水21m3后，打开阀门3 关闭阀门4，打出第二个清管球；根据注水泵流量显示，注水21m3后，打开阀门2 关闭阀门3，将第三个清管球打出；继续注水21m3，打开阀门1 关闭阀门2，将最后一个清管球打出。 第四个清管球打出后，由ROV 使用信号接收装置，探查确认4 个清管球全部打出。 之后将2-5 号阀门全部打开进行注水。 通过对压力，流量的监控，计算出清管球预计到达接收器的时间。当注水达到计算的注水量后，再继续注入20%的总水量，确保清管球完全到达。 清管结束后，ROV 关闭发射器各个阀门，回收注水软管及发射器。将压力帽重新安装在PLET 上。DSV 到达LH4-1 侧，由ROV 使用信号接收器确认4 个清管球全部到达接收器； 并回收清管接收器到甲板，取出清管球并对测量板状况进行检查。

3.2 试压施工流程

回收LH4-1 侧接收器，安装可用于试压的清管发射器，连接打压软管进行打压。海管的设计压力为81bar，试验压力为93bar。试压参考高度为-261m，考虑300 米水深的水头压力及温度影响，将稳压的记录压力定为80bar。 打压开始以不高于1bar/min 的速度打压到35%的稳压压力（23bar），当到达23bar 之后，将清管发射器打压的阀门关闭，根据记录的压力及注水量数据计算海管内残余空气含量，计算升压压力和注水量的比例，公式如下：

上式为海管两端不受约束、不埋管情况下使用。

式中：V—根据海管尺寸及长度计算的理论容积；OD—海管外径；E—钢管弹性模量，取2.07×106bar；t—海管壁厚；ν—泊松比，取0.3，β—海水的体积弹性模量。

根据计算升压23bar 应注水1.922m3， 而注水泵流量计的读数显示实际注水1.889m3， 以此计算出海管内气体的含量约为0.002%，低于规范空气含量应小于0.2%的要求。 之后继续以不超过1bar/min 的速度升压，升压到达95%的压力之后，再以0.5bar/min 的升压速度完成最后的升压。最后关闭隔离阀，开始升压过程中的稳压阶段，当压力稳定后开始进入正式的24 小时稳压。

在稳压的过程中，温度影响成为试压结果能否接收以及整体试压时间长短的关键影响因素。由于清管时是将海面以下几米的海水泵到甲板后再注入到海管内，所以在试压时海管内海水的温度要高于海底海水的温度，这时必定会发生热交换，以达到海管内外的温度平衡。根据理论计算预计280 多小时的热交换之后才能完成热交换， 压力稳定。

由于流花施工工期相当紧，油田FPS 马上要在LH11-1 进行现场锚链的回接工作， 所以等待热交换完成才进行稳压工作是不可行的。通过从现场采集的数据， 计算出在稳压的24 小时内由于热交换产生的压降，与实际记录的压降进行对比，同时使用ROV 对两端PLET 进行监控，检查是否有染色剂液体外泄，如果ROV 没有发现任何泄露，而且实际压降与理论计算情况相符，则证明实际产生的压降为温度影响产生的。 理论计算压降计算公式如下：

式中：γ—海水的体积膨胀系数；B—海水的体积弹性模量。

通过此式计算出温降引起的压降。最后将由压力表实际记录测量的压降与计算的数据进行对比，并绘制出拟合图。

图2 理论计算压降与实际压降拟合图

开始稳压时初始压力为79.6bar， 到24 小时后压力为68.8bar，压力下降10.8bar，继续稳压，同时根据上述校核方式进行计算，最终实际压降与理论计算的结果基本吻合，而且ROV 也未发现任何异常，最终确认试压结果符合要求。

4 结束语

LH4-1 项目海管清管试压是国内首次进行的300 米水深级的水下清管试压工作，通过实际的施工验证，证明了目前制定的清管试压方案基本可行，丰富了深水水下清管试压的设计经验，为以后同类项目的实施提供了可靠的借鉴。