水下生产系统浅水测试技术研究

陈 斌，苏 锋，姚宝恒，连 琏，周 凯

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.上海交通大学海洋研究院，上海 200240）

水下生产系统浅水测试技术研究

陈 斌1，苏 锋1，姚宝恒2，连 琏2，周 凯1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.上海交通大学海洋研究院，上海 200240）

针对目前国内在建的珠海海洋油气生产设施制造基地浅水测试需求，分析水下生产设施浅水测试功能和测试场地分类需求，并以水下生产控制系统为例，介绍主要测试内容和浅水测试工艺步骤，相关工作可为今后国内自主研发水下设备浅水测试提供参考。

水下生产系统；浅水测试；系统集成测试；场地建设

0 引 言

由于陆地石油和浅海油气可开采资源日益减少，深水油气开发已逐渐成为趋势；因此，国际上各大石油公司在深海领域的投资不断增加，各国对海洋石油水下装备的需求迅速上升。在深海及超深海的开发中，采用传统干式采油树（dry tree）的浮式平台，如半潜式平台、张力腿平台及SPAR，其干式采油树随着水深的增加而变高，浮式系统的运动以及深水中的恶劣条件都对其产生严重影响。水下生产系统的主要生产设施布置在海底，受风、浪和涌的干扰小，湿式采油树（wet tree）弥补了干式系统在深水的不足，在深水油气田开发中得到了广泛应用。

深水油气开发经过多年的发展，已形成了一些成熟的开发模式，包括浮式系统、浮式系统+水下系统、水下系统+浅水固定平台、水下系统+陆地终端等。由于经济性、安全性等方面的原因，从发展趋势来看，水下生产系统是油气工业发展的未来。在全球诸多的深海和超深海油气田开发项目中，水下生产系统已经成为主流的开发手段。我国海洋油气开发正逐步走向深海，水下生产系统已在南海东部流花、惠州等数个合作开发的油田中采用。另外，石油公司也越来越重视附近具备整装油气开采设施的边际油气资源的开发，而水下生产系统的高效、低成本等特性，正是开发这些边际资源的有利条件[1-8]。随着全球能源需求量的日益增加，海上的石油开采也逐渐向深海领域发展，而水下生产系统作为深水油田最核心的组成部分，如何制定合理的测试要求和测试方法以确保其在生产运行中功能的有效性及安全可靠性，是深海油气田开发的关键技术之一。

水下生产系统装备的精密制造、工厂测试和浅水测试是水下生产系统深海安装之前非常关键的一个环节，是深水油气田开发水下生产系统安全、平稳运转的保证。水下生产设施附加值高，目前主要由FMC、Aker Solutions、Cameron、Vetcogray等少数几个国外供应商所垄断。根据INFIELD公司报告，2008年至2012年水下产品的支出总额达1060亿美元。目前随着我国石油勘探开发向深海的战略转移，对海洋石油装备的需求进一步加大，对国外的技术和装备依赖性更大，所以无论是从国家能源安全方面还是从装备制造业未来发展方面，研究适合我国油气勘探和开发的海洋石油水下生产设施的制造技术和测试装备，实现水下生产设施的自主研发和产业化都迫在眉睫。

国外的主要水下生产系统和水下主要设备、部件供应商如FMC、Aker Solutions、Cameron、Vetcogray、Advantec、Framo等都掌握了浅水测试技术并拥有专业化的浅水测试场地，如FMC的马来西亚基地和Framo公司的Fusa基地等。

为了适应南海深水油气田开发的需要，目前我国珠海也正在进行海洋油气生产设施制造基地浅水测试场地的建设与规划。珠海海洋油气生产设施制造基地占地207万m2，岸线1349m，港池水深12m，主要功能区分为装备建造主场地、海上设施维修与工程船舶补给区、水下产品区（包括水下生产系统装配与测试线、深水海底管线与软管接长线）、办公区和动力配套区。

水下生产系统主要由主控站、液压动力站、脐带缆及脐带缆分配单元、水下采油树、水下管汇及跨接管、水下连接器、水下分离器和水下控制系统等系统和设备组成，其测试技术是深海油气田开发的关键技术之一。水下生产系统中子系统和设备众多，测试工艺复杂，本文首先介绍典型水下生产设施的浅水测试功能和场地分类需求，再以水下生产系统中最重要的水下控制系统为例，阐述其测试的主要内容和浅水测试步骤，相关工作可以为水下装备的研发提供参考和借鉴。

1 水下生产设施浅水测试功能需求分析

水下生产设施浅水测试（SWT）用于水下生产设施下放、安装、回收试验和湿环境下水下生产设施功能、性能的测试。根据标准[9-10]要求，对于首次使用的产品以及部分功能，必须在产品投产前进行浅水测试，以保障水下生产设施深水安装的安全性及相关功能的可靠性，并提高效率。另外，从研发到产业化，水下生产设施一般需要经过3个阶段：浅水测试、100～200m的深水测试、100～500m的长时间油田现场测试。同时，浅水测试也是产品研发的重要实验手段。因此，研究浅水测试技术，建成浅水测试场地，将为水下生产设施研发与产业化提供重要的基础条件。通过浅水测试，可以验证新研发的水下采油树、井口装置、水下管汇、跨接管、连接器、PLET、水下分离器、水下阀门和水下控制系统等水下生产设施产品下放、安装、回收试验和湿环境下水下生产设施的功能、性能，并可以验证其设计合理性和长时间工作性能可靠性。

2 典型水下生产设施测试场地分类需求

水下生产系统浅水测试作为系统集成测试（SIT）的重要组成部分，进行实际测试时需要的测试支持场地主要包括陆上SIT场地和海边试验场地或水池两部分，为了提高效率，其中一部分安装模拟操作测试可在陆上SIT场地进行。本文对在建珠海场地水下生产设施典型水下生产设施测试场地需求进行分类，如表1所示。

表1 水下生产系统装备测试场地需求分类

3 水下生产控制系统主要测试内容

以水下生产系统中最重要的水下控制系统为例，其主要测试内容包括水下控制系统电子模块单元性能测试、水下控制液压系统性能测试、深海模拟高压环境下性能测试和浅水安装模拟测试4个主要部分，具体测试内容为：

3.1 水下控制系统（SCM)电子模块单元性能测试

装入SCM前水下电子模块SEM第1次随机振动试验；

装入SCM前水下电子模块SEM温度适应性测试；

水下电子模块SEM最高设计温度下的老化试验；

水下电子模块SEM最高最低温度循环试验；

装入SCM前水下电子模块SEM第2次随机振动试验；

装入SCM后水下电子模块通信测试；

动力转换时SEM性能测试。

其中：随机振动的总时间为10 min，在热循环前后分别执行1次5min的随机振动。频率变化为20～80 Hz时，上升斜率为3 dB/octave；频率变化为80～350Hz，能量密度为0.04g2/Hz；频率变化为350～2 000 Hz，下降斜率为-3 dB/octave；能量密度-频率关系曲线如图1所示。

图1 能量密度-频率关系曲线

SEM温度适应性试验装置测试原理如图2所示。水下电子模块SEM最高设计温度下的老化试验需要将SEM模块放到温度调节舱室中，开启水下电子测试模块，调节温度适应性舱室至最高设计温度40℃，保持该温度并持续48 h，在该舱室内进行48 h的最高设计温度老化试验后，接下来进行最高最低温度循环试验：

在该舱室内，以5℃/min的速度将温度增加到最高设计温度40℃，并保持该温度至少30min；

开启水下电源通信测试单元和电子测试模块A，确保水下电子模块电源供给正常；

开启水下电源通信测试单元和电子测试模块，并在最高温度下持续通电48h；

然后以5℃/min的速度将温度降到最低设计温度，并保持该温度至少30min，重复最高温度时的测试过程。

3.2 水下控制液压系统性能测试

水下控制液压系统性能测试主要内容包括：液压系统电磁阀操作测试；内部压力传感器测试；电磁阀泄漏测试；液压流量计测试；电磁阀复位检查；液压介质清洁度测试。

3.3 水下控制系统深海模拟高压环境下性能测试

为进一步验证水下控制系统在深海工作环境下的性能，需要将水下控制模块SCM淹没在深海模拟高压舱水中，并加压到工作水深环境压力的1.1倍，如图3所示。

图2 SEM温度适应性试验装置测试原理图

图3 SCM吊放在压力筒内示意图

SCM和SCM外罩组装到一起，使用硅油密封；SCM安装到压力舱，连接电线和液压管线；高低压供给管线充压；确保回油管线充满液压油，连接VAS，然后开启或关闭任意阀门3～4次；向压力舱充水，将SCM暴露在1.1倍SCM工作环境压力中（由SCM的设计水深确定），测试时，在合适的时间间隔，记录水温、水压；循环调整水压两次（从0bar（1bar=105Pa）到设计水深确定的环境压力的1.1倍），同时分别在0bar和设计水深确定的环境压力保持5 min，每个循环需50～60 min；保持设计水深确定的环境水压1.1倍的最小周期为12h；重新测试SEM通信。

3.4 水下控制系统浅水安装模拟测试

连接水下控制模块与水下采油树本体，使用水下控制模块安装工具（SCMRT），将水下控制模块与采油树上的水下控制模块基座固定；

移除水下控制模块安装工具（SCMRT）；

使用无人遥控潜水器（remote operated vehicle，ROV）或模拟水下机器人（Dummy ROV）操作液压扳手检测水下控制模块与水下控制模块基座能否顺利锁紧，观察扭距仪并记录解锁扭矩与解锁所需转动圈数是否与产品设计规格书一致；

使用ROV或模拟水下机器人（Dummy ROV）操作液压扳手，使水下控制模块从水下控制模块基座上移除，以检测其能否顺利解锁，观察扭距仪并记录解锁扭矩与解锁所需转动圈数，对比数值是否与产品设计规格书一致；

确认能顺利解锁后，再将水下控制模块锁紧；

移除ROV或模拟水下机器人扭距工具，进行水下采油树的阀门控制功能测试。

4 结束语

本文针对目前国内在建的珠海海洋油气生产设施浅水测试需求，分析了水下生产设施浅水测试功能需求和测试场地分类，并以水下控制系统为例，介绍水下控制系统主要测试内容和浅水安装模拟测试主要工艺步骤，相关工作可为今后国内自主研发的水下生产系统设备浅水测试提供参考及借鉴。

随着我国南海深水油气资源开发步伐的加快和水下生产系统在海上油田开发中的广泛应用，水下生产系统浅水测试技术研究的重要性将会进一步显现出来。开展水下生产系统浅水测试技术的研究工作可为我国南海油气资源开发提供强有力的支持，从而进一步提高南海深水油气资源开发能力。

[1]大型油气田及煤层气开发专项：深水水下生产设施制造、测试装备及技术（2011ZX05027-004）可研性报告，内部资料[R].

[2]刘清友，唐洋.水下测试树国内外研究现状与国产化思考[J].西南石油大学学报，2013，35（2）：1-6.

[3]杨少坤，代一丁，吕音，等.南海深水天然气测试关键技[J].中国海上油气，2009，21（4）：237-241.

[4]杨立平.海洋石油完井技术现状及发展趋势[J].石油钻采工艺，2008，30（1）：-6.

[5]于振华.深水浮式平台试油测试技术[J].油气井测试，2007，16（6）:38-39.

[6]范亚民.水下生产控制系统的发展[J].石油机械，2012，40（7）：45-49.

[7]任克忍，王定亚，周天明，等.海洋石油水下装备现状及发展趋势[J].石油机械，2008，36（9）：151-153.

[8]《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程深水油气田开发技术［M］.北京：石油工业出版社，2007：164.

[9]ISO 13628-1―2005Petroleum and natural gas industries design and operation of subsea production systems Part 1：general requirements and recommendations[S].2005.

[10]梁稷，姚宝恒.水下生产系统测试技术综述[J].中国测试，2012，38（1）：38-40.

Study of shallow water testing technology of subsea production system

CHEN Bin1，SU Feng1，YAO Bao-heng2，LIAN Lian2，ZHOU Kai1
（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China；2.Institute of Oceanology，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The function and filed requirements for shallow water testing of subsea production system are studied through the analysis of Zhuhai marine equipments field in construction.Shown as example，the testing contents and shallow water installation simulation procedure of subsea control system are introduced，which help to provide referencesforshallow watertesting ofsubsea equipments.

subsea production system；shallow water test；system integration test；field construction

TE53；TM930.12；TP274；TE319

：A

：1674-5124（2014)06-0010-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.003

2014-01-19；

：2014-03-25

国家科技重大专项（2011ZX05027-004）

陈 斌（1983-），男，甘肃镇原县人，工程师，硕士，主要从事水下系统电气设计及水下生产设施测试相关工作。