水下油气生产系统集成测试技术研究

邱 盼，段梦兰，郭中云，宋振华，张 杰（中国石油大学　海洋油气研究中心，北京102249）

水下油气生产系统集成测试技术研究

邱 盼，段梦兰，郭中云，宋振华，张 杰
（中国石油大学海洋油气研究中心，北京102249）

水下油气生产系统的集成测试技术，即SIT（System Integration Test）测试技术对于保障海上油田的生产及安全具有重要作用。我国对于水下油气生产设备及技术的研究还处于起步阶段，尚未建立水下生产系统集成测试场地。分析了国外先进的水下油气生产设备测试技术，结合我国国情对水下油气生产系统集成测试场地进行详细规划，提出测试场地工作流程。水下生产系统集成测试场地的建立将促进我国水下油气生产技术的发展。

水下；油气田；水下生产系统；集成测试

水下生产系统（以下简称SIT）是海洋石油开发的重要组成部分，如何进行系统集成测试是海洋石油开发中的关键技术之一。研究和完善适应我国国情的水下油气生产系统的测试方法和步骤，将促进我国在海洋石油开发领域冲破国外的技术封锁，实现深海石油开发技术的自主和产业化。水下生产系统主要包括水下控制系统、采油树、跨接管、管汇以及脐带缆和脐带缆分配工具等。水下生产系统集成测试技术需要在各个子单元工厂验收测试（F A T／Factory Assem ble Test）合格之后才能够进行后续测试，系统集成测试通常需要对设备完成4方面测试。

1） 机械完工，需要复核图纸尺寸要求。

2） 与其他设备的接口。

3） 在指定参数范围内的全部功能操作。

4） 对于一些无法使用现有设备来进行系统集成测试（SIT）时，需要使用模拟装置进行代替，并且保证模拟装置功能能够完全替代实际设备功能。

1 水下生产系统概述［1］

1） 主控站和液压动力站。他们组成了水下生产系统的上部控制装置，其中水上主控站主要是为水下生产设施提供电力和液压支持，同时和水下生产设备进行逻辑控制和通信。

2） 脐带缆。主要作用是为水上控制系统和水下生产设备之间提供接口。即是为水下电动机和水下驱动器设备提供电力和液压支持，为水下生产设备注入化学试剂提供通道，另外还能够对油井设备环空压力进行监测。

3） 水下采油树。基本可概括为安装在水下井口上的控制阀门，为油井和水下生产设施之间提供一个可控接口。水下采油树的主要功能可概括为：实现井口和外界环境的隔离；隔离生产井筒和外界环境；通过采油树帽提供油井通道；为井下安全阀门提供液压接口；为电潜泵，井下仪器提供电气接口；给输送管道提供支撑结构；提供一条从生产油管经采油树至生产输送管道的可控流动通道。

4） 水下管汇。通过布置管道和阀门来控制各油井产量的分配和汇集各油井的产量，能够将生产液中的高低压液体进行分离输送到不同压力管道，同时利用水下油嘴控制水下井口的流量大小。水下管汇上通常安装有清管球隔离阀、清管球检测仪和三通装置，能够极大程度上简化水下清管作业工作量。

5） 跨接管。是一个较短的管状类连接设备，通常用于采油树和管汇，管汇与管汇等之间的连接，跨接管是水下生产系统各设备之间的重要连接部件。按照跨接管管子类别可以分为刚性跨接管和柔性跨接管，其中刚性跨接管制造材料较为常见，因此相对于柔性跨接管来说制造成本较低。在安装刚性跨接管时需要对安装距离进行精确测量，并且需要较为复杂的安装工具，柔性跨接管则能够灵活的选择连接距离，能够适应海底复杂安装环境，安装较为简便，但是随着水深的增加安装价格也较为昂贵［1］。

6） 水下控制系统模块。通常是电液混合装置系统，通过脐带缆响应水上主控站的控制指令，对被控设备输送液压控制功能。一般情况下，水下控制模块需要连接到井内或采油树中传感器，通常将水下控制模块安装在管汇基座上，用于监控管汇各种功能。

系统集成测试（SIT）的主要被测设备是采油树，跨接管，管汇，PLEm和PLET，主要测试各设备接口连接状况及验证测试的可重复性［2］。

2 水下生产系统集成测试

2．1 前期准备

通过运输装置将测试中需要的设备运送至测试场地，主要包括起吊装置、采油树，跨接管，管汇，PLET、PLEm以及被测设备安装工具，并且需要保障测试过程中电力和液压动力源正常无间断供应，同时在测试场外围安装防护装置，防止外界干扰。

2．2 测试过程

系统集成测试过程如1所示。

图1 水下生产系统测试流程

2．2．1 安装管汇或者PLEm至模拟测试桩顶部

系统集成测试中为了方便对于管汇和P L Em固定，需要将管汇和P L Em安装至模拟测试桩顶部，如图2所示，验证管汇和P L Em和测试桩接口情况。同时，为了方便后续测试的进行，需要对管汇和P L Em进行固定。

图2 管汇测试桩接口测试

2．2．2 井口跨接管位置偏差及安装

对于海底复杂的地形条件，需要跨接管能够适应不同的安装环境，因此需要验证跨接管是否能够满足特殊安装要求，如图3所示。

图3 跨接管倾斜安装和连接器更换密封圈

跨接管连接器安装步骤（选取液压套筒式连接器为例）：

1） 利用测试场地吊车，同时配置好跨接管吊挂横梁，下放跨接管至倾斜模拟测试毂座。

2） 跨接管第1端端口插入，跨接管第2端端口插入。

3） 解锁跨接管吊挂横梁。

4） 利用ROV转矩工具对连接器ROV面板进行操作，对跨接管连接器母端和毂座公端进行锁紧。

5） ROV转矩工具对跨接管面板进行操作，解锁连接器同时更换跨接管连接器密封圈。

6） 对跨接管连接器进行解锁操作，回收跨接管和吊挂横梁。

该安装步骤中不仅需要用到跨接管连接器对跨接管和倾斜安装装置进行锁紧测试和解锁测试，如图4～5所示，还需要对连接接口进行压力测试，压力测试中需要进行2次，第1次保压时间为3min，第2次保压时间为15min，在加压过程中需要缓慢分多次加压至工作压力的1．5倍，观察有无可视泄漏。

图4 跨接管套筒式连接器和毂座

图5 跨接管ROV控制面板

2．2．3 跨接管连接器在管汇、PLEm、采油树和PLET接头测试

该测试过程主要是验证各设备之间接口状况以及接口密封状态，如图6所示。测试过程中主要包括锁紧，压力测试和解锁3个测试过程。使用跨接管连接器和管汇、P L Em、、采油树和P L E T接头进行接口测试，同时验证接口密封圈密封状态，也即压力测试。分别进行2次加压，加压至工作压力1．5倍，加压过程中需要缓慢多次加压至高压，观察有无可视泄漏并记录测试结果。

图6 跨接管和采油树、管汇接口测试

2．2．4 连接器清洗工具测试

高质量的清洗工具能够保证被清洗设备达到要求清洁度等级，同时能够最大化减少和避免系统调试和早期运行中产生故障，能够极大程度缩短系统调试周期，减少不必要的损失。该测试主要是使用清洗工具对连接器进行清洗，验证清洗工具能否对连接器清洗到要求等级。

2．2．5 控制设备连接测试

水下生产系统实际生产过程中主要是由控制系统来管理，监督和控制水下生产设备的运行状况，在安装或者是维修水下生产系统设备时则需要使用IWCOS控制系统对水下生产设备进行控制管理。集成测试中需要将各控制设备进行连接，验证接口功能是否良好，同时利用IWCOS控制系统对被控设备进行动作指令，验证设备各连接线路功能是否正常。

2．2．6 控制系统和化学系统压力测试

控制系统和化学系统压力测试主要也即是静水压力测试，测试两大系统在工作环境压力的1．5倍条件下是否能够正常进行控制动作。压力测试中需要分2次加压，第1次保压3min，第2次保压时间为15min，观察有无可视泄漏现象产生［3-4］。

2．2．7 采油树／管汇／PLEm阀组功能测试

该测试过程中主要需要利用IWCOS控制系统对采油树／管汇／PL Em液压阀门进行指令动作，验证阀门能否按照控制指令进行相应打开或者是关闭动作。同时观察阀门打开或关闭过程中阀门指示标杆是否与面板上标示一致。

2．2．8 管汇／PLEm清管回路测试

为了清除可能聚集在管道内的结蜡、出砂或者是岩屑，经常需要对水下生产系统进行清管操作。测试中需利用清管球发射装置发射清管球到管汇和PLEm中，验证清管球能否顺利通过管汇和P L Em清管回路并且进行清管操作［5］。在发射清管球之前需要对管汇进行管道内窥测试和通径测试，其中管道内窥测试是为了观察管道内部在管道焊接或者喷涂中管道内部是否有异物，以及观察管道内部在焊接点是否有凸起部分；通径测试则主要是利用通径规对管道内部进行测试，验证管道在焊接过程中椭圆度是否发生变化。

2．2．9 ROV作业

使用ROV对采油树、管汇和P L Em手动阀门进行手动操作，验证阀门动作是否与阀门面板上的开关标志能否对应，并且记录打开关闭阀门所需的最大转矩和最小转矩。同时还需要ROV对面板进行卸螺纹和上紧螺纹操作，验证ROV操作工具盒面板接口情况，如图7所示。

图7 ROV控制面板操作测试

2．2．10 测试收尾及问题记录和教训总结

在系统集成测试收尾需要对测试过程中出现的问题和状况记录下来，并且需要提高对测试现场的突发状况的应急举措。如图8。

图8 系统集成测试场地

2．2．11 设备拆卸及出场

所有测试完成之后需要对被测设备和测试设备进行拆卸存储。在拆卸过程中需要保证设备上所有手动阀门设定在安装或者是运行所要求的正确位置；所有传感器断流阀需要设定在正确位置（通常为打开状态）；所有报警极限值均返回到额定值（过程参数）或供应商所规定的水下系统设备的正确报警值（HPU、EPU、SCm）；设备如果不立即安装，则需采用离岸装运箱（密封、保护）重新包装。

3 结论

1） 系统集成测试场地需要留有足够的空间来放置测试设备和被测设备，同时测试场地地基承载能力保证能够满足测试要求。另外，集成测试需要在测试场地留有设备存储仓库来放置一些辅助设备，方便测试顺利进行。

2） 通过学习国内外先进水下生产系统测试技术，结合我国现阶段的测试装备，提出了我国的集成测试场地规划设计，对加快我国水下生产设备的研制有着重要意义。

3） 基于设计的水下生产系统集成测试场地提出了相应配套测试设备和测试工作流程，为我国水下生产设施测试提供支持和保障。

4） 我国现阶段水下生产设备开发技术处于起步阶段，因此测试场地设计缺乏实践经验的指导，需要学习消化吸收再创新国外先进测试技术。

5） 系统集成测试场地将在珠海基地建立。该研究将为我国首个的水下生产系统集成测试场地规划提供参考。

6） 未来我国水下生产系统集成测试场地需要加强实践经验的积累，努力学习国外先进测试场地规划设计并结合我国现有装备技术进行创新，设计出符合我国国情的测试技术先进的水下生产系统集成测试场地。

［1］ 何同，李婷婷，段梦兰，等．深水刚性跨接管设计的主要影响因素分析［J］．中国海洋平台，2012（4）：50-56．

［2］ 韩峰，董楠，段梦兰，等．水下跨接管与管道终端测试技术研究［J］．石油矿场机械，2012，41（7）：1-6．

［3］ IS O 13628-1—2005，Petroleumand natural gas industries design and operation of subsea production systems Part6：Subsea production control systems［S］．2005．

［4］ American PetroleumInstitute．Subsea production controlline［S］．A PI Spec 17E．

［5］ 郑利军，王春升，郭宏．水下生产系统清管方案研究［J］．化工设备与管道，2013（5）：79-81．

Technology of Systems Integration Testing for Subsea Production Systems

QIU Pan，DUANmenglan，GUO Zhongyun，SONG Zhenhua，ZHANG Jie （O ffshore Oil／Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Subsea production system Integration testing technology w hich is SIT（System Integration Test）Test technology is an indispensable for ensuring Offshore oilfield production and safety．It is necessary to speed up the design of a subsea production system integration testing base due to that Chinese Subsea production equipment technology development is in the initial stage and also has not risen up the subsea production system integration test site．This article will put forward subsea production system integration testing area for detailed planning and test w orkflow based on the equipment conditions in accordance with the foreign advanced production equipment subsea testing technology．T he subsea production system integration testing base will be an important witness for underwater production equipment testing technology in our country towards a new level stage and provide technical theory reserves for our country．

underwater；oil and gas fields；underwater production system；system integration testing

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．007

2014-11-15

国家科技重大专项“海洋深水工程重大装备及配套工程技术：水下采油树制造、测试工艺研究及测试中心规划”（2011Z X05027-004-01）

邱 盼（1991-），男，江西抚州人，硕士研究生，主要研究方向是海洋油气工程，E-mail：tianya126com＠126．com。