水下油气生产系统集成测试技术研究

Posted 2021-05-01 海洋油气网

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（ＦＡＴ／Ｆａｃｔｏｒｙ　Ａｓｓｅｍｂｌｅ　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）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。

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　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。

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ＰＬＥＭ固定，需要将管汇和ＰＬＥＭ 安装至模拟测试桩顶部，如图２所示，验证管汇和ＰＬＥＭ 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ＰＬＥＭ进行固定。

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。

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。

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、ＰＬＥＭ、、采油树和ＰＬＥＴ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。

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。

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／ＰＬＥＭ 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ＰＬＥＭ清管回路并且进行清管操作。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ＰＬＥＭ 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。

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。

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。

（来源：根据《石油矿场机械》文章整理）