水下油气生产系统水下测试设施研究

苏　锋，陈　斌，张　凡，周　凯，刘冬冬

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.浙江大学，浙江 杭州 310000）

水下油气生产系统水下测试设施研究

苏锋1，陈斌1，张凡2，周凯1，刘冬冬1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.浙江大学，浙江 杭州 310000）

针对水下生产系统测试所需要的大型测试水池，首先对相关技术以及标准进行研究，分析需要在大型水池中进行的测试主要包括浅水安装测试和资格验证测试两种，然后对国外水下生产系统相关测试水池进行研究，分析其测试设施、测试功能以及测试方法，最终为我国进行大型测试设施的规划建造提出探索性建议。

水下测试；浅水安装测试；资格验证测试；测试水池；水下生产系统

0　引　言

目前，海洋油气特别是深海油气，资源丰富，勘探开发正在迅速发展，可以说石油工业的未来在于海洋石油[1]。水下生产系统作为开发深水油气资源的关键设施，其性能要求更为严格。目前，我国国家高技术研究发展计划（863计划）支持了一批水下生产系统核心设备的研发，并取得可喜的进展，但是设施的性能还有待进一步验证。水下生产系统测试设施的研究，对我国进行水下生产系统的测试以及验证，突破国外的技术瓶颈，逐渐由浅海走向深海油气田开发具有非常重要的意义。

水下生产系统主要由地面控制单元、脐带缆、水下采油树、水下管汇及水下处理系统等子系统组成，每个子系统都包含多种单元部件。对水下设施进行安装测试和长期性资格验证测试，是确保水下生产系统可靠安装，以及在生产运行中的功能有效性及安全性的必要措施[2]。

目前，国内有不少海上油气田使用过的水下生产系统，如LH11-1、LF22-1、HZ32-5/26-1N、LH33-1、YC13-4、PY35-1/2、LW3-1等。但这些系统从产品制造到安装再到最终的生产调试，整个程序和技术都是由国外公司提供，这种模式对于我国深水油气田开发造成很大掣肘。浅水安装测试设施可以用于安装流程的验证优化以及对海上作业人员进行培训，有助于提升我国的水下生产设施的安装能力。

1　水下生产系统测试分析

由于水下生产系统对可靠性的苛刻要求，水下生产系统在制造完成之后需要进行严格的测试。对于技术成熟并具有成功运用案例的产品，通常只需要进行工厂验收测试（FAT）、扩展工厂验收测试（EFAT）和系统集成测试（SIT）。

对于新型水下产品，在制造之前需要进行模型样机的资格验证测试，制造完成之后除了常规的FAT、EFAT和SIT测试，还需要进行浅水安装测试、资格测试和连续性测试。浅水安装测试考虑无人遥控潜水器（ROV）的配合，需要在水环境中进行，用于对安装流程进行优化以及对海上安装人员进行培训；典型的资格测试主要是在水池中进行保温冷却测试；连续性测试是为了保证测试系统的长时间运转可靠性和稳定性，需要在水环境中进行[3-5]。

2　水下测试标准研究

API 17A附录C对强制性浅水测试内容进行了一定的描述，主要分为安装测试和功能测试两大类；同时，也说明非强制性的浅水试验可以使用模型结构执行。在实际浅水测试时，不同设施的测试内容差别较大，应基于实际水下安装流程选择。

API 17Q是专门针对水下生产设施验证的标准规范，对水下生产设施的验证进行了总体的描述，具体验证内容应依据水下生产系统子单元所对应的规范。另外，很多国际公司的企业标准对国际规范进行了加强和补充。

3　国外水下测试案例分析

欧美公司在水下生产系统领域经过了半个多世纪的发展，技术已趋成熟。对于常规水下产品，如水下采油树、水下管汇、连接器等，已很少进行水下测试，但仍保留有完整的测试体系。当前国际上水下测试主要针对水下处理系统，如水下增压泵、水下分离器、水下压缩机等。目前，国际上可查阅的水下测试设施及案例极为有限，有必要专门对其进行分析，主要研究其测试需求、测试设施以及测试方法。

3.1Ormen Lange水下处理系统测试

Ormen Lange气田位于挪威西南部海域，水深1000m左右。海底井口收集的气水混合物直接通过海底管道输送至陆地的Nyhamna处理终端进行处理。由于气田在开发的过程中压力会骤降，因此，需要在海底安装水下增压处理系统进行增压。

为了验证水下处理系统的性能，Aker Solutions公司在Nyhamna陆地天然气处理厂内专门建造了一个长42m宽28m深17m的测试池。其总体布局[6]如图1所示。

由于是进行持续性测试，系统必须构成流动回路，测试系统就需要包括水下系统和陆地系统两个部分。水下系统位于水池内，由8个模块组成，测试时对其模块布局进行了优化处理；陆地系统包括一个大型的天然气处理模块以及辅助设施。

图1　测试系统总体布局

该测试是水下处理系统最终阶段的技术测试。将水下设备全部浸入水中之后，在2年的时间里采用闭环回路对水下处理系统的功能性、稳定性和持续性进行测试。

Aker Solutions在水下压缩系统领域的研究始于1985年，尽管其技术已经在实际工程中得到验证，但是直到2010年才进行第一次水下全比率测试。由于该水下处理系统采用了大量的新技术并且项目自身意义重大，因此有必要进行水下测试对其性能进行进一步的验证。为了进行此测试，Aker Solutions联合Shell专门为其订做一个超大型的深水池，可见尽管国外在水下生产系统领域经过了很多年的发展，但是仍缺乏超大型的测试水池。

3.2巴西水下分离与增压系统测试

水下样机测试是巴西水下分离与增压系统（VASPS）开发项目的最后一个阶段，测试的目的是验证所开发的水下分离、压缩系统的可行性，具体测试内容：1）验证系统硬件的完整性、可靠性；2）展示系统操作的技术及工具；3）验证水下系统的可控性；4）论证系统的经济性。

从1990年开始，该技术在实验室进行测试，1993年在意大利ENI公司Trecate陆地测试场进行样机测试，1995年样机被运往位于巴西东北部的Atalaia测试场进行陆地测试，1998年至2002年样机在巴西近海的Marimba油气田进行海试。

水下井口水深435m，连接到水下分离与增压系统样机（水深395 m，距离采油树550 m）；新铺设的4英寸（1英寸=0.0254m）管线将分离出来的气体输送到平台，现有6英寸输油管线负责输送原油；管线长1050m，柔性立管长660m，平台水深423m。

自1986年巴西推出第一个深海石油技术发展计划以来，巴西已成为唯一一个在水下生产系统领域取得卓越进展的发展中国家，其发展模式值得国内借鉴。

3.3Pazflor水下分离器安装测试

Pazflor油气田位于安哥拉深海，水深600～1500m。出于对生产设施、操作、钻井等多个因素的考虑，该油气田开发选用3套水下立式分离器。水下分离器通过FAT测试之后，被运往位于挪威Horten的FMC测试基地进行测试[7]。测试内容包括扩展工厂验收测试、系统集成测试、冷却测试、功能测试、浅水测试、互换性测试。

安装水下分离器基盘和水下分离器分别如图2和图3所示，该测试场位于挪威Horten工业区，测试水池由Horten船厂改建。水池长243.20m，宽34.15m，浅水区深大约12m，深水区深度大约为20m。

图2　安装水下分离器基盘

图3　安装水下分离器

测试的主要目的为：1）测试所有的水下安装和干预操作；2）测试设备所有的功能；3）提高实际安装过程可靠性；4）对海上安装人员进行培训。

Horten船厂有两个船坞，其大船坞被FMC公司进行了加深加强改造，可进行水下安装测试。水下生产设施的安装以及功能性大部分都可以在SIT测试阶段得到验证，浅水安装测试侧重于真实ROV的参与以及水下湿式环境操作。FMC在Pazflor项目之前进行了Tordis水下卧式分离器项目，Tordis项目供应世界上第一个商业化的水下分离增压注入站设施。同样是新型水下处理系统，Tordis项目只对Framo公司泵模块进行了例行水下测试，分离器模块在陆地进行测试。根据FMC的报告，本文分析可能是Pazflor项目分离器各个模块之间存在较多接头，这些接头需要ROV在水下进行连接，而两模块之间的间隙宽仅为0.8m左右。对于如此高风险性的操作，必须要通过浅水安装测试验证。

3.4Statoil A/S公司水下分离器测试

1992年Statoil A/S对水下处理设备和控制系统进行了测试。

图4　在干船坞内的分离器原型机

分离器的连续性测试和安装测试都在干船坞内进行，其原型机如图4所示，先后进行了干湿环境测试。旁边的工厂提供多相流（气、水、油），同时接收从分离器分离出的各种流体。当时唯一符合该测试条件的场地是位于英国Middlesbrough的海洋测试中心。综合测试程序包括3个部分：关键部件的FAT，子系统装配测试（包括泵、控制器等）和系统集成测试。系统集成测试分别在干湿环境下开展。测试模拟了宽范围的测试条件，包括正常流量范围和一些特殊情况。

3.5Dalia项目采油树保温测试

Dalia项目采油树保温测试在Aker Solutions公司Tranby测试水池内开展。

采油树总成被安装在测试桩上，并装上测试井口头，如图5所示。测试时将采油树用跨接管连接至外部管道，以模拟边界条件。测试用的流体循环系统包括2英寸保温管道（接入测试井口头下部）、两个隔离阀、加热装置（功率24 kW，容量3000L）、两个循环泵（一备一用，流量700L/min）。采用34个高准确度热电偶对采油树的温度变化进行测量，同时利用水下液控单元连接到电气测试单元以便监控采油树自身的压力和温度传感器[8]。

图5　采油树保温测试

具体测试步骤：1）采油树在空气中预热至45℃，保持12 h；2）采油树在水中加热并保持温度12 h；3）达到稳定状态；4）冷却测试。

测试时水池内的水需要进行循环，防止热量在水池内积累，新注入水池内的水需要通过一个冷却单元将其冷却至1℃以下。在稳定阶段，水池的水温控制在8.5℃，循环流体的温度控制在50.5℃。

由于Dalia油田的油藏特性（低压和高含蜡），容易形成水合物，因此Dalia油田水下采油树的保温设计就显得尤为重要。首先通过软件模型对采油树进行热传递分析，然后通过水下全比例测试对分析结果进行验证。

3.6Moho Bilondo水下生产系统测试

2005年Total与FMC签订了安哥拉水下生产系统协议。工程师面临的一个主要问题是安装采油树时需要维持6h保温状态，以防止低温时形成水合物。该测试包括采油树、管汇、水下控制系统。

整个测试内容包括SIT测试、堆栈测试、浅水测试、冷却测试。其中浅水测试和冷却测试在水池内进行，其他测试在水池岸边进行。

浅水测试的内容包括多相流保温套的安装、高压帽的安装和回收、线管和脐带缆与管汇的连接等。

考虑安全和实用性，采用常压的热水代替实际运行过程中输送的高压气体来进行冷却测试。测试时对真实的测试模型以及边界条件进行分析。测试内容包括采油树冷却测试和管汇冷却测试。

从FMC浅水测试的内容可以看出，浅水测试的测试内容并不丰富，因为其进行浅水测试的目的很明确：

1）新型部件的安装验证；

2）进行在空气中无法进行的测试项目（必须在水环境中进行）；

3）与脐带缆和流线管分包商的磨合。

测试布局如图6所示，可以看出，Moho Bilondo保温测试与Pazflor水下分离器浅水测试采用的是同一个测试水池，都是在FMC位于Horten的水池。可见，对于这两类测试，可以在同一个水池内进行，对于保温测试需要另外安装保温管道。

图6　测试布局

4　浅水测试水池规划

在对国外水池进行详细调研以及对相关标准进行分析的基础上，结合国际主流趋势以及未来水下产业发展的需要，对水池的功能需要进行研究。浅水测试场测试主要针对的产品包括水下采油树、水下管汇、水下分配单元、水下PLET/PLEM、水下分离器（包含立式和卧式）、小型水下组件、ROV培训。

由于水下产品的多样性，部分测试需要使用大量的陆地设备，测试水池宜设计成开放的水池，便于进行功能扩展，如图7所示。

不管是进行浅水测试、长期资格测试还是保温测试，测试时只针对单个设备，对于水池的空间规划只需满足对单个设备进行测试的需要。目前，我国水下生产系统测试针对的产品范围较广，水池的尺寸应该满足对大型水下产品进行测试的空间需求。需分析各个功能要求的测试流程，以及详细计算各个测试内容所需要的水池空间，最终才得到水池的总体尺寸。

Subsea oil&gas production system underwater test facility study

SU Feng1，CHEN Bin1，ZHANG Fan2，ZHOU Kai1，LIU Dongdong1
（1.China National Offshore Oil Corporation，Tianjin 300451，China；2.Zhejiang University，Hangzhou 310000，China）

By investigating and studying of international subsea production testing cases，the article gives brief introductions of subsea processing system testing，subsea separation and boosting system testing，subsea tree testing，and subsea connector thermal testing.By doing so，a thorough understandingofsubseaproductionsystemtestingpurpose， testingmethodandnecessary requirements can be reached.

subseatest； shallowwaterinstallationtest； qualificationtest； testpit； subsea production system

A

：1674-5124（2015）07-0006-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.002

2015-01-11；

：2015-03-21

国家科技重大专项（2011ZX05027-004）

苏锋（1976-），男，山西太原市人，高级工程师，主要从事水下生产系统研究工作。