水下生产系统联合调试技术

(中海石油深海开发有限公司，广东 深圳518000)

0 引 言

水下生产系统的测试[1]内容和测试方法主要可以归纳为：压力测试，电气系统绝缘测试，机械、电气接口检查和控制系统联合调试。压力测试中的外压测试在有测试接口的压力容器内进行，内压测试以加压泵动力为单元，主要测试对象为液压接头；电气系统的绝缘检查主要是检查线间的绝缘电阻；机械、电气接口检查主要是通过测试连接器进行接口验证；控制系统联合调试测试则包括电子测试单元、电源脐带通信单元、控制模块、阀门单元、传感器模拟单元的联合测试[2]。

按水下生产系统的生命周期又可分为：(1)在建造阶段的测试。包括[1-2]：单元测试、工厂验收测试、扩展工厂验收测试、系统集成测试、浅水测试和温降测试。(2)设备验收阶段进行的现场接收测试[3]。(3)系统安装前进行的安装前测试。(4)系统安装后进行的联合调试。这些测试的目的都是为了保证系统可以在安装后正常运行。在系统安装后进行的联合调试结果则是判定系统是否机械完工和能否正常运行的重要标准。所以，研究联合调试的工作范围、把握关键点、提前做好风险分析和应对预案对水下生产系统项目的成败非常重要。

1 南海某项目水下生产系统基本情况

南海某项目气田位于中国南海北部，采用水下生产系统模式进行开发。其水下生产系统以海平面划分，可以分成水下生产系统上部模块设备和水下生产系统水下模块设备。

水下生产系统上部模块的主要设备包括：1套供电单元(Electric Power Unit，EPU)，1套液压单元(Hydraulic Power Unit，HPU)[4]，1套主控站(Master Control Station，MCS)，2套上部脐带缆终端接线箱(Topside Umbilical Termination Assembly，TUTA)，3套操作者控制站(Operator Wokeoffer Station，OWS)和2套工程师控制站(Engineer Wokeoffer Station，EWS)。水下生产系统水下模块的主要设备包括：7棵水下采油树及配套电、液飞缆，2套水下脐带缆终端单元(Subsea Umbilical Termination Unit， SUTU)，5条脐带缆，1套中心管汇，2套终端管汇，2套在线管汇，3套管道终端，11个跨接管和2条复合海管[5]。

南海某项目气田脐带缆的电缆设计分为两用(A和B通道)一备(C通道)。平台的马达控制中心(Motor Control Center，MCC)向水下生产系统提供高负荷电，通过380 V AC/50 Hz和690 V AC/50 Hz电缆输送到水下生产系统各上部控制模块单元。平台的不间断电源(Uninterrupted Power Supply，UPS)为水下生产系统提供低负荷电和控制电，通过220 V AC/50 Hz电缆、24 V DC的仪表电缆、CAT 5E数据电缆和光纤数据电缆，将电、数据和信号输送到水下生产系统各上部控制模块单元。上部电力单元的输出为450～690 V AC/1 Ph/50 Hz。系统运行过程中如果输出压力达到715 V，系统会自动报警。输出压力达到725 V时系统自动关闭。平台应急关断(Emergency Shut Down，ESD)设备通过与MCS和HPU相连，实现对水下生产系统的应急关断控制。

该气田水下生产系统设计低压液压控制管线，用于水下采油树上液压阀门的控制，高压液压控制管线用于井下安全阀的控制。水下采油树设计允许在生产通道注入水合物抑制剂甲醇和乙二醇进行水合物防治，在井筒注入防垢剂用于防止井筒结垢。系统使用的液压油是Castrol Transaqua HT2，液压油清洁度要求为优于SAE AS 4059 6B-F级。

水下生产系统的上部模块到其水下模块的输出端为TUTA，TUTA通过脐带缆与水下模块相连，实现供电、信号通信和其他各种控制。

2 水下生产系统联合调试

2.1 水下生产系统联合调试初始条件

以南海某项目气田为例，水下生产系统开始调试的初始条件主要包括：(1)水下生产系统的上部模块各设备已安装到海上平台，但还未与平台设备进行连接。(2)水下生产系统的水下模块各设备已安装到海底，所有水下采油树的完井作业已完成。(3)所有水下生产系统调试所需的工具和备件已送往平台，消耗品(这里特指氮气和HT2)供应充足。(4)平台已具备了水下生产系统调试所需的供气、供液和供电能力。(5)从平台供电单元接入水下生产系统上部模块电缆的接地保护、绝缘和连续性测试已完成，并可以提供相关测试报告；接入电缆的标识清楚。(6)平台提供的接入水下生产系统上部模块的液压管和化学药剂注入管有相关材料证书，泄漏测试(1.1倍管工作压力打压1 h)、清洁度测试(优于SAE AS 4059 6B-F级)和连续性测试已完成，并可以提供相关测试报告。(7)在气田附近海域有一艘带无人遥控潜水器(Remotely Operated Vehicle，ROV)的辅助作业船待命，调试期间负责在ESD测试阶段观测水下阀门的真实运动情况。调试如果出现问题，则使用该作业船进行水下生产系统水下模块设备的检查。

2.2 水下生产系统联合调试步骤

整体来说水下生产系统联合调试分为2个部分进行：第1部分是水下生产系统上部模块的调试；第2部分是水下生产系统水下模块的调试，即上部模块和下部模块一起进行的整体调试。2个部分的调试步骤基本一致，区别在于第1部分的调试中水下模块设备用携电力测试单元(Portable Electrical Test Unit， PETU)进行模拟，第2部分的调试采用真实水下模块设备与上部模块进行联合调试。上部模块的调试必须先于水下模块的调试进行。

2.2.1 水下生产系统上部模块的调试步骤

水下生产系统上部模块的调试步骤包括：现有设备检查、进行上部模块设备与平台电液接口的连接、HPU检查、上部通电、启动MCS、启动HPU、水下通电、调试MCS和调试HPU。

(1) 现有设备检查。现场人员检查相关文件，确认水下生产系统上部模块各设备已通过工厂出厂测试(Factory Accept Test，FAT)[5-7]。检查外部接入电液线，确认平台接入电缆的接地保护、绝缘和连续性测试结果，确保接入电缆的标识清楚。确认平台接入液压管和化学药剂注入管的材料证书，泄漏测试、清洁度测试和连续性测试结果符合要求。

(2) 进行上部模块设备与平台电液接口的连接。进行各水下生产系统上部模块设备间、上部模块设备与平台设备的电缆和液压管线连接。将PETU打开到水下控制模块(Subsea Control Module，SCM)模拟模式，用来连接上部控制系统，进行联合调试。具体各设备的连接方式如图1所示。

图1 水下生产系统上部模块间连接示意图

(3) HPU检查。HPU作为液压和化学药剂的动力单元可以供低压液压为5 000 psi(1 psi=6.895 kPa)，高压液压为10 000 psi。HPU中的蓄能器设计参数见表1，泵的性能设计见表2，油罐设计见表3。检查HPU蓄能器压力是否符合要求，如果不够，需填充氮气至符合要求。测试HPU提供的液压油是否满足清洁度要求。

表1 HPU蓄能器设计

(4) 上部通电。启动EPU，通过上部供电模块(Top Offer Modules，TOM)向水下生产系统上部模块各设备供电。

(5) 启动MCS。启动MCS，记录MCS的软件版次。检查MCS的5级账户(包括监控账户、主操账户、总监账户、工程师账户和管理员账户)都可以正常使用。检查完毕后开始使用工程师账户进行联调操作。建立MCS可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)与其他上部模块设备的通信，检查通信是否正常。

(6) 启动HPU。启动HPU，核实MCS、OWS/EWS，平台生产控制系统和平台ESD系统对HPU的控制正常。检查储油罐和回油罐液位和泵出口的压力值。检查HPU各功能和报警系统是否运行正常。具体参数见表2～表4。

表2 HPU泵的性能设计

表3 HPU油罐设计

表4 HPU报警设置

(7) 水下通电。确认EPU的水下供电模块(Subsea Offer Module，SOM)供电正常。

(8) 调试MCS。检查MCS PLC与MCS PC通信正常，其读数显示和OWS、EWS、PCS ICSS读数一致。

(9) 调试HPU。再次检查HPU内循环的液压油是否满足清洁度要求。关闭TUTA通往水下的隔离阀。开始调试HPU液压系统，使其正常向TUTA供液压。检查TUTA出口的液压油是否满足清洁度要求。使用平台ESD系统对HPU进行ESD 0级泄压关闭测试。这一测试的合格标准是泄压后HPU低压和高压出口压力都泄为0。

(10) 上部模块联合调试。上部模块未和水下模块连接之前，PETU打开到SCM模拟模式，用来连接上部控制系统，进行联合调试，确保上部模块运行正常。验证MCS可以通过A和B等2个通道读取模拟的水下控制模块的信号。验证MCS可以操作模拟的水下液控阀门的开关，并记录各阀门开关响应时间。验证MCS可读取模拟的各水下仪表的相关数据，读取的数据结果和PETU设施的模拟值一致。

(11) ESD测试。ESD关断可以通过按动ESD按钮、从DCS发出指令或从MCS发出指令实现。在ESD测试前需确保PETU模拟的水下井口都处于生产状态(生产通道阀门开启)。验证系统可以进行各级别的ESD关断。

(12) 发证。上部模块测试结束后，颁发上部模块测试合格证书。总结上部模块测试遗留问题。

2.2.2 水下生产系统水下模块的调试步骤

(1) 遗留问题检查。现场人员检查上部模块测试合格证书和遗留问题清单。确保上部模块具备与水下模块进行联合调试的条件。

(2) 水下设备在位状态检查。根据安装承包商安装记录，确认2个SUTU，3个水下管汇(PLEM 1、PLEM 2和CM)，7颗水下采油树及其相关的水下生产系统水下模块设备已在水下安装就位。

(3) HPU检查。启动HPU，检查HPU蓄能器压力是否符合要求，如果不够，需填充氮气至符合要求。测试HPU提供的液压油是否满足清洁度要求。

(4) 通电。启动EPU，依次向水下生产系统上部模块各设备和水下模块设备供电。

(5) 启动MCS。启动MCS，记录MCS的软件版次。建立MCS与其他上部模块设备和水下模块设备的通信，检查通信是否正常。

(6) 电回路联合调试。确保上部模块运行正常。验证MCS可以通过A和B等2个通道读取水下设备的信号。

(7) 调试HPU。每日检查HPU内循环的液压油，确保满足清洁度要求。核实MCS、OWS/EWS、PCS ICSS和平台ESD系统对HPU的控制正常。检查储油罐和回油罐液位和泵出口压力数值。检查HPU各功能是否运行正常。具体参数见表2和表3。打开TUTA通往水下的隔离阀前，检查TUTA进口压力符合表2要求。打开TUTA通往水下的液压隔离阀，开始向水下打液压。检查MCS上显示的水下供压情况与实际打压情况是否吻合。

(8) 液控回路联合调试。验证MCS可以操作水下液控阀门的开关，并记录各阀门开关响应时间。设定各水下仪表的报警值。验证MCS、OWS/EWS和PCS ICSS(DCS)可读取各水下仪表相关数据，读取的数据结果一致。

(9) ESD测试。在ESD关断期间应确保SCSSV始终处于关闭状态，不得打开。在ESD测试前须确保水下井口都处于生产状态(生产通道阀门开启)。验证系统可以进行各级别的ESD关断。

(10) 发证。联合调试结束后，颁发机械完工和联合调试合格证书。如仍有遗留问题，总结联合调试遗留问题，供进一步跟踪解决。

2.3 水下生产系统联合调试关键节点分析

水下生产系统调试为验证系统是否可以正常运行的最后一步，但是影响其是否成功的关键节点却是分布在整个水下生产系统项目的全生命周期中。本节从设计、建造、安装和调试阶段对影响水下生产系统联合调试的关键节点进行分析。

2.3.1 设计阶段

设计阶段影响水下生产系统联合调试的关键节点是水下生产系统和平台界面的确定。包括水下生产系统对平台气、液、电供应的要求，对平台通信分配点数的要求，对输入水下生产系统化学药剂的注入清洁度、注入压力和注入流速的要求等。这些界面是否确认清楚，将直接影响后续调试工作能否顺利进行。

2.3.2 建造阶段

建造阶段影响水下生产系统联合调试的关键节点有2个：(1)水下生产系统交货期。大部分预调试工作须在设备建造完成后进行，例如水下生产系统MCS与平台DCS预调试，它决定了水下生产系统调试的启动时间。(2)平台的机械完工时间。平台机械完工以后，才具备供气、供液、供电和平台承包商现场人员支持条件和安装水下生产系统上部模块调试的条件。

2.3.3 安装阶段

安装阶段影响水下生产系统联合调试的关键节点是水下生产系统安装完成时间。水下生产系统水下模块的联合调试须在水下生产系统完全安装就位后才能开展。

2.3.4 调试阶段

调试阶段影响水下生产系统联合调试的关键节点有2个：(1)水下生产系统调试人员到位时间。水下生产系统调试，需要厂家专业人员的参与，有时还需要第三方人员协助调试工作，例如水下流量计厂家对流量计读数进行初调，而目前大部分水下厂家人员需从国外动员，所需动员时间较长。只有妥善安排好水下生产系统调试人员的到位时间，才能开始进行水下生产系统的调试。(2)调试船舶资源的到位时间。调试船舶到位是开始水下生产系统水下模块调试的初始条件。

3 结 语

水下生产系统的联合调试是一个繁复而精细的工作，其测试原则是从水上到水下，由近平台端到远平台端，分段逐步开展。其测试包括：水下生产系统上部模块调试和水下生产系统水下模块调试，上部模块的调试必须先于水下模块的调试进行。水下生产系统项目全周期中影响水下生产系统调试的关键节点包括：水下生产系统和平台界面的确定、水下生产系统交货期、平台的机械完工时间、水下生产系统安装完成时间、水下生产系统调试人员到位时间和调试船舶资源的到位时间等。

我国南海已采用水下生产系统陆续开发了多个项目，在项目建设和运行过程中，应积极主动地运用水下生产系统联合调试的关键技术，整理出一套适用于深水海洋工程的水下生产系统联合调试技术体系，为将来更好地在中国深海顺利进行水下生产系统建设提供借鉴。

[1] 邱盼, 段梦兰, 郭中云, 等.水下油气生产系统集成测试技术研究[J]. 石油矿场机械, 2015, 44(05): 32.

[2] 梁稷, 姚宝恒, 曲有杰, 等. 水下生产系统测试技术综述[J]. 中国测试, 2012, 38(01): 39.

[3] 陈斌, 苏锋, 周凯, 等. 水下生产系统测试技术研究[J]. 海洋工程装备与技术, 2014, 01(02): 11.

[4] 张宪阵, 王晓敏, 张凡, 等. 水下生产系统液压动力单元液压系统原理研究[J]. 液压与气动, 2014(10): 33-45.

[5] 范亚民.水下生产控制系统的发展[J]. 海洋石油装备, 2012, 40(07): 45.

[6] Petroleum and Natural Gas Industries Drilling and Production Equipment: Wellhead and Christmas Tree Equipment: ISO 10423-2011 [S]. 2011.

[7] Petroleum and Natural Gas Industries Design and Operation Of Subsea Production Systems Part 1：General Requirement and Recommendations: ISO 13628-1-2005[S]. 2005.