深水海底管道预调试技术概述

高 磊，叶永彪，曹聚杭，张 捷，杨志彬，胡成李，张 婕

深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518000

在深水海洋石油开采工程中，海底管道将海上油气田储油设施或陆上处理终端连接成一个有机的整体，使海上生产设施的各个环节通过管道形成相互关联、相互协调作业的生产操作系统。随着海上油、气田不断向深水开发，管道输送工艺在深水海洋石油开发中的重要作用也更加突出。深水海底管道预调试（清管、测径、试压、排水、干燥、惰化等）作为新建管道投产前的关键验收指标[1]，其进展顺利与否将直接影响油气田的投产情况。深水海底管道预调试工作通常没有平台终端支持且包含较多水下生产设施。常规预调试方案使用水下收发球筒，预调试设备布置在施工母船上，从母船侧下放高压注水软管并通过潜水员连接至水下发球筒，进行清管试压作业[2]。深水海底管道预调试时，常规作业方式在技术上主要受到两方面的限制：其一，饱和潜水最大安全作业水深限制（-300 m）；其二，软管长度过长带来软管拉伸失效问题。随着作业水深的增加，常规作业方式对母船甲板面积需求加大，同时所需施工时间增加，作业风险增大。综合技术与经济考虑，常规海底管道预调试作业方式已难以满足深水海底管道作业要求。

目前，深水海底管道预调试的施工主要有两种工艺模式[3]：其一，施工母船上布置连续油管系统，ROV将连续油管连接至水下设施进行清管试压；其二，水下布置高度集成的清管试压橇，ROV将清管试压橇的鹤臂管连接至水下设施，进行清管试压[4]。针对常规作业方式中存在的问题，水下清管试压橇的应用具有明显的技术及经济优势。随着国内深水油气田开发逐步展开，尤其是随着国内流花29-1项目（-1400m），流花16-2项目（-400m）以及陵水17-2项目（-1 500 m）的开展以及南海深水油气资源开发的需求，海底管道预调试工作中水下清管试压橇的应用将越来越广泛，十分有必要对该技术进行深入研究。

1 深水海底管道预调试技术

与浅水油气田开发相比，深水油气田主要采用水下生产系统进行开发[5]。典型深水油气田生产系统如图1所示：海底井口通过跨接管连接至管汇，管汇通过跨接管与水下泵站连接，再连接至海底管道终端（以下简称PLET），或管汇直接连接至PLET，最后通过海底管道将井流物输送至浅水平台或浮式生产系统进行加工处理。深水海底管道预调试通常通过PLET上的接口连接发球筒、注水帽、试压帽等水下结构物，采用连续油管技术或水下清管试压技术对海底管道进行清管、压力测试等工作。受水深条件的影响，所有水下动作全部由ROV完成。

图1 典型深水油气田水下生产系统

1.1 连续油管技术

连续油管技术依靠施工母船支持，主要包括常规清管试压流程、连续油管控制室、动力橇、连续油管滚筒、注入头及注入头塔架、连续油管[6-7]等附属部件，所有设备安装在施工母船上。注入头塔架安装在母船的月池位置，连续油管注入头位于塔架上方，动力橇为滚筒与注入头提供液压动力[8]，滚筒上的连续油管通过注入头下放至海底，注入头为连续油管提供夹持作用力，保证连续油管不发生滑脱。下放至海底的连续油管在ROV的协助下连接至水下发球筒。连续油管为钢制管道，长度可达2 200 m，有效解决了软管下放深度受限的问题。连续油管的抗拉伸能力也远高于软管，有效降低了失效发生的可能性。连续油管为刚性管，可以避免软管在海流作用下发生扭曲的问题。然而，连续油管作业需要母船的全程支持，水深越深所需清管试压设备的数量就越多，对设备的压力流量要求也越大，不仅需要占用大量的船舶甲板面积，且由于设备压力的增大也增加了施工作业风险。

1.2 水下模块技术

水下模块技术的核心在于水下清管试压橇。水下清管试压橇是一个高度集成化的清管试压流程模块，包括：由水下增压泵、水下试压泵、高压过滤器、深水阀门、深水流量计、深水节流单元、水下药剂吸入单元、水下药剂储存单元、鹤臂管、快速接口等组成的清管试压管路系统，由深水压力传感器、流量传感器、温度传感器、深水数据显示器、记录仪、深水数据传输端口等组成的清管试压仪表系统，以及为水下增压泵与试压泵提供动力的液压循环系统。典型水下清管试压橇预调试作业示意如图2所示：水下清管试压橇通过施工母船吊机下放至海底，ROV打开水下清管试压橇的鹤臂管并将其通过快速插拔接头[9]连接至水下发球筒，ROV通过操作阀门可以实现海底管道的自由注水，ROV液压系统与水下清管试压橇的液压系统对接后，驱动水下增压泵与试压泵工作，完成海底管道清管试压作业。

图2 典型水下清管试压橇预调试作业示意

表1对比了连续油管技术与水下模块技术，可以明显发现：水下模块技术非常适用于深水海底管道的清管试压。

2 水下清管试压橇

国外各大海工企业如Weatherford、Baker Hughes、EnerMech、Halliburton都拥有用于深水海底管道清管试压的水下设备，国内海洋石油工程股份有限公司（以下简称海油工程）也已经列装了其独立建造的水下清管试压橇。Weatherford公司设备包括用于海底管道注水的水下注水橇、用于海底管道升压的水下试压橇[12]以及试压过程用于记录显示数据的水下数据显示记录橇，如图3所示。该设备设计最大作业水深3 000 m，最大试验静水压强为138 MPa，水下注水橇配备的增压泵可提供注水动力。EnerMech公司设备也分为水下注水橇、水下试压橇及水下试压测试管汇橇，设计作业水深3 000 m，最大试验静水压强为150 MPa。

表1 连续油管技术与水下模块技术对比

图3 Weatherford公司水下注水橇、水下试压橇、水下数据显示记录橇

图4为水下清管试压一体化设备，该类设备可以同时满足清管试压作业要求。Baker Hughes公司设备为RFHM，该设备可以同时实现海底管道注水、清管、试压作业，设计作业水深为3 000 m；Halliburton公司设备为SPHU，可以同时实现注水、清管、试压作业，设计作业水深4 000 m，最大试验静水压强为172.5 MPa；海油工程公司设备为SFHM，可以同时进行注水、清管、试压，设计作业水深3 000 m，最大试验静水压强为140 MPa。

图4 水下清管试压一体化设备

综上分析，深水海底管道水下清管试压模块大致可以分为两类：一类为单功能水下橇，主要包括水下清管橇、水下试压橇与水下数据记录橇，分别实现海底管道注水清管、海底管道试压与数据记录；另一类为多功能水下橇，集海底管道清管、试压及水下记录功能于一身。单功能水下橇制造流程简单、造价低、操作难度低，组合灵活多变，但完成海底管道清管试压需要多个单功能水下橇协同完成；多功能水下橇制造流程复杂，造价高，操作难度高，但使用一个多功能水下橇就可以完成海底管道清管试压作业。

以海油工程SFHM水下清管试压橇为例，详细分析如何利用清管试压橇进行深水海底管道清管试压。为适应水下连接，水下注水橇上延伸出的软管/鹤臂管作为注水连接管，在注水连接管的端部带有水下热插拔的快速接头，在ROV的辅助下可实现与发球筒水下接口的快速连接。水下注水橇可实现自由充水和ROV辅助充水两种操作。

深水海底管道铺设完成后内部为空气，压强为101.325 kPa；两端为PLET，通过在PLET上连接发球筒或使用注水帽对海底管道进行自由注水。水下注水橇的鹤臂管连接PLET上的发球筒或注水帽，此时海底管道内外静水压强差为水深压强，水深越深，内外压强差越大，利用管内外压强差对海底管道进行注水，即水下注水橇的自由注水作业过程。

自由注水过程中，管内空气被压缩，根据理想气体状态方程可知，压缩前后PV/T比值相等，也就是自由注水可以完成管道体积95%～99%的注水，剩余1%～5%的管道体积需要使用ROV液压驱动水下注水橇进行注水。自由注水过程巧妙地利用了海底管道内外的静水压差，节约了作业工期与成本。

图5为水下清管试压橇对某海底管道清管示意。该海底管道直径为12 in（1 in=25.4 mm），总长度为27.1 km，海底管道铺设完成后两端分别为PLET，海底管道内部压力为101.325 kPa。海底管道注水、清管、测径时，首先将发球筒（内装有清管测径列车）与收球筒分别装在海底管道两端的PLET上，随后水下清管试压橇布置在海底PLET 1附近，ROV将水下清管试压橇的鹤臂管打开，并连接至PLET 1上发球筒。利用海底管道内外压强差对海底管道进行自由注水并发射清管测径列车。设计的清管测径列车长度0.8 km，通过理想气体状态方程进行计算可知，通过自由注水清管测径列车的前进距离约为26 km，因此整条海底管道未清管段仅剩250 m。

图5 水下清管试压橇对某海底管道清管示意

当自由注水清管结束后，需要利用水下清管试压橇的加压注水功能完成剩余清管。ROV的液压系统连接水下注水橇的液压系统，并为水下注水橇的增压泵提供动力，向海底管道内加压注水，即水下注水橇的加压注水作业过程。

海底管道清管测径结束后，内部充满海水，水下清管试压橇则通过海底管道内海水对海底管道进行试压。清管完成后海底管道内外压力平衡，施工母船在ROV的协助下利用吊机将水下收发球筒从PLET上解脱，并在两端的PLET上安装压力帽，ROV将水下清管试压橇的试压管道连接至压力帽。随后ROV的液压系统连接水下清管试压橇的液压系统，驱动水下试压泵对海底管道进行升压，为保证安全并控制管内压力不超过目标试验压力，通常分两个阶段进行升压。在达到管道目标试验压力的95%前，以100 kPa/min的速率进行升压；95%目标试验压力达到后，以10 kPa/min速率进行升压。达到目标试验压力后，关闭水下清管试压橇上的隔离阀，进行海底管道保压。海底管道试压需要满足行业标准或业主规格书的要求，通常DNV规范要求在保压24 h范围内，海底管道系统压力波动不超过±0.2%。保压合格后试压结束，否则需要查找泄漏点，修复后重新进行试压。在试压过程中水下清管试压橇的深水压力传感器、流量传感器、温度传感器将实时获取升压过程中的压力、流量、温度数据及保压过程中压力、温度数据。深水数据显示器显示获取的参数数据，水下记录仪记录数据，并通过深水数据传输端口传输至甲板便于分析。由于水下清管试压橇采用海床底部海水注水试压，因此可以认为注入海底管道内的海水温度与管外海水温度相等，这将省掉注水后海底管道内外温度平衡时间，工程实践证明，如果试压采用表层海水，海底双层管的温度平衡时间需要8～10 d，因此使用水下清管试压橇将极大缩短工期，节约成本。

总结以上内容，水下清管试压橇优势如下：

（1）安全性大幅度提高，避免了常规试压作业中人员暴露在高压设备与管道周边的风险。

（2）施工船舶灵活机动性提高，如自由注水、海底管道保压过程中船舶可以离开进行其他作业，可实现船舶资源利用率最大化。

（3）所需船舶甲板空间最小化，高度集成的管路系统可以大幅度节省紧张的船舶甲板面积，与常规清管试压流程相比，高度集成的管路系统使用甲板面积极小。

（4）操作人员少，海上操作施工人员相比常规清管试压所需人员大幅度减少，可以为其他作业人员留出空间。

（5）费用降低，相比使用常规清管试压设备与连续油管，施工费用更低。

（6）节省工期，由于清管注水所用海水为海底海水，因此注水完成后即可进行试压且稳压时间短，管内外热平衡时间短。

（7）天气适应范围广，与常规清管试压设备及连续油管相比，水下清管试压橇适用于更加恶略的海况。

（8）与常规清管试压设备与连续油管相比，水下清管试压橇可以为清管球提供更快的球速，因为没有连续油管部分的压力损失。

3 国内工程应用

2019年10月27 日，海油工程利用自主研发的水下清管试压橇SFHM成功实施了流花16-2深水海底管道（-400m）的清管试压作业（见图6），打破国外工程公司在该领域的垄断，使海油工程成为全球第四家能进行深水预调试施工的工程公司，建立起海油工程水下预调试技术体系。

图6 海油工程水下清管试压橇应用于流花16-2项目

此次施工中，海油工程历时三年多自研自制的3 000 m级水下预调试装备——SFHM投入到项目中，与国外设备相比，几项指标均创记录：SFHM配备了八缸试压泵，可实现70MPa压强下120L/min的流量注入，在同类装备中居世界第一；配备20km水下超声数据通信模块，水下通讯距离居世界第一。海洋石油286施工母船在进行10 in海底管道A调试作业时，发指令给1 km外的SFHM，成功实施流花20-2区块14 in海底管道B压力监测，无需航行和下放ROV即可实现远程压力温度监控，提升调试作业效率与船舶灵活性；水下模块配备的多级节流孔板设计从最初的3级孔板设计定型为11级孔板设计，远超国外竞争对手单级节流孔板的设计，可实现4种模式流体控制，满足3 000m水深海水整流和降压效果，与国外只有单级节流孔板的设备相比，海油工程的装备工作水深更深，整流效果更好，降压效果明显，无气蚀，进行了流体理论计算分析、CFD模拟和陆地测试验证，为清管球水下运行提供均衡稳定的动力；钢制万向节式水下鹤臂管保证超深水海底管道清管试压作业时管路耐压，避免软管连接容易吸憋情况的发生；3 000 m级水下显示器可滚动显示全部数据，ROV水下清晰可读，方便ROV水下作业时进行观察；光学水下实时通信系统，在ROV控制间即可实现对水下压力、流量数据的实时显示，实现水上水下高速的数据传输和对水下仪表系统的控制。

模块化水下调试技术还兼具：将试压从施工母船甲板转移至水下，施工人员不再接触高压作业；化学药剂注入自动吸入，药剂注入均衡稳定，对海底管道形成有效长期保护；清管介质从海底取海水，后续试压作业无热交换时间，提升船舶作业效率；试压期间，船舶可移开进行其他作业，模块在水下继续自动连续记录数据，一边保压一边进行其他水下作业，解放了船舶，再次提升船舶作业效率；清管、试压、药剂注入功能集成在一起，实现了水下施工的模块化、集成化、智能化作业，降低油气田开发成本等优点。

4 结论与展望

通过分析比较两种深水海底管道预调试作业模式的优势和劣势，即连续油管系统作业模式与水下清管试压橇作业模式，指出水下清管试压橇作业模式更适合深水海底管道清管试压。各大公司的水下清管试压橇大体分为两类：一类为单功能水下橇，即清管、试压、数据记录单独成橇；另一类为多功能水下橇，即清管、试压、数据记录整体成橇。不同类型水下清管试压橇适应的工程条件不同，各有优缺点，需要根据实际工程情况进行选择。在实际深水海底管道的预调试施工过程中，水下清管试压橇的应用可以显著提高施工的安全性，提升船舶作业的灵活性，大幅度减小所需船舶甲板面积，通过缩短试压过程管内海水热平衡时间，大幅缩短施工时间。

基于南海油气田大开发的战略部署，预计到2025年，将全面推进建成南海西部油田2 000×104m3、南海东部油田2 000×104t的上产目标，结合目前正在开展的流花29-1项目（-1 400 m），流花16-2项目（-400 m）以及陵水17-2项目（-1 500 m），水下清管试压橇的应用将越来越广泛，也将为未来深水项目节约更多成本，缩短更多工期。因此，在深水海底管道的预调试实践过程中，进一步优化水下清管试压橇的设计，更加深入开展深水清管试压技术的研究，仍然是目前研究和改进的重点。