高 磊，葉永彪，曹聚杭，張 捷，楊志彬，胡成李，張 婕

深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518000

在深水海洋石油開采工程中，海底管道將海上油氣田儲油設施或陸上處理終端連接成一個有機的整體，使海上生產(chǎn)設施的各個環(huán)節(jié)通過管道形成相互關聯(lián)、相互協(xié)調作業(yè)的生產(chǎn)操作系統(tǒng)。隨著海上油、氣田不斷向深水開發(fā)，管道輸送工藝在深水海洋石油開發(fā)中的重要作用也更加突出。深水海底管道預調試（清管、測徑、試壓、排水、干燥、惰化等）作為新建管道投產(chǎn)前的關鍵驗收指標[1]，其進展順利與否將直接影響油氣田的投產(chǎn)情況。深水海底管道預調試工作通常沒有平臺終端支持且包含較多水下生產(chǎn)設施。常規(guī)預調試方案使用水下收發(fā)球筒，預調試設備布置在施工母船上，從母船側下放高壓注水軟管并通過潛水員連接至水下發(fā)球筒，進行清管試壓作業(yè)[2]。深水海底管道預調試時，常規(guī)作業(yè)方式在技術上主要受到兩方面的限制：其一，飽和潛水最大安全作業(yè)水深限制（-300 m）；其二，軟管長度過長帶來軟管拉伸失效問題。隨著作業(yè)水深的增加，常規(guī)作業(yè)方式對母船甲板面積需求加大，同時所需施工時間增加，作業(yè)風險增大。綜合技術與經(jīng)濟考慮，常規(guī)海底管道預調試作業(yè)方式已難以滿足深水海底管道作業(yè)要求。

目前，深水海底管道預調試的施工主要有兩種工藝模式[3]：其一，施工母船上布置連續(xù)油管系統(tǒng)，ROV將連續(xù)油管連接至水下設施進行清管試壓；其二，水下布置高度集成的清管試壓橇，ROV將清管試壓橇的鶴臂管連接至水下設施，進行清管試壓[4]。針對常規(guī)作業(yè)方式中存在的問題，水下清管試壓橇的應用具有明顯的技術及經(jīng)濟優(yōu)勢。隨著國內(nèi)深水油氣田開發(fā)逐步展開，尤其是隨著國內(nèi)流花29-1項目（-1400m），流花16-2項目（-400m）以及陵水17-2項目（-1 500 m）的開展以及南海深水油氣資源開發(fā)的需求，海底管道預調試工作中水下清管試壓橇的應用將越來越廣泛，十分有必要對該技術進行深入研究。

1 深水海底管道預調試技術

與淺水油氣田開發(fā)相比，深水油氣田主要采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行開發(fā)[5]。典型深水油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)如圖1所示：海底井口通過跨接管連接至管匯，管匯通過跨接管與水下泵站連接，再連接至海底管道終端（以下簡稱PLET），或管匯直接連接至PLET，最后通過海底管道將井流物輸送至淺水平臺或浮式生產(chǎn)系統(tǒng)進行加工處理。深水海底管道預調試通常通過PLET上的接口連接發(fā)球筒、注水帽、試壓帽等水下結構物，采用連續(xù)油管技術或水下清管試壓技術對海底管道進行清管、壓力測試等工作。受水深條件的影響，所有水下動作全部由ROV完成。

圖1 典型深水油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 連續(xù)油管技術

連續(xù)油管技術依靠施工母船支持，主要包括常規(guī)清管試壓流程、連續(xù)油管控制室、動力橇、連續(xù)油管滾筒、注入頭及注入頭塔架、連續(xù)油管[6-7]等附屬部件，所有設備安裝在施工母船上。注入頭塔架安裝在母船的月池位置，連續(xù)油管注入頭位于塔架上方，動力橇為滾筒與注入頭提供液壓動力[8]，滾筒上的連續(xù)油管通過注入頭下放至海底，注入頭為連續(xù)油管提供夾持作用力，保證連續(xù)油管不發(fā)生滑脫。下放至海底的連續(xù)油管在ROV的協(xié)助下連接至水下發(fā)球筒。連續(xù)油管為鋼制管道，長度可達2 200 m，有效解決了軟管下放深度受限的問題。連續(xù)油管的抗拉伸能力也遠高于軟管，有效降低了失效發(fā)生的可能性。連續(xù)油管為剛性管，可以避免軟管在海流作用下發(fā)生扭曲的問題。然而，連續(xù)油管作業(yè)需要母船的全程支持，水深越深所需清管試壓設備的數(shù)量就越多，對設備的壓力流量要求也越大，不僅需要占用大量的船舶甲板面積，且由于設備壓力的增大也增加了施工作業(yè)風險。

1.2 水下模塊技術

水下模塊技術的核心在于水下清管試壓橇。水下清管試壓橇是一個高度集成化的清管試壓流程模塊，包括：由水下增壓泵、水下試壓泵、高壓過濾器、深水閥門、深水流量計、深水節(jié)流單元、水下藥劑吸入單元、水下藥劑儲存單元、鶴臂管、快速接口等組成的清管試壓管路系統(tǒng)，由深水壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、深水數(shù)據(jù)顯示器、記錄儀、深水數(shù)據(jù)傳輸端口等組成的清管試壓儀表系統(tǒng)，以及為水下增壓泵與試壓泵提供動力的液壓循環(huán)系統(tǒng)。典型水下清管試壓橇預調試作業(yè)示意如圖2所示：水下清管試壓橇通過施工母船吊機下放至海底，ROV打開水下清管試壓橇的鶴臂管并將其通過快速插拔接頭[9]連接至水下發(fā)球筒，ROV通過操作閥門可以實現(xiàn)海底管道的自由注水，ROV液壓系統(tǒng)與水下清管試壓橇的液壓系統(tǒng)對接后，驅動水下增壓泵與試壓泵工作，完成海底管道清管試壓作業(yè)。

圖2 典型水下清管試壓橇預調試作業(yè)示意

表1對比了連續(xù)油管技術與水下模塊技術，可以明顯發(fā)現(xiàn)：水下模塊技術非常適用于深水海底管道的清管試壓。

2 水下清管試壓橇

國外各大海工企業(yè)如Weatherford、Baker Hughes、EnerMech、Halliburton都擁有用于深水海底管道清管試壓的水下設備，國內(nèi)海洋石油工程股份有限公司（以下簡稱海油工程）也已經(jīng)列裝了其獨立建造的水下清管試壓橇。Weatherford公司設備包括用于海底管道注水的水下注水橇、用于海底管道升壓的水下試壓橇[12]以及試壓過程用于記錄顯示數(shù)據(jù)的水下數(shù)據(jù)顯示記錄橇，如圖3所示。該設備設計最大作業(yè)水深3 000 m，最大試驗靜水壓強為138 MPa，水下注水橇配備的增壓泵可提供注水動力。EnerMech公司設備也分為水下注水橇、水下試壓橇及水下試壓測試管匯橇，設計作業(yè)水深3 000 m，最大試驗靜水壓強為150 MPa。

表1 連續(xù)油管技術與水下模塊技術對比

圖3 Weatherford公司水下注水橇、水下試壓橇、水下數(shù)據(jù)顯示記錄橇

圖4為水下清管試壓一體化設備，該類設備可以同時滿足清管試壓作業(yè)要求。Baker Hughes公司設備為RFHM，該設備可以同時實現(xiàn)海底管道注水、清管、試壓作業(yè)，設計作業(yè)水深為3 000 m；Halliburton公司設備為SPHU，可以同時實現(xiàn)注水、清管、試壓作業(yè)，設計作業(yè)水深4 000 m，最大試驗靜水壓強為172.5 MPa；海油工程公司設備為SFHM，可以同時進行注水、清管、試壓，設計作業(yè)水深3 000 m，最大試驗靜水壓強為140 MPa。

圖4 水下清管試壓一體化設備

綜上分析，深水海底管道水下清管試壓模塊大致可以分為兩類：一類為單功能水下橇，主要包括水下清管橇、水下試壓橇與水下數(shù)據(jù)記錄橇，分別實現(xiàn)海底管道注水清管、海底管道試壓與數(shù)據(jù)記錄；另一類為多功能水下橇，集海底管道清管、試壓及水下記錄功能于一身。單功能水下橇制造流程簡單、造價低、操作難度低，組合靈活多變，但完成海底管道清管試壓需要多個單功能水下橇協(xié)同完成；多功能水下橇制造流程復雜，造價高，操作難度高，但使用一個多功能水下橇就可以完成海底管道清管試壓作業(yè)。

以海油工程SFHM水下清管試壓橇為例，詳細分析如何利用清管試壓橇進行深水海底管道清管試壓。為適應水下連接，水下注水橇上延伸出的軟管/鶴臂管作為注水連接管，在注水連接管的端部帶有水下熱插拔的快速接頭，在ROV的輔助下可實現(xiàn)與發(fā)球筒水下接口的快速連接。水下注水橇可實現(xiàn)自由充水和ROV輔助充水兩種操作。

深水海底管道鋪設完成后內(nèi)部為空氣，壓強為101.325 kPa；兩端為PLET，通過在PLET上連接發(fā)球筒或使用注水帽對海底管道進行自由注水。水下注水橇的鶴臂管連接PLET上的發(fā)球筒或注水帽，此時海底管道內(nèi)外靜水壓強差為水深壓強，水深越深，內(nèi)外壓強差越大，利用管內(nèi)外壓強差對海底管道進行注水，即水下注水橇的自由注水作業(yè)過程。

自由注水過程中，管內(nèi)空氣被壓縮，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知，壓縮前后PV/T比值相等，也就是自由注水可以完成管道體積95%～99%的注水，剩余1%～5%的管道體積需要使用ROV液壓驅動水下注水橇進行注水。自由注水過程巧妙地利用了海底管道內(nèi)外的靜水壓差，節(jié)約了作業(yè)工期與成本。

圖5為水下清管試壓橇對某海底管道清管示意。該海底管道直徑為12 in（1 in=25.4 mm），總長度為27.1 km，海底管道鋪設完成后兩端分別為PLET，海底管道內(nèi)部壓力為101.325 kPa。海底管道注水、清管、測徑時，首先將發(fā)球筒（內(nèi)裝有清管測徑列車）與收球筒分別裝在海底管道兩端的PLET上，隨后水下清管試壓橇布置在海底PLET 1附近，ROV將水下清管試壓橇的鶴臂管打開，并連接至PLET 1上發(fā)球筒。利用海底管道內(nèi)外壓強差對海底管道進行自由注水并發(fā)射清管測徑列車。設計的清管測徑列車長度0.8 km，通過理想氣體狀態(tài)方程進行計算可知，通過自由注水清管測徑列車的前進距離約為26 km，因此整條海底管道未清管段僅剩250 m。

圖5 水下清管試壓橇對某海底管道清管示意

當自由注水清管結束后，需要利用水下清管試壓橇的加壓注水功能完成剩余清管。ROV的液壓系統(tǒng)連接水下注水橇的液壓系統(tǒng)，并為水下注水橇的增壓泵提供動力，向海底管道內(nèi)加壓注水，即水下注水橇的加壓注水作業(yè)過程。

海底管道清管測徑結束后，內(nèi)部充滿海水，水下清管試壓橇則通過海底管道內(nèi)海水對海底管道進行試壓。清管完成后海底管道內(nèi)外壓力平衡，施工母船在ROV的協(xié)助下利用吊機將水下收發(fā)球筒從PLET上解脫，并在兩端的PLET上安裝壓力帽，ROV將水下清管試壓橇的試壓管道連接至壓力帽。隨后ROV的液壓系統(tǒng)連接水下清管試壓橇的液壓系統(tǒng)，驅動水下試壓泵對海底管道進行升壓，為保證安全并控制管內(nèi)壓力不超過目標試驗壓力，通常分兩個階段進行升壓。在達到管道目標試驗壓力的95%前，以100 kPa/min的速率進行升壓；95%目標試驗壓力達到后，以10 kPa/min速率進行升壓。達到目標試驗壓力后，關閉水下清管試壓橇上的隔離閥，進行海底管道保壓。海底管道試壓需要滿足行業(yè)標準或業(yè)主規(guī)格書的要求，通常DNV規(guī)范要求在保壓24 h范圍內(nèi)，海底管道系統(tǒng)壓力波動不超過±0.2%。保壓合格后試壓結束，否則需要查找泄漏點，修復后重新進行試壓。在試壓過程中水下清管試壓橇的深水壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器將實時獲取升壓過程中的壓力、流量、溫度數(shù)據(jù)及保壓過程中壓力、溫度數(shù)據(jù)。深水數(shù)據(jù)顯示器顯示獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)，水下記錄儀記錄數(shù)據(jù)，并通過深水數(shù)據(jù)傳輸端口傳輸至甲板便于分析。由于水下清管試壓橇采用海床底部海水注水試壓，因此可以認為注入海底管道內(nèi)的海水溫度與管外海水溫度相等，這將省掉注水后海底管道內(nèi)外溫度平衡時間，工程實踐證明，如果試壓采用表層海水，海底雙層管的溫度平衡時間需要8～10 d，因此使用水下清管試壓橇將極大縮短工期，節(jié)約成本。

總結以上內(nèi)容，水下清管試壓橇優(yōu)勢如下：

（1）安全性大幅度提高，避免了常規(guī)試壓作業(yè)中人員暴露在高壓設備與管道周邊的風險。

（2）施工船舶靈活機動性提高，如自由注水、海底管道保壓過程中船舶可以離開進行其他作業(yè)，可實現(xiàn)船舶資源利用率最大化。

（3）所需船舶甲板空間最小化，高度集成的管路系統(tǒng)可以大幅度節(jié)省緊張的船舶甲板面積，與常規(guī)清管試壓流程相比，高度集成的管路系統(tǒng)使用甲板面積極小。

（4）操作人員少，海上操作施工人員相比常規(guī)清管試壓所需人員大幅度減少，可以為其他作業(yè)人員留出空間。

（5）費用降低，相比使用常規(guī)清管試壓設備與連續(xù)油管，施工費用更低。

（6）節(jié)省工期，由于清管注水所用海水為海底海水，因此注水完成后即可進行試壓且穩(wěn)壓時間短，管內(nèi)外熱平衡時間短。

（7）天氣適應范圍廣，與常規(guī)清管試壓設備及連續(xù)油管相比，水下清管試壓橇適用于更加惡略的海況。

（8）與常規(guī)清管試壓設備與連續(xù)油管相比，水下清管試壓橇可以為清管球提供更快的球速，因為沒有連續(xù)油管部分的壓力損失。

3 國內(nèi)工程應用

2019年10月27 日，海油工程利用自主研發(fā)的水下清管試壓橇SFHM成功實施了流花16-2深水海底管道（-400m）的清管試壓作業(yè)（見圖6），打破國外工程公司在該領域的壟斷，使海油工程成為全球第四家能進行深水預調試施工的工程公司，建立起海油工程水下預調試技術體系。

圖6 海油工程水下清管試壓橇應用于流花16-2項目

此次施工中，海油工程歷時三年多自研自制的3 000 m級水下預調試裝備——SFHM投入到項目中，與國外設備相比，幾項指標均創(chuàng)記錄：SFHM配備了八缸試壓泵，可實現(xiàn)70MPa壓強下120L/min的流量注入，在同類裝備中居世界第一；配備20km水下超聲數(shù)據(jù)通信模塊，水下通訊距離居世界第一。海洋石油286施工母船在進行10 in海底管道A調試作業(yè)時，發(fā)指令給1 km外的SFHM，成功實施流花20-2區(qū)塊14 in海底管道B壓力監(jiān)測，無需航行和下放ROV即可實現(xiàn)遠程壓力溫度監(jiān)控，提升調試作業(yè)效率與船舶靈活性；水下模塊配備的多級節(jié)流孔板設計從最初的3級孔板設計定型為11級孔板設計，遠超國外競爭對手單級節(jié)流孔板的設計，可實現(xiàn)4種模式流體控制，滿足3 000m水深海水整流和降壓效果，與國外只有單級節(jié)流孔板的設備相比，海油工程的裝備工作水深更深，整流效果更好，降壓效果明顯，無氣蝕，進行了流體理論計算分析、CFD模擬和陸地測試驗證，為清管球水下運行提供均衡穩(wěn)定的動力；鋼制萬向節(jié)式水下鶴臂管保證超深水海底管道清管試壓作業(yè)時管路耐壓，避免軟管連接容易吸憋情況的發(fā)生；3 000 m級水下顯示器可滾動顯示全部數(shù)據(jù)，ROV水下清晰可讀，方便ROV水下作業(yè)時進行觀察；光學水下實時通信系統(tǒng)，在ROV控制間即可實現(xiàn)對水下壓力、流量數(shù)據(jù)的實時顯示，實現(xiàn)水上水下高速的數(shù)據(jù)傳輸和對水下儀表系統(tǒng)的控制。

模塊化水下調試技術還兼具：將試壓從施工母船甲板轉移至水下，施工人員不再接觸高壓作業(yè)；化學藥劑注入自動吸入，藥劑注入均衡穩(wěn)定，對海底管道形成有效長期保護；清管介質從海底取海水，后續(xù)試壓作業(yè)無熱交換時間，提升船舶作業(yè)效率；試壓期間，船舶可移開進行其他作業(yè)，模塊在水下繼續(xù)自動連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，一邊保壓一邊進行其他水下作業(yè)，解放了船舶，再次提升船舶作業(yè)效率；清管、試壓、藥劑注入功能集成在一起，實現(xiàn)了水下施工的模塊化、集成化、智能化作業(yè)，降低油氣田開發(fā)成本等優(yōu)點。

4 結論與展望

通過分析比較兩種深水海底管道預調試作業(yè)模式的優(yōu)勢和劣勢，即連續(xù)油管系統(tǒng)作業(yè)模式與水下清管試壓橇作業(yè)模式，指出水下清管試壓橇作業(yè)模式更適合深水海底管道清管試壓。各大公司的水下清管試壓橇大體分為兩類：一類為單功能水下橇，即清管、試壓、數(shù)據(jù)記錄單獨成橇；另一類為多功能水下橇，即清管、試壓、數(shù)據(jù)記錄整體成橇。不同類型水下清管試壓橇適應的工程條件不同，各有優(yōu)缺點，需要根據(jù)實際工程情況進行選擇。在實際深水海底管道的預調試施工過程中，水下清管試壓橇的應用可以顯著提高施工的安全性，提升船舶作業(yè)的靈活性，大幅度減小所需船舶甲板面積，通過縮短試壓過程管內(nèi)海水熱平衡時間，大幅縮短施工時間。

基于南海油氣田大開發(fā)的戰(zhàn)略部署，預計到2025年，將全面推進建成南海西部油田2 000×104m3、南海東部油田2 000×104t的上產(chǎn)目標，結合目前正在開展的流花29-1項目（-1 400 m），流花16-2項目（-400 m）以及陵水17-2項目（-1 500 m），水下清管試壓橇的應用將越來越廣泛，也將為未來深水項目節(jié)約更多成本，縮短更多工期。因此，在深水海底管道的預調試實踐過程中，進一步優(yōu)化水下清管試壓橇的設計，更加深入開展深水清管試壓技術的研究，仍然是目前研究和改進的重點。