300 米水深海管水下清管試壓技術(shù)研究

李 旭 劉彩虹 鄭永峻 譚家海 房 凱

（海洋石油工程股份有限公司，中國 天津300451）

0 引言

目前世界上已投產(chǎn)的深水油氣田主要是通過水下井口回接方式進(jìn)行油氣開采，流花4-1 油田（以下簡(jiǎn)稱LH4-1）是我國第一個(gè)自主開發(fā)的采用水下模式的較深水油田， 以水下系統(tǒng)為主體，依托周邊油田原有生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行開發(fā)，作業(yè)水深范圍為267m 至310m。油田外輸海管采用的是管道終端(pipeline end termination，簡(jiǎn)寫為PLET)+平管的典型深水水下模式， 海管兩端PLET 隨海管進(jìn)行S 型鋪設(shè)，鋪設(shè)完成后進(jìn)行水下清管試壓。 海管與跨接管的連接接頭均為FMC 公司提供的水下接頭（Connector），海管鋪設(shè)及清管試壓施工過程中的全部水下操作工作均由工作級(jí)水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，簡(jiǎn)寫為ROV）完成。

1 清管試壓總體方案

清管試壓的基本方案如下：清管試壓主作業(yè)船（DSV）位于LH4-1端，另一條在輔助拖輪位于LH11-1 端，分別打開PLET 壓力帽上的注水閥門注水；然后拆除LH11-1 側(cè)PLET 的壓力帽并安裝清管接收器，將LH11-1 側(cè)作為接球端； 拆除LH4-1 側(cè)的壓力帽， 安裝清管發(fā)射器。將注水軟管連接到清管發(fā)射器上，DSV 上布置清管泵開始清管；通過監(jiān)控清管泵壓力來判斷清管球是否到達(dá)了清管接收器內(nèi)，清管球到達(dá)接收器后，拆除連接的軟管，回收清管接收器，檢查清管測(cè)量結(jié)果；清管結(jié)果合格后，開始打壓穩(wěn)壓。

2 清管試壓設(shè)備介紹

清管試壓設(shè)備主要包括：清管發(fā)射器和接收器、水下連接器、清管球等。

水下清管試驗(yàn)使用的發(fā)射器和接收器安裝在水下，各種操作需依靠ROV 來完成。 清管發(fā)射器有兩個(gè)使用hot stab 注水的閥門，4 寸的閥門用于清管時(shí)注水，2 寸的閥門用于試壓時(shí)打壓注水； 另有4 個(gè)用于控制清管球發(fā)射順序的閥門，在清管時(shí)依次打開。 接收器則有4 個(gè)用于放水的閥門。

發(fā)射器和接收器的連接使用水下連接器，水下連接器（connector）由FMC 公司配套提供的。 首先將發(fā)射器和接收器與connector 焊接到一起，再通過ROV 進(jìn)行水下連接操作與PLET 連接。 清管試壓時(shí)使用的18 寸connector， 其主要操作是由ROV 使用hot stab 通過ROV 面板進(jìn)行液壓控制。

本次清管試壓使用4 個(gè)清管球。第一個(gè)清管球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)雙向的皮圈清管球， 并附帶信號(hào)發(fā)射器， 可以使用ROV 對(duì)清管球的信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，以確定清管球的位置。第二個(gè)清管球?yàn)殇撍⑶骞芮?，第三個(gè)清管球是附帶磁吸裝置的清管球， 將第二個(gè)鋼刷清管球掃落的鐵削進(jìn)行回收。 第四個(gè)清管球?yàn)楦綆y(cè)量板的清管球，以便最終判定海管內(nèi)徑是否合格，測(cè)量球也附帶信號(hào)發(fā)射器。

3 清管試壓施工

3.1 清管施工流程

PLET 成功安裝后，DSV 在LH4-1 側(cè)， 輔助拖輪在LH11-1 側(cè)就位， 兩端同時(shí)使用ROV 打開PLET 上壓力帽的閥門開始注水。 拆除LH11-1 側(cè)PLET 壓力帽并安裝清管接收器。 拆除LH4-1 側(cè)PLET 壓力帽，安裝清管發(fā)射器，安裝后連接注水軟管，開始清管。

圖1 發(fā)射器閥門示意圖

開始清管注水時(shí)，首先打開如圖1 所示發(fā)射器的閥門4，打出第一個(gè)清管球；注水21m3后，打開閥門3 關(guān)閉閥門4，打出第二個(gè)清管球；根據(jù)注水泵流量顯示，注水21m3后，打開閥門2 關(guān)閉閥門3，將第三個(gè)清管球打出；繼續(xù)注水21m3，打開閥門1 關(guān)閉閥門2，將最后一個(gè)清管球打出。 第四個(gè)清管球打出后，由ROV 使用信號(hào)接收裝置，探查確認(rèn)4 個(gè)清管球全部打出。 之后將2-5 號(hào)閥門全部打開進(jìn)行注水。 通過對(duì)壓力，流量的監(jiān)控，計(jì)算出清管球預(yù)計(jì)到達(dá)接收器的時(shí)間。當(dāng)注水達(dá)到計(jì)算的注水量后，再繼續(xù)注入20%的總水量，確保清管球完全到達(dá)。 清管結(jié)束后，ROV 關(guān)閉發(fā)射器各個(gè)閥門，回收注水軟管及發(fā)射器。將壓力帽重新安裝在PLET 上。DSV 到達(dá)LH4-1 側(cè)，由ROV 使用信號(hào)接收器確認(rèn)4 個(gè)清管球全部到達(dá)接收器； 并回收清管接收器到甲板，取出清管球并對(duì)測(cè)量板狀況進(jìn)行檢查。

3.2 試壓施工流程

回收LH4-1 側(cè)接收器，安裝可用于試壓的清管發(fā)射器，連接打壓軟管進(jìn)行打壓。海管的設(shè)計(jì)壓力為81bar，試驗(yàn)壓力為93bar。試壓參考高度為-261m，考慮300 米水深的水頭壓力及溫度影響，將穩(wěn)壓的記錄壓力定為80bar。 打壓開始以不高于1bar/min 的速度打壓到35%的穩(wěn)壓壓力（23bar），當(dāng)?shù)竭_(dá)23bar 之后，將清管發(fā)射器打壓的閥門關(guān)閉，根據(jù)記錄的壓力及注水量數(shù)據(jù)計(jì)算海管內(nèi)殘余空氣含量，計(jì)算升壓壓力和注水量的比例，公式如下：

上式為海管兩端不受約束、不埋管情況下使用。

式中：V—根據(jù)海管尺寸及長(zhǎng)度計(jì)算的理論容積；OD—海管外徑；E—鋼管彈性模量，取2.07×106bar；t—海管壁厚；ν—泊松比，取0.3，β—海水的體積彈性模量。

根據(jù)計(jì)算升壓23bar 應(yīng)注水1.922m3， 而注水泵流量計(jì)的讀數(shù)顯示實(shí)際注水1.889m3， 以此計(jì)算出海管內(nèi)氣體的含量約為0.002%，低于規(guī)范空氣含量應(yīng)小于0.2%的要求。 之后繼續(xù)以不超過1bar/min 的速度升壓，升壓到達(dá)95%的壓力之后，再以0.5bar/min 的升壓速度完成最后的升壓。最后關(guān)閉隔離閥，開始升壓過程中的穩(wěn)壓階段，當(dāng)壓力穩(wěn)定后開始進(jìn)入正式的24 小時(shí)穩(wěn)壓。

在穩(wěn)壓的過程中，溫度影響成為試壓結(jié)果能否接收以及整體試壓時(shí)間長(zhǎng)短的關(guān)鍵影響因素。由于清管時(shí)是將海面以下幾米的海水泵到甲板后再注入到海管內(nèi)，所以在試壓時(shí)海管內(nèi)海水的溫度要高于海底海水的溫度，這時(shí)必定會(huì)發(fā)生熱交換，以達(dá)到海管內(nèi)外的溫度平衡。根據(jù)理論計(jì)算預(yù)計(jì)280 多小時(shí)的熱交換之后才能完成熱交換， 壓力穩(wěn)定。

由于流花施工工期相當(dāng)緊，油田FPS 馬上要在LH11-1 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)錨鏈的回接工作， 所以等待熱交換完成才進(jìn)行穩(wěn)壓工作是不可行的。通過從現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)， 計(jì)算出在穩(wěn)壓的24 小時(shí)內(nèi)由于熱交換產(chǎn)生的壓降，與實(shí)際記錄的壓降進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)使用ROV 對(duì)兩端PLET 進(jìn)行監(jiān)控，檢查是否有染色劑液體外泄，如果ROV 沒有發(fā)現(xiàn)任何泄露，而且實(shí)際壓降與理論計(jì)算情況相符，則證明實(shí)際產(chǎn)生的壓降為溫度影響產(chǎn)生的。 理論計(jì)算壓降計(jì)算公式如下：

式中：γ—海水的體積膨脹系數(shù)；B—海水的體積彈性模量。

通過此式計(jì)算出溫降引起的壓降。最后將由壓力表實(shí)際記錄測(cè)量的壓降與計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并繪制出擬合圖。

圖2 理論計(jì)算壓降與實(shí)際壓降擬合圖

開始穩(wěn)壓時(shí)初始?jí)毫?9.6bar， 到24 小時(shí)后壓力為68.8bar，壓力下降10.8bar，繼續(xù)穩(wěn)壓，同時(shí)根據(jù)上述校核方式進(jìn)行計(jì)算，最終實(shí)際壓降與理論計(jì)算的結(jié)果基本吻合，而且ROV 也未發(fā)現(xiàn)任何異常，最終確認(rèn)試壓結(jié)果符合要求。

4 結(jié)束語

LH4-1 項(xiàng)目海管清管試壓是國內(nèi)首次進(jìn)行的300 米水深級(jí)的水下清管試壓工作，通過實(shí)際的施工驗(yàn)證，證明了目前制定的清管試壓方案基本可行，豐富了深水水下清管試壓的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為以后同類項(xiàng)目的實(shí)施提供了可靠的借鑒。