2. 中海艾普油气测试(天津)有限公司
2. COSL-EXPRO Testing Service(Tianjing) Co., Ltd
0 引 言
随着石油工业的发展，油气田开发走向深水是必然趋势[1, 2, 3]。但在深水测试作业中，地面测试流程采用提前预制管线的模式进行，存在费用高昂、占据钻井平台空间及影响钻井作业效率等问题，深水测试流程模块化设计在国内属于全新领域，目前仍处于摸索阶段。因此，开展深水测试地面设备模块化设计研究，开发适合中海油自营深水油气测试作业地面设备模块化技术乃当务之急。相应的模块化系统满足高温高压高产等深水测试要求，打破国外技术垄断，这对提高我国深水测试技术整体水平和国际竞争力具有重要意义。
1 深水测试面临的挑战[4, 5](1)工况恶劣。深水测试通常在动力定位的浮式钻井平台上进行，作业环境严酷，工程条件复杂。
(2)风险巨大。深水测试通常都是高产油气井，一旦发生地面油气流泄漏，极有可能导致爆炸、火灾、中毒和环境污染等事故，从而造成重大损失。
(3)设备众多，布局复杂。深水测试作业需要用到井口水合物抑制剂注入及阻流系统、出砂监测及除砂系统、产量计量系统、多个密闭罐及分向管汇系统、全套ESD地面控制系统及流体环保处理系统等测试地面设备，需要占用大量甲板面积；并且在不影响钻井作业的情况下，还要满足平台结构布局和安全要求，安装难度和精度要求非常高。
(4)费用高昂。深水测试如果采用地面测试主流程平台固定式安装，则根据现有条件及经验，大概需要1~2个月的海上安装时间，如果每口深水井测试都采用此种方式，则带来整个测试时效及费用的不可控。
(5)全新挑战。LS17-2自营深水区块的勘探是中海油自营深水勘探开发的首次作业，自营深水的作业结合中海油自身的特点将面临很多挑战。
2 国外深水测试地面流程应用现状现有的深水测试作业需要用到阻流系统、出砂监测及除砂系统、产量计量系统、多个密闭罐及分向管汇系统和流体环保处理系统等测试地面设备，整个固定测试流程采用法兰方式连接，需要占用大量甲板面积，整个测试流程还需定期进行试压、功能试验及日常维护保养。按照国外某公司的作业经验，使用常规模式安装法兰连接的固定流程总时间长，遇到恶劣海况时间会更长。该公司第1次在深水钻井平台上安装时间为65 d，第2次在深水钻井平台上安装时间为32 d，作业结束后复员时间皆为20 d左右。这些时间直接或间接地影响了平台的生产作业。
斯伦贝谢公司和哈利伯顿公司均有自己的模块化流程设计方案，其主要应用于以下作业或项目：①海上及深水测试项目；②地面测试流程或者返排流程；③需要短时间安装就位及固定的项目；④稠油作业；⑤海上永久式安装。
3 深水测试地面设备模块化设计 3.1 HYSY981平台模块化适应性分析对HYSY981平台主甲板及测试甲板的详细布局和承重进行了分析，左后和右后甲板单位面积上允许的最大质量为3.91 t/m2，平台测试甲板强度校核得到的最大UC值是0.750，各单独模块设计最大UC值为0.426，缓冲罐橇下T型梁承重为136.17 kN/m2，所设计的橇块线载均小于94.52 kN，主梁可满足承载要求；钻台至主甲板试油立管的尺寸为127.0 mm×101.6 mm，103.4 MPa，去往两舷的分向管汇尺寸为101.6 mm×76.2 mm，34.5 MPa，接口类型为法兰连接；且平台燃烧臂和喷淋管线满足测试要求，平台船体最大横摇5°，最大纵摇5°，最大升沉4 m，平台可变载荷90 MN，避台期间无需拆甩测试设备。
3.2 地面设备模块化设计[6, 7, 8, 9]深水气井测试产量高，地面测试流程需满足200万m3/d的大产量测试要求，油嘴管汇上游采用15K高压设备，配备双滤网除砂器满足地面防砂需要，配备大排量化学注入泵组和10K高等级加热器满足水合物防治需要，分离器下游流程配备3台双室密闭罐，满足原油、液垫、钻井液及水的分流和存储要求，整个流程配备ESD紧急关断系统。
所设计的深水测试地面设备模块化系统主要由5大模块组成，分别是缓冲罐模块、分离器模块、加热器模块、井口高压模块和泵组模块。缓冲罐模块单元由3个缓冲罐单体、底部橇座及内置的连接管线组成；分离器模块单元由分离器、底部橇座及内置的连接管线组成；加热器模块单元由加热器、底部橇座及内置的连接管线组成；井口高压模块单元由地面安全阀、除砂器、地面高压油嘴管汇、底部橇座及连接管线组成；泵组模块单元由2台齿轮输油泵、2台隔膜泵、底部橇座及连接管线组成。深水测试地面设备模块化辅以井口高压管线组、安全阀/排空管线组和原油/天然气管线组。图 1为深水测试地面设备模块化示意图。
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| 图 1 深水测试地面设备模块化示意图 Fig. 1 Schematic of modularization of ground test equipment |
以南海西部某深水探井为例，进行不同测试产量下的流动校核。该井为直井，总井深4 555 m，水深988 m，隔水管外径533.4 mm，内径495.3 mm，表面环境温度26.0 ℃，海底泥线温度4.0 ℃，海底地温梯度每100 m上升3.9 ℃，井深结构为 508.0 mm套管下至2 100 m， 339.7 mm套管下至3 650 m， 244.5 mm套管下至4 350 m， 177.8 mm尾管下至4 550 m，水基测试液密度为1.50 g/cm3。表 1为LS17-2-1井临界流动下油嘴尺寸及节流前、后的压力值。表中地层压力为40.3 MPa。
| 测试产量/(104m3·d-1) | 20 | 60 | 80 | 100 | 120 | 140 | 160 | 200 |
| 油嘴内径/mm | 7.0 | 12.0 | 14.0 | 16.0 | 18.0 | 20.0 | 23.0 | 27.0 |
| 临界流量计算值/(104m3·d-1) | 24.2 | 67.5 | 88.8 | 111.6 | 135.2 | 158.8 | 196.9 | 225.6 |
| 上游压力/MPa | 31.8 | 31.4 | 30.7 | 29.7 | 28.4 | 26.9 | 25.0 | 20.3 |
| 下游压力/MPa | 16.0 | 11.4 | 10.3 | 10.7 | 11.2 | 11.1 | 13.7 | 8.4 |
| 压力比 | 0.504 | 0.363 | 0.335 | 0.361 | 0.394 | 0.412 | 0.548 | 0.414 |
地面流程分为6个部分评估，以下分别介绍。
(1)气井井口到除砂器入口。根据计算结果，该井井口到除砂器入口实际速度为23.1 m/s，小于最高固相含量对应的极限防冲蚀速度35.0 m/s。
(2)除砂器下游到油嘴管汇入口。除砂器进、出口管径变大、压降降低，考虑该段压降0.7 MPa，则实际速度14.1 m/s，与气井井口到除砂器入口段相比，除砂器下游到油嘴管汇入口段管线更安全。除砂器后，由于气流中的固相含量很低，临界冲蚀速度大大提高，除砂器后管线的临界冲蚀速度可提高到55.0 m/s。
(3)油嘴管汇下游到换热器入口。按照井口压力20.3 MPa和温度48.4 ℃计算，采用 27.0 mm的油嘴即可满足200×104 m3/d的流量测试要求，且节流后压力降为7.9 MPa，温度为7.7 ℃。考虑由附加阻力导致的0.3 MPa压降，该段管流平均压力值7.6 MPa，温度7.0 ℃；实际速度32.2 m/s，小于临界冲蚀速度55.0 m/s，管线安全。
(4)换热器下游到分离器入口。由于该段管线较为简单，而且较短，管线压降小，考虑换热器的压降，总体考虑0.2 MPa的压降，但流体经过换热器后温度会升高很多，与油嘴管汇下游到换热器入口段相比，该段风险较高。因此，该段管流平均压力取7.4 MPa，温度60.0 ℃；实际速度44.0 m/s，小于临界冲蚀速度55.0 m/s，管线安全。
(5)分离器出口到燃烧臂进口。该段管线较长，弯头多，阀门和变径也多，因此压降和温降也较大。参考现场实测经验，取压力1.7 MPa，温度21.1 ℃，实际速度171.2 m/s。由于天然气不含固相颗粒，按照分离器天然气管线下游的流速安全极限需考虑噪声及振动的安全极限，参考NORSOK P-001 6.3.2，其安全流速为196.9 m/s，该段流程安全。
(6)燃烧臂出口到燃烧头。考虑该段管线的变径和弯头导致的附加阻力，参考现场实测经验，取压力0.8 MPa，软件计算的实际速度为215.9 m/s。由于天然气已经不含固相颗粒，按照分离器天然气管线下游的流速安全极限需考虑噪声及振动的安全极限，参考NORSOK P-001 6.5.5 ，安全流速为237.7 m/s，该段流程安全。
3.3.2 模块化结构校核[14, 15]根据HYSY981船体主甲板结构、相关参数及不同工况，模块结构校核包括主要纵梁、横梁、支腿和对角撑的结构静载荷、设备载荷、风载荷、活动载荷以及船体运动载荷，且测试甲板强度校核得到的最大UC值是0.750。UC值指计算应力与许用应力之比，理论上UC计算值应小于1，且越小越好。
3.3.3 单模块校核以最高最重的缓冲罐模块为例，缓冲罐模块底部橇块强度校核的最大UC值为0.426。缓冲罐橇块下T型梁承重为136.17 kN/m2，经计算，所设计的橇块线载均小于94.52 kN，主梁可满足承载要求。
4 现场应用2014年8月，南海水深约1 455 m的LS17-2-1井使用HYSY981平台进行了现场测试，其测试程序主要包括以下几部分：平台复原及测试准备，井筒清洁及替入测试液，1趟管柱打印及下插入式封隔器，下入测试管柱，电测较深，起模拟管柱及配长，下坐落管柱，安装提升架及地面测试树，插入封隔器替入诱喷液垫，开井前准备，点火射孔及开井取资料，关井测压力恢复资料，压井，起测试管柱，回收插入式封隔器，油气层封隔。在测试过程中，克服了复杂多变的深水环境及南海海域恶劣海况给作业带来的各种难题，顺利完成了我国南海深水第1口气井的测试作业。LS17-2-1井测试期间取得了天然气160万m3/d，凝析油78 m3/d的产量，取得了井下及地面PVT样，测试表皮系数仅0.17，测试期间安全顺利，获得了深水自营气田首口井的测试成功，并取得了国内测试单层测试产量最高的纪录，发现了陵水17-2气田，这对我国深水自主测试研究和安全同样具有重要意义。
5 结 论(1)以HYSY981平台为载体，以满足高温高压高产等深水测试要求的设备为基础，设计出符合中海油自身特点的深水测试地面设备模块，提出了具有自主知识产权的深水测试地面流程模块化的方案。深水测试地面设备模块化系统包括缓冲罐模块、分离器模块、加热器模块、井口高压模块和泵组模块。
(2)深水测试地面设备模块化设计不但满足深水测试地面流程的高安全性，而且与目前的技术相比还能极大地提高测试作业时效，节省测试成本；同时，打破了国外技术垄断，提高了我国深水测试技术整体水平和国际竞争力。
(3)深水测试地面模块化设备首次应用于LS17-2-1井现场测试，即获得了深水自营气田首口井的测试成功，这对保障我国深水测试作业的安全和时效具有重要意义，并可推广到其他深水平台及深水作业区块。
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