深水鋼懸鏈立管棄管回收技術(shù)研究

陳嚴飛，曹 靜，沙 勇，周巍偉

(1.中海石油(中國)有限公司北京研究中心 北京100027;2.中國石油大學(北京)博士后流動站 北京102249)

目前常見的深水立管形式有柔性立管、頂張式立管、鋼懸鏈立管和復合立管。其中鋼懸鏈立管具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝建造造價較低并且有較強的適應性等優(yōu)點，在國外深水油氣田開發(fā)中得到了廣泛的應用。國外在深水鋼懸鏈立管安裝技術(shù)方面已經(jīng)積累了豐富的工程經(jīng)驗［1-2］，國內(nèi)鋼懸鏈立管安裝技術(shù)尚處于起步階段，可供參考的工程技術(shù)資料和實例較少［3-4］。

鋼懸鏈立管安裝通常在平臺就位前完成鋪管，通過棄管將SCR臨時放置在海床上，當平臺安裝就位之后，安裝船將SCR從海床上回收，繼而實施其它安裝步驟。鋼懸鏈立管運行中疲勞問題突出，相比海底管道，安裝中需要對彎曲應變進行嚴格控制，防止由安裝引起過大的殘余應變。因此，制定合理的SCR棄管回收方案，使得整個棄管回收過程中SCR彎曲應變滿足規(guī)范要求至關(guān)重要。本文基于經(jīng)典懸鏈線理論，編制了鋼懸鏈立管棄管回收分析軟件SCRCOV，針對1 500 m水深和10 in SCR制定了棄管回收方案。

1 鋼懸鏈立管棄管回收工藝

1.1 移船與收纜分離的棄管回收工藝

1)移動安裝船至SCR拖拉頭觸地點位置，逐漸下放A＆R纜至海床上，通過ROV連接SCR拖拉頭和A＆R纜。

2)安裝船朝棄管回收起始位置移動，并逐漸下放A＆R纜。

3)當安裝船達到棄管回收起始位置，收緊A＆R纜。

4)安裝船位置固定不變，A＆R纜逐漸收纜至指定長度;保持A＆R纜長度不變，移動安裝船至下一個位置。

5)反復交替進行移船和收纜操作，當安裝船到達收纜終止位置時，安裝船停止移動，繼續(xù)回收A＆R纜，直至SCR拖拉頭達到指定水深，完成棄管回收操作。

本工藝將移船操作與收纜操作分開，在實際工程中，可以方便控制各步驟，但棄管回收的速度相對較慢，該棄管回收工藝見圖1。

圖1 移船與收纜分開的SCR棄管回收工藝示意

1.2 移船和收纜同步的棄管回收工藝

1)移動安裝船至SCR拖拉頭觸地點位置，逐漸下放A＆R纜至海床上，通過ROV連接SCR拖拉頭和A＆R纜。

2)安裝船朝棄管回收起始位置移動，并逐步下放A＆R纜。

3)當安裝船到達棄管回收起位置，收緊A＆R纜。

4)按照既定的棄管回收方案進行棄管回收操作，移動安裝船的同時A＆R纜逐漸收纜。

5)當安裝船到達收纜終止位置時，此時安裝船停止移動，繼續(xù)收起A＆R纜，直至SCR拖拉頭達到指定水深，完成棄管回收操作。

該棄管回收工藝移船與收纜操作是同步進行的，棄管回收速度較快，但對移船速度和收纜速度的控制要求較高，本棄管回收工藝見圖2。

圖2 移船與收纜同步的SCR棄管回收工藝示意

2 回收理論分析和方案制定

2.1 鋼懸鏈立管棄管回收分析理論基礎(chǔ)

鋼懸鏈式立管棄管回收是動態(tài)的過程，其邊界條件在不斷發(fā)生變化，分析時需要將整個棄管回收過程分解為若干個步驟，分別針對每個步驟進行建模分析，并針對棄管回收方案進行驗證。制定SCR棄管回收方案有兩個參數(shù)至關(guān)重要，分別是安裝船位置和拉入纜長度，這兩個參數(shù)決定棄管回收過程中SCR的構(gòu)型，也決定著SCR的力學特性。

基于經(jīng)典懸鏈線理論，SCR懸鏈線方程可以表示為

假設海床水平而且SCR的軸向變形可以忽略，可以得到

代入如下方程:

可以得到笛卡爾坐標系下的自由懸鏈線方程

式中:x——到觸地點的水平距離;

y——到海床的高度。

沿著鋼懸鏈立管的曲率可以表示為

可以看出最大曲率發(fā)生的觸地點為

而曲率和應變的關(guān)系可以表示為

軸向張力在任意點s可以表示為

從而SCR懸鏈線長度可以表示為

可以看出SCR拖拉頭垂直方向的張力為

基于上述懸鏈線理論，編制SCR棄管回收分析軟件SCRCOV，輸入安裝船的起始位置、終點位置、A＆R纜收纜總長度和總步驟，SCRCOV可以初步制定SCR棄管回收方案，計算得出每步SCR拖拉頭坐標位置和SCR最大彎曲應變，并進行規(guī)范準則校核。

2.2 鋼懸鏈立管棄管回收分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

南海某深水氣田，水深1 500 m，SCR為10 in外輸氣管，安裝船采用海洋石油201深水鋪管起重船，鋼懸鏈立管、安裝船和相關(guān)機具主要參數(shù)見表1和表2。

表1 鋼懸鏈立管參數(shù)

表2 安裝船和機具參數(shù)

2.3 鋼懸鏈立管棄管回收方案的制定

基于以上給定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用自編軟件SCRCOV制定SCR棄管回收方案，將1 500 m水深10 in SCR的整個棄管回收過程分解為32個步驟，共分為兩個階段。第一階段(1～28步)移動安裝船的同時回收A＆R纜，由第二階段(29～32步)，安裝船位置固定不變，回收A＆R纜，直至SCR拖拉頭到達指定水深。表3為空管工況1 500 m水深10 in SCR棄管回收方案。

表3 10 in鋼懸鏈立管棄管回收方案(空管)m

3 鋼懸鏈立管棄管回收數(shù)值分析

3.1 鋼懸鏈立管棄管回收數(shù)值分析模型的建立

針對自編軟件SCRCOV制定的SCR棄管回收方案，采用Orcaflex建立該方案32個棄管回收步驟數(shù)值分析模型，進行數(shù)值分析和規(guī)范準則校核，SCR整個棄管回收過程的數(shù)值分析模型見圖3。

圖3 SCR棄管回收數(shù)值分析模型

3.2 鋼懸鏈立管棄管回收數(shù)值分析結(jié)果

采用商業(yè)軟件ORCAFLEX和自編軟件SCRCOV計算SCR拖拉頭的運動軌跡，見圖4、5。

可以看出空管和注水工況下，SCRCOV計算結(jié)果與ORCAFLEX計算結(jié)果均吻合較好。對比空管和注水工況，可以看出整個棄管回收過程中SCR拖拉頭的運動軌跡差別較小。

采用SCRCOV和ORCAFLEX分別計算SCR棄管回收各步驟的最大彎曲應變?？梢钥闯?，在第一階段(1～28步)，隨著棄管回收步驟的增加，SCR最大彎曲應變逐漸增加，第28步達到最大值;第二階段(29～32步)，隨著棄管回收步驟的增加，SCR最大彎曲逐漸減小。對比SCRCOV和ORCAFLEX計算結(jié)果，可以看出兩種計算結(jié)果吻合較好，SCRCOV計算結(jié)果偏于保守，對工程設計有利。SCR最大彎曲應變見(空管)圖6。

圖6 SCR最大彎曲應變(空管)

圖7為注水工況SCR最大彎曲應變SCRCOV和ORCAFLEX計算結(jié)果。

圖7 SCR最大彎曲應變變化示意(注水)

可以看出，SCR應變第一階段(1～28步)表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在第2步;第二階段(29～32步)，隨著棄管回收步驟的增加，SCR的應變逐漸減小。在注水工況下，棄管回收初始階段彎曲應較大，而且會有一定的增幅，而后會逐漸減小。對比空管工況和注水工況計算結(jié)果，注水工況SCR最大彎曲應變比空管工況下有較大幅度的增加，而且初始階段會出現(xiàn)應變激增現(xiàn)象，在實際安裝操作中，需要特別關(guān)注，防止其超過規(guī)范允許值，導致過大的殘余應變。

在SCR棄管回收分析中還需要對A＆R纜的頂端張力和底端張力進行分析，防止頂端張力超過安裝船絞車的承載能力和底端張力超過拖拉頭的承載能力。圖8為A＆R纜頂端張力變化圖，空管和注水工況，A＆R纜頂端張力隨棄管回收步驟的增加均逐漸增加，空管工況A＆R纜頂端張力增加較為緩慢，而注水工況A＆R纜頂端張力增加速度較快?？展芄r和注水工況，A＆R頂端張力均出現(xiàn)在第32步驟，分別是265 kN和1 237 kN，均在海洋石油201絞車和A＆R纜的承載范圍之內(nèi)。

圖8 A＆R纜頂端張力變化

圖9 為A＆R纜底端張力隨棄管回收步驟的變化圖。注水工況，A＆R纜底端張力隨著棄管回收步驟的增加而逐漸增加。空管情況，A＆R纜底端張力隨著棄管回收步驟的增加而表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢，主要原因是SCR在海水中單位長度重量要明顯小于A＆R纜單位長度重量，因此隨著A＆R纜不斷回收，SCR懸鏈線長度增加，A＆R纜長度減小，因此，A＆R纜底端張力變?yōu)橹饾u減小的趨勢。在實際安裝操作中，特別是小尺寸SCR棄管回收，監(jiān)測設備上顯示A＆R纜底端張力逐漸減小，此時收管步驟卻仍在繼續(xù)，安裝操作人員需要特別關(guān)注。

圖9 A＆R纜底端張力變化

4 結(jié)論

1)基于懸鏈線理論編制的軟件SCRCOV計算結(jié)果與數(shù)值分析軟件ORCAFLEX計算結(jié)果吻合較好，因此，SCRCOV可以用于深水鋼懸立管棄管回收分析和方案制定。

2)由于單位長度鋼懸鏈立管重量注水工況要明顯大于空管工況，因此，注水工況鋼懸鏈立管棄管回收彎曲應變要大于空管工況。

3)注水工況鋼懸鏈立管棄管回收初始階段，鋼懸鏈立管的彎曲應較大，而且隨著回收步驟的增加，彎曲應變會逐漸增加，需重點關(guān)注。

4)由于單位長度小管徑鋼懸鏈立管重量小于A＆R纜的重量，因此小管徑鋼懸鏈立管棄管回收，空管工況A＆R纜的底端張力會逐漸減小，注水工況A＆R纜的底端張力逐漸增加。A＆R纜頂端張力空管工況和注水工況均逐漸增加。

［1］PHIFER E H，KOPPF，SWANSON R C，et al.Langner.Design and installation of auger steel catenary risers［C］∥Proceedings of Offshore Technology Conference，1994.

［2］CHAUDHURY G，KENNEFICK J.Design，testing，and installation of steel catenary riser［C］∥Proceedings of Offshore Technology Conference，1999.

［3］WANG X，ZHOU X，GINNARD A J，et al.Installation method evaluation of export SCRs［C］∥Proceedings of Offshore Technology Conference，2001.

［4］JOHN BOUWMAN.Installation Challenges With Lifting and Pull-in of the 20"SCR［C］∥Proceedings of Offshore Technology Conference，2007.