西非深水油氣田開發(fā)中的外輸油管及其設(shè)計

王 波， 曹 靜， 何 寧， 石 云

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451； 2.中海油研究總院，北京100027)

西非深水油氣田開發(fā)中的外輸油管及其設(shè)計

王 波1， 曹 靜2， 何 寧1， 石 云2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451； 2.中海油研究總院，北京100027)

西非海域已成為世界海上油氣勘探開發(fā)的熱點區(qū)域之一。該文介紹了西非海域深水油氣田廣泛應(yīng)用的典型開發(fā)模式，并就其外輸系統(tǒng)中的外輸油管進行了詳細闡述，包括不同方案間的對比、主要組成部件和設(shè)計方法等。同時，該文依據(jù)某西非海域目標油田的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完成了外輸油管設(shè)計，可為今后工程項目的設(shè)計提供參考。

西非；深水；外輸系統(tǒng)；外輸油管

0 引言

隨著西非地區(qū)深水勘探開發(fā)進入成熟階段，越來越多的深水油氣項目投入生產(chǎn)，深水油氣產(chǎn)量快速增長。據(jù)統(tǒng)計，在2006年至2012年，西非共有30多個油氣項目投產(chǎn)，其中多數(shù)是深水項目，代表項目包括Dalia、Kizomba、Akpo和Greater Plutonio等，水深在1 000 m～1 500 m之間。截至2011年，西非地區(qū)油氣總產(chǎn)量已由2001年的843.7百萬桶油當(dāng)量增加至1 564.2百萬桶油當(dāng)量，預(yù)計2020年可達2201.6百萬桶油當(dāng)量。

目前，西非海域已成長為繼北海、墨西哥灣和坎帕斯灣之后，世界海上油氣勘探開發(fā)最具活力和最有前景的地區(qū)之一[1]。

1 開發(fā)模式和外輸系統(tǒng)

“水下生產(chǎn)系統(tǒng)+自由站立式立管+FPSO+穿梭油輪”是目前西非海域深水油氣田的主要開發(fā)模式之一(如圖1所示)。由于海況良好，西非海域FPSO可采用多點系泊，而無需采用價格較貴的單點轉(zhuǎn)塔系泊。同時，為了避免FPSO與穿梭油輪相撞，可采用“外輸油管+浮筒+漂浮軟管”的外輸系統(tǒng)，穿梭油輪單點系泊在浮筒上，浮筒轉(zhuǎn)臺可為穿梭油輪提供風(fēng)標效應(yīng)。

圖1 典型西非深水油氣田開發(fā)模式示意圖

典型西非深水油氣田外輸系統(tǒng)的主要特征如下：

(1) 從FPSO到浮筒之間通過一根或者兩根外輸油管進行外輸操作；

(2) FPSO與浮筒之間的名義距離約為1海里；

(3) 外輸系統(tǒng)的外輸能力約為4.2萬桶/h；

(4) 浮筒具備35萬噸油輪的系泊能力。

2 外輸油管

外輸油管指從FPSO到浮筒的油氣輸送管路，是外輸系統(tǒng)的重要組成部分。目前，成熟應(yīng)用于西非深水油氣田的外輸油管主要有兩種形式：軟管外輸油管和鋼管外輸油管。

2.1 軟管外輸油管

軟管外輸油管一般由多節(jié)軟管通過法蘭相連，最終串聯(lián)成滿足需要的長度進行外輸作業(yè)?？紤]到軟管能夠承受的靜水壓力比較小，軟管外輸多采用“W”形式，即中間部分軟管設(shè)置浮力塊。在浮力塊作用下，中間部分軟管將向上彎曲形成拱形。浮力模塊的布置一般占整根軟管長度的20%～25%。

圖2 W型布置形式 圖3 U型布置形式

2.2 鋼管外輸油管

圖4 混合外輸油管示意圖

鋼管外輸油管主要有“寬W”型和“U”型(如圖2、圖3所示)。寬W型鋼管和“W”型軟管一樣，也是通過在外輸油管中間部分約20%～25%長度范圍內(nèi)設(shè)置浮力塊從而形成寬W型。鋼管外輸油管可在近岸焊接成型，然后整體拖航到目標油田區(qū)域，因此不需要租用費用昂貴的特殊船舶。

與軟管相比，鋼管的最大優(yōu)點在于經(jīng)濟性好。鋼管尤其適用于對外輸速度要求較高的油田，可通過采用兩根較大直徑的鋼管達到外輸速度要求和壓力要求，而滿足同等要求的軟管一般只能通過增加軟管數(shù)量(由于直徑限制)來實現(xiàn)。需要注意的是，由于浮筒本身排水量較小，外輸油管對浮筒的穩(wěn)性和運動性能都有一定程度的影響。因此，并不能一味的增大鋼管直徑。

2.3 混合外輸油管

軟管外輸和鋼管外輸都是直接將外輸油管連接到浮筒上，因此疲勞問題十分突出。

針對這一缺點，有人提出了混合外輸模式[2]：即從FPSO到外輸浮筒之間采用鋼管外輸，而從外輸浮筒到單點浮筒之間采用軟管外輸，外輸浮筒布置在水下約70 m～100 m處(如圖4所示)。

表1就不同外輸油管方案之間優(yōu)缺點進行了總結(jié)。通過對比可以看出，雖然混合外輸油管方案的性能較好，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價高，所以目前暫無應(yīng)用案例。而在軟管和鋼管方案中，鋼管方案經(jīng)濟性較好，同時本地化程度高，所以目前應(yīng)用較多。

表1 不同外輸油管方案比較

3 關(guān)鍵部件

對于外輸油管，除了管體之外，其組成還包括浮力塊、外輸油管與FPSO以及浮筒間的連接接頭等部件。這些部件對外輸油管的性能和疲勞壽命等具有重要影響。

3.1 浮力塊

浮力塊通常由復(fù)合泡沫塑料制成，密度約為0.4 t/m3～0.5 t/m3。為了便于安裝，每個浮力塊均做成兩個半圓柱型，并通過卡子卡緊在管子周圍，最后通過兩個緊固帶將整個浮力模塊緊固。浮力塊只用于W型外輸油管，U型外輸油管則不涉及浮力塊。

此外，在長期的海水浸泡狀態(tài)下，浮力塊會因材料本身的特性損失一部分浮力，對外輸油管的形態(tài)和運動造成一定影響。因此，在設(shè)計過程中應(yīng)考慮這一因素，如2%的浮力損失。

3.2 連接接頭

在環(huán)境力作用下，F(xiàn)PSO和浮筒會發(fā)生六自由度運動，該運動將傳遞給連接在其上的外輸油管。外輸油管上連接點附近的運動受FPSO和浮筒運動的影響最為明顯，疲勞壽命往往也最低。因此，外輸油管與FPSO及浮筒的連接方式是外輸油管設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

連接方式的設(shè)計需要解決兩個關(guān)鍵問題：

(1) 外輸油管中介質(zhì)密度的變化造成的連接角度變化；

(2) 外輸油管上連接點附近的疲勞壽命。

柔性節(jié)點和萬向轉(zhuǎn)盤是目前常用的兩種連接方式(如圖5、圖6所示)。其功能相似，均可實現(xiàn)彎曲載荷和拉伸載荷的解耦，同時釋放絕大部分彎曲載荷，但結(jié)構(gòu)有所差別：柔性節(jié)點通過其內(nèi)部的柔性單元和波紋管來實現(xiàn)；而萬向轉(zhuǎn)盤通過雙鉸接機構(gòu)和一小段軟管來實現(xiàn)。

圖5 柔性節(jié)點 圖6 萬向轉(zhuǎn)盤

圖7 外輸油管設(shè)計流程

4 設(shè)計方法和算例

4.1 設(shè)計方法

在外輸油管設(shè)計過程中，首先需要確定的是外輸油管的規(guī)格和數(shù)量。一般來說，F(xiàn)PSO的外輸壓力是確定的，同時油田對外輸系統(tǒng)外輸能力的要求也是明確的，所以可以通過油氣輸送工藝計算確定出外輸油管的直徑和數(shù)量。此時，若可選用兩根大直徑鋼管，相比于選用三根小直徑軟管，在經(jīng)濟上具備較大優(yōu)勢。

外輸油管設(shè)計中應(yīng)考慮的載荷主要包括功能載荷和環(huán)境載荷。功能載荷包括外輸油管自重、內(nèi)外壓和浮力等，環(huán)境載荷如風(fēng)浪流載荷、FPSO和浮筒運動等。

靜態(tài)分析主要用于確定外輸油管的靜止形態(tài)是否合理，主要取決于浮力塊的布置情況等。除靜態(tài)分析外，外輸油管設(shè)計還需要考慮極限工況、作業(yè)工況、半作業(yè)工況和安裝工況以及疲勞壽命問題。其中，極限工況分別考慮外輸管在百年一遇極限環(huán)境、極限壓力以及極限位置下的強度要求；作業(yè)工況主要考慮油外輸管在十年一遇環(huán)境條件、正常壓力以及正常位置下的強度要求；半操作工況則用來分析兩根(或多根)輸油管之間的干涉問題；疲勞壽命評估要將安裝過程和在位服役期內(nèi)的所有疲勞損傷包括在內(nèi)。

在每種分析中，均需要考慮FPSO與浮筒之間相對距離的變化，同時也要對穿梭油輪是否系泊在浮筒上進行區(qū)別和計算。外輸油管設(shè)計流程如圖7所示。

4.2 算例

該文以西非海域某水深為1 500 m的油田為目標油田，結(jié)合上述介紹的外輸油管設(shè)計方法，完成了相應(yīng)的設(shè)計和分析工作。表2為目標油田所在海域環(huán)境條件，表3為外輸油管規(guī)格。

目標油田的FPSO外輸壓力約為20 MPa，同時要求外輸系統(tǒng)外輸能力不小于6 000 m3/h。經(jīng)過工藝計算，選定兩根直徑為508 mm的鋼管作為外輸油管方案。FPSO至浮筒的名義距離約為1 860 m。.

表2 目標油田所在海域主要環(huán)境條件

表3 外輸油管規(guī)格

圖8 目標油田外輸油管布置圖

極限工況分析中，為了避免過于保守，采用如下原則確定FPSO與浮筒間的相對距離：

(1) 錨鏈完整狀態(tài)，F(xiàn)PSO與浮筒間極限距離的上下限為：名義距離±7.5%水深；

(2) 錨鏈破損狀態(tài)，F(xiàn)PSO與浮筒間極限距離的上下限為：名義距離±10%水深。

表4 極限工況分析結(jié)果(相對距離最近時)

極限工況分析結(jié)果(見表4)表明：(1)無論錨鏈完整還是破損，外輸油管的最大應(yīng)力均在FPSO與浮筒之間相對距離最近時發(fā)生，并出現(xiàn)在外輸油管全長的中間位置；(2)錨鏈破損時的最大應(yīng)力大于錨鏈完整時的最大應(yīng)力；(3)左舷(上方)外輸油管最大應(yīng)力大于右舷(下方)外輸油管最大應(yīng)力。

半作業(yè)工況指兩根外輸油管中的一根由于故障不能進行正常外輸作業(yè)。分析中假設(shè)故障油管處于上方且已充滿海水，下方油管正常外輸油。此時兩根外輸油管在水深方向上的距離最近，是外輸油管可能發(fā)生相互干涉時的最危險情形。

由于西非海域涌浪現(xiàn)象明顯，疲勞分析時分別考慮了主涌、次級浪和風(fēng)浪對外輸油管的疲勞影響。DNV-RP-C203規(guī)范要求，外輸油管疲勞壽命計算選用DNV-E曲線進行。

從圖9中可以看出，外輸油管疲勞壽命受風(fēng)浪影響最為顯著，其原因主要是浮筒運動的自然周期與風(fēng)浪周期比較接近，所以在風(fēng)浪作用下，浮筒的波頻運動幅值要遠大于主涌和次級涌作用下的運動幅值。

圖10 給出了不同彎曲剛度的柔性節(jié)點對外輸油管疲勞損傷的影響。結(jié)果表明，隨著柔性節(jié)點剛度的增大，外輸油管所受到的疲勞損傷也逐漸增大。該結(jié)果也證實了柔性節(jié)點設(shè)計對于外輸油管設(shè)計的重要性。

圖9 波浪種類對外輸油管疲勞壽命的影響

圖10 柔性節(jié)點的剛度對外輸油管疲勞壽命的影響

此外，疲勞壽命分析結(jié)果還表明：(1)處在上方的外輸油管所受到的疲勞損傷整體上要比處在下方的外輸油管大，且主要疲勞損傷均在距離外輸浮筒約600 m范圍之內(nèi)；(2)如果考慮10倍的安全系數(shù)，兩根外輸油管的壽命分別為27.2年和48.4年，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

該文介紹了目前在西非海域深水油氣開發(fā)中廣泛應(yīng)用的“水下生產(chǎn)系統(tǒng)+自由站立式立管+FPSO+穿梭油輪”開發(fā)方案，并著重對其外輸系統(tǒng)中的外輸油管進行了介紹，包括不同外輸油管方案的對比、主要部件和設(shè)計流程等，并結(jié)合目標油田完成了外輸油管設(shè)計。

(1)外輸油管可以采用鋼管、軟管和混合油管方案。其中鋼管外輸方案以其較高的輸送效率和低廉的成本得到了較多應(yīng)用?；旌嫌凸芊桨感阅茏詈?，但其部件多且造價高，目前暫無應(yīng)用案例。

(2)浮力塊和連接方式是外輸油管的主要組成部件，對外輸油管的形態(tài)、運動性能和疲勞壽命具有重要影響。外輸油管與FPSO/浮筒連接點處得疲勞壽命最低，因此連接件的選擇十分關(guān)鍵。

(3)外輸油管的規(guī)格和數(shù)量需要由油氣輸送工藝計算確定。在設(shè)計過程中，需要進行多種分析，以校核外輸油管的強度和疲勞壽命問題，同時也要確保多根外輸油管間不發(fā)生碰撞。

[1] 王瑩瑩, 段夢蘭, 馮瑋等. 西非深水油氣田典型開發(fā)模式分析[J]. 石油礦場機械, 2010, 39(11): 1-8.

[2] Hovde G. O, Kaalstad J P，Skjaastad O. Offloading in Deep and Ultradeep Water-Main Drivers and Need for Improved Systems[C]. OTC 17463, 2005.

Oil Offloading Line and Design in Deepwater Oil& Gas Field Development Offshore West Africa

WANG Bo1， CAO Jing2， HE Ning1， SHI Yun2

(1. China Offshore Oil Engineering Co., Ltd.， Tianjin 300451, China；2. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

West Africa has become the focus of offshore oil & gas exploration and development around the world. This paper describes the typical development plan widely used in deepwater oil and gas field offshore West Africa, and presents a detailed introduction to the oil offloading line, including contrast between different options, main components, design methods, etc. Based on data of one chosen deepwater oil field offshore West Africa, oil offloading lines design has been finished, which could provide references for future projects design.

West Africa offshore；deepwater；oil offloading system；oil offloading line

2013-08-22； 修改稿收到日期： 2014-03-12

國家重大科技專項“西非深水工程關(guān)鍵技術(shù)研究”子課題“外輸系統(tǒng)及跳接管關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011ZX05030-06-001)。

王 波(1982-)，男，工程師。

1001-4500(2014)03-0001-06

P751

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