臍帶纜在海洋深水石油平臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

易吉梅

(海洋石油工程 (青島)有限公司，山東青島 266555)

臍帶纜是水下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是連接水上系統(tǒng)與水下系統(tǒng)的重要紐帶。臍帶纜的應(yīng)用有著悠久的歷史，并具備成熟的技術(shù)體系和管理體系，受制于技術(shù)水平和發(fā)展的限制，我國(guó)臍帶纜技術(shù)的研究還比較滯后，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有不小的差距。

目前，我國(guó)主要應(yīng)用的臍帶纜如陸豐22-1、惠州32-5等油田使用的臍帶纜多依賴于進(jìn)口，這不利于國(guó)內(nèi)深海油氣田的可持續(xù)開(kāi)發(fā)和利用。因此開(kāi)展針對(duì)臍帶纜的關(guān)鍵技術(shù)研究，有助于提升深海油氣田設(shè)置裝備體系的提升，是深海油氣田開(kāi)發(fā)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 臍帶纜系統(tǒng)概述

1.1 臍帶纜及其功能構(gòu)造

臍帶纜的首次應(yīng)用是殼牌公司于1961年在墨西哥灣建造的第一個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)。在上世紀(jì)60年代，臍帶纜的技術(shù)發(fā)展尚不成熟，臍帶纜系統(tǒng)還只是使用熱塑性軟管，隨著深水層對(duì)壓潰等要求的提升，金屬臍帶纜開(kāi)始越來(lái)越廣泛地使用，它克服了熱塑軟管在深水層的不足。隨著臍帶纜應(yīng)用技術(shù)的成熟，目前其應(yīng)用的最大水深已經(jīng)可以達(dá)到2 743 m，單根敷設(shè)長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到143 km。

臍帶纜在海洋工程中已經(jīng)應(yīng)用了近50年，在上世紀(jì)60年代，臍帶纜是直接采用液壓控制形式，全部由管道組成，而到了70年代，水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)始使用電液復(fù)合式，不再僅由管道組成，還包括了電纜和光纖等，目前臍帶纜已經(jīng)成功地應(yīng)用到了海洋工程中淺水及深水等各個(gè)領(lǐng)域［1］。

根據(jù)工況的不同，臍帶纜可以選用非金屬管和不銹鋼管作為工作液體的輸送管道，主要由電纜、光纜、液壓或化學(xué)藥劑管聚合物護(hù)套碳纖維棒或鎧裝鋼絲以及填充物等組成，包括電單元、光單元、管單元和外層設(shè)計(jì)，臍帶纜的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 臍帶纜的功能與作用

臍帶纜的主要功能有:①提供持續(xù)的電力電源給水下生產(chǎn)系統(tǒng);②提供液壓動(dòng)力源以保證水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制 (例如閥門執(zhí)行器);③為水下油井等提供化學(xué)藥劑注入通道 (如甲醇和緩蝕劑等);④為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供控制信號(hào)及傳輸水下生產(chǎn)系統(tǒng)操作運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 臍帶纜結(jié)構(gòu)示意圖

2 臍帶纜在海洋深水平臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 臍帶纜的應(yīng)用和研發(fā)

臍帶纜在海洋深水平臺(tái)中有著廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)臍帶纜的應(yīng)用研究主要集中在以下方面。①臍帶纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):主要圍繞滿足液壓化學(xué)藥劑注入、電力、控制及傳輸信號(hào)等功能要求，同時(shí)考慮材料選擇需求，重點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)電單元、光單元、管單元、外護(hù)層進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。②深水臍帶纜的安裝技術(shù):主要研究在復(fù)雜的深水地形和深水環(huán)境等各種因素，成功地進(jìn)行臍帶纜敷設(shè)，尤其需要長(zhǎng)距離敷設(shè)的臍帶纜，需確保臍帶纜在敷設(shè)工程不能受到機(jī)械損傷以及超過(guò)自身應(yīng)力范圍而受到破壞，在海底環(huán)境中穩(wěn)定的工作。

為了打破長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)所使用的臍帶纜全部依賴進(jìn)口的局面，“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究”被列入2009年國(guó)家社會(huì)發(fā)展領(lǐng)域海洋863科技發(fā)展計(jì)劃。在“十一五”期間國(guó)家計(jì)劃水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究課題組采取產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，確定了目標(biāo)臍帶纜功能要求單元數(shù)量為10根。隨著最近幾年重點(diǎn)對(duì)臍帶纜的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展攻關(guān)，目前已經(jīng)初步形成了我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的臍帶纜設(shè)計(jì)技術(shù)體系［1］。如東方電纜公司與中海油研究總院等知名科研機(jī)構(gòu)合作，通過(guò)不斷創(chuàng)新，攻克了臍帶纜領(lǐng)域的技術(shù)限制，研制出了具有較強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的臍帶纜，對(duì)于保障我國(guó)的能源安全具有重要的意義，引起了國(guó)內(nèi)外其他用戶的廣泛關(guān)注 ，在一定程度上打破了國(guó)外在動(dòng)態(tài)電纜上的壟斷。

2.2 國(guó)外臍帶纜在海洋深水平臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)外海纜供應(yīng)商主要為挪威AKER SOLUTION、NEXAN、法國(guó) TECHNIP DUCO及美國(guó)JDR等幾家公司，其中NEXAN公司擁有世界最先進(jìn)的電纜運(yùn)輸及安裝船［2］。國(guó)外在臍帶纜的安裝使用方面主要基于以下方面的設(shè)計(jì)研究:在設(shè)計(jì)規(guī)范方面，研發(fā)設(shè)計(jì)遵循ISO13628-5標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了水下控制系統(tǒng)、化學(xué)藥劑注入、氣舉、公用和供電控制臍帶纜等系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì);在截面設(shè)計(jì)方面，主要圍繞滿足液壓、化學(xué)藥劑注入、信息傳輸?shù)鹊目刂坪蛯?shí)施;在力學(xué)分析方面，由于臍帶纜在安裝和工作運(yùn)行中容易受到流、波浪、浮體運(yùn)動(dòng)等海洋環(huán)境作用，加上自身重力因素，容易產(chǎn)生破壞，因此，有必要研究其所受的動(dòng)態(tài)極值和疲勞荷載等參數(shù)，并驗(yàn)證其力學(xué)性能是否能夠滿足功能和環(huán)境等方面的要求;在制造技術(shù)方面，臍帶纜的生產(chǎn)制造由于受到功能單元方面的影響，在立式和臥式電纜設(shè)備上通過(guò)螺旋方面實(shí)現(xiàn)不同的功能單元的絞合，然后再對(duì)通過(guò)使用加裝保護(hù)和屏蔽層等實(shí)現(xiàn)對(duì)總體的保護(hù);在測(cè)試方面主要是通過(guò)單元測(cè)試，對(duì)臍帶纜整體的驗(yàn)證試驗(yàn)，包括拉伸、彎曲剛度等的試驗(yàn)以及對(duì)包括對(duì)外觀尺寸及各剖件的檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)臍帶纜的工廠驗(yàn)收試驗(yàn)等的分析。臍帶纜的安裝主要是基于水平鋪設(shè)和垂直鋪設(shè)等，最大限度地考慮臍帶纜最小彎曲半徑等相關(guān)的因素［2］。

2.3 國(guó)內(nèi)臍帶纜在海洋深水平臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)臍帶纜技術(shù)研發(fā)已經(jīng)日趨成熟，并且也取得了一定的進(jìn)步，臍帶纜國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程不斷加快。在2006年，中海油總公司通過(guò)與國(guó)外能源公司的合作，進(jìn)行深海油井開(kāi)發(fā)，并在南海珠江口盆地深水區(qū)成功探測(cè)出大量的天然氣，這預(yù)示著我國(guó)的能源安全向深水層的開(kāi)發(fā)邁出了重要的一步，同時(shí)也為臍帶纜技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。在“十一五”期間，國(guó)家加大臍帶纜技術(shù)攻關(guān)力度，采取產(chǎn)、學(xué)、研等相結(jié)合的多層次研發(fā)體系，基于南海環(huán)境開(kāi)展了針對(duì)臍帶纜的關(guān)鍵技術(shù)的研究和利用，經(jīng)過(guò)多年的艱苦攻關(guān)，通過(guò)臍帶纜技術(shù)工藝、不同單元材料、耐壓等關(guān)鍵技術(shù)的研究，已經(jīng)在臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、深水敷設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了實(shí)質(zhì)性的突破，并擁有了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)管理體系。并在力學(xué)分析承重有所突破，以1 500 m水深為試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)其荷載、海底穩(wěn)定性等進(jìn)行了具體的分析和研究，并得出了臍帶纜的質(zhì)量外徑比、拉伸性能等指標(biāo)管理體系。隨著國(guó)內(nèi)首個(gè)深水氣田項(xiàng)目-荔灣3-1中臍帶纜的成功應(yīng)用，為將來(lái)臍帶纜在深水平臺(tái)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 臍帶纜的技術(shù)要求及平臺(tái)管理需求

3.1 深水平臺(tái)對(duì)臍帶纜的技術(shù)要求

未來(lái)隨著臍帶纜在深水平臺(tái)的應(yīng)用，水下生產(chǎn)環(huán)境對(duì)臍帶纜提出了更多的要求，如臍帶纜的尺寸、拉伸角度等，臍帶纜在極端的波浪和流載荷下，不被鄰近的立管、錨線或者結(jié)構(gòu)干擾破壞等。同時(shí)隨著水深的增加，尤其是在超深水域中，臍帶纜的懸掛負(fù)荷比較高，對(duì)其安裝和運(yùn)行都會(huì)帶來(lái)一定的困難。此外在深水中，出于重量的考慮會(huì)限制臍帶纜中銅電纜的尺寸，因此在一些應(yīng)用中需要進(jìn)行高壓輸電，電壓等級(jí)的提高對(duì)臍帶纜德設(shè)計(jì)和技術(shù)研究也是一種挑戰(zhàn)。根據(jù)臍帶纜蔚藍(lán)發(fā)展的趨勢(shì)，我們還需要研究長(zhǎng)距離臍帶纜的技術(shù)，尤其是研究單根不間斷長(zhǎng)距離臍帶纜的技術(shù)，這些都是未來(lái)臍帶纜設(shè)計(jì)過(guò)程中必須予以高度重視的問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)。

3.2 臍帶纜在海洋深水平臺(tái)管理需求

臍帶纜目前在國(guó)內(nèi)取得了階段性的成功，初步形成了研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等一體的技術(shù)體系，加上國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)臍帶纜的巨大市場(chǎng)需求，臍帶纜的產(chǎn)業(yè)化步伐明顯加快。因此，要加大臍帶纜在海洋深水平臺(tái)的應(yīng)用力度，通過(guò)繼續(xù)深化臍帶纜研究工作，擴(kuò)大研究的范圍和覆蓋面，擴(kuò)大研發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模和層次，引進(jìn)國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀技術(shù)人才等，加強(qiáng)管理創(chuàng)新，為臍帶纜的技術(shù)升級(jí)改造，以及研發(fā)適應(yīng)我國(guó)的海洋深水平臺(tái)的高品質(zhì)優(yōu)秀產(chǎn)品提供堅(jiān)實(shí)的后盾。

4 臍帶纜在海洋深水平臺(tái)的應(yīng)用前景

臍帶纜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)在我國(guó)取得了階段性的成果，在某種程度上打破了國(guó)外在該領(lǐng)域的壟斷。產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)在動(dòng)態(tài)海底電纜、臍帶纜等方面取得了實(shí)質(zhì)性的突破，并引起了業(yè)界和國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，國(guó)外的一些大型公司如印尼國(guó)家石油公司、CACT等多家單位都非常重視我國(guó)技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用并簽署了相關(guān)的合同。我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，海底油氣資源豐富，而隨著我國(guó)油氣資源向海洋深水平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，對(duì)臍帶纜的需求和要求也越來(lái)越高。臍帶纜在海洋深水平臺(tái)中的應(yīng)用十分重要，也是水下生產(chǎn)系統(tǒng)必不可少的重要部件。同時(shí)根據(jù)國(guó)內(nèi)油氣資源在深水平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和利用，臍帶纜在我國(guó)有著廣闊的市場(chǎng)前景。由于國(guó)產(chǎn)臍帶纜的研發(fā)和生產(chǎn)在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，而我國(guó)又是一個(gè)臍帶纜消費(fèi)大國(guó)，對(duì)臍帶纜有著強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求，而漫長(zhǎng)的海岸線又為臍帶纜的技術(shù)研發(fā)提供了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。因此，臍帶纜的在我國(guó)深水平臺(tái)的應(yīng)用有著巨大的市場(chǎng)潛力。

5 結(jié)束語(yǔ)

走向深水是目前我公司發(fā)展的主要方向之一，而臍帶纜是深海油氣開(kāi)發(fā)不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備之一，為滿足國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的巨大市場(chǎng)需求，還需要進(jìn)一步掌握海洋深水臍帶纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、制造等關(guān)鍵技術(shù)的能力。雖然近幾年在國(guó)家的大力扶持下，臍帶纜的技術(shù)研發(fā)已經(jīng)取得了階段性的成果，但是，由于相關(guān)技術(shù)體系不成熟、管理缺乏經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)用范圍有限等都在某種程度上仍然制約著我國(guó)臍帶纜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。這既不能充分滿足國(guó)內(nèi)對(duì)臍帶纜的市場(chǎng)需求，也不利于國(guó)家的海洋能源戰(zhàn)略安全。因此，必須要高度重視臍帶纜的技術(shù)攻關(guān)和突破，在取得的階段性的研究成果的基礎(chǔ)上，加大研發(fā)力度，加強(qiáng)海洋裝備產(chǎn)業(yè)人才隊(duì)伍建設(shè)，加強(qiáng)管理創(chuàng)新，強(qiáng)化技術(shù)交流和市場(chǎng)調(diào)研，為臍帶纜在海洋深水平臺(tái)的成功應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，加快國(guó)內(nèi)深海油氣開(kāi)采的推進(jìn)步伐。

［1］郭宏，屈衍，李博，等.國(guó)內(nèi)外臍帶纜技術(shù)研究現(xiàn)狀及在我國(guó)的應(yīng)用展望 ［J］.中國(guó)海上油氣，2012(1):74-78.

［2］王愛(ài)軍，楊和振.臍帶纜深水安裝的參數(shù)影響分析［J］.船舶力學(xué)，2012(3):67-68.