水下管匯設(shè)計(jì)與安裝技術(shù)研究

高 翔， 張 益， 陳雪娟， 孫守仁， 程 鵬， 賈 濤， 田鳳仙

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721002).

水下管匯設(shè)計(jì)與安裝技術(shù)研究

高 翔， 張 益， 陳雪娟， 孫守仁， 程 鵬， 賈 濤， 田鳳仙

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721002).

水下管匯作為一種典型的水下生產(chǎn)設(shè)備，其設(shè)計(jì)與安裝面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。該文介紹了常規(guī)管匯的結(jié)構(gòu)組成及功能原理，提出了水下管匯系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與原則，且以常用的管匯工程實(shí)例闡述了設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)過(guò)程。同時(shí)還詳細(xì)論述了水下管匯安裝的5種技術(shù)，分析了各種安裝技術(shù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)水下管匯的設(shè)計(jì)制造、安裝維護(hù)、清洗試驗(yàn)等方面的技術(shù)發(fā)展與更新具有一定的指導(dǎo)意義。

水下管匯；設(shè)計(jì)；安裝；技術(shù)研究

0 引言

隨著陸上油氣資源開(kāi)采力度的加劇及其儲(chǔ)量的逐漸減少，加快海洋領(lǐng)域油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)將成為今后發(fā)展的重點(diǎn)[1]。水下管匯作為海洋石油深水開(kāi)發(fā)中水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基本組成部分，具有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)制造流程與要求。其作業(yè)長(zhǎng)期處于深水中，服役環(huán)境條件比較惡劣，內(nèi)部承壓較大，需要實(shí)現(xiàn)的功能多，整體布局形式復(fù)雜，導(dǎo)致深水中的管匯設(shè)計(jì)、制造、安裝、試驗(yàn)、清洗、維護(hù)等環(huán)節(jié)面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。同時(shí)，水下管匯作為關(guān)鍵的水下生產(chǎn)設(shè)備，其體積大、附加值高、應(yīng)用場(chǎng)合廣泛。

目前，國(guó)外水下管匯的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已經(jīng)成熟，水下生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造已成體系，形成了完善的配套市場(chǎng)。我國(guó)深水油氣田開(kāi)發(fā)起步較晚，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)配套設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用方面缺乏經(jīng)驗(yàn)[2]。為此，面對(duì)我國(guó)未來(lái)深水油氣田巨大的開(kāi)發(fā)需求，分析研究并努力開(kāi)發(fā)水下管匯系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)深水水下管匯技術(shù)國(guó)產(chǎn)化具有重要意義。

1 總體技術(shù)概況

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

水下管匯系統(tǒng)是包括管線、閥門、接頭等配件在內(nèi)的多根管線交匯而成的組合體，安裝于海底井群之間，將各個(gè)油井的油氣集中起來(lái)，通過(guò)輸油管線混合油流，輸送至采油平臺(tái)[3]。典型的水下管匯系統(tǒng)主要由管匯主體、支撐結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成。管匯主體結(jié)構(gòu)主要由管線、閥門、控制模塊、流動(dòng)儀表等組成；管匯支撐結(jié)構(gòu)是管匯與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的部分，用于支撐連接管線及其它配件；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有樁基、吸力錨、防沉板三種，依據(jù)地質(zhì)和載荷條件選擇一種類型，用于將管匯載荷傳遞至海床。

目前主要應(yīng)用于生產(chǎn)的是叢式井管匯和基盤式管匯兩種類型，如圖1、圖2所示。叢式井管匯可利用鉆井系統(tǒng)或施工船進(jìn)行安裝，并可以同其它設(shè)備協(xié)同操作以縮短項(xiàng)目周期，簡(jiǎn)化了安裝工藝，節(jié)約了成本，適用于生產(chǎn)井口位置相對(duì)分散的油氣田，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)管匯采用了此種類型；集成基盤式管匯可容納更多的井口數(shù)，有更大的匯集能力，適用于油氣藏集中、井口數(shù)目較多且分布密集的油氣田。

圖1 叢式井管匯 圖2 集成基盤式管匯

1.2 功能原理

水下管匯主要用來(lái)合成、分配、控制以及檢測(cè)流體流動(dòng)的狀態(tài)，可以優(yōu)化水下生產(chǎn)系統(tǒng)的布置，減少管道和立管的數(shù)量，促進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)液體的合理流動(dòng)，為翼型管匯、管道、臍帶纜等提供聯(lián)結(jié)樞紐。其主要功能有：(1)匯集和控制衛(wèi)星井產(chǎn)出的井液，通過(guò)海底管線輸送，控制混合流體到油田輸出管線；(2)從上部設(shè)施通過(guò)管匯向各井口泵輸送來(lái)自水面的氣體，實(shí)現(xiàn)氣舉；(3)適應(yīng)不同作業(yè)工況，向各井注入化學(xué)藥劑；(4)通過(guò)管匯對(duì)單井的產(chǎn)液特性進(jìn)行測(cè)試和計(jì)量；(5)通過(guò)清管實(shí)現(xiàn)管匯管道清理；(6)實(shí)現(xiàn)在平臺(tái)進(jìn)行遙控操作功能。

2 技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及原則

2.1 總體設(shè)計(jì)原則

(1)水下管匯作為一種典型的深水水下生產(chǎn)設(shè)施，依據(jù)水下油氣田的油氣儲(chǔ)量、海底地形、出油方式、環(huán)境載荷、海底基槽、鉆井進(jìn)度、安裝方法及試運(yùn)行結(jié)果等方面來(lái)制定選配目標(biāo)項(xiàng)目的管理方案，合理配置各子系統(tǒng)，確保在壽命期內(nèi)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行[4]。

(2)在完全滿足管匯功能實(shí)現(xiàn)的前提下，兼顧制造、試驗(yàn)、安裝、作業(yè)及維護(hù)方案，按照API、DNV、ASME等相關(guān)規(guī)范，選定合理的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則，尤其是強(qiáng)制性要求。同時(shí)，還應(yīng)參照安裝工藝可行性、運(yùn)行成本、風(fēng)險(xiǎn)及可靠性等因素對(duì)各個(gè)部件的配套進(jìn)行合理的選擇。

2.2 關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)總體布局設(shè)計(jì)

依據(jù)油田各水下井口及其它管道總體布置，確定井口跨接的主管線及分支管線的布局位置和方向，統(tǒng)籌考慮水下管匯的安裝、巡檢、維護(hù)、生產(chǎn)等水下作業(yè)，確保管匯重心布置合理，滿足水下生產(chǎn)工藝要求。管匯上的元器部件，如閥門、管線連接器、控制模塊、儀表等布局及標(biāo)記，便于水下機(jī)器人ROV的檢查、安裝、連接、維護(hù)、更換等作業(yè)。同時(shí)，根據(jù)深水、低溫環(huán)境、化學(xué)介質(zhì)等要素，確定合適的材料，制定完善的防腐保護(hù)措施。

(2)結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

管匯結(jié)構(gòu)整體為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，分為3層：頂層結(jié)構(gòu)由型鋼和鋼板組成，防止上方落物沖擊，為管匯結(jié)構(gòu)、設(shè)備提供保護(hù)；中層結(jié)構(gòu)由型鋼組成，主要承受和傳遞上部結(jié)構(gòu)載荷；下層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，也由型鋼組成，為整個(gè)系統(tǒng)框架內(nèi)部設(shè)備提供支撐。水下管匯的基礎(chǔ)主要有樁、吸力錨、防沉板三種，不同的基礎(chǔ)類型，其管匯系統(tǒng)的布局也有所不同。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)不同水深、地質(zhì)狀況、安裝工藝、載荷狀態(tài)等，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛性進(jìn)行全面分析。

(3)管線配置設(shè)計(jì)

管線設(shè)計(jì)要綜合考慮環(huán)境熱載荷、管線內(nèi)外壓力差、水合物沉積、流動(dòng)保障、清管作業(yè)等因素，做好管線路由優(yōu)化。路由布置要兼顧不同水下生產(chǎn)設(shè)施之間不同角度的跨接，保證管線的連接布局緊湊，安全方便，便于ROV的輔助操作；管線設(shè)計(jì)按照海底零內(nèi)壓分析計(jì)算，分別依據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)和DNV標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算校核環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、組合應(yīng)力及管道壓潰，滿足設(shè)計(jì)水深要求。當(dāng)要求具備清管功能時(shí)，要考慮清管回路及管路元件的設(shè)置。

(4)控制系統(tǒng)

水下管匯上的控制元器件要求長(zhǎng)期安全、可靠的工作，便于進(jìn)行水下安裝、連接和維護(hù)等作業(yè)?？刂苾?nèi)容主要包括開(kāi)關(guān)水下閥門、監(jiān)測(cè)溫度和壓力、生產(chǎn)計(jì)量、電液分配等。開(kāi)關(guān)閥門所需的液壓動(dòng)力由水面平臺(tái)通過(guò)臍帶纜提供，液壓控制需考慮水深大、距離遠(yuǎn)、壓力高的環(huán)境特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)的工藝參數(shù)、生產(chǎn)計(jì)量參數(shù)也通過(guò)臍帶纜遠(yuǎn)傳到水面上。

(5)管匯試驗(yàn)及清洗工藝設(shè)計(jì)

管匯系統(tǒng)組裝完成后，要進(jìn)行各個(gè)管線系統(tǒng)的靜壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力與水深、流通介質(zhì)、管線材質(zhì)和流體井口壓力有關(guān)，具體數(shù)值由各個(gè)管線詳細(xì)設(shè)計(jì)確定，完成試驗(yàn)方案及其工裝的設(shè)計(jì)。同時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和文件做出系統(tǒng)管線的清洗管段順序圖，制定預(yù)清洗和最終清洗的方案步驟[5]。

2.3 常規(guī)管匯的設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路和要點(diǎn)，以南海1 500 m水深某氣田所配套水下管匯的作業(yè)功能要求，進(jìn)行了總體布置方案設(shè)計(jì)。深水管匯設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是生產(chǎn)管線、注入管線的合理布局，以及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)框架的合理選擇。首先對(duì)水下管匯的生產(chǎn)管線進(jìn)行設(shè)計(jì)及計(jì)算分析，然后在設(shè)計(jì)的生產(chǎn)管線的布局架構(gòu)上，合理地布置了注入管線。為滿足管匯的詳細(xì)設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，通過(guò)不斷分析在結(jié)構(gòu)及尺寸上還進(jìn)行了一定的優(yōu)化。另外，所有的管線、閥門等設(shè)備都由結(jié)構(gòu)框架支撐，因此對(duì)結(jié)構(gòu)框架也進(jìn)行了強(qiáng)度分析。

此次設(shè)計(jì)的水下管匯基本方案如圖3所示，有6個(gè)井槽，包括2組并行生產(chǎn)管線、6組支管和1條清管循環(huán)彎管，生產(chǎn)管線和注入管線作為管匯系統(tǒng)的核心部分，用來(lái)完成油氣和化學(xué)藥劑的匯集與分配。該方案各管線選擇API 5L X65鋼管，兩組并行生產(chǎn)管線按照冗余設(shè)計(jì)，可以滿足高壓、低壓井隔離集輸，注入管線包括甲醇注入管線、乙二醇注入管線、藥劑注入管線、測(cè)試管線等。依據(jù)目標(biāo)海域的海床土壤條件、載荷性質(zhì)、安裝模式，選擇水下單吸力錨為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，最后綜合兼顧吊裝模式、防護(hù)管線、閥門等因素設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架。

為實(shí)現(xiàn)清管功能，循環(huán)彎管的直徑與主管一致，且彎曲半徑至少為主管直徑的5倍，便于清管球順利通過(guò)，管體中間安裝有清管閥，其整體管線布置如圖4所示。依據(jù)連接位置和安裝方法，選擇管端液壓連接器，便于使用和安裝，循環(huán)彎管兩端的液壓連接器分別與并行生產(chǎn)管線的快速接頭連接。

圖3 管匯管線布局方案圖 圖4 循環(huán)彎管布置圖

3 幾種典型的管匯安裝技術(shù)

水下管匯重量從幾十噸到幾百噸，其安裝是一項(xiàng)對(duì)水深條件非常敏感的工程，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)濟(jì)合理的管匯安裝方法可以縮短海上安裝時(shí)間、降低安裝資源需求、降低海上安裝作業(yè)成本、保障水下管匯系統(tǒng)安全運(yùn)行[6]。為此，有必要對(duì)典型的水下管匯安裝技術(shù)進(jìn)行研究，為具體工程中的安裝提供指導(dǎo)。

3.1 鉆桿安裝技術(shù)

一般先將管匯由駁船運(yùn)輸并固定在鉆井船月池下方，安裝時(shí)用續(xù)接鉆桿將管匯下放至水中。通常能夠進(jìn)行深水作業(yè)的鉆井船都配有動(dòng)力定位裝置，且鉆井游吊系統(tǒng)配套有升沉補(bǔ)償裝置，具有適應(yīng)管匯安裝作業(yè)的能力。相比于多功能工程船舶，鉆井船資源相對(duì)較少，使用費(fèi)用較高，鉆具連接時(shí)間長(zhǎng)，效率低。

3.2 絞車安裝技術(shù)

絞車安裝是通過(guò)船尾的吊機(jī)、A架、絞車的聯(lián)合作業(yè)對(duì)管匯實(shí)施安裝，這種方法對(duì)尺寸較大以及質(zhì)量較重的管匯比較實(shí)用，對(duì)吊機(jī)、絞車以及升沉補(bǔ)償裝置的提升能力提出了更高的要求，對(duì)船舶資源要求較為嚴(yán)格，可能導(dǎo)致安裝費(fèi)用的增大。

3.3 滑輪安裝技術(shù)

滑輪安裝需要由配備了升沉補(bǔ)償裝置的半潛式平臺(tái)和兩艘操錨船實(shí)施作業(yè)。管匯上方設(shè)置一個(gè)滑輪，穿過(guò)滑輪的鋼絲繩為管匯下放的主纜繩，其兩端分別連接著兩艘操錨船上的絞車。管匯首先由平臺(tái)上的吊機(jī)下放到水中，隨后的重量逐漸由吊機(jī)轉(zhuǎn)向主纜繩，在達(dá)到水面以下90 m深度時(shí)解除吊機(jī)與管匯的連接，管匯的重量完全由連接到兩艘操錨船上的絞車承載，并逐漸下放到海底。該安裝技術(shù)的機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，但降低了對(duì)吊繩、吊機(jī)和絞車能力的要求。

3.4 懸垂安裝技術(shù)

懸垂安裝是通過(guò)運(yùn)輸船與安裝船聯(lián)合作業(yè)完成的。管匯索具由纜繩連接至安裝船協(xié)同作業(yè)，兩艘船之間的距離約為纜繩長(zhǎng)度的90%。管匯由運(yùn)輸船下放至水中，由于纜繩的連接，管匯在水中做鐘擺式運(yùn)動(dòng)，直至平衡，再通過(guò)安裝船纜繩控制管匯其余的下放過(guò)程，完成整個(gè)安裝。由于繩纜采用特殊材料可以有效地阻止管匯振動(dòng)，并且海水和繩纜的拉力可以有效地緩解管匯的擺動(dòng)，因此該方法在深水海域具有較高的應(yīng)用性。

3.5 鉛筆式浮標(biāo)技術(shù)

鉛筆式浮標(biāo)技術(shù)是一個(gè)集水下結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸與安裝為一體的方法。在海況條件較好的情況下，首先用駁船將管匯從建造場(chǎng)地運(yùn)輸至目標(biāo)海域位置，用浮吊將管匯從駁船上吊放入水，管匯重量由浮吊逐漸轉(zhuǎn)移至安裝船上。管匯上的索具連接著安裝船的絞車和鉛筆形狀的浮筒，浮筒下水后，安裝船緩慢移動(dòng)， 在拖航過(guò)程中，管匯的重量由浮筒的浮力來(lái)提供。當(dāng)拖至安裝地點(diǎn)后，絞車回收繩索，管匯重量重新由浮筒傳遞到絞車，此時(shí)浮筒上浮回收到安裝船的甲板，管匯慢慢下放到海底。

4 結(jié)論

(1)水下管匯系統(tǒng)作為一種典型的生產(chǎn)設(shè)施，其設(shè)計(jì)、建造、測(cè)試、安裝及維護(hù)是一項(xiàng)技術(shù)密集型工程。對(duì)其全過(guò)程的系統(tǒng)性研究，掌握其設(shè)計(jì)建造及安裝技術(shù)的基本思路，并通過(guò)實(shí)例闡述了管匯系統(tǒng)的整體布局方案，為其它類型管匯或設(shè)備的工程設(shè)計(jì)提供參考。

(2)歸納總結(jié)了5種典型的管匯安裝技術(shù)，分析了各種安裝技術(shù)的實(shí)施過(guò)程及應(yīng)用狀況，通過(guò)對(duì)比各自的優(yōu)點(diǎn)和限制條件，為實(shí)際工程選擇合理的安裝模式提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

(3)隨著國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)與安裝技術(shù)的不斷研究深化，需要進(jìn)一步強(qiáng)化管線焊接與測(cè)試技術(shù)，逐步建立水下工藝技術(shù)體系，包括高壓模擬測(cè)試系統(tǒng)、高壓密封、電信號(hào)檢測(cè)、元器件高應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試以及閥門動(dòng)作測(cè)試等，以推動(dòng)海洋工程裝備測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。

(4)水下液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是由于存在泄露、腐蝕、摩擦等技術(shù)問(wèn)題，且水下液壓元件價(jià)格昂貴，還有很大發(fā)展空間。

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Research on Design and Installution of Subsea Manifold

GAO Xiang, ZHANG Yi, CHEN Xue-juan, SUN Shou-ren, CHENG Peng, JIA Tao, TIAN Feng-xian

(CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd, Shaanxi Baoji 721002, China)

Subsea manifold as a typical underwater production equipment, its design and installation is facing many technical challenges. Therefore, this paper introduces the structure and function of conventional manifold theory, puts forward the technical key points of the design and principle of piping system under water, andthe pipe engineering example illustrates the design details of process. At the same time, the paper also discusses in detail the 5 techniques of underwaterpipe installation, introduces the advantages and disadvantages of variousinstallation methods. This is to promote the design and manufacture of underwater manifolds, installation and maintenance, cleaning and testing and other aspects of technology development and updating has some significance.

underwater manifold; design; installation; technology research

2014-08-22

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科技項(xiàng)目“水下生產(chǎn)系統(tǒng)研制”(2011B-1605)。

高 翔(1982-)，男，工程師。

1001-4500(2015)04-0041-04

P75

A