深水海底管線終端技術(shù)發(fā)展的回顧與展望

周美珍， 王長濤， 顧永維， 魏會東

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

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深水海底管線終端技術(shù)發(fā)展的回顧與展望

周美珍， 王長濤， 顧永維， 魏會東

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

該文回顧了海洋油氣生產(chǎn)領(lǐng)域無潛連接的深水海底管線終端在國內(nèi)外的發(fā)展歷程，概括了其技術(shù)現(xiàn)狀，并指出海底管線終端相關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向。

深水；海底管線終端； 回顧；展望

0 引言

深水海底管線終端(PLET)用于海底管線末端進行海管與水下生產(chǎn)設(shè)施的水下連接，實現(xiàn)氣/液的輸送，廣泛應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)。國際上對PLET的應(yīng)用可以追溯到20世紀70年代，而在此領(lǐng)域，國內(nèi)一直到2012年5月，在Lh1-1油田開發(fā)項目中，中海油自主設(shè)計的無潛海底管線終端順利鋪設(shè)到水深312 m的海底，并于同年7月順利投產(chǎn)。這是我國首次應(yīng)用深水海底管線終端，也是我國自主研發(fā)的水下生產(chǎn)設(shè)施在深水油氣田開發(fā)項目中的首次應(yīng)用。以此為突破口，中海油陸續(xù)實現(xiàn)了多個工程項目的多種水下設(shè)施國產(chǎn)化。隨著全球海洋石油開發(fā)不斷向深水邁進，作為深水油氣田開發(fā)常用的水下設(shè)施，海底管線終端將有著廣泛的應(yīng)用前景。該文對海底管線終端在國內(nèi)外的發(fā)展歷程做了回顧，對其技術(shù)現(xiàn)狀進行總結(jié)，并對海底管線終端相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了探討。

1 深水海底管線終端發(fā)展的歷史回顧

20世紀70年代，各大石油公司都在針對水深超過潛深范圍的無潛海管回接技術(shù)進行研究。其中比較有代表性的是Exxon公司的直接拉入(Directly Pull-in)連接技術(shù)[1]。該技術(shù)采用拖拉的方式將海管端部的水下連接器接頭拉向目標(biāo)水下設(shè)施上的接收裝置，并在對中裝置的引導(dǎo)下與接收裝置組對，最終由接收裝置將接頭鎖緊，完成連接。為與水下設(shè)施上接收裝置的高度相匹配，并避免管線懸跨過長，海管接頭支撐在一個專用滑撬上，如圖1所示。該技術(shù)在用于管線終止端時，需要將滑撬刻意鋪設(shè)到位于目標(biāo)接收裝置側(cè)前方的目標(biāo)鋪設(shè)區(qū)域內(nèi)，在通過牽引拖拉纜，使滑撬帶動管線按照設(shè)計路徑沿海床進行較大幅度的橫向滑動后，再進行拉入連接，如圖2所示。因此，應(yīng)用于海管終止端時，該技術(shù)也被稱為橫向移位(Lateral Deflection)連接技術(shù)[2]。上述無潛連接技術(shù)中使用的滑撬及其上部的管線，即是現(xiàn)代深水海底管線終端的雛形。

圖1 直接拉入無潛連接技術(shù)示意圖

圖2 橫向移位無潛連接技術(shù)示意圖

直接拉入連接技術(shù)使深水海管的無潛回接成為現(xiàn)實。但是，由于缺少吸收海管變形的裝置，導(dǎo)致海管在系統(tǒng)啟停時容易出現(xiàn)管線屈曲，因此該技術(shù)不適用于高溫高壓生產(chǎn)管線的回接。此外，由于水下連接器直接與海管相連，這種連接方式，特別是用于剛性海管連接時，連接和解脫所耗費的資源和成本都非常高，并且存在連接和解脫過程中海管局部屈曲的風(fēng)險，導(dǎo)致可重復(fù)性及可維護性差，限制了其應(yīng)用范圍。

1989年～1992年間，Esso公司和Exxon公司研究了一項可應(yīng)用于水深1 000 m的深水油氣田開發(fā)的深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)-DMaC(Diverless-Maintained Cluster)[3]，如圖3所示。此項研究的一個亮點是，開發(fā)了可由ROV操作的8″~12″大管徑(相對于4″采油樹管線)水下連接器，并將用于采油樹和管匯連接的跨接管(Jumper)技術(shù)移植到管匯和外輸管線的無潛連接中，通過跨接管將管匯與海管末端的PLET進行連接，而無需直接拖動海管進行連接。該技術(shù)可以通過跨接管的變形吸收管線的膨脹，并且可以由ROV輔助實現(xiàn)跨接管的定位、連接和分離操作，克服了直接拉入連接技術(shù)的缺點。該技術(shù)的成功開發(fā)，形成了現(xiàn)代海管回接的標(biāo)準(zhǔn)形式，即采用PLET通過Jumper進行海管與水下設(shè)施的無潛連接。通過該技術(shù)，可以直接采用ROV完成海底管線終端與水下生產(chǎn)設(shè)施的無潛連接和維護。

圖3 “DMaC”試驗研究方案

時至今日，PLET技術(shù)已經(jīng)有了長足的發(fā)展，也被賦予了更多的功能，形成了功能各異的PLET。例如，具有緊急關(guān)斷能力的SSIV PLET，多個接口的海管終端管匯(PLEM)，用于輔助生產(chǎn)的氣舉、注水、注化學(xué)藥劑的PLET等，但是現(xiàn)代PLET都采用與上述研究相同的海管與水下設(shè)施之間的連接理念。PLET在自身發(fā)展的同時，也賦予了水下生產(chǎn)系統(tǒng)更多、更靈活的開發(fā)方式。

2 深水海底管線終端發(fā)展的現(xiàn)狀

PLET的發(fā)展始終緊隨深水油氣田開發(fā)的需求，同時，其發(fā)展受到安裝資源、安裝能力的制約，并與無潛連接器技術(shù)緊密相關(guān)。經(jīng)過多年的發(fā)展和磨合，形成了形式各異的PLET。按照安裝方式、結(jié)構(gòu)形式和連接形式的不同，可以對深水PLET進行分類，見表1。

表1 深水PLET分類表

2.1 國外PLET的應(yīng)用情況

隨著海上油氣開發(fā)走向深水，海底管線終端的服役水深記錄被一次次刷新。目前世界上已經(jīng)安裝的最深的PLET位于墨西哥灣的Tobago油田(Perdido項目的一部分)，水深2 926 m，2011年11月投入使用。該PLET管徑為10″，采用豎直連接方式，使用J-Lay方式鋪設(shè)安裝，如圖4所示。

圖4 Tobago油田起始端(左)和終止端(右)PLET安裝

世界上最大、最重的PLET服役于Ormen Lange氣田，位于850 m水深的挪威海，2007年10月投入使用。該PLET輪廓長35 m，寬30 m，采用分體式結(jié)構(gòu)形式，包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和兩個具有PLET主體模塊，如圖5所示。僅基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就重達350 t，每個PLET模塊135 t。Ormen Lange氣田的基盤管匯B和C(未來安裝)分別通過的16″和12″ 兩條水平跨接管接入該PLET后，通過兩條30″鋼管外輸?shù)疥懮辖K端。PLET主體模塊可在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上滑動，以吸收30″海管的膨脹[4]。

圖5 Ormen Lange氣田PLET的總成(左)、獨立基礎(chǔ)(中)和PLET模塊(右)

2.2 國內(nèi)PLET的應(yīng)用情況

國內(nèi)最早采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)的深水油田是LH11-1油田，1996年3月投產(chǎn)。但是，在該項目中并沒有采用PLET，而是采用ROV操作的直接拉入連接方式，進行外輸FPS的軟管與回接基座(Tie-in Base)的連接[5]，后續(xù)的LF22-1油田也沒有使用PLET。

國內(nèi)第一次應(yīng)用深水PLET是在2012年7月投產(chǎn)的Lh1-1油田。Lh1-1油田采用叢式水下生產(chǎn)系統(tǒng)，匯集到中心管匯的井液通過一條10.5 km的18″/22″雙層海管回接到LH11-1油田，如圖6所示。海管兩端各有一臺PLET，設(shè)計水深分別為312 m(LH11-1側(cè))和267 m(Lh1-1側(cè))，輸送介質(zhì)為油氣水三相混合體，設(shè)計溫度65℃，設(shè)計壓力8.1 MPa。PLET的承壓管線為碳鋼管，采用豎直連接方式。結(jié)構(gòu)采用了可折疊、分體式設(shè)計方案，使用S-Lay方式鋪設(shè)安裝。Lh1-1油田開發(fā)中的PLET是國內(nèi)首次在工程項目中應(yīng)用自主研發(fā)的深水水下生產(chǎn)設(shè)施，創(chuàng)造了國內(nèi)自主設(shè)計水下生產(chǎn)設(shè)施的水深記錄。

圖6 Lh1-1油田開發(fā)示意圖(左)及托管架上折疊狀態(tài)的PLET(右)

2015年1月投產(chǎn)的PY35-2/35-1氣田，采用鏈?zhǔn)剿律a(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)。PY35-2和PY35-1氣田分別通過1條10″和6″的CRA復(fù)合管回接到PY34-1 CEP平臺。該項目共應(yīng)用了1臺6″的PLET和3臺10″的PLET，作業(yè)水深195 m～338 m。輸送介質(zhì)為酸性氣體，設(shè)計溫度103℃，設(shè)計壓力31 MPa(PY35-2)和27 MPa(PY35-1)。PLET的承壓管線為CRA復(fù)合管，采用豎直連接方式。結(jié)構(gòu)采用了PLET主體和基礎(chǔ)分離的分體式設(shè)計方案，PLET主體使用S-Lay方式鋪設(shè)安裝，基礎(chǔ)使用吊裝方式安裝。由于海管路由處于漁業(yè)作業(yè)區(qū)，在PLET的防沉板基礎(chǔ)上還集成了防護結(jié)構(gòu)，防止?jié)O網(wǎng)拖掛對PLET造成損傷。安裝時，先采用吊機單獨下放防沉板基礎(chǔ)，然后將PLET主結(jié)構(gòu)與海底管線一起鋪設(shè)安裝到基礎(chǔ)上，如圖7所示。

圖7 PY35-2/1氣田開發(fā)示意圖(左)、PLET基礎(chǔ)吊裝下水(中)及 PLET水下裝配(右)

圖8 LW3-1氣田開發(fā)示意圖

2014年3月投產(chǎn)的LW3-1氣田，采用叢式開發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)對東西兩區(qū)進行開發(fā)，油氣匯集到PLEM后回接到LW3-1 CEP平臺，如圖8所示。該項目中共應(yīng)用了26臺PLET，其中16臺氣管線PLET(包括2臺SSIV PLET)，10臺MEG管線PLET，作業(yè)水深200 m～1 460 m。輸送介質(zhì)為酸性氣體和MEG，設(shè)計溫度102℃，設(shè)計壓力316 bar，承壓管線的管徑涵蓋4.5″、 6″、 12″和 22″，同時應(yīng)用了水平和豎直兩種連接方式。所有PLET均采用J-Lay方式鋪設(shè)安裝。其中，位于西區(qū)管匯附近的12″in-field PLET 水深1 460 m，是目前國內(nèi)作業(yè)水深最深的PLET。

3 深水海底管線終端的發(fā)展趨勢

隨著對油氣的開發(fā)走向更深的海域，作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接必需的海底管線終端也將也將向著更深的水深進發(fā)。目前Shell公司正在墨西哥灣開發(fā)比Perdido項目水深更深的Stones項目，Perdido項目保持的PLET水深記錄有望被打破。

另外，隨著水深的增加，海上施工成本將在開發(fā)中占有越來越大的比重。為了降低施工成本，深水項目中越來越多地采用鋪設(shè)的方式進行PLET的安裝，并且以往用吊裝方式安裝的大管徑、大尺寸、大重量的PLET也將采用鋪設(shè)安裝的方式安裝。例如，LW3-1深水項目中管徑22″，重91 t的SSIV PLET仍然采用J-Lay的方式鋪設(shè)安裝。而且，為控制海上施工成本，這種趨勢將繼續(xù)發(fā)展。為了滿足這種需求，工程公司除了建造更強大的鋪管船外，在PLET的安裝方式上也將有所突破，以克服以往的安裝方式對PLET尺寸和重量的限制。

為滿足全球?qū)δ茉吹男枨?，未被開發(fā)高溫高壓(溫度超過150℃，壓力超過10Kpsi)的油氣田也將被陸續(xù)開發(fā)，對PLET的設(shè)計也帶來新的需求和挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅是對PLET上閥門、連接器等關(guān)鍵設(shè)備承壓和密封設(shè)計的挑戰(zhàn)，還來自于高溫高壓導(dǎo)致的海管爬行 (Pipeline Walking)問題。對于高溫高壓海管，每一次系統(tǒng)啟停，海管將從熱端向冷端整體移動(包括PLET)一定距離，這種海管整體移動的現(xiàn)象被稱為海管爬行[6]。海管帶動PLET爬行會使與之連接的跨接管失效，抑制海管爬行的最有效的方式是從海管熱端施加約束。因此，如何實現(xiàn)既可以在系統(tǒng)啟動時吸收管線的膨脹量，又可以在關(guān)停時提供足夠的約束力，阻止海管爬行，將是PLET設(shè)計的一個新的課題。

雖然國內(nèi)在PLET的研究和應(yīng)用上起步晚，但是起點高、速度快。除了PLET自身的設(shè)計技術(shù)在不斷進步外，PLET的關(guān)鍵部件也有了突破性的發(fā)展。目前，國內(nèi)自主研制的水下連接器已完成海試，水下閥門也已經(jīng)完成PR2測試，有望在不久的將來應(yīng)用于國內(nèi)的工程項目，實現(xiàn)水下PLET全部國產(chǎn)化。另外，在安裝船舶方面，海洋石油工程股份有限公司將建造一艘具備3 000 m海管鋪設(shè)能力的J-Lay起重鋪管船[7]，該船具備大尺寸、大重量的PLET和其他在線(In-Line)結(jié)構(gòu)物的安裝能力，將使我國PLET的鋪設(shè)安裝能力獲得重大提升。

4 結(jié)語

隨著我國南海油氣勘探工作的深入開展，深水油氣田不斷被發(fā)現(xiàn)，南海深水區(qū)域?qū)⒊蔀槲覈Ｑ笥蜌赓Y源開發(fā)的熱點，未來的南海將是各國深水工程公司角逐的主戰(zhàn)場。深入研究水下生產(chǎn)系統(tǒng)，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深水水下生產(chǎn)設(shè)施，是我國海洋工程公司的在南海的角逐中站穩(wěn)腳跟的唯一出路。雖然我國已經(jīng)實現(xiàn)了深水PLET的國產(chǎn)化應(yīng)用，但是，這只是在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研發(fā)中邁出的一小步，需要我國海洋油氣工程開發(fā)的工作者在此基礎(chǔ)上進行更深更廣的研究，以實現(xiàn)水下設(shè)施的全部國產(chǎn)化，趕超國際先進水下生產(chǎn)技術(shù)。

[1] Richard S A，Burkhardt J A ， Daughtry A C．Deepwater pipeline connection-a subsystem of the submerged production system[C]. Offshore Technology Conference，1976.

[2] Pras S，Levallois E，Gouraud O．Second end flowline connection without length adjustment[C]. Offshore Technology Conference，1978.

[3] Pejaver D R， Jones J W, White John, et al. Prototype testing of the diverless-maintained cluster(DMaC) subsea production system[C]. Offshore Technology Conference，1992.

[4] Thomas B, Endre S. Ormen lange subsea production system[C]. Offshore Technology Conference，2007.

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[6] Carr M, Sinclair F,Bruton D.Pipeline walking-understanding the field layout challenges and analytical solutions developed for the SAFEBUCK JIP[C]．Society of Petroleum Engineers, 2008.

[7] 李明捷，段夢蘭，任曉瑤,等．基于雙八千起重鋪管船的J-lay控制系統(tǒng)設(shè)計及模型試驗研究[C].第七屆中國CAE工程分析技術(shù)年會，2011.

Retrospect and Prospect of Technology on Deepwater Pipeline End Termination

ZHOU Mei-zhen, WANG Chang-tao, GU Yong-wei, WEI Hui-dong

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd， Tianjin 300451， China)

Worldwide and domestic development history, current technology of deepwater pipeline end termination is introduced and summarized. Development trend of deepwater pipeline end termination is forecasted. The R&D and application of deepwater pipeline end termination in China is also introduced. Diver intervened pipeline end termination is not covered in this paper.

deepwater; pipeline end termination; retrospect; prospect

2015-04-15

國家工業(yè)和信息化部海洋工程裝備項目“水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)(一期)”專項經(jīng)費資助(E-0813C003)。

周美珍(18:19 2016-3-1818:19 2016-3-1818:19 2016-3-1818:19 2016-3-1818:19 2016-3-1818:19 2016-3-1818:19 2016-3-181962-)，女，教授級高級工程師。

1001-4500(2016)01-0001-07

P75

A