跨接管安裝技術(shù)研究進(jìn)展

薛士輝　張亞雷　黃佳瀚　王燁　彭勇

摘 要：隨著我國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)走向南海深水，深水跨接管作為水下采油樹(shù)、管道終端管匯（PLEM）、管道終端（PLET）及輸油管線間的連接管段，其安裝技術(shù)尤為重要。通過(guò)對(duì)跨接管類(lèi)型、跨接管連接方式、跨接管連接器類(lèi)型的研究，分析總結(jié)了跨接管安裝所需設(shè)備資源，對(duì)形成適合我國(guó)深水油氣開(kāi)發(fā)的深水跨接管安裝技術(shù)，滿足我國(guó)南海深水油氣田開(kāi)發(fā)的需要具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：跨接管；安裝技術(shù)；深水油氣；連接方式；連接器

中圖分類(lèi)號(hào)：TE54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

ABSTRACT： With the marine oil and gas development towards the deep water of the South China Sea， the deepwater jumpers as the connection pipe use for among subsea tree PLET PLEM and oil pipeline. Its installation technology is very important. Studying jumper type jumper connection type and jumper connector type， analyzing and summarizing required equipment resource of jumper installation have a certain guiding significance for forming suitable jumper installation technology and meeting the need of deep water oil and gas exploration in China.

KEY WORDS： Jumper； Installation Technology； Deep Water Oil and Gas； Connection Type； Connector.

1 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)成為深水油氣開(kāi)發(fā)中的一種主流模式，深水水下連接是構(gòu)建完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)?？缃庸茏鳛樯钏律a(chǎn)設(shè)施的重要組成部分，是深水油氣開(kāi)發(fā)中必不可少的組成，常用于水下采油樹(shù)、水下管匯、水下基盤(pán)以及輸油管線間的連接，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中有著極為廣泛的應(yīng)用。我國(guó)南海海域是世界四大油氣富集地之一，隨著我國(guó)海洋油氣開(kāi)采向南海深水發(fā)展，跨接管在工程中的使用需求不斷增大。深水跨接管的設(shè)計(jì)、制造、安裝、試驗(yàn)、維護(hù)等技術(shù)長(zhǎng)期為國(guó)外少數(shù)公司壟斷，而我國(guó)在深海油氣開(kāi)發(fā)方面起步晚，缺乏自主的關(guān)鍵技術(shù)，工程經(jīng)驗(yàn)缺乏，技術(shù)儲(chǔ)備較少，特別是在技術(shù)含量更高的設(shè)計(jì)方面，用市場(chǎng)換技術(shù)的方法會(huì)造成中國(guó)海洋工程在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法擺脫對(duì)國(guó)外公司依賴的局面。因此，盡快開(kāi)展跨接管研究，突破跨接管?chē)?guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，掌握深水跨接管的設(shè)計(jì)、制造、安裝、試驗(yàn)、維護(hù)等技術(shù)在市場(chǎng)需求、技術(shù)發(fā)展方面都有重大意義，而且還能為南海深水油氣開(kāi)采帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 跨接管類(lèi)型

跨接管的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通常是在2個(gè)端部安裝有連接器接頭并帶有一定形狀的管段，是一個(gè)較短的管狀連接元件，如圖1所示。其連接器與管道終端、管道終端管匯、采油樹(shù)等設(shè)備上的轂座相連，如圖2所示。除輸油外，跨接管也可用來(lái)向油井注入水和氣?？缃庸芨鶕?jù)管道是剛性還是柔性可分為剛性跨接管和柔性跨接管，其中，剛性跨接管主要有“M”和“U”兩種形式，如圖3所示。海底設(shè)備之間的連接通常采用剛性跨接管，剛性跨接管的形式要根據(jù)連接的海底設(shè)備的相對(duì)位置來(lái)決定，只有當(dāng)水下設(shè)備都安裝完畢，確定了它們之間的距離之后，才能準(zhǔn)確的判斷出跨接管的尺寸及形式。柔性跨接管的長(zhǎng)度比要連接的海底設(shè)備之間的距離要長(zhǎng)一些，跨接管的兩端有兩個(gè)連接器，用來(lái)連接海底設(shè)備。與剛性跨接管相比，柔性跨接管制造和安裝時(shí)的長(zhǎng)度和方向要求降低，更為靈活。

3 跨接管連接方式

跨接管連接方式可以分為如圖4、圖5所示的垂直連接、水平連接兩種。對(duì)于深水跨接管安裝而言，需要采用ROV輔助作業(yè)。垂直連接特別適合剛性管道，安裝時(shí)只需要1個(gè)導(dǎo)向漏斗，不需要其他引導(dǎo)部件，安裝效率高。水平連接特別適合要求垂直高度低的場(chǎng)合，以及柔性管道，能夠減少漁網(wǎng)拖曳損傷，安裝時(shí)需要2個(gè)導(dǎo)向漏斗，而且需要引導(dǎo)部件?？缃庸艽怪边B接和水平連接各具優(yōu)缺點(diǎn)，工程上均有成功的安裝案例。垂直連接的優(yōu)點(diǎn)有：（1）跨接管著陸簡(jiǎn)單；（2）在著陸和組裝期間，跨接管沒(méi)有嚴(yán)重的變形；（3）工具組塊更易接近垂向輪轂。缺點(diǎn)有：（1）跨接管的垂直腿可能會(huì)導(dǎo)致管道堵塞；（2）在修井期間，由于高度原因，跨接管可能會(huì)干擾防噴器組的工作；（3）由于高度原因，跨接管存在拖網(wǎng)拖曳的可能性。水平連接的優(yōu)點(diǎn)有：（1）跨接管接近地面，更能避免拖曳發(fā)生；（2）使得其它水下設(shè)施的高度可以降低。缺點(diǎn)有：（1）在安裝期間，連接器通過(guò)專門(mén)工具摸索定位；（2）跨接管設(shè)計(jì)應(yīng)有一定柔性以滿足水平距離偏差；（3）操作工具不能依靠重力實(shí)現(xiàn)靠近水平輪轂。

4 跨接管連接器類(lèi)型

水下連接器是連接海底設(shè)備的核心裝置，主要有三種形式：圖6卡爪式連接器（Collet Connector）、圖7卡箍式連接器（Clamp Connector）和圖8深水螺栓法蘭式連接器（Bolted Flange Connector）。

卡爪式連接器是應(yīng)用最廣泛的水下連接器，尤其在垂直連接和超深水連接中占據(jù)了主導(dǎo)地位，壓力等級(jí)可達(dá)15000psi，連接管徑4″-64″，實(shí)際應(yīng)用水深已超過(guò)2000m?？ü渴竭B接器在水下連接中也得到了較多的應(yīng)用，最大壓力等級(jí)達(dá)到15000psi，連接管徑2″-48″，最大應(yīng)用水深已達(dá)1500m。

卡爪式連接器和卡箍式都具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）連接可靠、連接速度快；（2）簡(jiǎn)易的ROV操作面板；（3）允許一定的對(duì)中偏差。此外，卡爪式連接器對(duì)于垂直連接和水平連接均可適用，是垂直連接中應(yīng)用的主要連接器形式。但是卡爪式連接器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，費(fèi)用高。卡箍式連接器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，對(duì)作業(yè)工具的要求低，費(fèi)用低。但是卡箍式連接器在垂直連接和超深水的應(yīng)用記錄相對(duì)較少。

傳統(tǒng)的螺栓法蘭連接器需要潛水員在水下作業(yè)，只能應(yīng)用于淺水海域。美國(guó)Sonsub公司和挪威Acergy公司分別研發(fā)了針對(duì)深水的螺栓法蘭連接系統(tǒng)BRUTUS和MATIS，作業(yè)水深可達(dá)3000m，連接管徑分別可達(dá)24″和36″，主要用于水平連接，其中MATIS系統(tǒng)也可用于垂直連接。這種連接器由于采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行連接，連接安全可靠，而且費(fèi)用低，采購(gòu)周期短。但是整套連接系統(tǒng)較為復(fù)雜，連接速度慢，對(duì)于對(duì)中精度的要求很高。

5 跨接管安裝施工資源

隨著油氣田開(kāi)發(fā)走向深水，跨接管安裝深度不斷加深，如何提高安裝相率，降低作業(yè)成本是目前研究的重點(diǎn)。下面將介紹跨接管安裝過(guò)程中涉及的關(guān)鍵資源和幾種常見(jiàn)的安裝流程。

跨接管和其他水下生產(chǎn)設(shè)施不同，其制造和安裝有著密切的聯(lián)系。有些跨接管結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和制造周期短，因此有些跨接管可以在浮式平臺(tái)或者相關(guān)船只上直接制造，但是如果跨接管的形狀比較復(fù)雜，如三維跨接管，則需要在陸上工廠進(jìn)行制造，然后由駁船運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)油氣田進(jìn)行安裝?？缃庸馨惭b涉及到的施工資源包括運(yùn)輸駁船、施工船、鉆井裝置或浮式生產(chǎn)裝置（FPS），以及相關(guān)的裝載架、撐桿、索具、ROV、測(cè)量工具等。

（1）運(yùn)輸駁船

跨接管在陸地上制造完成之后，通過(guò)運(yùn)輸駁船運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)油田?？缃庸艿闹亓啃?，對(duì)運(yùn)輸駁船要求較低，但是跨接管的高度較高，在行駛過(guò)程中對(duì)駁船的平穩(wěn)性有較高的要求，并且跨接管運(yùn)輸時(shí)海況條件應(yīng)該較好。如果海況條件較差，如風(fēng)力等級(jí)大、波浪和海流比較嚴(yán)重，運(yùn)輸駁船的平穩(wěn)性會(huì)受到很大的影響。運(yùn)輸跨接管，可根據(jù)實(shí)際工程需要選擇不同類(lèi)型、不同規(guī)模的跨接管運(yùn)輸駁船。

（2）施工船

根據(jù)工程的實(shí)際要求，分析制定需要配備的施工支持船，如安裝船的浮吊提升能力與提升半徑應(yīng)滿足要求，并根據(jù)施工船舶的作業(yè)費(fèi)用、日程安排，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具作業(yè)能力、現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況等，制定出滿足經(jīng)濟(jì)、高效等工程要求的作業(yè)方案。

如果施工船空間較大，能夠滿足跨接管制造要求，那么跨接管的設(shè)計(jì)和制造可以在工程船上進(jìn)行，不需要進(jìn)行裝載，另外也降低了跨接管運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>

（3）鉆井裝置（鉆井平臺(tái)）

由于跨接管的制造和安裝對(duì)跨接管的成本影響較大，所以一些情況下，將跨接管的制造和安裝在鉆井裝置上進(jìn)行。但由于鉆井平臺(tái)的空間有限，一般在鉆井裝置上進(jìn)行制造的跨接管是二維的跨接管。跨接管制造完成之后，可以通過(guò)鉆井平臺(tái)的吊機(jī)進(jìn)行下放。

（4）裝載架

跨接管在運(yùn)輸過(guò)程中通過(guò)裝載架支撐，裝載架由兩個(gè)架子構(gòu)成一套，每個(gè)架子有兩個(gè)主要的支撐柱，一個(gè)用來(lái)放置跨接管，另一個(gè)用來(lái)放置撐桿，如圖9所示。通常，一艘運(yùn)輸駁船上可以放置3-5套裝載架，若駁船體積大，根據(jù)需要還可以放置更多的裝載架。裝載架與裝載架之間要留有足夠的空間，避免裝載架上的跨接管和連接器發(fā)生碰撞。

（5）撐桿

圖10為撐桿，撐桿在設(shè)計(jì)和制造時(shí)應(yīng)滿足DNV規(guī)范，并且有足夠的剛度，保證跨接管在安裝和回收時(shí)的撓度和應(yīng)力在允許的范圍內(nèi)。安裝好跨接管連接器后，撐桿與跨接管解脫。

（6）索具

在撐桿和跨接管之間的索具應(yīng)該易于調(diào)節(jié)到支撐的跨接管終端可能的角度范圍。索具應(yīng)該考慮跨接管的裝配重量、幾何形狀和動(dòng)載荷條件。索具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使在跨接管安裝和回收期間由船只運(yùn)動(dòng)所引發(fā)的運(yùn)動(dòng)減到最小。配置的索具應(yīng)根據(jù)需求，使ROV能夠解開(kāi)或者重新使索具連接到跨接管上。

（7）ROV

ROV可以完成諸如閥門(mén)操作、液壓操作和其他常規(guī)任務(wù)，也可以攜帶工具包承擔(dān)諸如柔性出油管線和控制管纜的牽引和連接，以及部件更換等特別任務(wù)。

（8）測(cè)量工具

結(jié)合機(jī)械和聲吶測(cè)量工具，完成制造安裝跨接管所需要的測(cè)量信息。選用預(yù)先測(cè)量工具（PMT）和水下傾角儀，另外還有其他輔助工具，比如聲吶轉(zhuǎn)換器（用于距離測(cè)量），深度傳感器（測(cè)量海拔）等。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)跨接管類(lèi)型、跨接管連接方式和跨接管連接器類(lèi)型進(jìn)行對(duì)比分析，了解了各自的區(qū)別及優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)選擇連接方式和連接器類(lèi)型以及安裝方法都有指導(dǎo)意義。隨著海上油氣資源的開(kāi)發(fā)向深海邁進(jìn)，跨接管的作用至關(guān)重要，我國(guó)跨接管安裝技術(shù)正在逐步形成，設(shè)計(jì)技術(shù)有待提高，總體上跨接管相關(guān)技術(shù)并未形成系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化。面對(duì)陸地油氣日益枯竭的趨勢(shì)，海上油氣資源開(kāi)發(fā)已成為戰(zhàn)略問(wèn)題，加大跨接管及其他開(kāi)發(fā)油氣相關(guān)設(shè)備技術(shù)研究，為我國(guó)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略保駕護(hù)航。

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