崖城13-4氣田水下管匯研究與應(yīng)用

黃振東李雪梅沈人杰羅 軍黎 昵

（1．湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司； 2．西安交通大學(xué)化工學(xué)院）

崖城13-4氣田水下管匯研究與應(yīng)用

黃振東1李雪梅1沈人杰2羅 軍1黎 昵1

（1．湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司； 2．西安交通大學(xué)化工學(xué)院）

崖城13-4氣田位于我國(guó)南海，屬于邊際油氣田，其所在海域水深約89 m。針對(duì)崖城13-4氣田開(kāi)發(fā)需求，設(shè)計(jì)了一種新型的水下管匯。該水下管匯采用了吸力樁固定、機(jī)械復(fù)合管焊接技術(shù)、2種管卡固定方式、管道快速連接器與旋轉(zhuǎn)法蘭相結(jié)合連接、跨接管水下試壓、水下清管、在線檢測(cè)泄露等創(chuàng)新技術(shù)或措施，大大減少了投資費(fèi)用。崖城13-4氣田已于2012年初順利投產(chǎn)。

水下管匯；吸力樁；管卡；跨接管；管道快速連接器；旋轉(zhuǎn)法蘭；水下清管；南海；邊際油氣田

在淺水邊際油氣田開(kāi)發(fā)中，由于水下生產(chǎn)系統(tǒng)具有避免建造昂貴的海上采油氣平臺(tái)從而節(jié)省大量建設(shè)投資，以及受災(zāi)害天氣影響較小、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，已在許多國(guó)家作為此類油氣田開(kāi)發(fā)的一種重要方式而被廣泛研究和應(yīng)用。水下生產(chǎn)系統(tǒng)受水深的影響較小，且費(fèi)用基本上不隨水深變化而變化，而剛性平臺(tái)的費(fèi)用則隨著水深的增加而增加，因此無(wú)論對(duì)于淺海還是深水區(qū)域邊際油氣田的開(kāi)發(fā)多趨于使用水下生產(chǎn)系統(tǒng)。水下管匯是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，主要由管線、閥門、控制模塊和流動(dòng)儀表等組成。管匯安裝在海底井群之間，主要作用是把油或氣集合起來(lái)輸送到依托的生產(chǎn)設(shè)施。管匯主要通過(guò)水下機(jī)器人（ROV）操作，其與油氣井在結(jié)構(gòu)上是完全獨(dú)立的，油氣井和出油管道通過(guò)跨接管與管匯相連［1］。水下管匯作為一種典型的水下生產(chǎn)設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮環(huán)境以及安裝、檢查、維護(hù)和生產(chǎn)等工況要求。崖城13-4氣田位于我國(guó)南海，所在海域水深約為89 m，屬于邊際油氣田，針對(duì)其開(kāi)發(fā)需求，設(shè)計(jì)了一種新型的水下管匯，并在水下管匯的總體布置、結(jié)構(gòu)、跨接管試壓、在線檢測(cè)泄漏等方面進(jìn)行了深入研究。所設(shè)計(jì)的水下管匯已應(yīng)用于崖城13-4氣田開(kāi)發(fā)。

1 崖城13-4氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程

為降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，崖城13-4氣田采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)模式并依托崖城13-1氣田現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施開(kāi)發(fā)。針對(duì)3口開(kāi)發(fā)井新建了3套水下生產(chǎn)裝置，將開(kāi)采的多相氣液引至崖城13-1平臺(tái)。崖城13-4氣田包括主體區(qū)和南高點(diǎn)2個(gè)區(qū)域，其中主體區(qū)布置了2口生產(chǎn)井，南高點(diǎn)布置了1口生產(chǎn)井并預(yù)留了1口井的接口。在主體區(qū)布置了1套PLET（Pipeline End Termination）水下生產(chǎn)管匯，在南高點(diǎn)布置了一套PLEM（Pipeline End Manifold）水下生產(chǎn)管匯。主體區(qū)生產(chǎn)井產(chǎn)出的多相氣液與南高點(diǎn)生產(chǎn)井產(chǎn)出的多相氣液匯合后經(jīng)海底管道輸入崖城13-1平臺(tái)進(jìn)行處理。圖1為崖城13-4氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程示意圖。

2 崖城13-4氣田水下管匯

2.1 主體區(qū)水下管匯（PLET）

主體區(qū)水下管匯包括吸力樁、管匯結(jié)構(gòu)、犧牲陽(yáng)極、管道快速連接器、球閥、單向閥、旋轉(zhuǎn)法蘭、6D彎管、水下清管器等。水下閥門的啟閉、跨接管的連接和水下清管器的連接均通過(guò)ROV的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLET具體布置如圖2所示。

主體區(qū)的A1H和A2H生產(chǎn)井產(chǎn)出的多相氣液通過(guò)PLET匯合后，經(jīng)過(guò)海管進(jìn)入南高點(diǎn)水下管匯匯集。PLET上還裝有多球可控型水下清管器，可實(shí)現(xiàn)水下清管的功能。

圖1 崖城13-4氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程示意圖

圖2 崖城13-4氣田PLET示意圖

2.2 南高點(diǎn)水下管匯（PLEM）

南高點(diǎn)水下管匯包括吸力樁、管匯結(jié)構(gòu)、犧牲陽(yáng)極、管道快速連接器、球閥、單向閥、旋轉(zhuǎn)法蘭等。水下閥門的啟閉和跨接管的連接都通過(guò)ROV的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLEM具體布置如圖3所示。

南高點(diǎn)的水下管匯除接受南高點(diǎn)生產(chǎn)井A3 H產(chǎn)出的多相氣液外，還接受由PLET過(guò)來(lái)的多相氣液，匯集后通過(guò)海管輸送至崖城13-1平臺(tái)進(jìn)行處理。

圖3 崖城13-4氣田PLEM示意圖

3 崖城13-4氣田水下管匯關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體布置優(yōu)化

與水上管匯作業(yè)工況完全不同的是，水下管匯的安裝、巡檢、維護(hù)和生產(chǎn)等基本上是在“無(wú)人”的海底依靠ROV完成。管匯總體布置原則為：滿足工藝要求，考慮油田總體布置，確保管匯的重心布置合理，便于海上安裝；管匯上的各部件，如閥門、管線連接器、控制模塊和儀表等布局和標(biāo)記應(yīng)便于ROV進(jìn)行水下檢查、安裝、連接、維護(hù)和更換。依據(jù)總體布置原則，在設(shè)計(jì)中對(duì)管匯的總體布置進(jìn)行了優(yōu)化：①跨接管由豎直方向連接改為水平連接。若為豎直連接需要增加彎管，改為水平連接大大減小了管匯橇塊的整體尺寸。②將板樁固定優(yōu)化為吸力樁固定。③在管道快速連接器附近增加ROV?？坎僮髋_(tái)，方便了ROV的就位操作。④管匯橇塊與吸力樁通過(guò)ROV拆卸，可回收管匯橇塊。

總體布置設(shè)計(jì)完成后，對(duì)水下管匯進(jìn)行安裝、連接、巡檢、維護(hù)等工況進(jìn)行了三維模擬分析，以確定水下管匯總體布置的實(shí)用性及合理性［2-3］。對(duì)PLET和PLEM均通過(guò)結(jié)構(gòu)軟件SACS和AUTOPIPE進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析和吊裝分析，保證了水下管匯滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 吸力樁固定

崖城13-4氣田海底土壤比較松軟，如果采用傳統(tǒng)的板樁固定方式，水下管匯安裝時(shí)很難實(shí)現(xiàn)調(diào)平。為了解決上述問(wèn)題，崖城13-4氣田水下管匯采用吸力樁基礎(chǔ)固定方式，采用該方式水下管匯在安裝過(guò)程中可隨時(shí)調(diào)平，且可以提供較大的防漁網(wǎng)拖拽能力，適合用于有拖網(wǎng)捕魚區(qū)域或者水下管匯采用水平連接接頭形式的情況。吸力樁基礎(chǔ)安裝方式主要利用樁的內(nèi)壓和外部水壓的壓力差將吸力樁打入水底設(shè)置［4］。PLET和PLEM均設(shè)置了3個(gè)吸力樁。安裝過(guò)程中充分驗(yàn)證了吸力樁固定的優(yōu)越性。

3.3 機(jī)械復(fù)合管焊接材料選擇

為了提高管匯的防腐性能，管匯的直管段采用與海管相同的材料，即API 5L X65加內(nèi)襯3 mm 316SS不銹鋼的機(jī)械復(fù)合管，而管匯的管件和閥門內(nèi)部均有堆焊Inconel 625的防腐材料。由此帶來(lái)管件、閥門的內(nèi)襯與管線的內(nèi)襯不同材料焊接的問(wèn)題。Inconel 625是一種對(duì)各種腐蝕介質(zhì)都具有優(yōu)良耐蝕性的低碳鎳鉻鉬鈮合金，其碳含量低并經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化熱處理，即使在650～900℃高溫恒溫50 h之后仍然不會(huì)有敏化傾向，并且該材料的熱處理采用軟化退火工藝，完全適用于濕腐蝕環(huán)境，因此采用Inconel 625合金鋼作為焊接材料，它既能和API 5L X65焊接，又能和內(nèi)襯的3 mm 316SS不銹鋼焊接。這樣，在管路焊接時(shí)就不會(huì)損壞海管內(nèi)襯的不銹鋼材料，滿足了焊接工藝的要求。

3.4 采用2種管夾固定方式

崖城13-4氣田水下管匯PLET和PLEM的管線固定均采用固定式和限位式2種管卡（圖2、3）。固定式管卡只布置一個(gè)，位于管匯主管的中間位置。此位置有利于管匯固定，可防止管匯產(chǎn)生較大的位移偏差，從而保證了管匯的安全。崖城13-4氣田屬于高溫高壓氣田，為了防止管線熱膨脹而發(fā)生塑性變形，管匯固定采用限位式管卡：管匯管線處于管卡的套筒之內(nèi)，套筒與管匯管線之間有3 mm的間隙。采用AUTOPIPE軟件，將管匯、跨接管和海管一起建模進(jìn)行受力分析，并通過(guò)調(diào)整管卡固定方式和位置使管匯受力滿足規(guī)范要求。

3.5 管匯接頭設(shè)計(jì)與選擇

水下管匯與采氣樹(shù)之間的連接涉及跨接管問(wèn)題。跨接管是一個(gè)較短的管狀連接元件，典型的跨接管在管子的兩頭分別有一個(gè)終端連接器，即管道快速連接器。市場(chǎng)所能提供的管道快速連接器均為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。因此研制了一種新型的管道快速連接器（圖4）。采用新型管道快速連接器較之采用進(jìn)口產(chǎn)品可節(jié)約成本一半以上，而且使用方便、密封性能好，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)ROV操作并大幅度提高生產(chǎn)效率，但其成本對(duì)于邊際油氣田開(kāi)發(fā)而言依然較高。根據(jù)崖城13-4氣田水深情況，決定跨接管與管匯采用新型管道快速連接器連接，而海管與管匯之間采用旋轉(zhuǎn)法蘭（圖5）連接。管道快速連接器與旋轉(zhuǎn)法蘭相結(jié)合的方案較之單獨(dú)使用所研制的管道快速連接器又可節(jié)約成本一半以上。

圖4 崖城13-4氣田管道快速連接器三維模擬示意圖

圖5 崖城13-4氣田旋轉(zhuǎn)法蘭三維模擬示意圖

3.6 跨接管水下試壓

水下跨接管主要用于連接管線與管匯、管線與采氣樹(shù)、管匯與采油樹(shù)以及管線與立管等，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)重要的元件［5-6］，其安裝要求為：水下采氣樹(shù)和水下管匯先安裝，再連接管匯至采氣樹(shù)之間的跨接管。通常情況下，海管、水下管匯和跨接管安裝完以后，通過(guò)依托設(shè)施打壓進(jìn)行整體試壓；但是崖城13-4氣田主體區(qū)跨接管為最后連接，而南高點(diǎn)先投產(chǎn)，如通過(guò)依托設(shè)施向海管打壓，試壓介質(zhì)必須要經(jīng)過(guò)南高點(diǎn)才能到達(dá)主體區(qū)跨接管，這樣南高點(diǎn)就必須停產(chǎn)。為了避免主體區(qū)跨接管安裝后試壓南高點(diǎn)必須停產(chǎn)的難題，在崖城13-4水下管匯管道快速連接器的附近，即φ152.4 mm管線上的分支接了一個(gè)φ12.7 mm的球閥（見(jiàn)圖2和圖3），將管匯分支上的φ152.4 mm球閥關(guān)閉，通過(guò)在作業(yè)船上的壓力源向裝有φ12.7 mm球閥的分支路上打壓，從而完成各個(gè)跨接管試壓作業(yè)，操作方便且實(shí)用。

3.7 在線檢測(cè)泄漏

崖城13-4氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)涉及的2個(gè)井區(qū)的鉆井投產(chǎn)時(shí)間不一致，南高點(diǎn)鉆井先投產(chǎn)，因此需要將該井區(qū)管匯與主體區(qū)管匯用閥門隔離開(kāi)來(lái)，而如何檢測(cè)隔離閥門是否完全關(guān)閉就成了關(guān)鍵。如果關(guān)閉不嚴(yán)，會(huì)導(dǎo)致先投產(chǎn)的南高點(diǎn)井區(qū)的油氣進(jìn)入主體區(qū)，這將給氣田井區(qū)安全帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。采用在PLET管匯主管φ203.2 mm管線上靠近旋轉(zhuǎn)法蘭端的分支接一個(gè)φ12.7 mm的球閥（見(jiàn)圖2），如果不進(jìn)行隔離檢測(cè)就將該閥門關(guān)閉，與球閥連接的盲法蘭保持連接狀態(tài)；如果需要進(jìn)行隔離檢測(cè)則將閥門打開(kāi)，同時(shí)將盲法蘭卸下，如該閥門出口處無(wú)氣泡產(chǎn)生，說(shuō)明隔離閥門密封性有效。該方法簡(jiǎn)單，實(shí)用。

3.8 防腐設(shè)計(jì)

水下管匯采取整體涂裝防腐、犧牲陽(yáng)極防腐和腐蝕監(jiān)控的設(shè)計(jì)。陽(yáng)極安裝設(shè)計(jì)不影響ROV的操作，監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝在ROV停駐點(diǎn)附近，在ROV巡檢時(shí)即可對(duì)整個(gè)水下管匯進(jìn)行陰極保護(hù)狀態(tài)的測(cè)量和監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)防腐計(jì)算，確定PLET安裝22個(gè)陽(yáng)極，PLEM安裝20個(gè)陽(yáng)極。此外，對(duì)于管匯法蘭、三通等管件采用陶瓷油漆噴涂。陶瓷油漆是一種全新的水性無(wú)機(jī)涂料，它是以納米無(wú)機(jī)化合物為主要成份，涂裝后通過(guò)低溫加熱方式固化，形成性能和陶瓷相似的涂膜，對(duì)于海水環(huán)境具有良好的抗腐蝕性能。

3.9 水下清管器研究與應(yīng)用

水下生產(chǎn)系統(tǒng)清管一般采用依托水上設(shè)施的發(fā)球筒發(fā)射清管球，在水下管匯的終端接收清管球，這樣水下接收清管球操作比較困難，且接收清管球時(shí)可能會(huì)帶出海管的油污而污染海洋環(huán)境。也有采用增加一條海管與水下管匯形成環(huán)路來(lái)達(dá)到海管清管目的（在不清管的時(shí)候，2條海管均可以用于輸送石油產(chǎn)品），但增加海管會(huì)增大投資費(fèi)用，這對(duì)于海上邊際油氣田的開(kāi)發(fā)是非常不經(jīng)濟(jì)的。此外，考慮到一次通球不能完全保證有效清除海管內(nèi)的油污以滿足生產(chǎn)要求，多球發(fā)射的操作流程有待簡(jiǎn)化。因此，研制了多球可控型水下清管器（見(jiàn)圖2）來(lái)完成崖城13-4氣田海管的清管工作。清管器安裝于PLET的預(yù)留接口，安裝工作由ROV完成。該清管器的工作流程為：清管器安裝于水下管匯的預(yù)留接口，由水下機(jī)器人（ROV）完成，而在海底管道的下游崖城13-1平臺(tái)安裝清管球接收器用于接收清管作業(yè)用清管球；通過(guò)在作業(yè)船上的壓力源打壓，依次接通各壓力液接口，從而將已預(yù)裝在水下清管器內(nèi)的多個(gè)清管球逐個(gè)推至海底管道內(nèi)［7］。與普通清管器相比，該類清管器具有操作簡(jiǎn)單、成本低、安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

4 水下管匯成功應(yīng)用

通過(guò)多種技術(shù)創(chuàng)新，成功地實(shí)現(xiàn)了崖城13-4氣田水下管匯的自主設(shè)計(jì)和安裝（圖6）。崖城13-4氣田已于2012年初成功投產(chǎn)，表明崖城13-4氣田水下管匯的研究和應(yīng)用是成功的。

圖6 崖城13-4氣田水下管匯碼頭吊裝運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)束語(yǔ)

水下管匯是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要設(shè)施之一，針對(duì)崖城13-4氣田實(shí)際情況設(shè)計(jì)的新型水下管匯系統(tǒng)，采用了吸力樁固定、機(jī)械復(fù)合管焊接技術(shù)、2種管卡固定方式、管道快速連接器和旋轉(zhuǎn)法蘭相結(jié)合連接、跨接管水下試壓、水下清管、在線檢測(cè)泄漏等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)或措施，并在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了成功應(yīng)用，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，無(wú)論對(duì)于淺海邊際油氣田開(kāi)發(fā)，還是對(duì)于深水油氣田開(kāi)發(fā)，均有重要的技術(shù)參考和工程指導(dǎo)意義。

［1］ 王瑋，孫麗萍，白勇．水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)［J］．中國(guó)海洋平臺(tái)，2009，24（6）：41-45．

［2］ 程寒生，黃會(huì)娣，周美珍，等．深水水下管匯設(shè)計(jì)研究［J］．石油機(jī)械，2011，39（5）：9-11．

［3］ 程寒生，周美珍，郭宏，等．水下管匯設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析和設(shè)計(jì)原則研究［J］．中國(guó)海洋平臺(tái)，2011，26（3）：30-32．

［4］ 方相喆．吸力樁的施工方法：韓國(guó)，CN1438390［P］．2003-02-14．

［5］ 何同，李婷婷，段夢(mèng)蘭，等．深水剛性跨接管設(shè)計(jì)的主要影響因素分析［J］．中國(guó)海洋平臺(tái)，2012，27（4）：50-56．

［6］ 王騰飛，張宏彬，董磊，等．水下管匯的清洗與靜壓試驗(yàn)研究［C］∥第十五屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集．1559-1563．

［7］ 李雄巖，白浩，李雪梅，等．多球可控型水下清管器的研制及應(yīng)用［J］．中國(guó)海洋平臺(tái)，2012，27（3）：14-16．

The research and application of YC 13-4 gas field underwater manifold

Huang zhendong1Li Xuemei1Shen Renjie2Luo Jun1Li Ni1
（1.zhanjiang Nanhai West Oil Survey&Design Co.，Ltd.，Guangdong，524057；2.School of Chemical Engineering and Technology，Xi＇an Jiaotong University，Xi＇an，710049）

YC 13-4 gas field is located in the South China Sea and belongs to the marginal oil-gas field at the water depth about 89 m．According to the requirement of YC 13-4 gas field development，a new type underwater manifold was designed．The underwater manifold can be greatly reduced investment cost by adopting some innovative technologies such as the suction pile fixing and mechanical composite pipe welding technology，two kinds of pipe clamp fixing modes，combination of pipe quick connector and rotating flange，underwater jumper test，underwater pigging，on-line leak detection and so on．YC 13-4 gas field was put into production in early 2012 successfully．

underwater manifold；suction pile；pipe clamp；jumper；pipe quick connector；rotary flange；underwater pigging；South China Sea；marginal oil-gas fields

2013-03-06改回日期：2013-08-09

（編輯：葉秋敏）

黃振東，男，工程師，主要從事海洋石油工程工藝、總體、配管專業(yè)設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理。地址：廣東省湛江市坡頭區(qū)南油一區(qū)11號(hào)信箱設(shè)計(jì)公司（郵編：524057）。E-mail：huangzhd＠cnooc．com．cn。