非黏結型軟管在深水氣田開發(fā)中的應用

張玉勇，王一江

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518054)

0 引 言

軟管研制可追溯至20世紀70年代，其廣泛應用迄今已三十余年，軟管按照結構形式可分為黏結型軟管和非黏結型軟管，按照應用可分為靜態(tài)軟管和動態(tài)軟管。軟管在國內淺水環(huán)境的應用始于2010年[1]，在深水的應用則始于2020年中國南海某深水氣田項目。項目水下設施所處水深在600～1 300 m，幾口氣井布置在60 m×70 m區(qū)域內，環(huán)繞著位于區(qū)域中心的一座8井槽管匯。在項目基本設計階段擬采用剛性跨接管連接氣井與管匯，至詳細設計階段優(yōu)化為非黏結型軟管。非黏結型軟管具備螺旋纏繞的非黏結多材料復合結構，螺旋金屬層用于抵抗外部環(huán)境載荷和內部系統(tǒng)壓力，聚合物材料層用于阻隔內外流體的層間串通，管體一般具備骨架層、壓力套(或稱內襯層)、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、外護套等[2]，層間結構獨立，允許層間滑移。非黏結型軟管應用廣泛，可見于油氣管線、氣舉管線、水驅管線、服務管線、外輸管線等產(chǎn)品，是目前國內外軟管研究和發(fā)展的方向。在項目應用中有兩點經(jīng)驗印象較深刻：其一是在軟管安裝動員階段鵝頸接頭翻轉試驗推動了方案優(yōu)化；其二是在施工階段彎曲剛度增大為水下作業(yè)增加了難度。本文對第二點經(jīng)驗進行重點介紹，同時分享一些軟管設計與安裝施工中考慮的關鍵內容。

1 方案比選及軟管設計

深水項目水下結構連接形式大致分為鋼質跨接管和軟管兩種，軟管往往與鵝頸組合使用，如圖1所示。軟管與鋼質跨接管方案比選的決策風險包括：截至目前許多軟管失效原因尚未全面掌握，有待于開展深入研究[3]；項目海域存在強陣風、突變底流、孤立波等，對海上的正常作業(yè)造成極大威脅[4]，比如，2020年5月中旬在東沙群島西南海域出現(xiàn)5.6 m/s的孤立波，工程船移位120 m，5月下旬相同海域出現(xiàn)突變底流，造成遙控無人潛水器碰撞致飛線損壞的情況。

圖1 深水軟管典型應用

軟管方案主要優(yōu)點包括：采用鵝頸接頭與軟管組合可有效去耦水下結構間的操作應力；軟管在抗腐蝕性和敷設速度方面存在優(yōu)勢[5]；軟管可回收重復利用；軟管海床適應性佳無須進行懸跨處理；相對作業(yè)量少同時資源占用少對項目進度控制有幫助。具體對比如表1所示。

表1 深水井口連接方案對比

一般海洋油氣軟管設計采用API RP 17B和API SPEC 17J 行業(yè)規(guī)范，包括軟管結構形式、軟管各層設計、截面設計、在位分析、軟管強度校核、穩(wěn)定性校核等[1]。

1.1 失效模式分析

針對軟管系列典型失效模式，如骨架層和抗壓鎧裝層的壓潰失效、抗拉鎧裝層螺旋鋼帶的徑向及側向失效[3]，扭矩過大導致螺旋鎧裝結構出現(xiàn)鳥籠現(xiàn)象，壓力套低溫特性差，外護套應力開裂/磨蝕/特性差等，完成軟管失效模式分析。由失效模式分析得到結論：骨架層選擇硬質雙相不銹鋼材料能抵抗環(huán)境靜水壓力，耐腐蝕和磨損；抗壓鎧裝層和抗拉鎧裝層由碳鋼鋼絲制成，可分別抵抗徑向載荷和軸向/扭轉載荷，具有較好的機械強度，與軟管其他材料能和諧共處；壓力套考慮溫度和流體的特性[6]，使用聚乙烯材料(TP35?)，適合酸液、海水、油氣輸送，具備固有的水解穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性；外護套采用高密度聚丙烯材料(HD-Flex?)，防止海水浸泡腐蝕金屬層；并且強化軟管制造階段質量控制，分析軟管安裝海況等。綜合結論認為，軟管設計參數(shù)如水深、壓力、溫度、流體物性、管徑等都處于工業(yè)技術成熟區(qū)內,技術風險可控。

1.2 彎曲剛度影響

確定短距離軟管的設計長度，控制因素包括軟管路由地貌、安裝措施裕量、設計路由精度、接入點高度、兩端接入角度差、管匯安裝應急裕量等。在叢式井口布置方案中，管匯周圍往往密集地分布著各種管線，在設計中利用OrcaFlex軟件開展現(xiàn)場情況的仿真模擬，以避免軟管過長或過短對安裝造成困難，如圖2所示。

圖2 井口區(qū)深水軟管位置仿真圖

近年來發(fā)現(xiàn)多個深水項目軟管安裝路由與模擬結果不一致的情況[7]，研究表明這皆源于對深水環(huán)境改變軟管剛度情況考慮不足，制造商所提供的彎曲剛度通常較小，從而其描述的軟管彎曲曲率不合理，相應地損失了安裝模擬準確性[7]。非黏結型軟管在發(fā)生彎曲時將克服層間摩擦力使層間出現(xiàn)相對滑移，在深水環(huán)境下靜水壓力成為層間摩擦力主要控制因素，例如，本項目軟管在700 m水深環(huán)境下彎曲剛度從約40 kN·m2上升至130 kN·m2，造成A-A′和 C-C′類S形設計路由的實現(xiàn)較為困難。國內研究推薦選用滯回曲線及其彎曲剛度常數(shù)定義軟管彎曲屬性的方法[7]，利于對軟管設計長度及路由進行優(yōu)化，降低海上施工的風險，是未來項目應該選擇和借鑒的。有條件的也可通過全尺寸試驗獲知海域水深和溫度條件下的軟管彎曲剛度，以此為軟管設計基礎，進而完成軟管采辦長度計算和軟管安裝路由設計。

2 軟管安裝

2.1 軟管鵝頸接頭翻轉

利用豎直敷設系統(tǒng)進行軟管安裝，由于短距離軟管跨接管長度不滿足使用安裝船左舷懸掛平臺的條件，因此在豎直敷設系統(tǒng)下方月池區(qū)域搭建桁架，在桁架中對稱布置起重葫蘆，將鵝頸RT組合從接口法蘭背對豎直敷設系統(tǒng)，調整到接口法蘭正對軟管接頭，如圖3所示。軟管首端共出現(xiàn)2次鵝頸接頭翻轉作業(yè)。首次鵝頸接頭翻轉是為了在甲板上完成接頭與軟管的連接，在專門設計的桁架中進行。出海前，項目對甲板上鵝頸接頭翻轉作業(yè)進行試驗，發(fā)現(xiàn)吊車大鉤干涉和桁架/起重葫蘆受側向力變形等問題。項目根據(jù)試驗情況和設計校核結果更換起重葫蘆規(guī)格，并通過側向牽引限制大鉤的擺蕩。在此建議未來項目必須在動員階段完成該項翻轉試驗，并且白班和夜班作業(yè)人員都至少完成一次翻轉訓練。首端鵝頸在水下需要進行第二次翻轉，以便接頭連接界面調整為豎直向下，角度誤差控制不應超過2°，方便鵝頸RT組合直接坐放到水下結構上并完成連接和二次鎖定。軟管接頭翻轉如圖4和圖5所示。

圖3 桁架

圖4 軟管接頭翻轉(甲板上作業(yè))

圖5 軟管接頭翻轉(水下作業(yè))

2.2 乙二醇填充

在甲板上當軟管末端完成與鵝頸接頭連接后，應進行軟管乙二醇填充作業(yè)。未來開井生產(chǎn)時乙二醇改變水溶液或水合物相的化學位，使水合物的形成條件移向較低的溫度或較高的壓力范圍，從而提高水合物生成的條件，降低水合物造成管線堵塞的風險。考慮一旦軟管連接井口與管匯后，因管線兩端無法安裝收發(fā)球裝置，將無法進行該部分管線的通球清管/惰化[8]，因此軟管末端下放前是填充乙二醇的最佳時機。

2.3 沙袋造彎

水下每口井擁有多條管線(包括2條電飛線、1條液飛線、1條乙二醇飛線和1條短距離軟管)，造成井口區(qū)域內非常擁擠，各條管線都必須敷設在其設計路由上，避免管線之間出現(xiàn)交叉和干涉。同時由于軟管在深水環(huán)境下各結構層之間摩擦力增大，軟管彎曲剛度和扭轉剛度隨層間摩擦力變化表現(xiàn)出成倍增加的現(xiàn)象，為實現(xiàn)軟管安裝在其設計路由上，軟管弧形或S形部分路由采用沙袋造彎措施，即使用沙袋對各相鄰管線進行有效的分隔和限制，如圖6所示。

圖6 沙袋造彎

2.4 壓力帽解脫

深水作業(yè)的一個特點，就是經(jīng)常面對深水環(huán)境條件下靜水壓力對密封裝置造成液壓鎖問題，對壓力帽解脫及壓力接頭連接造成困難，甚至出現(xiàn)接頭損壞，如圖7所示。按照壓力帽(見圖8)設計原理，向上提壓力帽時，外罩上升將使作為限制機構的簧閂具備一定自由度，繼續(xù)提升壓力帽則壓力帽和簧閂退行，接頭與結構接頭界面脫離，壓力帽完成解脫。在其中一口井壓力帽解脫操作時，簧閂未被擠出，其原因是壓力帽與水下結構形成密封空間，空間壓力為1個大氣壓，外部靜水壓力將壓力帽壓在水下結構的連接界面處不能動彈。通過旁路加壓使壓力帽內部壓力與外部壓力實現(xiàn)平衡，同時謹慎操作，在限制最大提升拉力的情況下緩慢提升壓力帽，實現(xiàn)壓力帽解脫。深水作業(yè)須特別考慮靜水壓力影響，在保證工藝系統(tǒng)密封完整性的基礎之上，設計可靠的(裝置)內外部壓力平衡系統(tǒng)，應對液壓鎖定隱患。

圖7 深海靜水壓力破壞螺紋

圖8 壓力帽示例

3 結 論

所述深水軟管+鵝頸接頭組合在國內鮮有應用，必須強調該方案對叢式井連接另一項優(yōu)勢，即軟管能夠繞行連接外圍井口，通常其自身不存在懸跨處理的問題。使用垂直敷設系統(tǒng)安裝一條短距離軟管平均用時約2.4 d，最少用時1.9 d，相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明這0.5 d主要差別在保障軟管路由安裝精度和第二端鵝頸接頭精確就位方面，究其原因是軟管彎曲剛度對不同路由的軟管安裝時間影響不一致，即拐點越少則影響越小，拐點彎曲半徑越大影響越小。同時必須指出的是，軟管優(yōu)化方案提出的時機稍晚，來不及對井位作出相應調整，所有困難都由軟管安裝環(huán)節(jié)進行消化，因此，建議對軟管方案與井口布置方案同時進行考慮，以避免出現(xiàn)技術挑戰(zhàn)難以消化的情況。