李 博， 郭 宏， 郭江艷

(中海油研究總院，北京 100028)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜內(nèi)液壓管線選型分析

李 博， 郭 宏， 郭江艷

(中海油研究總院，北京 100028)

臍帶纜內(nèi)的液壓管線對(duì)臍帶纜的性能以及造價(jià)有著重要的影響，選擇合適的液壓管材料和尺寸可以保證油氣田可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。分析了目前臍帶纜液壓管線的主要材料，對(duì)比分析了每種材料的性能及適應(yīng)性，提出了選擇臍帶纜材料類(lèi)型時(shí)需考慮的因素。通過(guò)液壓仿真的方法，建立了影響臍帶纜內(nèi)液壓管線管徑的仿真模型，給出了進(jìn)行液壓管線尺寸選擇的分析方法。為深海油氣田開(kāi)發(fā)選用水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜內(nèi)液壓管線提供了一定的參考。

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)；臍帶纜；液壓管線

0 引 言

深水油氣開(kāi)發(fā)正在成為世界石油工業(yè)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)和科技創(chuàng)新的前沿[1]。海洋油氣田的可采規(guī)模隨水深增大而大幅增加。水下生產(chǎn)系統(tǒng)作為深水油氣田的一種重要開(kāi)發(fā)模式，是一種海洋石油天然氣資源開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。它通過(guò)水下井口、部分或全部放置在海底的水下生產(chǎn)設(shè)施以及海底管線，將采出的油、氣、水多相或單相流體回接到附近水下、水面或陸上依托設(shè)施，實(shí)現(xiàn)海上油氣田的開(kāi)發(fā)[2]。

水下控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)通向上部設(shè)施的神經(jīng)中樞和重要通道，水下生產(chǎn)、注入設(shè)備安裝與運(yùn)行過(guò)程中都需要通過(guò)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。水下控制系統(tǒng)主要有三種控制模式： 全液壓控制、電液控制以及全電氣控制[3]。

作為水下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一的水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜，是連接上部設(shè)施和水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間的“神經(jīng)、生命線”[4]，臍帶纜在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的主要作用如下：

(1)為水下閥門(mén)執(zhí)行器提供液壓動(dòng)力通道；(2)為水下控制模塊和電潛泵等提供電力；(3)為水下設(shè)施和油井提供遙控及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸通道；(4)為油井提供所需流體(如甲醇和緩蝕劑等化學(xué)藥劑)。

臍帶纜內(nèi)的液壓管線是水下動(dòng)力源的主要輸送通道，對(duì)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的性能以及臍帶纜的造價(jià)有著舉足輕重的影響。本文主要針對(duì)臍帶纜內(nèi)液壓管線的材料選擇以及管徑分析進(jìn)行研究，為工程項(xiàng)目中水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜選材及分析提供相應(yīng)的參考。

1 液壓管線材料選擇分析

臍帶纜按管單元類(lèi)型可以分為鋼管臍帶纜和軟管臍帶纜[5]，如圖1所示。

(a) 鋼管臍帶纜

(b) 軟管臍帶纜

由于軟管和鋼管技術(shù)的不同，對(duì)安裝策略的制訂和成本有極大影響。臍帶纜運(yùn)輸及安裝成本在臍帶纜系統(tǒng)中占極大比例。因此，根據(jù)不同項(xiàng)目情況，正確地評(píng)估軟管和鋼管的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于項(xiàng)目成本的控制十分重要。在確定化學(xué)藥劑和液壓液采用鋼管或軟管輸送時(shí)，需考慮的因素有壽命、疲勞要求、水深、壓力等級(jí)、價(jià)格、安裝、輸送介質(zhì)性質(zhì)以及海底穩(wěn)定性等方面。

1.1 水深影響

隨著水深的增加，臍帶纜需承受較大的靜水壓力。軟管在輸送水基液壓液時(shí)(密度大于海水)，不存在壓力失衡的問(wèn)題，但是輸送小密度的液體如甲醇，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外壓差較大的問(wèn)題。鋼管由于自身材料的原因，不存在內(nèi)外壓失衡的問(wèn)題。為了解決軟管壓力失衡問(wèn)題，可采用高抗壓潰的軟管，目前此種類(lèi)型的軟管(1/2英寸，1英寸≈2.54cm)可承受內(nèi)壓34.5MPa、外壓60MPa。

1.2 對(duì)介質(zhì)的適應(yīng)性

傳統(tǒng)軟管不能輸送小分子的介質(zhì)如甲醇等，而芳綸纖維或交聯(lián)聚乙烯則可以彌補(bǔ)這種缺陷；鋼管的防滲性較好，可以輸送甲醇、乙二醇等化學(xué)藥劑，但碳鋼材料容易腐蝕，而不銹鋼材料能滿足其性能。

在輸送以前未用過(guò)的介質(zhì)時(shí)，必須做適應(yīng)性測(cè)試。

1.3 響應(yīng)時(shí)間影響

軟管受流體工作溫度影響，體積膨脹明顯，對(duì)于直接液壓系統(tǒng)會(huì)造成較大的延遲；對(duì)于電液復(fù)合式控制系統(tǒng)，這種影響相對(duì)較小。而鋼管由于材料模量大，體積變化較小，響應(yīng)時(shí)效更好，適合長(zhǎng)距離油田使用。

1.4 運(yùn)輸條件影響

對(duì)運(yùn)輸和安裝條件影響較大的主要是臍帶纜的最小彎曲半徑(MBR)和重量。與軟管臍帶纜相比，同樣管路配置的鋼管臍帶纜，最小彎曲半徑和重量都大很多。

最小彎曲半徑越大，存儲(chǔ)及安裝可選擇的立式卷盤(pán)就越少，而立式卷盤(pán)方便運(yùn)輸和吊裝。如果采用臥式卷盤(pán)，但有這樣配置的安裝船較少，動(dòng)復(fù)員距離可能較遠(yuǎn)，日費(fèi)率昂貴。

重量越大，運(yùn)輸和安裝的難度就越大。需要考慮碼頭和安裝船的起吊能力，以及運(yùn)輸距離和費(fèi)用。并且需要考慮安裝船的甲板面積和裝載能力，臥式卷盤(pán)占地面積較大，如果臍帶纜重量較大，則對(duì)甲板的要求很高。

安裝過(guò)程中，臍帶纜的重量還直接決定對(duì)張緊器張緊能力的選擇。對(duì)于深水安裝，鋼管臍帶纜由于重量較大，會(huì)造成張緊器的高張緊力，而對(duì)于軟管臍帶纜則張緊力相對(duì)較小。圖2所示為水深和臍帶纜重量對(duì)張緊器長(zhǎng)度的影響。

圖2 張緊器長(zhǎng)度與水深和臍帶纜重量的關(guān)系Fig.2 Dependence of tensioner length on water depth and umbilical weight

1.5 加工工藝影響

軟管加工應(yīng)該是連續(xù)無(wú)縫、圓形擠壓成型，對(duì)于長(zhǎng)距離的臍帶纜，需保持其連續(xù)性且不間斷地生產(chǎn)。而鋼管采用分段焊接，主要是焊接工藝的影響，應(yīng)滿足相關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 9956/14732、ASMEB31.3/Ⅸ等。

1.6 交貨期影響

鋼管由于被RathGibson、 Sandvik等公司占有了70%市場(chǎng)份額，供貨商較少，交貨期很長(zhǎng)；而軟管由臍帶纜供應(yīng)商自己生產(chǎn)，可極大縮短生產(chǎn)周期。

2 液壓管線尺寸(內(nèi)徑)選擇分析

臍帶纜內(nèi)的液壓管徑以及材料均影響著水下控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，可以借助水下控制系統(tǒng)的液壓仿真分析來(lái)決定臍帶纜內(nèi)的液壓管線尺寸。

以南海某油氣田實(shí)際投產(chǎn)的項(xiàng)目為例，具體分析臍帶纜內(nèi)液壓管線尺寸的選擇過(guò)程及方法。

2.1 油田信息簡(jiǎn)介

該油田是一個(gè)邊際油田，位于中國(guó)南海珠江口盆地，距深圳約240km，油田范圍海域水深約260～300m。主要依托開(kāi)發(fā)設(shè)施有一條浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)，一座半潛式鉆井平臺(tái)。油田開(kāi)發(fā)方式為采用中心叢式井管匯的水下生產(chǎn)系統(tǒng)[6]。

2.2 控制系統(tǒng)液壓整體架構(gòu)

液壓動(dòng)力單元(HPU)位于半潛式鉆井平臺(tái)上，HPU到水下生產(chǎn)系統(tǒng)是通過(guò)14.5km的復(fù)合電液控制主臍帶纜與水下終端接頭(UTH)連接，然后用20m液壓跨接纜與水下分配單元(SDU)連接，最后通過(guò)約60m的液壓跨接纜連接到水下采油樹(shù)的水下控制模塊(SCM)。整體構(gòu)架如圖3所示。

圖3 南海某油氣田水下控制系統(tǒng)液壓系統(tǒng)圖Fig.3 Schematic diagram of the hydraulic system of a subsea control system in a South China Sea oil and gas field

2.3 液壓系統(tǒng)建模分析

本文利用專(zhuān)用液壓仿真分析軟件AMESim對(duì)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。

2.3.1建模基礎(chǔ)

由于該油田控制系統(tǒng)為開(kāi)式控制系統(tǒng)，水下采油樹(shù)上的控制閥門(mén)均為失效關(guān)的模式(控制液壓失壓，閥門(mén)關(guān)閉)，ESD響應(yīng)時(shí)間均為迅速。因?yàn)閷?duì)液壓管線尺寸的影響，主要取決于系統(tǒng)充液的響應(yīng)時(shí)間，根據(jù)ISO 13628-6以及生產(chǎn)作業(yè)方的要求，水下蓄能器系統(tǒng)的充液時(shí)間不能超過(guò)40min。水下蓄能器為1用1備，為所有的蓄能器同時(shí)充液。

假定采油樹(shù)上的所有水下蓄能器(SAM)執(zhí)行完一次動(dòng)作后，由水面上的HPU為其充液。

假設(shè)液壓管線內(nèi)液體壓力為0.1MPa。

假設(shè)所有的元器件都在一個(gè)水平面內(nèi)(忽略水深影響，關(guān)注相同距離下不同管徑的液壓管線對(duì)系統(tǒng)充液時(shí)間的影響)

SAM內(nèi)液體已排空。

2.3.2仿真模型

因?yàn)殇摴芎蛙浌茉贏MESim軟件中屬性不同，所以針對(duì)不同的液壓管線材料水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)充液仿真模型在AMESim中建模如圖4、圖5所示。

圖4 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)充液仿真模型(鋼管)Fig.4 Simulation model for the subsea production system charging (steel pipe)

圖5 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)充液仿真模型(軟管)Fig.5 Simulation model for the subsea production system charging (flexible pipe)

2.3.3仿真結(jié)果及其分析

目前中國(guó)南海已投產(chǎn)采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的油氣田中，臍帶纜均為國(guó)外廠家產(chǎn)品，臍帶纜內(nèi)液壓管線管徑從0.5英寸到1英寸不等，0.5英寸是最常見(jiàn)的尺寸。因此，本次以0.5英寸鋼管、0.75英寸鋼管、0.375英寸軟管、0.5英寸軟管以及0.75英寸軟管為備選方案，進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖6～圖9所示，其中圖6和圖7為鋼管仿真結(jié)果，圖8和圖9為軟管仿真結(jié)果。匯總響應(yīng)時(shí)間如表1所示。

圖6 SAM氣體壓力曲線(鋼管)Fig.6 Gas pressure curves of the SAM (steel pipe)

圖7 SAM液體體積曲線(鋼管)Fig.7 Liquid volume curves of the SAM (steel pipe)

圖8 SAM氣體壓力曲線(軟管)Fig.8 Gas pressure curves of the SAM (flexible pipe)

圖9 SAM液體體積曲線(軟管)Fig.9 Liquid volume curves of the SAM (flexible pipe)

液壓管類(lèi)型液壓管徑/in充壓時(shí)間/s系統(tǒng)充液體積/L鋼管0.5237448.2鋼管0.7548854.3軟管0.375360697.5軟管0.51889150.8軟管0.751390328.3

根據(jù)充液響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)40min的判定標(biāo)準(zhǔn)，0.375英寸的軟管響應(yīng)為3606s，超過(guò)了所允許的時(shí)間，故不能作為臍帶纜內(nèi)液壓管線的選擇。

在滿足標(biāo)準(zhǔn)以及作業(yè)方的要求下，0.5英寸鋼管、0.75英寸鋼管、0.5英寸軟管以及0.75英寸軟管均可以作為臍帶纜內(nèi)液壓管線。綜合考慮投資以及系統(tǒng)性能，最終該項(xiàng)目采用了0.5英寸的軟管作為主臍帶纜內(nèi)的液壓管線。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜合考慮臍帶纜的應(yīng)用環(huán)境、材料性能以及經(jīng)濟(jì)性，在保證系統(tǒng)安全性的前提下，選擇合適的液壓管線材料和尺寸可以提高效益，降低成本。

(1) 對(duì)于水深500m以內(nèi)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，采用軟管臍帶纜其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間及綜合成本優(yōu)勢(shì)較為明顯；對(duì)于深水惡劣環(huán)境則采用鋼管臍帶纜較多。

(2) 如果系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不是很苛刻，建議盡量采用小尺寸的液壓管線，降低臍帶纜的投資，以提高效益。

[1] 高原,魏會(huì)東,姜瑛,等.深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)及工藝設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)海上油氣,2014,26(4)： 84.

[2] 劉太元,霍成索,李清平,等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)在我國(guó)南海深水油氣田開(kāi)發(fā)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J].中國(guó)工程科學(xué),2015,17(1)： 51.

[3] 周美珍,張維慶,程寒生.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的比較與選擇[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2007,22(3)： 47.

[4] 郭宏,屈衍,李博,等.國(guó)內(nèi)外臍帶纜技術(shù)研究現(xiàn)狀及在我國(guó)的應(yīng)用展望[J].中國(guó)海上油氣,2012,24(1)： 74.

[5] 文綱,段夢(mèng)蘭,王德國(guó),等.臍帶纜液壓管線材料的應(yīng)用特點(diǎn)與選擇分析[J].石油工程建設(shè),2012,38(2)： 10.

[6] 王建文,王春升,楊思明.流花4-1油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造船,2011,52(a01)： 172.

SelectionAnalysisofHydraulicTubeofSubseaProductionUmbilical

LI Bo, GUO Hong, GUO Jiang-yan

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The hydraulic tube has an important impact on subsea production umbilical cost and performance. Choosing appropriate material and size of umbilical hydraulic tube can ensure reliable and economical operation of oil and gas fields. This paper analyzes the main materials of the current umbilical hydraulic tube, compares and analyzes the performance and adaptability of each material, and puts forward the factors that need to be considered when selecting the hydraulic tube material type. Through the method of hydraulic simulation, the simulation model of the diameter of the hydraulic tube in the umbilical is established, and the analysis method of the hydraulic tube size selection is given. This paper provides some reference for the selection of hydraulic tube in subsea production system umbilical.

subsea control system; umbilical; hydraulic tube

TP271+.31

A

2095-7297(2017)01-0014-05

2016-10-12

工信部課題(深水鉆井船海況適應(yīng)性及安全分析技術(shù)研究)

李博(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。