李 華， 余峙偉， 朱永梅， 唐文獻(xiàn)

(1. 重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司， 重慶 401121； 2. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

圖1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置圖

0 引 言

自然界當(dāng)中的油氣資源大規(guī)模地被人類利用和開發(fā)已有數(shù)百年的時(shí)間，油氣田開采也從陸地走向海洋，由淺水走向深水。20世紀(jì)40年代，美國(guó)路易斯安那州附近開采出第1口海上油井。海上石油和天然氣工業(yè)現(xiàn)已經(jīng)形成一套完整的水下生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)。各國(guó)對(duì)發(fā)展海洋油氣資源開采設(shè)備的研發(fā)投入不斷增加，開采的技術(shù)條件也從淺海(300 m水深以內(nèi))走向深海。

在石油天然氣田的建設(shè)中，水下管匯是關(guān)鍵的組成部分。管匯是管道和閥門的排列布置，被設(shè)計(jì)用于聯(lián)合、分配、控制以及監(jiān)控流體流動(dòng)，主要用于簡(jiǎn)化水下系統(tǒng)，減少水下輸送管和立管的使用，優(yōu)化產(chǎn)物在系統(tǒng)中的流動(dòng)。本文主要分析水下管匯的應(yīng)用現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)趨勢(shì)。圖1為某典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置圖。

1 水下管匯的主要構(gòu)件

管匯的一般構(gòu)件包括：管系與閥門組件、結(jié)構(gòu)框架、管匯基礎(chǔ)、控制系統(tǒng)設(shè)備和連接系統(tǒng)。這些構(gòu)件使管匯具有以下功能：為管線、鉆井提供接口；從單獨(dú)的水下鉆井中收集井口產(chǎn)出液；分配井口產(chǎn)出液，注入天然氣，注入化學(xué)制品和控制流體；分配電力系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)；為管匯系統(tǒng)的安裝和取回過程提供升降點(diǎn)；為水下機(jī)器人(Remote Operated Vehicle，ROV)相關(guān)作業(yè)提供支撐平臺(tái)；提供適航的固定接口。

1.1 管系系統(tǒng)

管匯所采用的管道結(jié)構(gòu)決定了其整體質(zhì)量。設(shè)計(jì)者有很大的空間去設(shè)計(jì)各個(gè)構(gòu)件的位置和分布。管系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)有多重指標(biāo)衡量，主要體現(xiàn)在流動(dòng)安全保障[1]等方面。鉆井的井口產(chǎn)出液是一種多相態(tài)混合物，含有泥沙、烷烴類、天然氣和水等物質(zhì)，流動(dòng)形態(tài)復(fù)雜多變。這些流體也會(huì)隨溫度的變化改變其物理性質(zhì)，隨溫度變化產(chǎn)生的典型問題包括：水合物形成、結(jié)蠟、瀝青質(zhì)形成等，所以可在有保溫層的基礎(chǔ)上使結(jié)構(gòu)緊湊，進(jìn)而減少熱傳遞損失。管道的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響流體流場(chǎng)，常見的問題包括：乳狀液、起泡、結(jié)垢和段塞流等問題，管路設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量避免使用可能引起上述問題的管道結(jié)構(gòu)。

1.2 閥門組件

水下管匯閥門裝配在管道系統(tǒng)里，用于控制生產(chǎn)和注射流體。由于流體直接從水下閥門通過，所以水下閥門在很大程度上決定了水下管匯的可靠性。管匯上閥門的選擇和位置至關(guān)重要。閥門類型、大小、壓力等級(jí)和驅(qū)動(dòng)功能的設(shè)計(jì)說明應(yīng)在管匯詳細(xì)布置之前給出。

圖2 閥門種類

按閥門閥體的種類，可以將閥門分為閘式閥和球形閥。按驅(qū)動(dòng)方式又可分為ROV驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、ROV液壓雙驅(qū)動(dòng)3種類型。圖2為閘閥和球閥2種結(jié)構(gòu)。近年來，我國(guó)在閥門設(shè)計(jì)方面有了較大發(fā)展[2]，其中閘閥被認(rèn)為是一種相對(duì)可靠的裝置，目前現(xiàn)有的水下管匯絕大多數(shù)使用閘閥。但在某些深水情況下，球閥比閘閥具有更好的操作性和經(jīng)濟(jì)性。

1.3 結(jié)構(gòu)框架

管匯結(jié)構(gòu)框架的主要功能是為管系、閥門組件和連接器等提供支撐并保護(hù)其他部件，同時(shí)還需要注意在某些海域防止?jié)O網(wǎng)拖掛和重物的墜落沖擊。框架結(jié)構(gòu)可以與管匯基礎(chǔ)分別安裝，需根據(jù)不同地質(zhì)情況、水深選擇不同的管匯基礎(chǔ)。

圖3 陰極保護(hù)布置圖

圖4 吸力樁的安裝原理

結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)在管系的具體設(shè)計(jì)之后，一般選用方鋼、圓鋼或H型鋼。本文推薦盡可能多地使用H型鋼，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)需要進(jìn)行表面防腐處理，而H型鋼的表面處理更方便。此外，整個(gè)管匯安裝在無人的深水中進(jìn)行，應(yīng)具備ROV可操作性。除了一些對(duì)海水腐蝕有免疫性的材料外，所有淹沒的金屬材料都應(yīng)進(jìn)行陰極保護(hù)。同時(shí)，應(yīng)確定和準(zhǔn)備好犧牲陽極監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置和數(shù)量。圖3為安裝在管匯框架結(jié)構(gòu)上的陰極保護(hù)布置圖。

1.4 管匯基礎(chǔ)

管匯基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)基于土壤情況和裝載量，大致可分為3類：防沉板、吸力樁和樁。用于水下設(shè)備的底座可以是防沉板或吸力樁，主要取決于水下土壤的情況。防沉板的結(jié)構(gòu)取決于管匯系統(tǒng)和附加設(shè)備的重量及其整體的重心位置。擋板滲入到土壤以下來抵抗水平力和某些部分的垂直載荷[3]。在某些場(chǎng)合，可以通過使用樁和防塵板結(jié)合的方式抵抗通常的載荷，從而達(dá)到減少管匯基礎(chǔ)質(zhì)量的目的，這種方法也被證明是可行的[4]。吸力樁是一個(gè)“倒扣過來的水桶”，底部是開的，頂部是封起來的，且安裝有1個(gè)閥門，通過抽空樁內(nèi)部的水導(dǎo)致內(nèi)部壓強(qiáng)變化，使吸力樁貫入土壤中。圖4為吸力樁的安裝原理。

1.5 控制系統(tǒng)

水下控制系統(tǒng)主要是對(duì)安裝在采油樹、管匯和管道上的閥門和節(jié)流器進(jìn)行操作，它也可以用于在水上和水下之間接收和傳送數(shù)據(jù)。通過對(duì)溫度、壓力等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，方便操作人員了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)通常有4種類型：直接液壓控制系統(tǒng)、先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)、電液先導(dǎo)控制系統(tǒng)和多路電液混合控制系統(tǒng)，主要功能可以概述為以下幾點(diǎn)：(1)開關(guān)水下采油樹系統(tǒng)、環(huán)空、轉(zhuǎn)換閥；(2)開關(guān)水上控制水下安全閥；(3)開關(guān)水下生產(chǎn)管匯閥門和清管閥；(4)開關(guān)化學(xué)注入閥；(5)調(diào)整水下生產(chǎn)節(jié)流閥；(6)監(jiān)測(cè)溫度、壓力、流速以及一些與采油樹、管匯、井下儀表相關(guān)的其他數(shù)據(jù)。

2 水下管匯的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外水下管匯的應(yīng)用

目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要應(yīng)用在世界深水油氣田開發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)域[5]，如巴西近海，墨西哥灣等海域。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟，越來越多的油氣田開采項(xiàng)目被提上計(jì)劃。2013年巴西國(guó)家石油公司與FMC公司簽訂水下生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)合同[6]，總金額約16億美元。同時(shí)，全球水下生產(chǎn)系統(tǒng)研究和市場(chǎng)調(diào)查[7]顯示：水下生產(chǎn)系統(tǒng)市場(chǎng)將由2015年的159億美元增長(zhǎng)到2020年的205億美元。

在邊界油田的開發(fā)上，許多制造商也在嘗試用新的技術(shù)手段解決開發(fā)成本高、收益回報(bào)率低的問題。Brenda油田管匯位于英國(guó)北海，由Framo公司設(shè)計(jì)制造。該管匯重120 t，長(zhǎng)寬高約為10 m×6 m×5 m，具有8個(gè)井槽口、1根生產(chǎn)集管、1根測(cè)試集管。該管匯使用一個(gè)多端口選擇器代替以往的雙閥門控制管路，使得與傳統(tǒng)管匯相比其質(zhì)量減少約40 t[7]。

2.2 國(guó)內(nèi)水下管匯應(yīng)用

南海流花11-1油田管匯于1996年在香港東南200 km位置投產(chǎn)，是我國(guó)第1個(gè)在300 m水深條件下建成的管匯[8]。此后更多的水下生產(chǎn)系統(tǒng)成功建成，截至目前我國(guó)共有10個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)[9]。本文以此為基礎(chǔ)對(duì)水下管匯進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究，解決了一系列的關(guān)鍵技術(shù)問題[10]。

崖城13-4氣田水下管匯[11]于2012年投產(chǎn)，位于我國(guó)南海，所在海域水深約89 m，是我國(guó)自行設(shè)計(jì)并安裝的應(yīng)用于邊際油田的水下管匯。該管匯分為主體和南高點(diǎn)2個(gè)部分：主體區(qū)域管匯有2個(gè)生產(chǎn)井槽和1個(gè)預(yù)留井槽，并安裝有1個(gè)水下清管器；南高點(diǎn)有1個(gè)生產(chǎn)井槽和1個(gè)預(yù)留井槽。2個(gè)部分的管匯都坐落在由3個(gè)吸力樁組成的管匯基礎(chǔ)上。

3 水下管匯設(shè)計(jì)趨勢(shì)

隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)工程建設(shè)的不斷增多，在此基礎(chǔ)上總結(jié)以往的項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和在新環(huán)境工況下的不斷創(chuàng)新，管匯技術(shù)也在不斷革新，推動(dòng)其進(jìn)步的2個(gè)主要因素是操作性和造價(jià)。一些公司在總結(jié)以往工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)[12]。從國(guó)外石油公司對(duì)水下管匯的設(shè)計(jì)歷程上看，大致可以分為幾個(gè)階段。

3.1 第1階段

早期第1階段的管匯設(shè)計(jì)水深不大，工作環(huán)境最多為水下1 000 m，管匯須由1個(gè)獨(dú)立的水下基礎(chǔ)支撐，在該基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)頂部有4個(gè)支撐點(diǎn)。這一階段的管匯具有1個(gè)可以最多補(bǔ)償2°傾斜的水準(zhǔn)系統(tǒng)，并且在一般情況下都設(shè)置4個(gè)可回收的阻塞件和閥門組件，每個(gè)都是為2個(gè)不同的鉆井設(shè)置的。

圖5 典型管匯的2個(gè)設(shè)計(jì)階段

此階段管匯的可靠性和安裝要求被設(shè)計(jì)得十分充裕，在任何土壤條件下都可以滿足，但缺點(diǎn)是使得管匯變得巨大、沉重，而且安裝變得困難，造價(jià)也隨之升高。

3.2 第2階段

第2階段無潛管匯的建造，吸收了第1階段水下管匯的經(jīng)驗(yàn)。圖5為1個(gè)典型的管匯的2個(gè)設(shè)計(jì)階段。第1階段與第2階段的管匯比較見表1。

表1 第1階段與第2階段的管匯比較

第2階段管匯的重量和大小都有所減小，不再強(qiáng)制要求具有獨(dú)立的基礎(chǔ)裝置。管匯底部可以被設(shè)計(jì)為帶有裙圍的泥墊，并在沉降過程中不斷修正產(chǎn)生的傾斜，也不需要設(shè)置外加的水準(zhǔn)系統(tǒng)。除了尺寸和重量的減小外，另一個(gè)減少安裝成本的因素為中心點(diǎn)的運(yùn)用，使得管匯在近海運(yùn)送和部署階段能架設(shè)在鉆探立管上。

3.3 第3階段

第3階段的管匯總結(jié)了可回收的阻塞模塊和水下閘閥的使用經(jīng)驗(yàn)，考慮了管道內(nèi)多相流的流動(dòng)特性。處于該階段的管匯，閥門設(shè)置在管道的最高和最低位置，防止在任意1個(gè)閥門關(guān)閉時(shí)，由石油隔離引起的氣體與水的接觸。對(duì)于在鉆井進(jìn)入生產(chǎn)階段前水的去除方法，有了進(jìn)一步的發(fā)展。

4 結(jié) 語

我國(guó)有幅闊的海疆，擁有豐富的油氣資源，但是我國(guó)對(duì)水下生產(chǎn)技術(shù)的研究起步較晚，很多技術(shù)和裝備依賴國(guó)外公司的引進(jìn)和進(jìn)口。隨著我國(guó)對(duì)海洋資源的利用與開發(fā)不斷增加，水下生產(chǎn)系統(tǒng)及相關(guān)裝備的研究繼續(xù)深化。未來，越來越多擁有自己核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)裝備會(huì)被制造出來。本文對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)中水下管匯的應(yīng)用和設(shè)計(jì)趨勢(shì)進(jìn)行討論，可為深水管匯及相關(guān)裝備的設(shè)計(jì)提供參考。