深水油气田开发中的中深水输送概念.pdf

第 3 6卷第 3期 石油工程建设 3 3 深水油气霸 蠢蠢 麓尊漂 输送概念 基金项程圈家重大科技专项誊大 油气田及 煤层气开发雾子课题 西非深水海上典型油气田汗 薹程模式研究 t 2 O o 8 z X O 5 0 3 0 5 。 0 3 ≥ 囊 誊 誊 蓦 薯 毫 誊重誊 囊 誊 曩 蔓 叠 薯 - - ≯ 何 宁 ；王桂林 2 ，段梦兰 2 李婷婷 2 ，冯 玮 3 ，刘太元 3 1 ． 海洋石油工程股份有限公司，天津3 0 0 4 5 1 ；2 ． 中国石油大学 北京 海洋油气研究中心，北京1 0 2 2 4 9 3 ． 中海石油研究中心 ，北京1 0 0 0 2 7 摘 要 海 上 油气 的勘探 与 开发 已经转 向深 海 ，深水 油 气管道 是 深水 开发 的一 个重 要环 节 ．面 ， 诸 如流动保障、高温高压和低温环境等技术难题 文章着重介绍 了国外在深水油气田开发 中应 用的 中 深 水 管道 输 送概念 ，包括 T r e l l i n e方案和 G A P方案 重 力驱 动 管道 ，论述 了它们的技 术特 点 ，列举 了一 些应 用实例 ．并 对其应 用前 景进行 了分析 关键 词 深 水 开发 ；油 气 管道 ； 中深水 概 念设 计 中图分类号 T E 5 3 文献标识 码 A 文章编 号 1 0 0 1 2 2 0 6 2 0 1 0 0 3 0 0 3 3 0 5 O 引言 深水油气田开发是当前海上油气勘探与开发的 发展 趋势 ．随着 大型 海上 深水 油 气藏 的不 断发 现 和 深海开发技术水平 的不断提高．全球海上油气 的勘 探 与开发 正在 由浅水 向深 水 的方 向转 移 。 当前 ．深 水油气 田开发最活跃的地区是墨西哥湾 、巴西海域 和西非海域 ．而西非被认为是深水开发最具前景的 地 区 在 深水 和超 深水 条件 下 ．深 水油 气 田的开发 将 面临许多技 术挑 战 ，如流动保障 、水 下生产系 统 、立管系统 、水面生产结构 、输送系统等的技术 问题 深水油气 田的开发对油气管道提 出了更高更 严格 的要求 。如流动保障、低环境温度 、高温高压 H P ／ H T 等 。对生产或注入立管 、钻井立 管 、完 井或修井立管以及不同类型混合立管等的设计和安 装的要求也极高 目前 ．我国深水油气 田开发也处 于紧张的计划筹备 中．已经开展了深水油气 田开发 的 关 键 技 术 研 究 ．为 我 同深 水 油气 田的 开 发 做 准 备。为跟踪国际先进深水开发技术 ，引进 、消化和 吸收 国外 先进 开发 经验 ．本 文 介绍 了一种新 型 的 中 深水油气输送管道 的概念 ．分析了其应用前景 1 深 水石 油 管道 面 临的挑 战 1 ． 1海 上油 气输 送 系统 的构 成 海 上 油 气 输 送 系 统 包 括 生 产 管 道 F 1 o w l i n e 、 外输管道 P i p e l i n e 和立管系统 R i s e r ，见图 1 图 1海 上 油 气 输 送 系 统 构 成 生产管道用于输送未经处理的流体 原油或天 然气 。可 以输送多相流 ．包括石蜡 、沥青 、其他 的固体颗粒如砂子等 大多数深水生产管道输送的 是高压高温 H P ／ H T 流体 外输管道输送 已处理的原油和天然气 输送 的 流体是经 油 、气 、水和其他 固体 分离后 的单相流 体 。外 输管 道需 要适 中 同环 境温 度相 比 的温 度 和压力 ，以确保流体输送到 目的地 通常 ．外输管 道 比生 产管 道 的直 径 大 立管系统是连接水下生产系统和水面生产设施 的 通 道 。立 管 类 型 主要 有 柔 性 立 管 C 0 mp l i a n t R i s e r 、钢悬链 立 管 S C R 、混 合立 管 H v b r i d R i s e r 和顶 端张 紧立 管 1 T r R 1 ． 2流动保 障 问题 深水海底 为高静压 、低 温环境 通常在 4℃ 羊 羊 ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ 石油工程建设 2 0 1 0年 6月 左右 ．这对海底油气混输管道提出了严格的要求 。 深海油气 田现场的应用实践表明．在深水油气混输 管道 中，由多相流成分 含水 、酸性物质等 、海 底地势起伏 、运行操作等带来 的问题 ，如段塞流 、 析蜡 、水合物、腐蚀 、固体颗粒冲蚀等 ，已经严重 威 胁 到 生产 的正 常 进 行 和 海底 集 输 系 统 的安 全 运 行 ．由此 引起 的险情频 频发 生l l l 由于水 深增 加 ．且 油气 藏位 于海床 以下更 深 的 区域处 ．同浅水油气藏相 比，深水油气温度更高 、 压力更大 高温高压 H P ／ H T 生产要求更高等级 和更大壁厚 的阀门和管道 原油产出物通常含有大 量水 、蜡和沥青 ，产出物中还可能含有砂子，高速 流动的砂子会加速管道内壁的腐蚀 溶解的二氧化 碳和硫化物也会对管道内壁产生腐蚀 1 ． 3管道 的绝热保 温 油气在温度较低的海水 中长距离流动 ，包含水 和蜡的产出物会形成象冰一样 的物质 ．称作水 合 物 ．它与管道结蜡一样都将缩小管道内径 ，最终阻 碍管 道 内产 出物的流 动 为避免 输送过 程 中温度 的 降低 ，管道需要绝热保温 。采取的方式有 涂敷绝 热材料、采用热水循环系统 、电加热伴热 、双层管 道保温 P I P 。还可在产出物流入管道前，向井 口 注 入化 学 抑 制剂 进 行保 温 化 学 药 品通 常 有 Me O H、乙二醇 、低剂量水合物抑制剂 、晶体修改 剂、沥青溶解剂 、阻垢剂等。 1 ． 4深水管道的设计问题 在深水 油气 田的开发 中 ．尽 管海底 管道 在设 计 和安装上有 困难 ．但 目前仍是最经济的选择 。但是 更深 海 域 和离 岸距 离 更 远 的油 田 ．采 用 F P S O 浮 式生产储存卸货装置和穿梭油轮的外输系统 ，可 能更 具有 吸引力 外部静态水压力高、海底地形复杂 以及产出物 腐蚀性强等特点使得深水管道的设计更为复杂。深 水管 道设计 面 临的挑 战有 材料 选择 、绝热 、悬 跨 的缓解、安装和维修等。 2中深水 管道概 念设 计 中深水 管道 mi d w a t e r p i p e s 是 国外 在 开 发 深水 油气 田的过 程 中 ．为解 决 深水 石 油管 道 输 送 系统 所 面 临 的难 题 而 提 出的一 种 新 的 油气 输 送 系统概 念 它 的基本特点是管道 没人水 面以下 一 定深度 如 2 0 0 m ．避免海底的低 温环境 ，以解 决流动保障问题 ．如水合物形成 、结蜡等。实践 证 明 。在深 水 和超 深 水 油 田 ．浮 式 生 产 平 台 间 的 石油输送 ．采用较小水深处的深水管道系统将更 为有效 。 中深水管道输送系统 ．最早 由S B M公司提出． 目前有两种解决方案 T r e l l i n e 方 案 用 于 F P S O和外输 浮筒 之间 的石 油输送 ．即采用大直径的柔性立管从 F P S O向外输浮 筒稳定地输送原油 ．再 由外输浮筒 向穿梭油轮卸油 G A P方案 重力驱动管道 。主要用于浮式钻 采平 台 T L P、C T ／ S S ／ S p a r 和生产 平 台 F P S O ／ F P S 之间的石油输送 ．即通过 G A P把多个卫星井 汇集的原油输送到生产平台上进行处理 3 T r e l l i n e 输 送 系统 3 ． 1 T r e l l i n e 设 计概 念 在西 非海 岸大型 深水 油 田的开发 过程 中采 用 了 一 系列的深水油 田开发方案 如 G i r a s s o l ，B o n g a 。 Ki z o mba A ， Ki z o mba B， Eh r a， Da l i a， Ag b a mi ， G r e a t e r P l u t o n i 0等 水 面生产设施选择大型分布 式锚 链 F P S O，存储 能 力约 为 2 7 ． 3万 t 2 MMb b 1 ， 原油生产能力为 2 ． 7 3万t ／ d 0 ． 2 MM b b l ／ d 。高生 产 能力 的 F P S O要 求 外输 系统 的输 油 能力 达 到 2 ． 4 6万t ／ d 0 ． 1 8 MMb b l ／ d ．这样才能满足经济性 要求 因此 ．广泛采用安全性高的单点系泊终端系 统 外输浮筒进行海上作业 ．实现与大型外输油 轮 净载量达到 3 5万 t 3 5 0 k D wr 的对接。这 种输 送方 案 主要是 安 全性 高 ．避 免 F P S O与 穿梭 油 轮经常发生无法预测的碰撞 ．而 F P S O直接串联卸 油系统则 比较危险 ．不可靠 。采用单点系泊终端系 统 ，在整个卸油作业期 间 1 2 d ，外输油轮可 以随天气情况绕单点系泊终端系统转动 单点系泊 终端 系统通 常离 F P S O 1 ． 6 k m．要求 原 油卸油 线 O O L s 直径 大 ，以减 小 压 降 ，从 而减 小 F P S O上 增压泵的功率要求 在深水 中．卸油管道悬挂在 F P S O和单 点 系泊浮 筒之 间 ． 目前有 两种 连接方 式 ． 即钢管和 自由的挠性管 T r e l l i H e T M 是 S B M和 T r e l l e b o r g联合开发的一种 O O L s 解决方案l 2 l ，有操作灵活 、整体成本低等优 点 。其概念 设计 如 图 2所示 。 3 ． 2 T r e l l i n e的配置 通常 T r e l l i n e外输管道 为懒波 1 a z y w a v e 状 结构 ．通过 间隔分布的浮筒模块实现 如图 3中粗 实线部分 ，能够有效地减轻波浪和流的作用。 第 3 6卷第 3期 何宁等 深水油气 田开发 中的 中深水输送概念 3 5 图 2 Tr e l l i n e概念设计示意 图 3 T r e l l i n e管道结构示意 T r e l l i n e是 由 l 2 m长 的加强 柔 性橡 胶 软管 组 成 的 ．两 端 通 过 钢 法 兰用 螺 栓连 接 在一 起 ，见 图 4 。 两端 采 用 “ 集成 弯 曲加 强器 ”对 法 兰进行 加 固 ．表 面用 氯 丁二 烯橡 胶 完全覆 盖 ．并 采用 集 成 的内部 和 外部垫圈进行密封 起连接作用的螺栓和螺母通过 涂敷耐压油脂和采用密封技术来防止腐蚀 管道末 端采用万 向接头 ．以消除过大的弯曲荷载 ，确保软 管末 端 的安全 连 接 图 4 Tr e l l i n e法兰 连 接 结构 和螺 栓 保 护 T r e l l i n e方 案 的末 端 连 接 为 万 向节 接 头 该 方 案 是 由 S B M 开 发 和 测 试 的 ．是 基 于万 向节 接 头 而 在 F P S O和浮筒间实现连接 图 5 万 向节接头在 T r e l l i n e软管端 部形成一个连接结构 ．此结构能弯 曲到任 一 角 度并 将 中深水 管道 的 张力 传输 到 浮筒 因此．T r e l l i n e万 向节软管接头仅承受弯曲力作用 ． 而 且是 经过特 别 设计和 充分 检测 的 ．更 换方 便 图 5 Tr e l l i n e端部连接的万 向接头模型 T r e l l i n e有 以下几 个 方 面的特 点 1 适合深水项 目的长距离外输系统 ，带加强 保 护 的 大 直 径 软 管 悬 挂 成 简 单 懒 波 1 a z v w a v e 状 ．长度超过 2 k m．在 F P S O和卸油浮筒间输送原 油 。 2 柔性高 、重量轻 、疲 劳寿命长 、直径大 、 压力 低且 流 量大 3 已通过 认证 ．符合 A P I 1 7 K规范 ，设 计 寿 命 为 2 5年 4 连接法兰通过 “ 集成弯 曲加强器 ”得到充 分保护和加强 5 软 管上 的钢 加强 环 可承 受倒 塌 的压 力 4 GAP输 送 系统 4 ． 1 G A P设 计概 念 在 大型深水油气 田的开发 中涌现 了许多新技 术 ．采用 F P S O 和其 他 浮式 生 产平 台 的联 合 开发 模 式就是其中之一 ，如 T L P 张力腿平 台联合开发 模 式 这 种开 发模 式 充分 发 挥 F P S O和 T L P各 自的 优点 ，即 T L P的干式井 口和 F P S O的生产 、储 、卸 油功能 这种开发模式需要一种经济有效的平台间 流 体 输 送方 式 ，并 且 要 求 干 式 井 口 D T U和 F P S O距 离较 近 过 去 已 有 两种 不 稳 定 的原 油 输 送 方式 一 为 自由悬 挂成 单一 或 多种 波形 式 的挠性 或 刚性 钢立 管 二 为 挠性 或 刚性 立管 或立 于海 底 的立 管塔 这两种方案遇到的问题有 长度和直径的限 制 深水低温环境引起的流动保 障问题 强度和疲 劳问题以及材料成本和安装问题 这些问题降低 了 上述 两种 传输 方 案 的技 术可 行性 和经 济性 ．因而 要 求开发一种新 的流体传输方案 ，以满足下列要求 1 适用深度大 不受水深的限制 。 2 适合跨度达几千米。 3 具有充分的流动保 障。 4 尽 可 能在 当地 制 造 。 面对 这些 挑 战 ． S B M 公 司 开 发 出 了重 力 驱 动 管道系统 G AP _3 _ ．概念设计 见图 6 。G A P的 设计概念为 在接 近水面深度处 ．一个由钢管束组 成 的中心浮筒通过链索和重力 的作用连接到浮式生 产系统上 ．浮筒内部承载多条生产管道和脐带缆 G A P输 送系统 中．浮式生产 系统通过柔性管 道及管束输送流体 海底深处 的 S C R立管经常 出 现水合物与结蜡 的问题 ．但这种接近水面的输送系 统显著减少 了流动保障问题的出现 同 S C R立管 3 6 石油工程建设 2 0 1 0年 6月 f a G A P配置方案 f bGAP的 末 端 连 援结 构 图 6 GA P输送概念示意 相 比较 ．G A P的中心浮筒管束 自身的浮力大大抵 消 了加 在 浮 式 平 台上 的荷 载 ．这 在 T L P立 管接 头 系统的设计中相当重要 对 2～3 0 k m的接头研究 表明 ．G A P可应用于世界上任何深水开发项 目 4 ． 2 G A P的应 用实例 K i k e h油 田 马来 西 亚 在 开发 过 程 中应 用 了 G A P管道 。开发 方 案 中包 括 一 艘 F P S O 处理 由干 式 井 口 D T U和 水 下生 产 系 统产 出 的流 体 ． 注水和 D T U动力控制系统 D T U由无人值守 的 2 4 个 干式井 口和管汇组成 G A P T M 安装在 F P S O和 D T U之间 ．长 1 6 0 0 i n 图 7为 G A P K i k e h现场安 装 图片 图 7 Mu r p h y GAP Ki k e h安装现场 在 G A P设计方案中 ．K i k e h油 田的 G A P流体 输送系统包括以下部分 1 一 根 承 载管 道 。支 持 4个 刚性 生 产 管 道 和 1 个脐带缆 ．承载线是一根带有 内部堵头的连续 钢 管道 2 带浮筒罐 的拖航头 T o w h e a d s 。位于承 载管道的两个端部 ．作为生产管道的终端来支撑柔 性跨接管和脐带缆的下端部。 3 配重块链 。悬挂在 D T U拖航头的下部 ． 用来提供 向下 的固定拉力和保证扭转的稳定性 4 一 个 张紧 链 配置 。在每 个 浮体 上 支 持 G A P系统 5 位于拖航头和浮体问的柔性跨接线。用于 确保 流 动的连 续性 6 F P S O和 D T U间配置的一条连续脐带缆。 脐带缆通过 G A P给 D T U供电 ．并包含有传输仪表 数据 所需 的光 纤 4 ． 2 ． 1 GAP的制 造 G A P在 马来 西 亚 的 一个 新 开 发基 地 制 造 K i k e h G A P管束横截面 内包含有 直径 1 ． 2 m 的运 载 管 ；4根 生 产 管 道 3根 生 产 ，1根 注 水 和 1 根脐 带缆 包 括动力 和光纤 控 制线 。 4 ． 2 ． 2 GAP的下放 工程设计 中 G A P的下放采用管束拖拉的方法 和在现场 近岸 布置。近岸的临时拖拉轨道要足 够长 ．以避免未计划到的拖航头或管束接触海底 ， 并且强度要足够大以避免轨道运动和潜在的轨道损 伤。 4 ． 2 ． 3拖航 和安 装 水 面拖航 G A P要求的附加工作有 期望 、允 许 的疲劳破坏与拖航状态 、持续时间的预报；制订 一 个应急计划以面对可能出现的操作困难 或恶劣 气候条件 ．即在船拖航状态与现场都做好准备预 案；做好预拖航准备 ，移除下放辅助设施 ，安装拖 航辅助设施 确保 G A P以优化配置到达 K i k e h油 田、平稳的运输以及 G A P的连接 。 海上 K i k e h G A P按下列步骤安装 1 在 F P S O和 D T U末端预安装张紧链部分。 2 张紧链连接到 D T U端 ．并且控制住 D T U 端 下沉 3 控 制住 F P S O端 下沉 ，并 且连 接张 紧链 。 4 安 装柔性 跨 接管 。 5 安装脐带缆。 6 安装连接端上部浮筒模块。 7 安装拖航头卷筒。 8 试 运行 5应 用前 景 从 目前世 界上深水 油气 田的开发 应用来 看 ． rr r e l l i n e中深水输送概念在西非深水开发 中得到 了 广泛应用 ．尤其是在大型油气 田。这些开发方案一 第 3 6卷第 3期 石油工程建设 3 7 1 ．_ 2 9 海底管道焊接接头安全陛分析 李春润 1 ,2 牛虎理 一，侯泽峰 1 ,2 ，王志坚3 ，张 潇 3 ，关幼耕 3 1 ． 中国石油集团工程技术研究院，天津3 0 0 4 5 1 ；2 ． 中国石油集团海洋工程重点实验室 ，天津3 0 0 4 5 1 3 ． 中国石油海洋工程有限公司海工事业部，山东青岛2 6 6 5 0 0 摘 要 依 据 A P I S t d 1 1 0 4 2 0 0 5 管道及有关设施的焊接 ．在 已知铺设 外力和焊接接 头断裂韧度 值 的前提 下 ．对冀 东南堡 油 田 N P 1 2 9 P至 N P 1 2 D海 底 油 气混输 管道 焊接 接 头铺 设 阶段 的安 全性进 行分析 评估结果表明，在同一工况下，随着断裂韧度 C D值的增加 ，表面缺陷允许尺寸先增大， 到达 一定 值后保 持 不 变 埋 藏缺 陷尺 寸一直 保持 不 变 关键词海底 油气混输管道 ；安全性分析 ；表 面缺陷埋藏缺陷；C T O D值 中图分 类号 T E 5 3 文 献标识 码 B 文章 编号 1 0 0 1 2 2 0 6 2 0 1 0 0 3 0 0 3 7 0 4 0 引 言 海底管 道作为海洋石 油的输送管道 ．每年 以 成千上万千米 的速度增 长 虽然管道是很安 全 的 石油天然气运输_ [ 具 ．但 在过去几十年 中 ．也发 生 了很多起失效事故 ，不仅影响 了正常生产秩序 ． 而且也威胁 了工人 的生命安 全 原 因是在海底 管 道 的铺设 过 程 中 ．管 道会 产 生变 形 、刮伤 等 缺 陷[ 1 - 3 ] ．然而最 主要的缺陷是 由海底管道焊接产 生 的 因此 ．各 国海底管道 系统 的规范都对焊接 缺 陷的合格限度有明确的规定 海底 管道作为一种典 型 的焊接结 构 ．其焊接 过 程 常 常使 焊 接接 头 的组 织性 能 劣化 及 产 生 缺 陷 而焊接缺 陷处有较大的应力集 中 ．在使 用过程 中 般采用 大型 F P S O．由于原油卸油周期较长 ．采用 这种方案可有效解决深水开发中的流动保障 、原油 外输 的安全 问题 G A P中深 水 输 送 系 统 主 要 用 于 浮 式 生 产 平 台 间 的原 油 输 送 ．也 适 用 于 大 型 油 气 田 的 开 发 ．开 发方案一 般采用 F P S O和 T L P的开 发模式 ．采用 G A P方 案 可有 效解 决 两平 台间 的流 动保 障和 安 全问题 因此 ．中深水输送方 案较适合深水 大型 油气 田的 开 发 ．从 应 用 前 景 来 看 ．预 计 在 西 非 深 水 大 型 油 气 田 的 开 发 中 将 会 得 到 越 来 越 多 的 应 用 往 往 成为 裂 纹 的源头 ．因而 管道 一旦 从焊 接 接头处 发生断裂 ．极易造成突发性和灾难性断裂事故 由 此看来 ．焊接接头是管道系统 的薄弱环节 ．对其强 度 、寿命和安全可靠性进行评定以保证管道安全可 靠 运行 具 有重 要 的现 实 意义 本 文 根 据 管 道 钢 焊 接 接 头 的 断 裂 韧 度 试 验 结 果 ．依据 A P I S t d l 1 0 4 2 0 0 5 管道及有 关设施 的 焊接标准 ．对冀东南堡油田 N P 1 2 9 P至 N P I 一 2 D 海底油气混输管道焊接接头在管道铺设阶段的安全 性进行了分析 ，确定 了平面缺陷的允许尺寸．为管 道铺 设 时缺 陷 的验 收提 供参 考 依据 1 安全 性 分析 参数 的确 定 N P 1 2 9 P至 N P 1 2 D 海 底 混 输 管 道 长 度 约 为 参 考文 献 【 1 ]李清平 ． 我 国海洋 深水 油气 开发 面临 的挑战 ． 中国海上 油气， 2 0 0 6 ， 1 8 2 1 3 0 1 3 3 ． [ 2 ]R a m p i I ， L a v a g n a P ． T RE L L I N E T M --A C o s t E ff e c t i v e Al t e r n a t i v e f o r Oi l O ffio a d i n g L i n e s O T C 1 1 8 7 6 ， 2 0 0 6 【 A1． O f f s h o r e T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e [ C ] ． Ho u s t o n 2 0 0 6 ． 1 1 1 ． 【 3 ] S B M O ff s h o r e ．G r a v i t y A c t u a t e d P i p e GA P 【 E B ／ O L J ．W W W． s b r n o f f s h o r e ． e o m／ DOC S ／ S BMOGa p．p d f ， 2 0 08 ． 作 者 简介 何宁 1 9 7 7 一 ，男 ，天 津人 ，工程 师，1 9 9 9 年毕 业于哈 尔滨工程大学 ，现从 事海洋工程研 究工作。 收稿 日期 ．2 0 1 0 一 O 1 一 】 】 羊 羊