海洋管集束技术特点与应用分析.pdf

153 勘探开发2023年第9期管集束在海洋油气开发的应用历史已超40年，初始应用于1978年英国北海的MURCHISON油田，后续开始应用于墨西哥湾、澳大利亚和西非等区域。至目前管集束已应用在世界各地超150条。2001年在西非安哥拉Girassol安装了深度达1300米的管集束，2012年英国北海BP Andrew油田安装了长度达28.7公里的管集束，2013年在英国北海Total West Franklin油田安装了尺寸最大的管集束，承载管外径达56.4英寸。在目前实际应用的管集束中，最重的单条重量达12200吨，设计温度最高为160，最大设计压力为604barg，最浅水深为19米，最长的拖航记录为1000公里。管集束系统按按结构形式可分为开放式和封闭式3。其中封闭式管集束系统虽然制造相对复杂，但实际运用优势明显，技术发展较快，本文重点介绍封闭式管集束系统。下面将分别对管集束系统的组成形式、设计方法、制造和安装工艺及运用前景进行论述。1 管集束系统的组成与形式管集束系统是将两根以上的管道电缆汇集在一起，一般由外护管、护套管（内套管）、输送管道（油、气、化学药剂、水等）、电缆、液压控制管线和两端的拖拉头等结构组成，一般包含以下结构部件：外护管：外部承载管道，在拖曳期间提供浮力，在使用全周期内为内部管线和结构物提供保护等。输送管：内部生产管，用于输送原油、水、化学药剂等流体，视流体特性使用碳钢、不锈钢、复合管等多种材质管材，布置在外护管内部4。控制系统：信号传递线缆，一般包括电缆和液压管线，同样放置于外护管内部，在管集束两端放置对应的控制模块。浮力装置：提供浮力和额外的重力，在拖航和就位时为精准控制，在管集束系统上附加浮力桶和压载链。压载链通常采用标准的76mm海洋锚链链环，其重量一般控制在管集束重量的0.5%以内，按实际需求等距安装。防腐装置：一般采用牺牲阳极保护法，在外护管上安装镁合金板以保护管集束免受海水腐蚀：固定装置：也称作间隔器，用于将各条管道海洋管集束技术特点与应用分析董建伟1 李慧明2 田晟2 陈诗宇2 蒋姗21.天津市禾厘能源科技发展有限公司 天津 3004502.中海油国际有限公司 北京 100028摘要：海洋管集束（以下称“管集束”）系统由承载管、护管、油气液输送管线、电缆和拖拉头等结构组成，是一种将功能各异的管线集束在一起，在陆地完成预制、组装和测试后，拖航至海上油田现场进行定位与安装的新型油气集输形式。其工期、质量、造价、保温性能及机械性能较传统海底管线优势明显。针对管集束的特点，对其设计、制造、安装和费用情况进行介绍，与传统管道进行对比分析，同时对其在中国海洋油气开发的运用前景进行了展望。关键词：海洋 油气开发 管道 管集束 拖航 优势T e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c a n d a p p l i c a t i o n a n a l y s i s o f p i p e l i n e b u n d l eD o n g J i a n w e i1，L i H u i mi n g2，T i a n S h e n g2，C h e n S h i y u2，J i a n g S h a n21.Tianjin Heli Energy Technology Development Co.，LTD，Tianjin 3004502.CNOOC International Limited，Beijing 100028Abstract：Pipeline bundle（refer as“bundle”）system consist of carrier pipe1，sleeve pipe，flowlines，umbilical and towhead，etc.It is a new type of oil and gas transportation system through gathering all pipelines with different functions，onshore prefabrication，assembly，commissioning then towing to the offshore field for positioning and installation.Comparing with the conventional pipeline2，bundle has the transparent advantages in construction period，quality guarantee，cost，insulation and mechanical property.This article gives a characteristic introduction about bundles design，fabrication，installation and cost，makes comparison with conventional pipeline，also makes an expectation of using in China seas.Keywords：marine；oil and gas development；pipeline；pipeline bundle；tow；advantage勘探开发 154 2023年第9期电缆以相对的位置固定，通常用钢材制成多孔件。保温层：为内部管是双层管的集束系统提供隔热保温5，满足管道热绝缘性能的同时，降低了采用湿式保温所需的较高费用。拖拉头：在管集束端部连接清管发射接收器、管汇等结构物。如拖拉头装置（管汇）。2 管集束系统的设计管集束系统设计和常规海管设计基本一致，首先根据项目实际情况确定设计基础，然后依据基础文件数据进行系统各项参数的确定，如工艺设计、结构设计、管材选型、防腐设计、浮筒及压载链设计、拖拉头设计、屈曲分析、在位强度分析等等，最终编制完成集束管系统设计书。除此之外，由于管集束系统较常规管道系统复杂，还需要依据实际情况进行多方面的考虑。管集束系统设计标准较多，从设计原理上可分为以下两类：许用应力设计法、极限状态法6。3 管集束系统制造工艺与流程为了便于海上拖航安装，管集束的制造场地均靠近海边，即可以平行于海岸布置，也可以垂直于海岸布置3。世界上最大的管集束制造场地是位于英国苏格兰北部的Wick湾韦斯特建造厂，为海洋工程制造商Subsea7所属，垂直于海岸布置。（1）单层输送管多条流水线连续预制；双层管则在完成内外管的预制后，涂敷安装保温层后将内管拖拉至外套管内。（2）各预制完成输送管组装至间隔器中，进行加固。（3）各预制完成控制管线和电缆等组装至间隔器上，进行加固。（4）分段预制外护管，各分段外护管间进行焊接连接。（5）将已集成的内部管线拖进外护管。（6）在承载管上安装浮力块和压载链等辅助设备。（7）在管束端部连接拖拉头。（8）管集束系统试压、吹扫等测试程序完成后拖拉下水。4 管集束系统的海上安装管集束系统的海上安装通常采用拖管法，拖管法包括浮拖法、底拖法和离底拖法7。拖管法铺管不依赖铺管船和大型浮吊，一般只采用多艘拖轮即可，就位速度快，一定条件下，可大幅节约工期和费用，加快海上油气田建设。通常管集束系统海上安装包括三个阶段（7）：管集束首端连接至主拖轮，拖航至一定距离后尾端连接至辅助拖轮，然后整体拖拉入海。在指挥船和其他辅助船舶控制下，拖轮将管集束系统拖航至海上安装目的地。多功能支持船通过水下机器人进行定位，管集束系统缓慢将至海底，再次测量定位后与拖轮解脱就位。在第1阶段和第3阶段，管道位置控制在距离海床约5m位置处，此时为离底拖法。压载链与海床接触产生摩擦力，保证管道的侧向稳定性，起始拖拉速度一般控制在0.25m/s；离底拖时速度控制在0.5m/s；在第2阶段，管道处于较水深区域，此时采用控制水深拖拉法，控制水深拖拉时速度为2.23.2m/s（8）。5 管集束系统的技术优势与适用范围管集束系统在全球海洋油气工程开发中得到了广泛应用，尤其在英国北海、墨西哥湾等地，其优势明显，应用较多，主要表现在：（1）大大提高对内置的输送管线的绝缘、机械和防腐蚀保护性能。尤其在深水油气开发项目中，流动保障要求高，可有效防止低温导致的结蜡和水化物生成9。（2）降低了水下管网的布置难度和对海底路由的选择要求。在海底往往地形复杂，还可能具有多条水下管缆连接油田设备设施，管集束系统把这些管线平行汇集在一起，管道强度较大，降低了对海底路由的要求，还使海底路由的宽度降至最小，避免了不必要的拥挤。（3）管集束通过外护管进行一次性的运输、安装和就位，用价格低廉的拖轮代替铺管船，大幅降低海上运输和安装的工期与费用。（4）管集束预制工作全部在陆地完成，施工环境较海上友好，焊接可靠性高。尤其是采用不锈钢或双相钢时，其焊接质量比海上焊接更有保障。（5）当输送管发生泄漏时，内部的套管和外护管可起到屏障保护作用，基本保证不对海洋环境造成污染。同时，也降低了船舶抛锚时对管道的损伤。6 管集束系统实际应用案例分析英国北海某项目管集束长度5.4km，内部管线及规格如图1、表1所示：155 勘探开发2023年第9期图1 管集束内部构造表1 管集束结构参数管线外径/mm 厚度/mm材质等级41.9承载管1064.413.3ISO 3183 L360MO（MOD）16护套管406.47.9ISO 3183 L360MO（HF-ERW）12生产管323.911.7API 5LC LC80-2507EH（MWP）“25Cr-Super Duplex”10生产/测试套管273.16.4ISO 3183 L360MO（HF-ERW）6生产/测试168.36.1API 5LC LC80-2507EH（MWP）“25Cr-Super Duplex”12注水管323.914.9API 5LD L450（SMLS）4气举管114.36ISO 3183 L450QOS（SMLS）项目对采用常规管线和管集束系统进行了详细的安装总工期及费用对比分析，其对比结果如表2、表3所示：表2 各安装方式工期明细常规管线安装时间/天管线&脐带缆/CSV12水下隔离阀/DSV60管汇（采油树侧）/DSV59管汇（平台侧）/DSV33后处理（CSV+抛石）63注水管/DSV12合计239管集束系统安装时间/天勘查7DSV(12 注水管侧)2指挥船14拖轮17拖轮29拖轮312拖轮47装载船4工作船13运输艇12警戒船14DSV(平台侧)27DSV（采油树侧）35合计163表3 各管线类型报价明细管道类型EPCI 费用/百万英镑待机费用/百万英镑合计/百万英镑Aker常规管线964.8100.8Suncor常规管线1150115Chrysor常规管线1250125Subsea7管集束82.64.1386.7可见，采用管集束系统作为海底管道，其安装工期及费用较常规管线均大幅下降，优势明显。这也为管集束技术的推广应用奠定了基础。综上，管集束系统与常规管道相比具有独特的优势和特点，虽然目前国内尚未实际应用，但其应用前景较为广阔。随着近海油田的开发，许多近海油田的原油具有高黏、高凝、高含蜡的特点，故而多采用伴热管道输送。管集束系统保温性能优异，能较好地满足原油输送要求。渤海和北部湾已建成多个油田群，油田内部、油田与终端或平台之间已经布设很多的油、气、水管线和电缆，海底路由选择空间小，采用管集束系统可便于路由的确定，并一次性完成多根管的设计及海上安装。在目前中国智造的大背景下，国内不管是材料和人工成本都更具优势，同时也能有效提高国内海洋工程设备的制造水平。参考文献1QiangBai，YongBai，Subsea PipelineDesignM.Analysis，andInstallation。2014，405-433。2ChanK.Yang，MooHyunKim，NumericalassessmentoftheglobalperformanceofsparandFPSOconnectedbyhorizontalpipelinebundleJ.OceanEngineering，2018，150-164.3 相郑乐，蒋晓斌，张晓灵，海底保温管道技术发展概况 J.国外油田工程，2010，56-59.4 宋儒鑫，王金英，海洋管集束油田内部输送的一种精明解决方案 J.中国造船，2003（z1），105.5 王猛，深水油气田中的管集束 J.海洋工程装备与技术，2014，218.6 姚志广，秦延龙，丁新龙，基于极限状态设计法的集束管道设计 J.中国造船，2009，656-661.7 石云，海管新技术新思路在边际油气田开发中的应用分析 J.中国造船，2010，218.8SeguinB，GoodladM.Afreshlookatpipelineandriserbundles：combinedexperienceandpractice（C）OTC，2014，25089.9 李春润，胡艳华，姚志广，海底集束管系统的技术现状及发展趋势 J.金属加工，2009，32-34.