水下悬浮管汇总体布局及设计方案.pdf

年 第 卷第期第页石 油 矿 场 机 械O I LF I E L DE Q U I PME N T ,():文章编号:()水下悬浮管汇总体布局及设计方案韦龙贵,王莹莹,陈幸,杨超,赵维青,关清涛,郭鑫(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司,天津,;中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院,北京 ;中海油能源发展股份有限公司 工程技术深水钻采技术公司,海口 )摘要:水下管汇作为一种典型的水下生产设备,在经济性和效率上具有一定的优势,因此被广泛应用于深水油气田开发中.传统的水下管汇在安装和回收方面存在着不足之处.优化传统水下管汇结构,增加浮筒结构,去除底座和吸力锚,提出一种能够悬浮在距离海床一定高度的内悬浮式管汇.设计种总体布局方案,对比优选出整体布局形式,并在此基础上进行浮筒位置的比较与优化,得到了水下悬浮管汇位置优化总体方案.用O c e r f l e x对所选方案进行数值模拟,证明在输送不同密度油气以及浮筒破损层的情况下,悬浮管汇仍然具有一定的稳定性.关键词:水下生产系统;浮筒;悬浮管汇;设计方案;O c e r f l e x中图分类号:T E 文献标识码:Ad o i:/j i s s n T h eO v e r a l lL a y o u t a n dD e s i g nS c h e m eo fS u b s e aF l o a t i n gM a n i f o l dWE IL o n g g u i,WANGY i n g y i n g,CHE NX i n g,YANGC h a o,Z HAO W e i q i n g,GUANQ i n g t a o,GUOX i n(CHO O CE n e r T e c hD r i l l i n g&P r o d u c t i o nC o,T i a n j i n ,C h i n a;C o l l e g e o fS a f e t ya n dO c e a nE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m,B e i j i n g ,C h i n a;D e e p w a t e rD r i l l i n gT e c h n o l o g yB r a n c h,CNO O CE n e r g yT e c h n o l o g y&S e r v i c e sL t d,H a i k o u ,C h i n a)A b s t r a c t:A sa t y p i c a l s u b s e ap r o d u c t i o ne q u i p m e n t,t h e s u b s e am a n i f o l dh a s c e r t a i na d v a n t a g e s i ne c o n o m ya n de f f i c i e n c y,w h i c hi sw i d e l ya p p l i e di nt h ed e v e l o p m e n to fd e e p w a t e ro i la n dg a sf i e l d s T r a d i t i o n a l s u b s e am a n i f o l dh a ss h o r t c o m i n g s i ni n s t a l l a t i o na n dr e c o v e r y T h es t r u c t u r eo f t h e t r a d i t i o n a l s u b s e am a n i f o l dw a so p t i m i z e d,i nw h i c ht h eb u o yw a sa d d e d,w h i l et h eb a s ea n ds u c t i o na n c h o rw e r er e m o v e ds ot h a tt h em a n i f o l dc a nb es u s p e n d e dw i t h i nac e r t a i nh e i g h tf r o mt h es e a b e d T w ok i n d so fo v e r a l l l a y o u t s c h e m e sw e r ed e s i g n e da n do p t i m i z e d,a n do nt h i sb a s i s,t h ep o s i t i o no ft h eb u o yw a sc o m p a r e da n do p t i m i z e dt oo b t a i nt h eo v e r a l lo p t i m i z a t i o ns c h e m e f o r t h e l o c a t i o no f t h e s u b s e a f l o a t i n gm a n i f o l d O c e r f l e xw a su s e d t os i m u l a t e t h e s e l e c t e ds c h e m e,a n d i t i sp r o v e dt h a t t h es u b s e af l o a t i n gm a n i f o l ds t i l lh a sc e r t a i ns t a b i l i t yu n d e r t h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n to i l a n dg a sd e n s i t i e sa n db u o y sd a m a g e d 收稿日期:基金项目:中海石油(中国)有限公司“三新三化”项目“流花 油田低压油井水下采油树可靠性与风险分析研究”(J T KY S X S H HN );国家重点研发计划项目“新一代水下生产系统方案研究”(Y F C ).作者简介:韦龙贵(),男,江苏盐城人,高级工程师,主要研究方向为海上油气钻采工程,E m a i l:w e i l g c n o o c c o m c n.通讯作者:王莹莹(),女,教授,博士生导师,主要从事水下装备结构与可靠性、智能油田等方面的研究工作,E m a i l:w y y c u p e d u c n.K e yw o r d s:s u b s e ap r o d u c t i o ns y s t e m;b u o y;s u s p e n d e dm a n i f o l d;d e s i g ns c h e m e;O c e r f l e x 随着海上油气开发的不断发展,我国油气资源开发也在逐渐由近海转向深海.水下管汇作为水下生产系统的重要组成部分,其主要功能是汇集各个采油树产出的水、油、气,并通过海底管道将产出的流体分离后输送到海洋平台或陆地处理设施,因此,水下管汇在深水油气开发中占有重要地位.如图所示,传统的水下管汇主要由管系结构、连接器、结构框架和底座等组成,质量从几十吨到几百吨不等.水下生产系统可以减少海洋平台上立管的数量,节约平台空间.在浮式装置到达之前,水下生产系统可以提前安装,从而缩短油田建设工期,在优化结构的同时,还能节约成本,提高经济性.水下管汇作为水下生产系统的核心结构,其结构的设计关系到生产系统的效率,具有重要的意义.图传统水下管汇示意图传统的水下生产系统虽然具有很多的优点,在海洋油气开发过程中扮演着重要的角色.但是,传统水下管汇需要安装吸力锚,安装过程复杂且耗时长,施工难度大,消耗人力物力多,达到使用寿命时不易回收.这些缺点使水下生产管汇的应用存在着一定的局限性.本文针对传统水下管汇的弊端,开展了新一代悬浮管汇创新性设计,形成了悬浮丛式管汇的设计方案,提出“易回收,可重复利用”的新一代水下悬浮丛式管汇的新概念,可以很大程度上减少深海生产的作业工序,提高海上油气的生产效率.水下悬浮管汇总体布局方案 新一代水下生产系统新一代水下生产系统是对传统水下系统的改进,整 体 设 计 基 于 传 统 水 下 生 产 系 统.通过 在 传 统 管 汇 上 增 加 浮 筒 结 构,使 水 下 管 汇 能够悬浮在距离海床一 定 高 度 处.在 下 放 管 汇时,对浮筒 进 行 进 水、排 气 工 作,使 管 汇 在 缆 绳拉力与自身重力的作用下 匀速下放.在回收管汇时,通过 对 浮 筒 进 行 进 气、排 水 工 作,使 管 汇浮力增 大,进 而 使 得 回 收 时 缆 绳 的 拉 力 减 小.水下悬浮丛式管汇去除了传 统管汇的吸 力锚结构,从而节省了下放安装过程 的成本与时 间,同时使水下管汇达到使用寿命 时能够被安 全可靠地回收,减少 资源的浪费 和对海洋环 境的污染.新一代水下生产系统如图所示.石 油 矿 场 机 械 年月 图新一代水下生产系统示意图 水下悬浮管汇总体布局优选水下生产系统布置灵活,适用水深范围广泛,在深水油气田开发中具有很大优势.水下管汇的整体布局设计是水下生产系统设计的重要内容.在新一代水下生产系统的设计过程中,首先需要进行悬浮管汇总体设计,在确定了悬浮管汇的布局方案以后,深水功能舱、管道终端等才能更好的布局,以此来减少布局时间.本文参考了南海某油气田数据,根据需求设计出以水下丛式悬浮管汇为中心,含有个功能舱的水下生产系统,并根据从管汇到功能舱下放的柔性管数量的不同,提出了种悬浮管汇整体布局方案.布局方案一图所示为第种布局方案.在这种设计方案中,主脐带缆一端与水上脐带缆终端单元相连,另一端下放至水下,连接到水下分配单元,经过水下分配单元,分成包含液压飞线、电飞线和备用化学药剂注入线的若干根油田内部脐带缆和根含有控制水下悬浮管汇控制单元电信号与液压信号的柔性跨接管.油田内部脐带缆与水下生产单元相连接,控制图水下悬浮管汇系统布局方案一第 卷第期韦龙贵,等:水下悬浮管汇总体布局及设计方案 水下功能舱相应阀门的开关与化学药剂的注入;与悬浮管汇相连的柔性跨接管包含有电信号控制线路,高低压线路,以及放空管线,用于调节水下控制模块的运行;水下功能舱则通过柔性跨接管与水下悬浮管汇的支管相连接,将采出的地下油气流体传输至水下悬浮管汇.悬浮管汇的汇管经柔性跨接管与管道终端(P L E T)相连接.P L E T则与油田内部流动管线相连,并通过刚性跨接管连接水下处理系统.油气流体在管道中流动至水下处理系统,经过简单分离后经外输管线输送至地面处理系统.布局方案二图所示为第种布局方案.主脐带缆从平台下放,连接到水下悬浮管汇并在其中分为若干支.脐带缆包含高压管线路条,低压线路条,药剂注入线路条,保护线路条以及若干电信号控制线路.其中高压线路、低压线路、放空管线、电线及药剂注入管线在水下悬浮管汇中分成支,构成电液飞线,通过接头与飞线连接在一起,飞线另一端连接至水下功能舱,从而实现对功能舱内部的液压阀门及电控阀门的控制.水下功能舱与水下悬浮管汇通过柔性跨接管相连接,将采出的地下油气流体输送至支管,并通过管汇系统汇集到汇管.汇管与柔性跨接管相连,并通过柔性跨接管将油气流体输送至P L E T.P L E T设置有油田内部流动管线,实现了油气流体在海底的长距离运输,而输送至水下处理系统附近时,P L E T与水下处理系统之间采用刚性跨接管连接,并通过外输管线将油气流体输送至地面.图水下悬浮管汇系统布局方案二 布局方案对比方案二的布局结构紧凑,可以依托已有设施,实现多口井的布置,生产效率高,具有传统水下管汇布置方法的优点.但此方案需要从悬浮管汇上下放较多管线,由于管汇悬浮,不仅使得安装过程复杂,还易造成管道之间相互碰撞,从而导致管线破损,还使得悬浮管汇不利于回收,而且由于管线过多,在洋流的作用以及自身重力的影响下,增加悬浮管汇的负重,不利于提高海洋油气的生产率.方案一与悬浮管汇连接的管线数量少,结构简洁,便于安装,同时管线对于悬浮管汇的牵扯力影响较小,对功能舱的控制更精确,但管线总长度会相对增加.综上,在对比经济性、安全性以及可靠性等因素后,选用方案一的布局形式,并在管汇的管道设计中保留药剂注入管道.水下悬浮管汇设计方案水下悬浮管汇的总体布局方案设计完成之后,需要对各结构进行设计.由于去掉了底部支撑结构,悬浮管汇的设计不需要考虑土壤参数与上部载石 油 矿 场 机 械 年月 荷的作用,同时也除去了对吸力锚的需求.水下悬浮管汇基本设计方案包括水下阀门与生产管道设计、支撑框架设计和浮筒设计.生产管道收集来自采油树的油气产物,通过柔性跨接管汇总至处理加工中心;支撑框架为水下阀门和生产管道等设备提供支撑和保护;浮筒则为整个悬浮管汇提供浮力,使其能够悬浮在距离海床一定高度处.悬浮管汇总体设计方案悬浮管汇区别于传统水下管汇之处在于取消了底座的设计与吸力锚的使用,依靠浮筒提供的浮力以及系输两用柔性跨接管系泊,并最终使管汇结构悬浮于海床某一高度.取消底座改用浮筒提供浮力的设计,使悬浮管汇摆脱了对锚泊系统的依赖,在对其进行安装时,无需再进行吸力锚的安装,这样缩减了安装作业时间,并且节约了使用吸力锚的费用.管汇与水下功能舱通过系输两用跨接管连接,通过浮筒提供浮力,使其保持悬浮状态.当发生故障需要将管汇整体回收时,悬浮管汇可以通过拆除柔性跨接管,向浮筒内部注入气体改变浮力,使管汇漂浮至海平面,从而达到回收利用或者维修的目的.悬浮管汇的整体示意图如图所示.图悬浮管汇整体示意图 悬浮管汇基本结构设计此次设计的悬浮管汇的基本参数为:水深 m,设计工作温度 ,最大设计温度 ,最小设计温度,工作压力 MP a.根据设计要求,将管汇主管直径设计为 mm(英寸),支管直径为 mm(英寸),同时将管汇井槽设计为个,口生产井的流体通过中 mm(英寸)柔性跨接管与悬浮管汇相连接,并在接口处预留了箍座方便固定鹅颈管;每一处接口设置了R OV操作的控制阀;管汇设置有清管回路,服务于清管作业.悬浮管汇的注入管线包括乙二醇注入管线,化学药剂注入管线,放空管线等.在布局方案一中,乙二醇注入管线、化学药剂注入管线、高低压供液管线包含在主脐带缆中,从地面设施下放,在水下分配单元中完成到各个井口的分配.主脐带缆同时包含放空管线,用来降低因故障带来的异常流体压力,放空管线在水下分配单元中分配出根到水下悬浮管汇,并同时连接到两根汇管,可以单独或同时排出汇管内的高压流体.乙二醇管线设计为 mm(英寸)管;放空管线和化学药剂注入管线设计为 mm(英寸)管.在注入管线分支末端保留有接头用的连接固定装置,同时在注入线路的主管道末端留有温度压力传感器,可以随时记录注入管线的温度、压力变化,对工作时出现的异常状态可以实时监控,确保注入管线的正常工作.在注入管线上存在着相应的隔离阀,用于控制注入管线流体的流通.悬浮管汇的P&I D图根据布局方案一可以设计出悬浮管汇的P&I D图,如图所示.水下管汇目前有单管和双管种形式,单管管汇与双管管汇区别在于单管管汇适用于清管作业不频繁的情况,初始投资低,而双管管汇操作灵活性大,即可以降低起输压力,又可以降低气田最小输量,方便清管.本设计在分析南海某油气田气藏压力较大,且含有一定砂石等环境条件影响因素后,采用双管管汇的形式,以方便清管作业及防止泥沙的堆积.双汇管的布局能够让油井中气体通过采油树、跨接管、支管进入管汇中的任何一根汇管,实现高低压运输,并且在任何根汇管出现故障后仍然可以进入另根汇管继续生产,达到冗余的目的.水下悬浮管汇的生产管线包括条并行汇管、条支管和条清管回路弯管.条并行汇管可以满足高压、低压井隔离集输,方便清管作业,并且使生产管线具有一定的冗余度,在条汇管故障时可以使用另一条汇管继续进行生产.每条支管线同时连接在条汇管上,通过液压/R OV控制闸阀控制流体流向哪条汇管,从而实现高、低压隔离集输.在单井故障时可将该井支管关闭,而不影响其它井的生产,或者在某条汇管故障时,可以控制流体进入另一条汇管,而不必完全停产.生产管线包括条汇管、第 卷第期韦龙贵,等:水下悬浮管汇总体布局及设计方案 条支管,还有汇管隔离阀、支管隔离阀、跨接管接头等.图漂浮式水下管汇P&I D图管汇上的阀门控制方式与水下采油树相同,需要对水下球阀、闸阀和药剂阀等 进行控制,管汇上有电液控制阀门,S CM控制水下阀门的开闭,并将悬浮管汇的压力、温度等数据传输至水上控制单元.S CM使用高低压液压控制系统,为液压执行机构提供稳定的高压和低压流体,低压用来控制采油树和管汇中的水下功能阀门,而高压线路则用来控制井下安全阀,通常低压为 MP a,高压为 MP a.浮筒布置方案分析悬浮管汇承载浮筒本身为一种潜没浮体,用于为集输管汇提供人造海底,解决海底土质不佳引起的管汇安装问题.浮筒的体积及尺寸经过严格计算,使其能在为管汇提供足够浮力的同时保持管汇稳定性,维持管汇正常工作.管汇与水下功能舱通过系输两用跨接管连接,通过浮筒提供浮力,使管汇保持悬浮状态.当发生故障需要将管汇整体回收时,向浮筒内部注入气体改变浮力,使管汇漂浮至海平面,从而达到回收利用或者维修的目的.为了使圆柱壳浮筒能够承受工作水深处的静水压力,在浮体下水前往耐压浮筒内部充入足够气压的气体,使耐压浮筒承受内压,然后随悬浮管汇下放.由于耐压浮筒内部的气压会随着下放深度的增加而增大,因此内部气压并不是全程都与外部气压平衡的,需要通过几次内部气体与水压的调节作业,使其到达工作水深后抵消静水压力,并使浮筒内外压差平衡.浮筒内压控制系统工作的基本原理是:当浮筒在深水状态下工作的时候,内部的压力传感器会将压力信号传给控制中心,并由控制中心发出控制指令.随着水压增大,则需控制并打开进气阀,向浮筒内部输送气压以平衡外部水压;当浮筒逐渐上升时,水压渐渐变小,内部气压过大会使浮筒从内部被“撑”破,因此当收到压力传感器的指示时,控制中心需要打开排气阀排出气体以减小浮筒内气压.按照浮筒与管汇的位置关系,本文设计出种方案.浮筒位于管汇下方(方案一)浮筒位于管汇下的设计方案如图所示.浮筒位于管汇结构的下方,从下面为管汇提供浮力.从管汇下放的飞线可以通过鹅颈管从浮筒外侧连石 油 矿 场 机 械 年月 接到功能舱,也可以从浮筒中间下放,通过柔性跨接管与水下功能舱连接.这种方案使柔性跨接管与管汇的连接较为方便,而且从整体上看,是由浮筒支撑着管汇主体,二者之间接触面积较大,稳定性较好.但是由于浮筒结构位于管汇的下部,容易导致结构整体的浮心位于重心下方,从而使得结构整体倾覆,导致系统的不稳定,需要在浮筒结构底端增加配 重块的方 式使整体结 构 的 重 心 下移,从而使结构保持稳定;浮筒本身需要设计安装许多传感器与电磁阀,当管汇放置在陆地上而不受浮力时,会因自身重力对浮筒产生一个向下的压力,可能会导致浮筒的损坏以及电子器件的失效,从而降低结构整体的可靠性.图浮筒位于管汇下方 浮筒位于管汇上方(方案二)浮筒位于管汇上方的设计方案如图所示,浮筒置于管汇主体的上方,通过提供对管汇主体的拉力使管汇结构达到悬浮的状态.由于浮筒结构在管汇的上方,整体结构的浮心位于重心的上方,抗波浪载荷能力强,无需增加配重块以保持结构的稳定.但浮筒与管汇主体之间需要高强度抗拉连接件,对强度要求较高,在陆地上时由于浮筒自重会对管汇主体产生压力,同时需要从管汇下方对柔性跨接管进行安装,给安装过程增加了难度.图浮筒位于管汇上方 浮筒位于管汇侧方(方案三)将浮筒位于管汇主体侧面,使浮筒与管汇处于同一水平面内.此时,需要考虑浮筒是否干扰到跨接管的安装,因此将单个大浮筒拆分成若干小浮筒,成对称状分布在管汇四周,如图所示,这样重心与浮心位于同一条垂线上,使结构更加平稳.同时浮筒高度略高于管汇的结构,使得浮心位于重心上方,提高了管汇主体的气浮稳定性.这种设计方案的优点是:浮筒设计成多个小浮筒,减小了单个浮筒的体积,降低了运输和加工的难度;悬浮管汇结构分布均匀,气浮稳定性较好;在陆地上时管汇主体和浮筒之间不受彼此重力的相互作用,提高了整体的可靠性.但是这种方案也有明显的缺点,浮筒的固定钢架强度要求较高,在工作时需要承受浮筒向上的拉力,同时也要支撑起管汇主体产生的向下的重力,对浮筒与刚性框架之间的连接方式以及管汇主体与刚性框架之间的连接方式提出了较高的要求,增加了制造成本.整体结构示意如图 所示,浮筒与管汇通过焊接方式连接在一起.图浮筒与管汇位于同一水平面 方案比较种方案都有各自的优缺点,但是通过对比不难看出,方案三的设计,使得浮筒对管汇施加的力分散在个角落,增加了相互连接处的可靠性.在管汇进行回收以后,浮筒与管汇之间并不会像方案一或者方案二那样,因自重而向对方产生向下的压力,从而在多次安装回收后使得悬浮管汇的可靠性、抗疲劳强度越来越差.因此,为了延长悬浮管汇的使用寿命,同时贯彻新一代课题提出的“易回收,可重复利用”的新概念,最终采用了方案三的布置形式,并设计出了如图 所示的整体结构.该结构中,每个浮筒分为五层,每一层都设计有进水/出水阀、进气/排气三通阀,这样设计有助于调节压力,同时也达到了冗余目的.当某一层被破坏以后导致浮力丧第 卷第期韦龙贵,等:水下悬浮管汇总体布局及设计方案 失时,其余层也不会受到干扰,浮筒仍能提供足够的浮力,悬浮管汇并不会马上发生倾覆,为管汇的回收修复争取了时间.图 浮筒位于侧面时管汇整体结构示意浮筒位置布置方案数值分析为了更准确地描述浮筒布置位置对新一代水下生产系统中水下悬浮丛式管汇系泊能力的影响,本文利用海洋工程模拟软件O r c a F l e x模拟分析浮筒在侧方时,浮筒充水数值、悬浮丛式管汇中浮筒破损承受能力和偏转能力 .理论基础根据商用计算机软件O r c a F l e x,将立管分为一系列线段,然后通过直线无质量模型段(在两端具有一个节点)对其进行建模,如图 所示.仅这些模型段表示管道的轴向和扭转特性,而其他特性(例如质量,重力,浮力和流体力学)集中在节点处.图 管线模型在实际工程中,悬浮管汇的特征总力受许多因素影响.由于难以估计悬浮管汇的作用力,因此可以根据D e tN o r s k eV e r i t a s规范简化模型.在本文中,假设管汇由钢框架结构和完全刚性的结构组成,这意味着管汇的响应只是刚性结构位移,而忽略了自身变形.因此,系泊过程中管汇中的特征总力可以表示为:FFF()Fm gVdg()FCDA vr()式中:F为管汇中的特征总力;F为管汇在水中的静态重力;F为管汇特征阻力;Vd为管汇的体积;Vr为管汇与水颗粒之间的特征垂直相对速度;CD为管汇阻力系数;A为投影面积;g为重力加速度.将管汇悬浮在水中的预定位置,同时根据力平衡公式确定系泊位置.管汇受到的柔性跨接管拉力如图 所示.管汇建立在全局坐标系(x,y)中,其原点为点O.当前方向与x轴方向平行.根据牛顿第二定律:FaFbFcFdFeFfFgFhFF()石 油 矿 场 机 械 年月 式中:Fi,分别代表悬链线的顶张力,ia,b,c,d,e,f,g,h.图 悬浮管汇受力分析 坐标系建立使用全局坐标系(Gx y z)确定坐标轴,其中G表示全局坐标系的原点.不同的浮标具有相应的局部坐标系(Bx y z).如果浮标是自由的或固定的,则通过给出浮标原点B相对于全局轴的x,y和z坐标来指定其初始位置.此外,通过提供个角度(即纵摇、横摇和艏摇)来指定其初始方向,这个角度是定义浮标轴方向的连续旋转.风,波和流向相对于全局坐标系中的G x轴和G y轴,如图 所示.图示箭头方向均是每个参数的正方向.图 总体坐标系和局部坐标系 悬链线参数图 为悬链线分别与悬浮丛式管汇和深水功能舱连接的模型示意图.其中,悬链线顶端与悬浮丛式管汇的连接点为悬挂点,该点处的悬链线切线方向与y轴负方向的夹角为悬挂角,悬链线与海床接触的部分悬链线为触地段.从图 中可知,触地段左端为触地端,右端连接深水功能舱.悬链线主要参数如表所示.图 悬链线模型参数示意图第 卷第期韦龙贵,等:水下悬浮管汇总体布局及设计方案 表悬链线主要参数名称外径/m内径/m线质量/(tm)许用张力/k N最小弯曲半径/m抗弯刚度/(k Nm)mm(英寸)柔性跨接管 mm(英寸)柔性跨接管 表悬链线主要应用参数类型C V 悬跨长度/m 水平距离/m 悬挂角/()悬浮高度/m 耦合模型建立水下悬浮管汇主要由管汇和浮筒组成,而系泊系统包括柔性立管和外部立管.使用 D浮标模型创建水下悬浮管汇.基于几何和运动学相似性,简化了水下悬浮管汇,但其总体结构保持不变.将质量(例如水下悬浮管汇中的管道)分配给水下悬浮管汇的主体,以确保简化模型中的重心保持不变.内径为 mm(英寸)的柔性立管的端点连接到水下悬浮管汇的侧面,而柔性立管的底部端点连接到井口.根据规则的六边形对称性分布个井口点,以实现水下悬浮管汇的力平衡.内径为 mm(英寸)的外部提升管的端点连接到水下悬浮管汇的右侧.水下悬浮管汇的主要参数如表所示.调整个浮筒的浮力,以使水下悬浮管汇平稳地悬挂在预定的高度.考虑到极端情况,如舱壁破裂等,采取分舱(分层)设计,由于此方案浮筒整体较为“细长”,故浮筒进行分层设计,可以有效地减小静水压差.同时为了防止在极端环境下浮筒部分破裂,对浮筒进行分层设计,且保证在系泊阶段.可以根据系统偏移旋转情况进行微调,“扶正”管汇.因此将浮筒模型划分为层来保证极端环境下的持续作业性.在系泊过程中,浮筒的个舱体同时均匀注水,即个舱内的水量和气量是相同的.个浮筒分别安装在框架的个顶点,浮筒中心到管汇中心的水平距离为 m,浮筒内部分层布置如图 所示,管汇建模如图 所示.表水下悬浮管汇主要参数外形尺寸(长宽高)/m 质量/t 悬浮管汇管道内部体积/m 浮筒直径/m 浮筒高度/m 单个浮筒质量/t 单个浮筒最大浮力/k N 浮筒数量图 浮筒分舱结构示意图石 油 矿 场 机 械 年月 图 管汇建模示意图 模拟结果分析 浮筒质量建立模型后,通过调节个浮筒的浮力,使管汇调平在距离海床 m高度上,可得浮筒主要参数值,如表所示.表浮筒质量参数名称质量/t浮筒 浮筒 浮筒 浮筒 管汇偏转建立模型后,模拟得到所有管线输送不同密度的油气时,悬浮管汇个自由度数值如表所示.由表可知,管汇的悬浮高度和x坐标随油气密度的增加而逐渐降低.由于生产系统总体布局结构是关于y轴对称,因此悬浮管汇的y坐标始终保持不变.悬浮管汇的个偏转角度在不同油气密度下变化微小,可认为悬浮管汇在输送不同密度油气时可平稳下降.表悬浮管汇位置参数随油气密度变化的仿真数据油气密度/(tm)x轴坐标/my轴坐标/mz轴坐标/m纵摇/()横摇/()艏摇/()不同管线输送不同密度油气会导致管汇发生偏转.为此,需要分析种方案在该种状态下管汇的偏转情况.根据图,穿过悬浮管汇中心的x轴将x y平面分为上下个区域.上部区域的悬链线,和下部区域的悬链线分别输送密度和 t/m油气,可得到横摇的偏转角度.穿过悬浮管汇中心的y轴将x y平面分为左右个区域,左部区域的悬链线和右部区域的悬链线分别输送密度和 t/m油气,可得到纵摇的偏转角度.仿真分析的结果如表所示.从表中可知,悬浮管汇受不均匀油气密度的影响较小,可认为水下悬浮管汇在该种极端状态下可保持相对稳定.第 卷第期韦龙贵,等:水下悬浮管汇总体布局及设计方案 表悬浮管汇偏转角度连接点连接点连接点连接点t/m连接点连接点连接点连接点 t/m连接点连接点连接点连接点 t/m连接点连接点连接点连接点 t/m横摇/()连接点连接点连接点连接点t/m纵摇/()连接点连接点连接点连接点t/m纵摇/()浮筒破损承受能力模拟结果根据设计基础,模拟在悬浮管汇输送密度为t/m油气时浮筒和分别在一层破损和二层破损情况下,悬浮管汇个自由度的变化情况.模拟悬浮管汇输送密度为 t/m油气时,浮筒和分别在一层破损时,悬浮管汇个自由度的变化情况,这种方案的模拟结果如表所示.表不同浮筒舱破损时管汇自由度变化情况油气密度/(tm)浮筒z轴坐标/m横摇/()纵摇/()艏摇/()浮筒一层破损 浮筒二层破损 浮筒一层破损 浮筒二层破损 浮筒一层破损 浮筒一层破损 由表可知,当浮筒破损以后,悬浮管汇会下降一定的高度,并且管汇本身将发生一定的偏转.当输送油气密度为t/m时,浮筒破损时的下降高度小于输送油气密度为 t/m时的下降高度,并且纵摇、横摇和艏摇的变化量也较小.通过数值模拟结果可知,在浮筒一层破损的情况下,管汇的偏转值仍然处于较小值,同样也可继续保持一定位姿.结语水下管汇位于深水环境中,安装过程复杂,不易操作.本文依托新一代水下生产系统项目,针对传统管汇的不足之处,提出了新一代水下丛式悬浮管汇的设计概念,并进行了以下分析:)对比了种基于悬浮管汇的水下生产系统石 油 矿 场 机 械 年月 布置形式,最终确定了分配单元功能舱管汇的设计方案.)设计了悬浮管汇的内部管线结构,并绘制了P I D图,为后续的结构设计提供参考.)对基于悬浮管汇的水下生产系统关键结构进行设计与优化,使其能够满足悬浮管汇的功能要求.)提出种水下悬浮管汇浮筒位置布局方案,并分析其优缺点,选择浮筒位于管汇侧面的方案作为水下生产系统的最终设计方案.)对浮筒位于管汇侧面的方案进行O c e r f l e x的数值模拟,证明其在输送不同密度的油气时拥有一定的稳定性,并且在浮筒破损一层的情况下仍然能够保持一定的悬浮姿态.参考文献:李清平我国海洋深水油气开发面临的挑战J中国海上油气,():程兵,李清平,黄冬云,等水下生产系统管汇布置研究J石油机械,():金向东,林华春海上油气田水下生产系统的关键设备与技术J油气田地面工程,():张瑾,谢毅深水水下管汇安装方法研究与进展J海洋工程,():李华,余峙伟,朱永梅,等水下管汇的应用现状及发展趋势J中国海洋平台,():高翔,张益,陈雪娟,等水下管汇设计与安装技术研究J中国海洋平台,():D E V E G OWD ADA nA s s e s s m e n to fS u b s e aP r o d u c t i o nS y s t e m sD T e x a s:T e x a sA&M U n i v e r s i t y,李志刚,贾鹏,王洪海,等水下生产系统发展现状和研究热点 J哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报,():赵晶瑞,王世圣,冯加果水下浮筒对于深水系泊缆静态特性的影响J舰船科学技术,():张人公,孙首阳,石锦坤,等中水浮筒回收技术的应用J石化技术,():王会峰,张飞,熊景昌,等水下生产系统钻井中心布置设计J海洋工程装备与技术,():于芳芳,段梦兰,郭宏,等深水管汇设计方法及其在荔湾 气田中的应用J石油矿场机械,():石磊,姜瑛,琚选择,等深水水下管汇设计关键技术研 究 J海 洋 工 程 装 备 与 技 术,():CHA T A S A T,R I CHA R D S ON EM S u b s e am a n i f o l ds y s t e mC/P r o c e e d i n g so f t h eO f f s h o r eT e c h n o l o g yC o n f e r e n c e H o u s t o n,T e x a s,程寒生,周美珍,郭宏,等水下管汇设计关键技术分析和设计原则研究J中国海洋平台,():张宪阵,王晓敏,张凡,等水下生产系统液压动力单元液压 系 统原 理研 究J液 压 与气 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