深水开发中的海底管道和海洋立管

关键词：管道；立管；海洋；深水；油气；技术；海底；中国海
（一） 引 言
图1 巴西深水开发趋势
近年来，深海开发中的油气勘探和生产活动大大增加，与几年前相比水深增加了一倍。海洋工业正在更深 的海域中建造生产系统，更多地采用新技术并较大程度地发展现有技术。这是世界上海洋石油天然气工业 发展的总趋势，如墨西哥湾（GoM）、西非（WoA）、巴西和北海。图1所示为巴西的深水开发趋势，从 中可以看出油气开发海域正变得越来越深。这也是中国海洋工业的实际情况。回溯到60年代末期，当海洋 工业刚从渤海湾起步时，该地区典型水深约为20米。到了80年代末期，在南中国海的联合勘探和生产开始 在水深100米到400米的范围内进行。最近的勘探活动显示在南中国海水深约600米处发现了油气资源。油
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图4 管道种类－单壁管道、PIP和集束管道
图3 海底管道定义
除去按管道的用途划分还有几种不同的分类方法。一种常见的方法是按管道横截面的结构分类，即单壁管 道、管中管管道（PIP）和集束管道，如图4所示。
单壁管道是最普通的，在海洋和岸上都有广泛的多用途应用。它能用于输出、油田生产/测试、注水 等。
管中管和集束管道系统的主要特征是管道具有同心的内管和外管。内管或套管内的管道运输生产的流 体并且绝热，同时外管（或承载/外套管管道）提供机械保护。
许多最近在北海和墨西哥湾发现的高温高压（HP/HT）的油藏使用管中管和集束管道系统作为现有平 台海底回接管道的一部分，特别是在有很高的绝热要求时。不仅油藏条件越来越苛刻，管道的绝热要求可 以预防在产品沿管道冷却时蜡状物和水合物的形成。这种类型的生产管道也广泛地用于中国海域，如渤海 湾。
不管海洋油田开发采用何种浮式方案，都需要使用管道/生产管线和立管，它们是海洋基础结构的关 键组成部分。管道和立管是深水开发比较复杂的方面，如图2所示。
图2 深Байду номын сангаас开发中的生产管线和立管
首先，本文以实际海洋油田应用为重点描述了深海管道和立管的基本概念，特别关注了它们在中国海域应 用的潜力。深海管道和立管的更详细的讨论在三个单独的关于工业设计标准选择、工程解决方案、海上安 装的章节中论述。对不同的管道和立管概念进行了对比并指出了它们的优缺点。给出了不同的例子来描述 大致的概念。最后作出结论，某些管道和立管方案非常适合于中国海域的深水油气开发。
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气开发的目标水深每年都在增加。考虑到技术可行性和经济因素，深水开发的挑战需要创新的思想和 观念、先进的工程方法、新型材料和焊接技术。
作为独立的深水开发项目，它是石油天然气工业的重点，在开始阶段开发方案的选择是很重要的。前 期的方案正确选择是最重要的，由于它的改变是耗资最大的。这点适合于所有的系统组成部分特别是立 管，因为它是海底生产系统和浮式装置之间的关键连接。基于对系统性能的实际的、正确的评价作出决策 是势在必行的，而不是依靠直觉。这种评价不仅要理解技术细节和每种设计的功能限制，也要分析每种设 计的相关可靠性，它们的接口要求和成本等。
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文章编号：1000-4882(2002)S-00238-14
深水开发中的海底管道和海洋立管
宋儒鑫
（国际海洋工程师协会）
摘要
随着中国海洋石油天然气工业的发展，越来越多的油气资源在水深约500米的深水区被勘探和发现。不管用于处理的浮 式装置采用什么类型，海底管道和海洋立管始终是海洋基础结构中的关键部分。本文探讨了在中国海域具有重大应用潜力的 各种各样的管道和立管概念，重点论述了类型选择、工业标准、工程挑战、解决方案和海上安装。不同类型间进行了简单的 对比，给出几个例子展示了所提出的概念。最后得出结论，某些管道和立管方案在中国的深水开发中是非常有潜力的和可行 的。
目，并将BP在墨西哥湾的这个深水开发工程与Houston市区进行了对比。这个水深达1650米的工程总共使 用了14根顶端张紧型立管（TTR）和11根钢悬链线立管（SCR）。
（三）工业设计标准和软件
管道设计标准的选择主要依靠下列因素： z 政府要求 z 管理机构要求 z 客户选择 z 油田地理位置 1. 海底管道设计标准 海底管道设计最常使用的设计标准如下： z DNV OS F101 (2000): “Submarine Pipeline Systems” z API RP 1111 (1998): “Design, Construction, Operation, and Maintenance of Offshore Hydrocarbon
Pipelines – Limit State Design” z BSI BS 8010 (1993): “Code of Practice for Pipeline – Part 3. Pipeline Subsea: Design, Construction and
Installation” z ASME B31.8 (1992): “Code for Gas Transmission and Distribution Piping Systems” (1994 Addendum) z ASME B31.4 (1992): “Code for Liquid Transportation System for Hydrocarbons, Liquid Petroleum
Gas, Anhydrous Ammonia and Alcohol’s” z ABS (2001): “Guide for Building and Classing Undersea Pipelines and Risers” 原理上，设计标准可以分为两类，即： z 基于极限状态的可靠性设计（载荷抗力因素设计－LRFD） z 常规许用应力设计（工作应力设计－WSD） 最成功的、在世界上应用最广泛的极限状态设计标准是DNV OS F101，它以SUPERB (Jiao, et al, 1996) 的 联 合 工 业 项 目（JIP）为 基 础，是 由 挪 威 海 洋 技 术 中 心 发 起 的。第 一 个 该 类 型 的 设 计 标 准 在 1996 年 由 DNV正式发布。 LRFD方法引进了一些用于不同损坏模式的不同参数的安全系数。WSD方法仅用一个安全系数覆盖所 有的不确定性。原理上，LRFD方法不保守一些，可以导致更小的管道壁厚和相应地减少材料成本。这是 以在一致方式下保持同样或更高的安全等级为条件的。有许多文章解释这些细节，如Song, et al (1998,
图8 墨西哥湾的HM深海工程
图6描述了用于北海挪威海域的柔性立管方案。在该油田开发中使用了大量的柔性立管和柔性海底管线。
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图7 墨西哥湾Diana深水开发工程中的SCR
图7描述了一个墨西哥湾深水开发工程采用的SCR方案。 图8显示了一个由CSO-Aker Engineering公司承担工程、采购、建造和安装（EPCI）的深水开发项
的钢悬链线立管（SCR）、顶端张紧的立管（TTR），惰性S立管，陡峭型S立管，惰性波浪立管、陡峭型
波浪立管等。对应深水生产的需求，也可以采用新型结构，如顺应式垂直通路立管（CVAR），（多孔）
混合立管。
图5描述了位于西非的安哥拉的一个深海开发工程的油田体系结构。它涵盖了立管概念相当大的范
围，如TTR、SCR、塔式立管、柔性立管、柔性卸载跨接管。
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1999), Zimmerman, et al (1992), Bai and Song (1998) and Sotberg, et al (1992, 1994)。 2. 海洋立管设计标准 尽管立管已经存在很多年了，它只是在近些年来随着深水技术的发展而产生了巨大的进步。早期立管 的主要结构是钢铁生产管线的简单延伸，通常在导管架腿柱上夹紧。早期的立管设计以独立的管道标准为 基础，只是采用不同的安全系数而已。 深水开发需要新方案和新技术来处理在浅水开发中遇不到的挑战。为了解决深水立管技术也需要一个 新型的工业立管设计标准。第一个立管设计标准是API RP 2RD，然后是DNV OS F201。这两个标准仍然是 海洋立管仅有的设计标准，如下： z API RP 2RD (1998): “Design of Risers for Floating Production Systems and Tension Leg Platforms”,
（四）海底管道和海洋立管的工程步骤
1.设计阶段 海底管道和海洋立管的设计通常按以下的步骤进行： (1)概念设计 该阶段设计的主要目的是确定技术可行性，确定下一设计阶段所需的信息，进行资本和进度估计。这 经常称作“方案选择”。 (2)初步设计 该阶段的主要任务是进行材料选择和确定壁厚；确定生产管线和立管的尺寸；执行设计标准检查；准 备MTO和授权应用。基本方案需要在这个阶段定稿，也称作“确定阶段”。 (3)详细设计 该阶段的所有设计工作需要足够详细以进行采购和制造。而且，工程过程、说明书、MTO、测试、勘 测和制图需要全面开展。这个阶段也称作工程“执行阶段”。 2. 设计流程 设计流程的主要目的是以运行数据（如设计压力和温度、油田数据和产品处理数据）为基础确定最优 化的管道和立管设计参数。在这些参数中，下列参数是最重要的：
（二）方案选择
1. 海底管道/生产管线系统 在海洋油气资源开发中管道有多种用途。下图描述了海 洋管线的通常定义，包括下列内容： z 运输管道 z 油田产品输送测试/生产管线 z 水和化学制品注射管线 z 生产管线和立管之间的连接短管
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First Edition z DNV OS F201 (2001): “Dynamic Risers” 此外，一些由管理机构发布的标准对立管设计作了一些扩展，如ABS (2001)。 3. 工业软件 最常用的通用非线性有限元分析（FEA）软件包括： z ABAQUS：通用FEA程序 z ANSYS：通用FEA程序 此外，还有相当多的专为管道开发的软件，如： z PIPSIM和OLGA：多相流计算程序 z PIPSTAB：海底管道稳定性分析程序 z PONDUS：浪流引起的海底管线动力响应（APA） z OFFPIPE：海洋管道安装分析程序 下面列出的是用于立管分析的已高度商业化和知名的工业软件： z Riflex : Norwegian Marine Technology Center (Marintek) z Flexcom 3D : MCS International (Ireland) z Orcaflex : Orcina Ltd. (UK) z SHEAR7 : MIT (USA) 软件的选择由工程需求决定。现在，软件的界面设计地很友好，新手可以在短时间内学会使用。然 而，精通软件和掌握管道、立管工程的深入知识并不是一件简单的事。