李 華， 余峙偉， 朱永梅， 唐文獻

(1. 重慶前衛(wèi)科技集團有限公司， 重慶 401121； 2. 江蘇科技大學 機械工程學院， 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)百年的時間，油氣田開采也從陸地走向海洋，由淺水走向深水。20世紀40年代，美國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)。各國對發(fā)展海洋油氣資源開采設備的研發(fā)投入不斷增加，開采的技術條件也從淺海(300 m水深以內(nèi))走向深海。

在石油天然氣田的建設中，水下管匯是關鍵的組成部分。管匯是管道和閥門的排列布置，被設計用于聯(lián)合、分配、控制以及監(jiān)控流體流動，主要用于簡化水下系統(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。本文主要分析水下管匯的應用現(xiàn)狀及設計趨勢。圖1為某典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置圖。

1 水下管匯的主要構件

管匯的一般構件包括：管系與閥門組件、結構框架、管匯基礎、控制系統(tǒng)設備和連接系統(tǒng)。這些構件使管匯具有以下功能：為管線、鉆井提供接口；從單獨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；為水下機器人(Remote Operated Vehicle，ROV)相關作業(yè)提供支撐平臺；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構決定了其整體質(zhì)量。設計者有很大的空間去設計各個構件的位置和分布。管系結構設計的優(yōu)缺點有多重指標衡量，主要體現(xiàn)在流動安全保障[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)，流動形態(tài)復雜多變。這些流體也會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、結蠟、瀝青質(zhì)形成等，所以可在有保溫層的基礎上使結構緊湊，進而減少熱傳遞損失。管道的結構也會影響流體流場，常見的問題包括：乳狀液、起泡、結垢和段塞流等問題，管路設計過程中應盡量避免使用可能引起上述問題的管道結構。

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重要。閥門類型、大小、壓力等級和驅動功能的設計說明應在管匯詳細布置之前給出。

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。按驅動方式又可分為ROV驅動、液壓驅動、ROV液壓雙驅動3種類型。圖2為閘閥和球閥2種結構。近年來，我國在閥門設計方面有了較大發(fā)展[2]，其中閘閥被認為是一種相對可靠的裝置，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)濟性。

1.3 結構框架

管匯結構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其他部件，同時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?？蚣芙Y構可以與管匯基礎分別安裝，需根據(jù)不同地質(zhì)情況、水深選擇不同的管匯基礎。

圖3 陰極保護布置圖

圖4 吸力樁的安裝原理

結構框架的設計在管系的具體設計之后，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，因為結構需要進行表面防腐處理，而H型鋼的表面處理更方便。此外，整個管匯安裝在無人的深水中進行，應具備ROV可操作性。除了一些對海水腐蝕有免疫性的材料外，所有淹沒的金屬材料都應進行陰極保護。同時，應確定和準備好犧牲陽極監(jiān)測點的位置和數(shù)量。圖3為安裝在管匯框架結構上的陰極保護布置圖。

1.4 管匯基礎

管匯基礎的設計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。防沉板的結構取決于管匯系統(tǒng)和附加設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]。在某些場合，可以通過使用樁和防塵板結合的方式抵抗通常的載荷，從而達到減少管匯基礎質(zhì)量的目的，這種方法也被證明是可行的[4]。吸力樁是一個“倒扣過來的水桶”，底部是開的，頂部是封起來的，且安裝有1個閥門，通過抽空樁內(nèi)部的水導致內(nèi)部壓強變化，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)主要是對安裝在采油樹、管匯和管道上的閥門和節(jié)流器進行操作，它也可以用于在水上和水下之間接收和傳送數(shù)據(jù)。通過對溫度、壓力等數(shù)據(jù)監(jiān)測，方便操作人員了解整個系統(tǒng)的運行情況。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)、先導液壓控制系統(tǒng)、電液先導控制系統(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：(1)開關水下采油樹系統(tǒng)、環(huán)空、轉換閥；(2)開關水上控制水下安全閥；(3)開關水下生產(chǎn)管匯閥門和清管閥；(4)開關化學注入閥；(5)調(diào)整水下生產(chǎn)節(jié)流閥；(6)監(jiān)測溫度、壓力、流速以及一些與采油樹、管匯、井下儀表相關的其他數(shù)據(jù)。

2 水下管匯的應用現(xiàn)狀

2.1 國外水下管匯的應用

目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要應用在世界深水油氣田開發(fā)的熱點區(qū)域[5]，如巴西近海，墨西哥灣等海域。隨著生產(chǎn)技術的不斷成熟，越來越多的油氣田開采項目被提上計劃。2013年巴西國家石油公司與FMC公司簽訂水下生產(chǎn)系統(tǒng)建設合同[6]，總金額約16億美元。同時，全球水下生產(chǎn)系統(tǒng)研究和市場調(diào)查[7]顯示：水下生產(chǎn)系統(tǒng)市場將由2015年的159億美元增長到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手段解決開發(fā)成本高、收益回報率低的問題。Brenda油田管匯位于英國北海，由Framo公司設計制造。該管匯重120 t，長寬高約為10 m×6 m×5 m，具有8個井槽口、1根生產(chǎn)集管、1根測試集管。該管匯使用一個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 國內(nèi)水下管匯應用

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)，是我國第1個在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，截至目前我國共有10個水下生產(chǎn)系統(tǒng)[9]。本文以此為基礎對水下管匯進行國產(chǎn)化研究，解決了一系列的關鍵技術問題[10]。

崖城13-4氣田水下管匯[11]于2012年投產(chǎn)，位于我國南海，所在海域水深約89 m，是我國自行設計并安裝的應用于邊際油田的水下管匯。該管匯分為主體和南高點2個部分：主體區(qū)域管匯有2個生產(chǎn)井槽和1個預留井槽，并安裝有1個水下清管器；南高點有1個生產(chǎn)井槽和1個預留井槽。2個部分的管匯都坐落在由3個吸力樁組成的管匯基礎上。

3 水下管匯設計趨勢

隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)工程建設的不斷增多，在此基礎上總結以往的項目研發(fā)經(jīng)驗和在新環(huán)境工況下的不斷創(chuàng)新，管匯技術也在不斷革新，推動其進步的2個主要因素是操作性和造價。一些公司在總結以往工程經(jīng)驗的基礎上形成標準化、系列化設計[12]。從國外石油公司對水下管匯的設計歷程上看，大致可以分為幾個階段。

3.1 第1階段

早期第1階段的管匯設計水深不大，工作環(huán)境最多為水下1 000 m，管匯須由1個獨立的水下基礎支撐，在該基礎的結構頂部有4個支撐點。這一階段的管匯具有1個可以最多補償2°傾斜的水準系統(tǒng)，并且在一般情況下都設置4個可回收的阻塞件和閥門組件，每個都是為2個不同的鉆井設置的。

圖5 典型管匯的2個設計階段

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

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。圖5為1個典型的管匯的2個設計階段。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，不再強制要求具有獨立的基礎裝置。管匯底部可以被設計為帶有裙圍的泥墊，并在沉降過程中不斷修正產(chǎn)生的傾斜，也不需要設置外加的水準系統(tǒng)。除了尺寸和重量的減小外，另一個減少安裝成本的因素為中心點的運用，使得管匯在近海運送和部署階段能架設在鉆探立管上。

3.3 第3階段

第3階段的管匯總結了可回收的阻塞模塊和水下閘閥的使用經(jīng)驗，考慮了管道內(nèi)多相流的流動特性。處于該階段的管匯，閥門設置在管道的最高和最低位置，防止在任意1個閥門關閉時，由石油隔離引起的氣體與水的接觸。對于在鉆井進入生產(chǎn)階段前水的去除方法，有了進一步的發(fā)展。

4 結 語

我國有幅闊的海疆，擁有豐富的油氣資源，但是我國對水下生產(chǎn)技術的研究起步較晚，很多技術和裝備依賴國外公司的引進和進口。隨著我國對海洋資源的利用與開發(fā)不斷增加，水下生產(chǎn)系統(tǒng)及相關裝備的研究繼續(xù)深化。未來，越來越多擁有自己核心知識產(chǎn)權的國產(chǎn)化技術裝備會被制造出來。本文對水下生產(chǎn)系統(tǒng)中水下管匯的應用和設計趨勢進行討論，可為深水管匯及相關裝備的設計提供參考。