水下生產系統臍帶纜內液壓管線選型分析

李 博， 郭 宏， 郭江艷

(中海油研究總院，北京 100028)

水下生產系統臍帶纜內液壓管線選型分析

李 博， 郭 宏， 郭江艷

(中海油研究總院，北京 100028)

臍帶纜內的液壓管線對臍帶纜的性能以及造價有著重要的影響，選擇合適的液壓管材料和尺寸可以保證油氣田可靠、經濟地運行。分析了目前臍帶纜液壓管線的主要材料，對比分析了每種材料的性能及適應性，提出了選擇臍帶纜材料類型時需考慮的因素。通過液壓仿真的方法，建立了影響臍帶纜內液壓管線管徑的仿真模型，給出了進行液壓管線尺寸選擇的分析方法。為深海油氣田開發選用水下生產系統臍帶纜內液壓管線提供了一定的參考。

水下生產控制系統；臍帶纜；液壓管線

0 引 言

深水油氣開發正在成為世界石油工業的主要增長點和科技創新的前沿[1]。海洋油氣田的可采規模隨水深增大而大幅增加。水下生產系統作為深水油氣田的一種重要開發模式，是一種海洋石油天然氣資源開發的新技術。它通過水下井口、部分或全部放置在海底的水下生產設施以及海底管線，將采出的油、氣、水多相或單相流體回接到附近水下、水面或陸上依托設施，實現海上油氣田的開發[2]。

水下控制系統是水下生產系統的關鍵技術之一，是水下生產系統通向上部設施的神經中樞和重要通道，水下生產、注入設備安裝與運行過程中都需要通過水下生產控制系統來進行實時監控。水下控制系統主要有三種控制模式： 全液壓控制、電液控制以及全電氣控制[3]。

作為水下控制系統的關鍵組成部分之一的水下生產系統臍帶纜，是連接上部設施和水下生產系統之間的“神經、生命線”[4]，臍帶纜在水下生產系統中的主要作用如下：

(1)為水下閥門執行器提供液壓動力通道；(2)為水下控制模塊和電潛泵等提供電力；(3)為水下設施和油井提供遙控及監測數據傳輸通道；(4)為油井提供所需流體(如甲醇和緩蝕劑等化學藥劑)。

臍帶纜內的液壓管線是水下動力源的主要輸送通道，對水下生產控制系統的性能以及臍帶纜的造價有著舉足輕重的影響。本文主要針對臍帶纜內液壓管線的材料選擇以及管徑分析進行研究，為工程項目中水下生產系統臍帶纜選材及分析提供相應的參考。

1 液壓管線材料選擇分析

臍帶纜按管單元類型可以分為鋼管臍帶纜和軟管臍帶纜[5]，如圖1所示。

(a) 鋼管臍帶纜

(b) 軟管臍帶纜

由于軟管和鋼管技術的不同，對安裝策略的制訂和成本有極大影響。臍帶纜運輸及安裝成本在臍帶纜系統中占極大比例。因此，根據不同項目情況，正確地評估軟管和鋼管的優缺點，對于項目成本的控制十分重要。在確定化學藥劑和液壓液采用鋼管或軟管輸送時，需考慮的因素有壽命、疲勞要求、水深、壓力等級、價格、安裝、輸送介質性質以及海底穩定性等方面。

1.1 水深影響

隨著水深的增加，臍帶纜需承受較大的靜水壓力。軟管在輸送水基液壓液時(密度大于海水)，不存在壓力失衡的問題，但是輸送小密度的液體如甲醇，會導致內外壓差較大的問題。鋼管由于自身材料的原因，不存在內外壓失衡的問題。為了解決軟管壓力失衡問題，可采用高抗壓潰的軟管，目前此種類型的軟管(1/2英寸，1英寸≈2.54cm)可承受內壓34.5MPa、外壓60MPa。

1.2 對介質的適應性

傳統軟管不能輸送小分子的介質如甲醇等，而芳綸纖維或交聯聚乙烯則可以彌補這種缺陷；鋼管的防滲性較好，可以輸送甲醇、乙二醇等化學藥劑，但碳鋼材料容易腐蝕，而不銹鋼材料能滿足其性能。

在輸送以前未用過的介質時，必須做適應性測試。

1.3 響應時間影響

軟管受流體工作溫度影響，體積膨脹明顯，對于直接液壓系統會造成較大的延遲；對于電液復合式控制系統，這種影響相對較小。而鋼管由于材料模量大，體積變化較小，響應時效更好，適合長距離油田使用。

1.4 運輸條件影響

對運輸和安裝條件影響較大的主要是臍帶纜的最小彎曲半徑(MBR)和重量。與軟管臍帶纜相比，同樣管路配置的鋼管臍帶纜，最小彎曲半徑和重量都大很多。

最小彎曲半徑越大，存儲及安裝可選擇的立式卷盤就越少，而立式卷盤方便運輸和吊裝。如果采用臥式卷盤，但有這樣配置的安裝船較少，動復員距離可能較遠，日費率昂貴。

重量越大，運輸和安裝的難度就越大。需要考慮碼頭和安裝船的起吊能力，以及運輸距離和費用。并且需要考慮安裝船的甲板面積和裝載能力，臥式卷盤占地面積較大，如果臍帶纜重量較大，則對甲板的要求很高。

安裝過程中，臍帶纜的重量還直接決定對張緊器張緊能力的選擇。對于深水安裝，鋼管臍帶纜由于重量較大，會造成張緊器的高張緊力，而對于軟管臍帶纜則張緊力相對較小。圖2所示為水深和臍帶纜重量對張緊器長度的影響。

圖2 張緊器長度與水深和臍帶纜重量的關系Fig.2 Dependence of tensioner length on water depth and umbilical weight

1.5 加工工藝影響

軟管加工應該是連續無縫、圓形擠壓成型，對于長距離的臍帶纜，需保持其連續性且不間斷地生產。而鋼管采用分段焊接，主要是焊接工藝的影響，應滿足相關焊接標準，如ISO 9956/14732、ASMEB31.3/Ⅸ等。

1.6 交貨期影響

鋼管由于被RathGibson、 Sandvik等公司占有了70%市場份額，供貨商較少，交貨期很長；而軟管由臍帶纜供應商自己生產，可極大縮短生產周期。

2 液壓管線尺寸(內徑)選擇分析

臍帶纜內的液壓管徑以及材料均影響著水下控制系統的響應時間，可以借助水下控制系統的液壓仿真分析來決定臍帶纜內的液壓管線尺寸。

以南海某油氣田實際投產的項目為例，具體分析臍帶纜內液壓管線尺寸的選擇過程及方法。

2.1 油田信息簡介

該油田是一個邊際油田，位于中國南海珠江口盆地，距深圳約240km，油田范圍海域水深約260～300m。主要依托開發設施有一條浮式生產儲油裝置(FPSO)，一座半潛式鉆井平臺。油田開發方式為采用中心叢式井管匯的水下生產系統[6]。

2.2 控制系統液壓整體架構

液壓動力單元(HPU)位于半潛式鉆井平臺上，HPU到水下生產系統是通過14.5km的復合電液控制主臍帶纜與水下終端接頭(UTH)連接，然后用20m液壓跨接纜與水下分配單元(SDU)連接，最后通過約60m的液壓跨接纜連接到水下采油樹的水下控制模塊(SCM)。整體構架如圖3所示。

圖3 南海某油氣田水下控制系統液壓系統圖Fig.3 Schematic diagram of the hydraulic system of a subsea control system in a South China Sea oil and gas field

2.3 液壓系統建模分析

本文利用專用液壓仿真分析軟件AMESim對水下生產控制系統進行建模分析。

2.3.1建模基礎

由于該油田控制系統為開式控制系統，水下采油樹上的控制閥門均為失效關的模式(控制液壓失壓，閥門關閉)，ESD響應時間均為迅速。因為對液壓管線尺寸的影響，主要取決于系統充液的響應時間，根據ISO 13628-6以及生產作業方的要求，水下蓄能器系統的充液時間不能超過40min。水下蓄能器為1用1備，為所有的蓄能器同時充液。

假定采油樹上的所有水下蓄能器(SAM)執行完一次動作后，由水面上的HPU為其充液。

假設液壓管線內液體壓力為0.1MPa。

假設所有的元器件都在一個水平面內(忽略水深影響，關注相同距離下不同管徑的液壓管線對系統充液時間的影響)

SAM內液體已排空。

2.3.2仿真模型

因為鋼管和軟管在AMESim軟件中屬性不同，所以針對不同的液壓管線材料水下生產控制系統充液仿真模型在AMESim中建模如圖4、圖5所示。

圖4 水下生產控制系統充液仿真模型(鋼管)Fig.4 Simulation model for the subsea production system charging (steel pipe)

圖5 水下生產控制系統充液仿真模型(軟管)Fig.5 Simulation model for the subsea production system charging (flexible pipe)

2.3.3仿真結果及其分析

目前中國南海已投產采用水下生產系統開發的油氣田中，臍帶纜均為國外廠家產品，臍帶纜內液壓管線管徑從0.5英寸到1英寸不等，0.5英寸是最常見的尺寸。因此，本次以0.5英寸鋼管、0.75英寸鋼管、0.375英寸軟管、0.5英寸軟管以及0.75英寸軟管為備選方案，進行仿真分析，結果如圖6～圖9所示，其中圖6和圖7為鋼管仿真結果，圖8和圖9為軟管仿真結果。匯總響應時間如表1所示。

圖6 SAM氣體壓力曲線(鋼管)Fig.6 Gas pressure curves of the SAM (steel pipe)

圖7 SAM液體體積曲線(鋼管)Fig.7 Liquid volume curves of the SAM (steel pipe)

圖8 SAM氣體壓力曲線(軟管)Fig.8 Gas pressure curves of the SAM (flexible pipe)

圖9 SAM液體體積曲線(軟管)Fig.9 Liquid volume curves of the SAM (flexible pipe)

液壓管類型液壓管徑/in充壓時間/s系統充液體積/L鋼管0.5237448.2鋼管0.7548854.3軟管0.375360697.5軟管0.51889150.8軟管0.751390328.3

根據充液響應時間不超過40min的判定標準，0.375英寸的軟管響應為3606s，超過了所允許的時間，故不能作為臍帶纜內液壓管線的選擇。

在滿足標準以及作業方的要求下，0.5英寸鋼管、0.75英寸鋼管、0.5英寸軟管以及0.75英寸軟管均可以作為臍帶纜內液壓管線。綜合考慮投資以及系統性能，最終該項目采用了0.5英寸的軟管作為主臍帶纜內的液壓管線。

3 結 語

綜合考慮臍帶纜的應用環境、材料性能以及經濟性，在保證系統安全性的前提下，選擇合適的液壓管線材料和尺寸可以提高效益，降低成本。

(1) 對于水深500m以內的水下生產系統，采用軟管臍帶纜其系統響應時間及綜合成本優勢較為明顯；對于深水惡劣環境則采用鋼管臍帶纜較多。

(2) 如果系統響應時間不是很苛刻，建議盡量采用小尺寸的液壓管線，降低臍帶纜的投資，以提高效益。

[1] 高原,魏會東,姜瑛,等.深水水下生產系統及工藝設備技術現狀與發展趨勢[J].中國海上油氣,2014,26(4)： 84.

[2] 劉太元,霍成索,李清平,等.水下生產系統在我國南海深水油氣田開發的應用與挑戰[J].中國工程科學,2015,17(1)： 51.

[3] 周美珍,張維慶,程寒生.水下生產控制系統的比較與選擇[J].中國海洋平臺,2007,22(3)： 47.

[4] 郭宏,屈衍,李博,等.國內外臍帶纜技術研究現狀及在我國的應用展望[J].中國海上油氣,2012,24(1)： 74.

[5] 文綱,段夢蘭,王德國,等.臍帶纜液壓管線材料的應用特點與選擇分析[J].石油工程建設,2012,38(2)： 10.

[6] 王建文,王春升,楊思明.流花4-1油田水下生產系統總體布置設計[J].中國造船,2011,52(a01)： 172.

SelectionAnalysisofHydraulicTubeofSubseaProductionUmbilical

LI Bo, GUO Hong, GUO Jiang-yan

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The hydraulic tube has an important impact on subsea production umbilical cost and performance. Choosing appropriate material and size of umbilical hydraulic tube can ensure reliable and economical operation of oil and gas fields. This paper analyzes the main materials of the current umbilical hydraulic tube, compares and analyzes the performance and adaptability of each material, and puts forward the factors that need to be considered when selecting the hydraulic tube material type. Through the method of hydraulic simulation, the simulation model of the diameter of the hydraulic tube in the umbilical is established, and the analysis method of the hydraulic tube size selection is given. This paper provides some reference for the selection of hydraulic tube in subsea production system umbilical.

subsea control system; umbilical; hydraulic tube

TP271+.31

A

2095-7297(2017)01-0014-05

2016-10-12

工信部課題(深水鉆井船海況適應性及安全分析技術研究)

李博(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事水下生產系統設計工作。