水下生產(chǎn)系統(tǒng)后保護方案研究

崔寧 謝锏輝 張西偉 鄭申奎 馬慶林 薛大智

摘 要：隨著漁業(yè)捕撈技術(shù)的發(fā)展，越來越多的較深水油氣田的水下設施正在受到漁業(yè)活動的威脅。隨著中國海洋石油開發(fā)向深水挺近，日后深水油氣田的開發(fā)模式將采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)加浮式生產(chǎn)平臺的整體方案，油氣田將建設大量包括采油樹、管匯終端、臍帶纜終端等水下結(jié)構(gòu)物，如何保護水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)、管纜免受漁業(yè)活動和落錨的損傷，已經(jīng)成為保障油氣田安全生產(chǎn)不可回避的課題。該文基于國內(nèi)各油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)實際發(fā)生的損傷情況，結(jié)合國外已經(jīng)成功實踐的后保護措施，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)后保護方案進行了介紹。

關(guān)鍵詞：水下生產(chǎn)系統(tǒng)；水下結(jié)構(gòu)物；后保護

中圖分類號：P756 文獻標志碼：A

0 背景

近幾年來，海洋漁業(yè)捕撈方式及捕撈設備發(fā)展迅猛，漁業(yè)活動對海洋油氣水下設施的影響也越發(fā)明顯。淺水油氣田開發(fā)采用的固定式導管架平臺間的海底管線、電纜等水下管纜設施，均存在有被拖網(wǎng)、落錨損傷和破壞的案例。為保證海上平臺安全生產(chǎn)，避免其受到漁業(yè)活動及船舶拋錨作業(yè)影響，目前多采用挖溝埋設或覆蓋壓塊的保護方式。

隨著中國海洋石油開發(fā)向深水挺進，深水油氣田的開發(fā)模式將告別固定式平臺群的開發(fā)方案，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)加浮式生產(chǎn)平臺的整體開發(fā)模式（圖1）。油氣田建設將涉及大量的海底結(jié)構(gòu)物安裝，包括采油樹、管匯終端、臍帶纜終端等，以及結(jié)構(gòu)物間用于油氣輸送及電液控制的海底管線、電纜、臍帶纜、電液飛線等。

而近幾年，海洋漁業(yè)捕撈方式及捕撈設備同樣存在更新和進步，漁業(yè)活動對海洋油氣水下設施的影響也越發(fā)明顯。深水油氣田水下結(jié)構(gòu)物受漁業(yè)損壞案例也時有發(fā)生，主要體現(xiàn)在運動拖網(wǎng)捕魚的作業(yè)深度越來越深，象南海東部180 m～200 m水的深臍帶纜上發(fā)現(xiàn)表面破損、整體打扭和因拖掛上臍帶纜而被棄置的錨體（圖2），而在更深的300 m水深的水下結(jié)構(gòu)物上，同樣發(fā)生了大面積的漁網(wǎng)覆蓋和電纜終端被漁業(yè)活動拖翻的事故（圖3），以前所做的漁業(yè)活動調(diào)查結(jié)論已經(jīng)不適用于現(xiàn)有水下油氣設施。

相比于海底管纜采用挖溝埋設的保護手段，同樣裸露于海床上的水下生產(chǎn)系統(tǒng)各類結(jié)構(gòu)物，也需要采用針對性的保護方案，以防止各類漁業(yè)活動、落錨的損傷。在國際范圍內(nèi)，以北海為例，作為世界四大漁場之一，該海域的深海魚捕撈技術(shù)先進，捕撈深度大。因此，北海整個油氣田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)后保護已經(jīng)有相當成熟的方案和普遍應用。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)簡介

傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要由各種水下生產(chǎn)流體集輸設備和控制設備組成，按照功能可分為井口及采油樹系統(tǒng)、管匯及連接系統(tǒng)、水下控制及臍帶纜系統(tǒng)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的水下生產(chǎn)設施主要包括：水下井口、水下采油樹、水下管匯及各類水下控制模塊等；水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的海底管纜主要包括生產(chǎn)管道、臍帶纜、海底電纜及各類注水、注氣管道等。

采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基本組成設備，就位于水下進口上，是水下生產(chǎn)的控制通道和檢測設備。水下井口主要包括套管、套管頭等，用于支撐采油樹及井口下部流體流通。采油樹將油井中的采出物直接通過管線直接輸送至水下管匯。

水下管匯及連接系統(tǒng)主要由生產(chǎn)管路、水下閥門、連接設備等組成，集成至一個支撐或主體結(jié)構(gòu)中。水下管匯負責將各采油樹輸出的油氣匯集并外輸。

水下控制系統(tǒng)包括各類臍帶纜終端、電纜終端，控制系統(tǒng)與臍帶纜、電纜相互配合，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行控制。

而對于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中所包括的各類結(jié)構(gòu)、管纜設施的后保護而言，其保護方案主要取決于其外形結(jié)構(gòu)，按照其外形結(jié)構(gòu)劃分，主要可以分為以下3類：

（1）各類立式、臥式的模塊類結(jié)構(gòu)，包括采油樹、水下管匯、臍帶纜終端、電纜終端等。

（2）海底管纜，主要包括海底管道及連接各模塊的臍帶纜、電纜、電液飛線等。

（3）特殊結(jié)構(gòu)，主要指各類水平或垂直跨接管。

后保護方案將按照各設施不同的外形結(jié)構(gòu)進行針對性地考慮和設計。

2 模塊類結(jié)構(gòu)物的保護

首先油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)通常遠離航道，非航道海域本身來往船只少，且船舶在深水區(qū)域拋錨的概率又極小，因此模塊類的結(jié)構(gòu)物，如采油樹、管匯、終端等，其主要威脅來自拖網(wǎng)捕撈等漁業(yè)活動。常見的損傷形式包括結(jié)構(gòu)整體傾覆、閥門等零部件破壞導致的功能失效等。

對于模塊類結(jié)構(gòu)物保護，多采用鋼結(jié)構(gòu)保護罩的保護形式（圖4）。根據(jù)被保護物的外形特征，保護罩的外形尺寸可能存在不同，但整體結(jié)構(gòu)類似，均為梯形體。邊、梁結(jié)構(gòu)以鋼管、工字鋼為主，頂面、斜面為鋼質(zhì)格柵板，以減輕整體重量。為保證良好的防漁業(yè)活動和抗落錨損傷，鋼結(jié)構(gòu)保護罩應至少具備以下2個基本性能：

（1）斜面及頂面平滑、無突出結(jié)構(gòu)，具備良好的漁網(wǎng)通過性，當拖網(wǎng)經(jīng)過時，其網(wǎng)板、桁桿、沉子、網(wǎng)袋等不會出現(xiàn)鉤掛情況。

（2）具備一定的抗沖擊強度，既要保證其可以有效抵抗落錨撞擊，另外在發(fā)生形變后不會對內(nèi)部的被保護結(jié)構(gòu)造成影響。

近幾年中國南海各新開發(fā)的油氣田，水下設施涉及有水下管匯、三通撬、閥組、控制終端等模塊類結(jié)構(gòu)物時，均設計有鋼結(jié)構(gòu)保護罩，在水下設施調(diào)試完成后第一時間完成保護罩安裝。即便如此，在實際施工時，還是會出現(xiàn)水下設施安裝完成后的調(diào)試階段或是主作業(yè)船暫離期間，出現(xiàn)掛網(wǎng)甚至損壞的情況，足見其后保護的必要性和緊迫性。

3 管線及柔性管纜保護

與模塊類結(jié)構(gòu)物相同，水下生產(chǎn)系統(tǒng)中連接各水下模塊的臍帶纜、電纜主要威脅來自漁業(yè)活動，但某些連接至動態(tài)立管的較長距離外輸管線、臍帶纜、電纜等也會面臨拋錨作業(yè)的威脅。尤其是大型的遠洋貨輪臨時拋錨，管纜一旦被錨體掛帶，其破壞力將比漁業(yè)活動更大，損傷也更為直接和嚴重。

目前，在裸露的管纜上覆蓋水泥壓塊是防止落物、拖網(wǎng)損傷最為普遍的保護手段，象位于平臺下方的管纜、膨脹彎、路由交叉點等均采用此種方式（圖5），但該方式存在以下不足：

（1）穩(wěn)定性不佳

水泥壓塊各水泥塊采用尼龍繩串接，尼龍繩防腐蝕性能差，長時間在水下將出現(xiàn)腐蝕斷裂導致水泥塊散落，失去保護效果。

（2）影響管線自由度

當管線投產(chǎn)后，在高溫高壓的工作狀態(tài)下，膨脹彎將會發(fā)生移動。水泥壓塊覆蓋的膨脹彎在連接點處的受力是自由狀態(tài)下膨脹彎的2.15倍。

因此，對于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中涉及的管纜，根據(jù)其不同的特點，建議采用如下保護方案：

（1）水下各模塊群內(nèi)部連接各功能模塊的短距離的臍帶纜、電纜及海管末端接入管匯的膨脹彎等，同樣采用保護罩的方式，其結(jié)構(gòu)類似于工程隧道，沿管纜和膨脹彎的安裝路由布置，如圖6所示。此方案優(yōu)勢在于保護罩本身結(jié)構(gòu)比水泥壓塊更為穩(wěn)定，另外可以釋放被保護管纜的自由度，目前管纜保護罩在英國北海的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應用，如圖6所示。

（2）長距離外接管線及臍帶纜，由于路由距離較長，建議采用常規(guī)的挖溝埋設或拋石覆蓋。

對于長距離管纜，目前國內(nèi)普遍采用挖溝埋設的方案，對于100 m以淺的管纜挖溝，相關(guān)挖溝資源和技術(shù)方案均已經(jīng)十分成熟。海油工程已于2018年引進了國際上最先進的深水挖溝犁系統(tǒng)，作業(yè)水深可達500 m，裝備水平已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。但是對于水下生產(chǎn)系統(tǒng)各模塊群內(nèi)部的短距離管纜，目前還沒有相關(guān)的保護方案用于工程實踐。

4 特殊結(jié)構(gòu)保護

水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的特殊結(jié)構(gòu)主要是指跨接管，跨接管是水深超過300 m潛水無法作業(yè)或作業(yè)困難的油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的采油樹、管匯、海管終端等結(jié)構(gòu)之間重要的連接工具。跨接管按照其布置形式可分為水平跨接管和立式跨接管。跨接管結(jié)構(gòu)形式各異，通常在其結(jié)構(gòu)兩端存在遠高出于海床成“M”型，部分超長距離跨接管在中部也會存在懸跨段，并設計有故跨接管其結(jié)構(gòu)及安裝后的狀態(tài)，極易被漁網(wǎng)拖掛，一旦出現(xiàn)損傷可能造成連接器密封失效，嚴重的更可能導致油田泄漏事故。

對于跨接管的保護，國外通常采用特殊的高強度復合材料按照原跨接管管型制作套管型保護罩，復合材料以合成樹脂為主，具備輕質(zhì)高強度的特點，將跨接管包裹于套管中以達到保護目的（圖7）。

該保護方案具備以下性能特點：

（1）合成樹脂材質(zhì)質(zhì)量是碳鋼的1/4～1/5，其材質(zhì)質(zhì)量輕，安裝于跨接管上，不會過多地增加跨接管本身的重量。

（2）根據(jù)具體的防護需要，保護套管設計尺寸可比跨接管本體尺寸更大，具有更大的弧面且表面平滑，以保證網(wǎng)板、桁桿、沉子、網(wǎng)袋具有良好的通過性。

（3）具備良好的抗沖擊性能，可有效保護跨接管免受落物損傷。

套管型保護罩類型的跨接管保護方案在英國北海的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中已經(jīng)有成功應用的案例。國內(nèi)目前尚沒有針對于跨接管的后保護方案用于工程實踐。

5 結(jié)語

中國南海近5年來無論是在建設的或是已經(jīng)投產(chǎn)的各油氣田水下設施，水下設施遭到漁業(yè)活動破壞的案例屢見不鮮，已遭受漁業(yè)活動影響的結(jié)構(gòu)物水深最深可達300 m。隨著漁業(yè)捕撈技術(shù)的發(fā)展，此前所做的諸如60 m以深水下設施不需要進行后保護的結(jié)論顯然已經(jīng)不再適用。未來深水油氣田開發(fā)模式，油氣開采的主要功能設施全部轉(zhuǎn)移至水下，水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的各類結(jié)構(gòu)物同樣將面臨漁業(yè)活動的威脅。無論從國內(nèi)各較深水油氣田已經(jīng)發(fā)生的漁業(yè)活動損傷還是國外深水油氣田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)后保護措施的應用情況來看，一方面需要加強對漁民的宣傳工作，普及水下生產(chǎn)設施保護、漁網(wǎng)鉤掛解脫以及防止危害擴大的基本知識；另一方面勢必需要配套有針對性的后保護方案及相關(guān)結(jié)構(gòu)設計，以保證水下生產(chǎn)系統(tǒng)免受漁業(yè)活動威脅。

雖然新建的水下模塊類結(jié)構(gòu)物均設計了鋼結(jié)構(gòu)保護罩，但之前與國外合作開發(fā)的一些較深水油氣田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，并未采用任何保護類結(jié)構(gòu)，且正在遭受漁業(yè)活動威脅。對于這類已投產(chǎn)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物設計針對性的后保護方案同樣迫在眉睫。

參考文獻

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