深水油气田开发中的中深水输送概念[1]

第36卷第3期深水油气田开发中的中深水输送概念基金项目：国家重大科技专项：大型油气田及煤层气开发，子课题“西非深水海上典型油气田开发工程模式研究”（2008ZX05030-05-05-03）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!"何宁1；王桂林2，段梦兰2，李婷婷2，冯玮3，刘太元3（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；3.中海石油研究中心，北京100027）摘要：海上油气的勘探与开发已经转向深海，深水油气管道是深水开发的一个重要环节，面临诸如流动保障、高温高压和低温环境等技术难题。

文章着重介绍了国外在深水油气田开发中应用的中深水管道输送概念，包括Trelline 方案和GAP 方案（重力驱动管道），论述了它们的技术特点，列举了一些应用实例，并对其应用前景进行了分析。

关键词：深水开发；油气管道；中深水；概念设计中图分类号：TE53文献标识码：A文章编号：1001－2206（2010）03－0033－050引言深水油气田开发是当前海上油气勘探与开发的发展趋势，随着大型海上深水油气藏的不断发现和深海开发技术水平的不断提高，全球海上油气的勘探与开发正在由浅水向深水的方向转移。

当前，深水油气田开发最活跃的地区是墨西哥湾、巴西海域和西非海域，而西非被认为是深水开发最具前景的地区。

在深水和超深水条件下，深水油气田的开发将面临许多技术挑战，如流动保障、水下生产系统、立管系统、水面生产结构、输送系统等的技术问题。

深水油气田的开发对油气管道提出了更高更严格的要求，如流动保障、低环境温度、高温高压（HP/HT ）等。

对生产或注入立管、钻井立管、完井或修井立管以及不同类型混合立管等的设计和安装的要求也极高。

目前，我国深水油气田开发也处于紧张的计划筹备中，已经开展了深水油气田开发的关键技术研究，为我国深水油气田的开发做准备。

为跟踪国际先进深水开发技术，引进、消化和吸收国外先进开发经验，本文介绍了一种新型的中深水油气输送管道的概念，分析了其应用前景。

1深水石油管道面临的挑战1.1海上油气输送系统的构成海上油气输送系统包括生产管道（Flowline ）、外输管道（Pipeline ）和立管系统（Riser ），见图1。

生产管道用于输送未经处理的流体（原油或天然气）。

可以输送多相流，包括石蜡、沥青、其他的固体颗粒如砂子等。

大多数深水生产管道输送的是高压高温（HP/HT ）流体。

外输管道输送已处理的原油和天然气。

输送的流体是经油、气、水和其他固体分离后的单相流体。

外输管道需要适中（同环境温度相比）的温度和压力，以确保流体输送到目的地。

通常，外输管道比生产管道的直径大。

立管系统是连接水下生产系统和水面生产设施的通道。

立管类型主要有：柔性立管（CompliantRiser ）、钢悬链立管（SCR ）、混合立管（Hybrid Riser ）和顶端张紧立管（TTR ）。

1.2流动保障问题深水海底为高静压、低温环境（通常在4℃石油工程建设33石油工程建设2010年6月左右），这对海底油气混输管道提出了严格的要求。

深海油气田现场的应用实践表明，在深水油气混输管道中，由多相流成分（含水、酸性物质等）、海底地势起伏、运行操作等带来的问题，如段塞流、析蜡、水合物、腐蚀、固体颗粒冲蚀等，已经严重威胁到生产的正常进行和海底集输系统的安全运行，由此引起的险情频频发生[1]。

由于水深增加，且油气藏位于海床以下更深的区域处，同浅水油气藏相比，深水油气温度更高、压力更大。

高温高压（HP/HT）生产要求更高等级和更大壁厚的阀门和管道。

原油产出物通常含有大量水、蜡和沥青，产出物中还可能含有砂子，高速流动的砂子会加速管道内壁的腐蚀。

溶解的二氧化碳和硫化物也会对管道内壁产生腐蚀。

1.3管道的绝热保温油气在温度较低的海水中长距离流动，包含水和蜡的产出物会形成象冰一样的物质，称作水合物，它与管道结蜡一样都将缩小管道内径，最终阻碍管道内产出物的流动。

为避免输送过程中温度的降低，管道需要绝热保温，采取的方式有：涂敷绝热材料、采用热水循环系统、电加热伴热、双层管道保温（PIP）。

还可在产出物流入管道前，向井口注入化学抑制剂进行保温。

化学药品通常有：MeOH、乙二醇、低剂量水合物抑制剂、晶体修改剂、沥青溶解剂、阻垢剂等。

1.4深水管道的设计问题在深水油气田的开发中，尽管海底管道在设计和安装上有困难，但目前仍是最经济的选择。

但是更深海域和离岸距离更远的油田，采用FPSO（浮式生产储存卸货装置）和穿梭油轮的外输系统，可能更具有吸引力。

外部静态水压力高、海底地形复杂以及产出物腐蚀性强等特点使得深水管道的设计更为复杂。

深水管道设计面临的挑战有：材料选择、绝热、悬跨的缓解、安装和维修等。

2中深水管道概念设计中深水管道（mid-water pipes）是国外在开发深水油气田的过程中，为解决深水石油管道输送系统所面临的难题而提出的一种新的油气输送系统概念。

它的基本特点是管道没入水面以下一定深度（如200m），避免海底的低温环境，以解决流动保障问题，如水合物形成、结蜡等。

实践证明，在深水和超深水油田，浮式生产平台间的石油输送，采用较小水深处的深水管道系统将更为有效。

中深水管道输送系统，最早由SBM公司提出，目前有两种解决方案：Trelline方案。

用于FPSO和外输浮筒之间的石油输送，即采用大直径的柔性立管从FPSO向外输浮筒稳定地输送原油，再由外输浮筒向穿梭油轮卸油。

GAP方案（重力驱动管道）。

主要用于浮式钻采平台（TLP、CT/SS/Spar）和生产平台（FPSO/ FPS）之间的石油输送，即通过GAP把多个卫星井汇集的原油输送到生产平台上进行处理。

3Trelline输送系统3.1Trelline设计概念在西非海岸大型深水油田的开发过程中采用了一系列的深水油田开发方案（如Girassol，Bonga，Kizomba A，Kizomba B，Ehra，Dalia，Agbami，Greater Plutonio等）。

水面生产设施选择大型分布式锚链FPSO，存储能力约为27.3万t（2MMbbl），原油生产能力为2.73万t/d（0.2MM bbl/d）。

高生产能力的FPSO要求外输系统的输油能力达到2.46万t/d（0.18MMbbl/d），这样才能满足经济性要求。

因此，广泛采用安全性高的单点系泊终端系统（外输浮筒）进行海上作业，实现与大型外输油轮（净载量达到35万t（350kDWT））的对接。

这种输送方案主要是安全性高，避免FPSO与穿梭油轮经常发生无法预测的碰撞，而FPSO直接串联卸油系统则比较危险，不可靠。

采用单点系泊终端系统，在整个卸油作业期间（1～2d），外输油轮可以随天气情况绕单点系泊终端系统转动。

单点系泊终端系统通常离FPSO1.6km，要求原油卸油线（OOLs）直径大，以减小压降，从而减小FPSO上增压泵的功率要求。

在深水中，卸油管道悬挂在FPSO和单点系泊浮筒之间，目前有两种连接方式，即钢管和自由的挠性管。

Trelline TM是SBM和Trelleborg联合开发的一种OOLs解决方案[2]，有操作灵活、整体成本低等优点。

其概念设计如图2所示。

3.2Trelline的配置通常Trelline外输管道为懒波（lazy wave）状结构，通过间隔分布的浮筒模块实现（如图3中粗实线部分），能够有效地减轻波浪和流的作用。

34第36卷第3期Trelline是由12m长的加强柔性橡胶软管组成的，两端通过钢法兰用螺栓连接在一起，见图4。

两端采用“集成弯曲加强器”对法兰进行加固，表面用氯丁二烯橡胶完全覆盖，并采用集成的内部和外部垫圈进行密封。

起连接作用的螺栓和螺母通过涂敷耐压油脂和采用密封技术来防止腐蚀。

管道末端采用万向接头，以消除过大的弯曲荷载，确保软管末端的安全连接。

Trelline方案的末端连接为万向节接头。

该方案是由SBM开发和测试的，是基于万向节接头而在FPSO和浮筒间实现连接（图5）。

万向节接头在Trelline软管端部形成一个连接结构，此结构能弯曲到任一角度并将中深水管道的张力传输到浮筒。

因此，Trelline万向节软管接头仅承受弯曲力作用，而且是经过特别设计和充分检测的，更换方便。

Trelline有以下几个方面的特点：（1）适合深水项目的长距离外输系统，带加强保护的大直径软管悬挂成简单懒波（lazy wave）状，长度超过2km，在FPSO和卸油浮筒间输送原油。

（2）柔性高、重量轻、疲劳寿命长、直径大、压力低且流量大。

（3）已通过认证，符合API17K规范，设计寿命为25年。

（4）连接法兰通过“集成弯曲加强器”得到充分保护和加强。

（5）软管上的钢加强环可承受倒塌的压力。

4GAP输送系统4.1GAP设计概念在大型深水油气田的开发中涌现了许多新技术，采用FPSO和其他浮式生产平台的联合开发模式就是其中之一，如TLP（张力腿平台）联合开发模式。

这种开发模式充分发挥FPSO和TLP各自的优点，即TLP的干式井口和FPSO的生产、储、卸油功能。

这种开发模式需要一种经济有效的平台间流体输送方式，并且要求干式井口（DTU）和FPSO距离较近。

过去已有两种不稳定的原油输送方式：一为自由悬挂成单一或多种波形式的挠性或刚性钢立管；二为挠性或刚性立管或立于海底的立管塔。

这两种方案遇到的问题有：长度和直径的限制；深水低温环境引起的流动保障问题；强度和疲劳问题以及材料成本和安装问题。

这些问题降低了上述两种传输方案的技术可行性和经济性，因而要求开发一种新的流体传输方案，以满足下列要求：（1）适用深度大（不受水深的限制）。

（2）适合跨度达几千米。

（3）具有充分的流动保障。

（4）尽可能在当地制造。

面对这些挑战，SBM公司开发出了重力驱动管道系统（GAP T M）[3]，概念设计见图6。

GAP的设计概念为：在接近水面深度处，一个由钢管束组成的中心浮筒通过链索和重力的作用连接到浮式生产系统上，浮筒内部承载多条生产管道和脐带缆。

GAP输送系统中，浮式生产系统通过柔性管道及管束输送流体。

海底深处的SCR立管经常出现水合物与结蜡的问题，但这种接近水面的输送系统显著减少了流动保障问题的出现。

同SCR立管何宁等：深水油气田开发中的中深水输送概念35石油工程建设2010年6月相比较，GAP的中心浮筒管束自身的浮力大大抵消了加在浮式平台上的荷载，这在TLP立管接头系统的设计中相当重要。

对2～30km的接头研究表明，GAP可应用于世界上任何深水开发项目。