孫紅軍，康思偉，尚勇志

中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335

海上天然氣平臺高壓井口管匯設計

孫紅軍，康思偉，尚勇志

中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335

隨著海洋石油勘探開發(fā)逐步向高壓、深水進軍，海上油氣平臺常規(guī)壓力井口區(qū)管匯設計已不再適用于高壓氣井的開發(fā)，需要研究一種高壓井口管匯設計方案。通過與陸地油氣田的對比、全壓與降壓方案對比、安全完整性等級（SIL）分析以及對海洋平臺調(diào)研分析，得出了全壓井口管匯設計方案；通過對管匯全壓設計的技術難點的分析和研究，如管道和閥門選型、閥門布置、閥門采用標準等，得出了管匯全壓設計高壓閥門的選擇依據(jù)和技術要求。

海上油氣平臺；全壓井口管匯；一體式雙閥

近年來在國內(nèi)深水海域發(fā)現(xiàn)的高壓氣田，關井壓力達到了69MPa[1]，且溫度較高。該關井壓力超出了以往項目常規(guī)設計壓力，對于采油樹之后的地面工程，國內(nèi)尚未有系統(tǒng)的設計方案。無論是在標準規(guī)范還是管道閥門選型上，井口管匯都需要采用全新設計方案。

1 降壓設計方案

1.1 陸地油氣田降壓設計方案

經(jīng)過市場調(diào)研，川西北及新疆地區(qū)有部分氣田關井壓力也達到69MPa。對于陸地油田，由于空間大，長期有人值守，且是單井出油，不存在竄壓情況，因此多采用降壓設計或多級降壓方案，使井口管匯壓力降低。在進行降壓設計中，對多級節(jié)流后的低溫問題采用加熱方案，全部在井站完成。

對于海上油氣田，井口區(qū)集中布置，多井統(tǒng)一進入管匯，平臺空間受限，無法進行多級節(jié)流管道和加熱設備的安裝，所以難以采用陸地油田做法[2]。

1.2 海上高壓井口管匯降壓設計方案

根據(jù)API14C《海上生產(chǎn)平臺基本上部設施安全系統(tǒng)的分析、設計、安裝和測試》的推薦做法[3]，若要將采油樹下游設計壓力降至常規(guī)設計壓力范圍內(nèi)，則需在油嘴上游設置SDV（關斷閥），油嘴下游設置PSV（安全閥），實現(xiàn)主動關斷和被動泄放兩級保護。降壓設計原理示意見圖1。

圖1 降壓設計原理示意

其設置如下：

（1）采油/采氣樹及油嘴按最大關井壓力確定。

（2）單井出油管道采用全壓設計，管匯采用降壓設計，各出油管道進管匯處采用全壓雙閥隔斷，在隔斷閥下游法蘭處直接降壓至1 500 LB（25MPa）后接入管匯，在管匯上設置PSV[4]。

（3）關斷閥之后根據(jù)系統(tǒng)最高操作壓力確定管道閥門級別。

根據(jù)上述的設計方案，具體到海上平臺多井口密集布置，一般井口數(shù)都在20口以上，在僅有100 m2左右的井口區(qū)，不能在單井管道上增加單獨的SDV和PSV，所以需要采用如圖2所示流程實現(xiàn)降壓。根據(jù)采油樹標準配置原則，將采油樹井口翼閥作為關斷閥使用，從管匯前進行降壓，單井出油管道采用關井壓力即采用全壓管道，管匯采用降壓后壓力等級的管道，全壓管道與降壓管道界面點在單井進入管匯前的隔離閥處。

圖2 降壓設計示意

從圖2可以看出，油嘴上游已設置了井口翼閥和主閥，將翼閥、主閥和井口管匯作為整體，從可靠性和安全性上進行分析，因油嘴下游管道與管匯上設置的PSV之間存在隔離閥，如果隔離閥誤關斷，PSV將失去保護作用，故上述隔離閥必須為通徑鎖開。

值得注意的是，經(jīng)專業(yè)機構進行的安全完整性等級（SIL）分析論證，該關井壓力下，由于井口初始壓力到關井壓力的時間為16 min，小于操作人員干預所需要的最低30 min的標準，所以兩級保護失效后風險等級遠遠高于常規(guī)氣田的失效風險，故降壓設計流程管匯出口的關斷閥和降壓設計流程油嘴上游的井口翼閥和主閥均需要SIL2等級，以通過提高井口翼閥和主閥自身的可靠性來降低失效風險。而實際采油樹廠家的主閥和翼閥目前還達不到SIL2等級。SIL分析的井口壓力時間曲線見圖3。

圖3 井口壓力時間曲線

2 海上高壓井口管匯全壓設計方案

在降壓設計不能滿足要求時，采用全壓設計方案。根據(jù)API14C規(guī)范推薦做法，采用全壓設計方案后，只需在管匯后安裝PSV和SDV。全壓井口管匯設計如下：

（1）采油/采氣樹及油嘴按最大關井壓力確定。

（2）井口采油樹至管匯SDV之前全部采用全壓設計，設計壓力與關井壓力一致。

（3）管匯SDV之后根據(jù)系統(tǒng)最高操作壓力確定管道閥門級別。

采用全壓設計的井口管匯，在管匯后再進行降壓，流程示意見圖4。

圖4 全壓設計示意

從圖4可以看出，由于在管匯SDV閥之后進行壓力變級，所以從采油樹油嘴出來后，與管匯連接的井口回接管道、與采油樹出口管道連接的測試管匯、生產(chǎn)管匯均采用全壓等級壓力管道，從采油樹油嘴直至各個管匯SDV閥處均為全壓力等級。由于SDV閥可以達到SIL3等級，在標準中可以作為壓力變級的節(jié)點，也就實現(xiàn)了主動安全保護。采用全壓設計方案，解決了設計安全穩(wěn)定和空間的問題。但全壓設計給系統(tǒng)管道選型以及工程施工造成了很大的難度。以下介紹全壓等級井口管道及閥門的選型及施工。

3 全壓井口管匯設計管道及閥門的選型

3.1 管道選型及施工

一般井口管匯的管道和閥門都選用雙相不銹鋼材質(zhì)。在以往常規(guī)設計中，采用ASME標準，根據(jù)ASME B16.5[5]核定材料的壓力-溫度額定值，最大等級CL2500，對應雙相不銹鋼管道允許最大壓力為43.1MPa，且溫度還必須低于50℃。43.1MPa的最大壓力管道無法滿足采用全壓設計的管匯要求，為了突破標準的限制，需要引用壓力等級更高的API6A[6]標準。69MPa的壓力對應API標準中為10 000 psi，比ASME CL2500的壓力高，所以管道的壁厚也相應增加。

對直管道進行壁厚計算，在110℃時，10 000 psi的管道，其中1/2 in（1 in=25.4mm）的管道壁厚達到4.78mm；10 in的管道外徑為273mm，壁厚達到40mm；12 in的管道壁厚達到48mm。計算出的管道壁厚超出了國內(nèi)外廠家常用的ASME標準的壁厚等級，需要選取特殊壁厚，實際按照計算壁厚采用非標產(chǎn)品。

高壓管道在焊接、檢測方面同樣也存在一定的難度。由于厚度達到40mm，特別在現(xiàn)場施工中，受到γ源探傷的限制，往往采用多層檢測的方法[7]。

3.2 閥門選型及要求

3.2.1 閥門選型

以往項目由于采油樹油嘴至管道的單井管道采用的是單閥隔離，在實際操作中，操作者們經(jīng)常反映由于該閥門承受著高壓氣井氣流的沖刷，特別是高壓天然氣中帶出的沙粒，易造成閥門內(nèi)漏，而單閥一旦內(nèi)漏，即無法實現(xiàn)隔離，同時海上氣田不能輕易關停，這給采油樹及其他維修作業(yè)隔離帶來難度，也為安全生產(chǎn)帶來隱患，同時對油氣井測試的準確性造成了影響。因此，井口采油樹至管匯的單井連接管道隔離閥需要采用雙閥隔離[8]，如圖5所示。

圖5 雙閥隔離示意

海上石油天然氣平臺由于空間緊張的問題，兩個單閥通過直管道進行連接，占用空間非常大，在設計過程中，用三維軟件進行了布置，發(fā)現(xiàn)無法滿足空間要求。通常層間高最大的為8 m，而整橇高度7 m，上方管道則無法進行布置。同時占用空間較大，高點閥門難以操作。

針對閥門空間布置的需求，對國內(nèi)外產(chǎn)品進行了調(diào)研，使用整體組合閥（即一體式雙閥，可實現(xiàn)雙隔離帶排放功能，簡稱DDB）。優(yōu)點有：

其一，整體組合閥的泄放閥一般采用的是更為安全可靠的雙隔離閥；其二，整體組合閥能夠減少泄漏點，可以有效地降低高壓油氣泄漏的風險；其三，價格方面，通過國外廠家報價來看，整體組合閥單價低于單閥連接的閥組價格之和；其四，整體組合閥占用空間小，重量輕；其五，整體組合閥不論采用法蘭還是對焊連接，都可以在很大程度上減少安裝、檢驗工作量。圖6是兩個獨立的隔離閥結構，圖7是一體式雙球閥，圖8是一體式雙旋塞閥。從圖中可以比較各種閥的泄漏點和占用空間情況。

圖6 兩個獨立球閥組裝示意

圖7 一體式雙球閥

3.2.2 閥門標準依據(jù)

閥門壓力等級要滿足管道要求，因而閥門也同樣采用API6A10 000 psi等級。

圖8 一體式雙旋塞閥

2011年最新的API6A規(guī)范中，對2in以上的10000psi的球閥進行規(guī)定，而對于2in以下的閥門依然沒有對尺寸進行規(guī)定。且通過對國內(nèi)外廠家的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各個廠家使用的都是廠標，并沒有一個統(tǒng)一的規(guī)范標準，這也為后期的維護管理帶來不便。

閥組泄放管道連接有1/2、3/4in的球閥，由于10000psi壓力等級的法蘭需按照API6A法蘭進行選型設計，其最小尺寸只能達到29/16in，即對應常用的公稱直徑2in，因此對于1/2、3/4 in球閥的末端無法實現(xiàn)法蘭封堵，所以采用螺紋絲堵。

3.2.3 閥門技術要求

考慮到現(xiàn)場的實際使用情況，同時結合API6A標準要求，針對10000psi的閥門，可以增加如下技術要求：

（1）鑄造閥門要求滿足挪威石油標準（Norsok）M-650。

（2）閥桿的逸散性等級要求滿足國際標準ISO 15848-1 class A要求。

（3）金屬密封表面采用鍍碳化鎢，增加硬度。（4）由于是在油氣系統(tǒng)上，閥門要求具有防靜電能力。

（5）閥門壓力高，為保證閥門的安全，閥門閥桿要求設計成具有防閥桿吹出的結構形式。

（6）閥門若含有O型圈，必須具有抗內(nèi)爆指標要求。

（7）為保證閥門的設計可靠性，閥門必須進行有限元分析。

（8）閥體和閥座氣密試驗等級要求采用壓力試驗等級PSL3或PSL3G。

（9）閥門的性能試驗要求達到PR2等級要求。

對閥門材質(zhì)的特殊要求：針對低溫閥門，材質(zhì)可選擇鎳基合金；針對雙相不銹鋼材質(zhì)的高壓閥門，為保證閥桿的強度，閥桿材質(zhì)可選擇鎳基合金INCONEL718。

4 結束語

針對海上石油平臺，通過對井口管匯降壓設計和全壓設計的綜合對比研究，考慮安全設計，對于關井壓力在10 000 psi及以上的井口管匯，采用全壓設計方案是行之有效的。同時通過對管匯全壓設計的技術難點的分析和研究，如管道和閥門選型、閥門布置、閥門采用標準等，提出了對管匯全壓設計采用高壓閥門的技術要求，有利于保證氣田的安全生產(chǎn)。

[1]賈士棟．采油平臺采油樹及管匯的設置[J]．中國海上油氣工程，1999，11（5）：17-18.

[2]吳亮，羅軍，韓化鳳，等．崖城13-1氣田井口區(qū)管道改造優(yōu)化設計[J]．廣東化工，2013，40（2）：114-116.

[3]API RP 14C-2001，Recommendedpracticefor analysis，design，installation，and testing of basic surface safety systems for offshore production platforms[S]．

[4]劉志榮，余忠仁，鐘小木，等．井口安全系統(tǒng)的應用[J]．天然氣與石油，2008，27（4）：38-40.

[5]ASME B31.3-2012，Process piping[S]．

[6]ANSI/APISPECIFICATION6A-2011，Specification for wellhead and christmas tree equipment[S]．

[7]田彩剛．大口徑厚壁S32205雙相不銹鋼管道焊接技術[J]．石油工程建設，2016，42（6）：57-59.

[8]李蓮明，洪鴻.天然氣開發(fā)常用閥門手冊[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2011.

Design ofhigh pressure wellhead manifold ofoffshore naturalgas platform

SUN Hongjun，KANG Siwei，SHANG Yongzhi
ShanghaiBranch of CNOOC Ltd.，Shanghai200335，China

As the offshore oil exploration and development extending to the high pressure，deep water and other environmental conditions，the design of normal pressure wellhead manifold is no longer to suit the development of high pressure gas well.The design scheme of full pressure wellhead manifold is presented based on the comparison between the full pressure scheme and the reducing pressure scheme，the analysis of safety integrity level（SIL） and the investigation on offshore platforms.The selection principle and technical requirements of high pressure valve for the full pressure wellhead manifold design scheme are obtained based on the study of technical difficulties，such as pipeline and valve selections，valve arrangement and valve standards adopted.

offshore oiland gas platforms；fullpressure wellhead manifold；integraldouble valve

孫紅軍（1981-），男，安徽池州人，工程師，2003年畢業(yè)于重慶科技學院內(nèi)燃機專業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油工程設計及建造工作。Email：sunhj5@163.com

2017-05-11

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.007