趙曉磊，趙瑞云，王 偉，陳金玉，王立坤

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

隨著陸地及淺海油氣資源的日益枯竭，深海油氣田的開采量逐年增加，深水油氣開發(fā)已經(jīng)成為能源發(fā)展的必由之路。水下生產(chǎn)系統(tǒng)由于可靠性高、經(jīng)濟(jì)效益明顯，在全球范圍內(nèi)，該種模式產(chǎn)值迅速增長(zhǎng)，目前可開采水深已達(dá)3 000 m[1]。

我國(guó)南海油氣資源豐富，其中70%位于深水區(qū)，受技術(shù)限制影響，國(guó)內(nèi)采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)的油田較少。在國(guó)家“十二五”期間，通過大量的研究，我國(guó)已初步掌握了水下海管終端、水下跨接管等水下產(chǎn)品的制造、測(cè)試技術(shù)[2]。由于對(duì)水下中心管匯的組成、制造及測(cè)試工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)要求不清楚，未知風(fēng)險(xiǎn)比較多，水下中心管匯的制造、測(cè)試技術(shù)依然被FMC、AKER SOLUTION等國(guó)外少數(shù)公司所壟斷。

本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外水下管匯項(xiàng)目進(jìn)行系統(tǒng)研究，選擇了深水典型水下吸力錨基礎(chǔ)式帶控制系統(tǒng)中心管匯為研究對(duì)象，從其組成、設(shè)備及材料接收技術(shù)要求、制造及測(cè)試工藝流程、技術(shù)控制風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)方面闡述了水下吸力錨式中心管匯的制造、測(cè)試技術(shù)。

1 水下中心管匯簡(jiǎn)介

1.1 水下中心管匯的作用

水下中心管匯是深水油氣開采水下設(shè)施中必不可少的設(shè)施，主要匯集來自周圍水下采油樹的井液或天然氣，集水下閥門、水下連接器、水下控制模塊、支管、主管及附屬系統(tǒng)于一體，通常用來分配、控制、管理石油和天然氣的流動(dòng)，或用于向水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中注入化學(xué)藥劑，同時(shí)具備腐蝕、流量、溫度、壓力檢測(cè)等功能[3]。典型的水下中心管匯如圖1所示。

圖1 典型水下中心管匯示意

水下管匯的主要作用包括：

1) 水下管匯可以減少浮式裝置(平臺(tái))上立管的數(shù)量，從而減少平臺(tái)所受載荷及節(jié)省平臺(tái)空間，并能降低管線成本。水下管匯具有將不同油井產(chǎn)出的油氣進(jìn)行匯總，然后通過1根單獨(dú)的輸油管線(立管)輸送到儲(chǔ)油裝置的功能，這樣就避免了不同油井采用單獨(dú)的輸油管線向儲(chǔ)油裝置輸油的狀況。

2) 水下管匯在水面裝置安裝之前先進(jìn)行安裝，從而縮短油田建設(shè)工期。

3) 水下管匯可以優(yōu)化水下設(shè)施布局，若不采用水下管匯，輸油管線和水下設(shè)備數(shù)量將大幅增加，這樣對(duì)水下布局是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

1.2 水下管匯的種類

按照結(jié)構(gòu)形式，水下中心管匯主要包括[4]：

1) 基盤式管匯(template manifold)。屬于早期的水下管匯，集水下采油樹、水下井口于一體，具有鉆井的功能。由于在鉆井時(shí)就需要安裝好，工期長(zhǎng)，不適合深水。

2) 中心管匯(CM)。集水下閥門、管線、控制系統(tǒng)于一體，匯集來自周圍多口采油樹的井液或天然氣，適用于油氣田儲(chǔ)量比較大且集中油田的開發(fā)。建造完成之后單獨(dú)安裝，可以節(jié)省工期。而且水下管匯可以通過控制模塊對(duì)各井口進(jìn)行控制，從整體上可以提高深水水下采油的可操作性。

3) 管線終端管匯(PLEM)。屬于中心管匯簡(jiǎn)化的一種形式，適用于井口數(shù)較少時(shí)油氣田的開發(fā)，具備來自附近其它海底管道井液匯集功能。

4) 在線管匯(ILM)。用于在海底管線側(cè)面有油井時(shí)，且管匯需要與海管一起鋪設(shè)時(shí)采用的一種管匯結(jié)構(gòu)。管匯需要同海底管線一同鋪設(shè)，結(jié)構(gòu)尺寸要求比較高，尺寸較大則無法通過鋪管船的張緊器。

各形式管匯如圖2所示。

圖2 水下管匯的形式

1.3 水下中心管匯的基礎(chǔ)形式

基礎(chǔ)的作用是為水下管匯系統(tǒng)提供支撐，并將其裝配到海底，主要分為滑橇式、防沉板式、吸力錨式、樁基礎(chǔ)4種類型。

1) 滑撬式基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)放置于海床表面上，對(duì)海底表面的承載力要求高，限制結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，用于接頭數(shù)量少于 3且海底表面承載力高的情況。

2) 防沉板式基礎(chǔ)。防沉板式基礎(chǔ)依靠本身重量沉入海底一定的深度，通過擴(kuò)大基礎(chǔ)的面積來增加基礎(chǔ)的承載力，通過與土壤的摩擦力來抵抗水平載荷。

3) 吸力錨基礎(chǔ) 。采用一種上端封閉、下端開口的鋼制桶形結(jié)構(gòu)。通過頂部抽水孔實(shí)現(xiàn)負(fù)壓，將筒體壓入海底而提供較大的豎向承載力基礎(chǔ)。

4) 樁基礎(chǔ) 。傳統(tǒng)基礎(chǔ)，對(duì)于深水來說，安裝工期長(zhǎng)、操作困難，受到天氣影響大，對(duì)于土壤條件可以應(yīng)用吸力錨的情況，盡量不應(yīng)用樁基礎(chǔ)，以便減小費(fèi)用和工期。

2 水下吸力錨式帶控制系統(tǒng)中心管匯的組成

水下吸力錨式帶控制系統(tǒng)中心管匯一般由上部管匯結(jié)構(gòu)、下部吸力錨式基礎(chǔ)兩部分組成，主要部件如圖3～4所示[5]。

圖3 上部管匯結(jié)構(gòu)主要部件

圖4 下部吸力錨基礎(chǔ)主要部件

3 關(guān)鍵設(shè)備及材料接收技術(shù)要求

水下帶控制系統(tǒng)中心管匯涉及水下連接器、水下閥門、水下電接頭、水下多路液壓連接接頭、水下控制模塊、水下路由器等很多非常規(guī)設(shè)備及材料，其現(xiàn)場(chǎng)接收測(cè)試也是一項(xiàng)比較重要的內(nèi)容，應(yīng)滿足項(xiàng)目規(guī)格書、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求。

1) 水下連接器。

應(yīng)對(duì)水下連接器及其附屬裝備的完備性進(jìn)行檢查，主要包括對(duì)水下連接器、下放安裝工具、密封圈替換工具、試壓用壓力帽、長(zhǎng)期壓力帽、水下機(jī)器人操作面板、連接器調(diào)整框架、液壓連接接頭等設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量，并通過實(shí)際連接操作完成現(xiàn)場(chǎng)接收測(cè)試[6]。

2) 水下多路液壓連接接頭。

應(yīng)對(duì)水下多路液壓連接接頭及其附屬結(jié)構(gòu)的完備性進(jìn)行檢查，主要包括水下多路液壓連接接頭、測(cè)試結(jié)構(gòu)、邏輯帽、防塵帽、長(zhǎng)期封堵帽、專用操作工具、備品備件等設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量，并通過實(shí)際連接操作完成現(xiàn)場(chǎng)接收測(cè)試[7]。

3) 水下控制模塊。

水下控制模塊是接收平臺(tái)各種電力、液壓、光纖等控制信息，并傳給各個(gè)水下設(shè)備，并將水下設(shè)備監(jiān)控的信息實(shí)時(shí)反饋至平臺(tái)的中控系統(tǒng)，相當(dāng)于水下控制的“大腦”[8]， 應(yīng)對(duì)水下控制模塊的到貨狀態(tài)進(jìn)行檢查，具備包括水下控制模塊的完整性、回收工具、測(cè)試工機(jī)具等。

4) 水下復(fù)合管。

水下復(fù)合管接收關(guān)鍵技術(shù)要求：

①復(fù)合管復(fù)合層結(jié)合力、鐵元素稀釋率應(yīng)符合規(guī)格書的相關(guān)要求。

②復(fù)合管堆焊的焊接工藝評(píng)定應(yīng)包含以下測(cè)試內(nèi)容：外觀檢查、PT、彎曲試驗(yàn)、堆焊層宏觀、堆焊層化學(xué)成分分析、金相組織分析、G48點(diǎn)蝕試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)。如規(guī)格書有要求，還應(yīng)進(jìn)行裂紋尖端張開位移測(cè)試。

③水下復(fù)合管彎管在彎制過程中很容易出現(xiàn)裂縫、彎后強(qiáng)度降低等問題，應(yīng)重點(diǎn)控制。彎管的橢圓度、彎曲角度、彎曲半徑、減薄率、垂直度應(yīng)符合規(guī)格書的相關(guān)要求。

4 制造工藝流程

1) 上部管匯結(jié)構(gòu)。

上部管匯結(jié)構(gòu)制造面臨焊接空間小、組裝精度要求高、工藝設(shè)備集中的特點(diǎn)，通過對(duì)某油田水下中心管匯進(jìn)行深入研究，根據(jù)各專業(yè)工藝要求，結(jié)合建造場(chǎng)地的能力，編制了切實(shí)可行的上部管匯結(jié)構(gòu)制造工藝流程，如圖5所示。

2) 下部吸力錨基礎(chǔ)。

根據(jù)海上油氣田開發(fā)需要，水下吸力錨基礎(chǔ)的質(zhì)量從幾十噸至幾百噸不等，通過對(duì)某油田水下中心管匯吸力錨基礎(chǔ)深入研究，編制了吸力錨基礎(chǔ)立式制造工藝流程，如圖6所示。各項(xiàng)目應(yīng)結(jié)合具體吸力錨的尺寸、安裝駁船能力確定吸力錨采用立式還是臥式的建造工藝。

在吸力錨基礎(chǔ)制造過程中，由于圓筒直徑可達(dá)幾十米，受卷板能力限制，其筒節(jié)一般由3片或更多片弧板焊接而成，在筒節(jié)焊接過程中需要專用的臨時(shí)工裝以控制焊接變形，臨時(shí)工裝如圖7所示。

3) 技術(shù)控制風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

在水下中心管匯制造過程中，存在很多技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)提前考慮解決措施，主要包括：

① 復(fù)合管、超級(jí)雙相不銹鋼流體管線及高強(qiáng)度儀表管線焊接質(zhì)量是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵因素之一[9],應(yīng)根據(jù)各個(gè)實(shí)際工程的需要，開展必要的焊接工藝評(píng)定工作，應(yīng)覆蓋所有的焊接工作，各種水下設(shè)備、材料購置時(shí)，應(yīng)一并購置焊接評(píng)定用測(cè)試環(huán)，并充分考慮焊接工藝評(píng)定對(duì)項(xiàng)目工期的影響。

② 水下流體管線焊接收縮問題，累積的收縮量可能導(dǎo)致部分設(shè)備無法組裝。

圖5 上部管匯結(jié)構(gòu)制造工藝流程

圖6 吸力錨基礎(chǔ)制造工藝流程

圖7 筒節(jié)焊接臨時(shí)工裝

③ 多管束、三維走向儀表管線彎制精度要求比較高，焊接、無損檢測(cè)空間非常受限，應(yīng)提前制定實(shí)施方案。

④ 液壓控制管線清洗的潔凈度要求達(dá)到清潔度SAE AS4059 CLASS 6 (B-F),且一般要求使用水基液壓油，防止可能的泄露對(duì)海水產(chǎn)生污染。

⑤ 應(yīng)注意水下閥門、水下電飛線、水下連接器、水下牛眼等設(shè)備的安裝方向，一旦出現(xiàn)問題，可能影響后續(xù)海上安裝工作。

⑥ 水下管匯制造精度要求比較高，如水下連接器角度尺寸公差為±0.75°，應(yīng)采取對(duì)稱施焊、預(yù)留調(diào)整段等方法控制最終產(chǎn)品的建造尺寸[10]。

⑦ 采用涂層時(shí)，金屬表面鹽分含量控制非常嚴(yán)格，要求小于35 mg/m2。

5 測(cè)試工藝流程

由于水下設(shè)備設(shè)計(jì)使用年限一般為20～25 a，出現(xiàn)任何的問題都需要大型的船舶資源進(jìn)行維修，動(dòng)輒幾千萬損失，因此出廠測(cè)試是保障水下中心管匯質(zhì)量的重要手段。本著合理、高效、現(xiàn)場(chǎng)操作方便的原則，優(yōu)化出廠測(cè)試工藝流程，如圖7所示[11-13]。

圖8 出廠測(cè)試流程

5 實(shí)施效果

形成的帶控制系統(tǒng)中心管匯制造技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于南海的流花、陵水、陸豐等水下項(xiàng)目，并經(jīng)過了第三方船級(jí)社認(rèn)證，擁有了超深水應(yīng)用業(yè)績(jī)。

6 結(jié)語

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外水下中心管匯進(jìn)行系統(tǒng)研究，詳細(xì)說明了水下吸力錨基礎(chǔ)式帶控制系統(tǒng)中心管匯的制造、測(cè)試工藝流程，識(shí)別了項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為我國(guó)深水水下中心管匯制造、測(cè)試技術(shù)奠定了基礎(chǔ)?？紤]到國(guó)內(nèi)已具備深水帶控制系統(tǒng)水下生產(chǎn)設(shè)施總裝集成技術(shù)，后續(xù)重點(diǎn)應(yīng)加強(qiáng)水下連接類、控制類、儀表類等關(guān)鍵設(shè)備、材料的研究，特別是加大水下設(shè)備可靠性、安全性、耐久性基礎(chǔ)性研究的投入，努力盡早實(shí)現(xiàn)整套水下生產(chǎn)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)于保障國(guó)家能源安全意義重大。