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【新知】“能源血管”大解密——海底油气管道是怎样建成的
日期: 2016-08-26
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【新知】“能源血管”大解密——海底油气管道是怎样建成的

2016-08-28 06:50:00  0

 海底 油气管道 铺管船


文|孟伟


不论海上油气田采用何种方案开发,都需要将油气从地层内部输送至平台、FPSO或陆上终端,铺设海底管道是最直接、有效的输送方式。海底油气管道是海洋油气生产系统的“生命线”。世界上最长的海底管道是挪威到英国的Langeled管道,全长1200公里,2007年投入运营。管道所处海域的深度世界纪录是2775米,是由“Solitaire”号铺管船创造。目前,我国铺设的海底油气管道超过了6000公里,最长的海底管道是崖城13-1气田,输气管道长778公里。


海底油气管道是什么样的?


海管是铺设在海底,连续输送油、气、水的管道。打个比方:海上的油气设施都是一个个有价值的“点”,只有通过油气管道这样的“线”将“点”连接,才能构成完整的系统,发挥生产系统的整体价值。海底管道主要有平管、膨胀弯管、立管等种类。海底平管平铺于海底,是海底油气输送的主力军。膨胀弯管用于连接海底平管与立管。受海水温差的影响,钢管存在着热胀冷缩的现象,膨胀弯管可以补偿海管长度的变化。立管是海底处于垂直状态的管道,连接海底平管与海上的生产设施。深水区立管通常以自由状态立于水中,例如顶部预张力立管(TTR)、钢悬链立管(SCR)、柔性立管、塔式立管等。另外,跨接管也必不可少,它是连接采油树与生产管汇的。根据油田产出物(油、气、水)和产量的不同,选择相应管径和结构的海管,理论上产量越大,管径越粗。

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为了防止深水低温高压形成的水合物堵塞海管,需要使用保温管道;而海上稠油需在平台加热后输送,所以需要采用热油输送工艺和保温管道结构。电伴热海管就给海管加上了“暖宝宝”。为了增加管道的稳定性,混凝土配重海管应运而生。

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海管的材质不同决定了海管的生产成本、抗侵蚀能力、重力要求以及在焊接时的性能。目前一般采用碳钢API 5L X56及以上。


有哪些铺设海底管道的方法?


完成一条海底管道,设计考虑因素繁多,而安装施工更是要克服千难万险。首先是作业环境处于海洋,不仅作业空间严重受限,海况的复杂多变也会给正常施工带来极大的挑战。另外,海底环境复杂,并非一马平川,它由各种地形地貌组成,例如高耸的海山、起伏的海丘、绵长的海岭、深邃的海沟等等。我们并不能像在陆地上铺设管道那样改造海底的地貌,所以无论在设计还是施工过程中,铺设海底管道考虑的因素就非常复杂了。海底低温、高压、高盐度、暗流涌动,水合物阻塞、管道腐蚀、冲击损耗等难题会持续存在。这些问题的同时存在使得铺设海底油气管道不仅是工程难题,同时又是科学难题。

那么,海底管道是如何铺成的呢?对于施工作业而言,水深是最大的影响因素,根据水深不同,铺管作业迥异。

(1)离岸近、水浅的地方,可以用绞车直接将海管拉上陆地。

(2)浅海区、离岸远的地方可以通过铺管船一边下放、一边焊接的方式铺管。主要采用S-Lay(S型铺设法):海底管道通过船尾的托管架入水,形成S形曲线铺入海底。在铺管作业过程中,船上需要有3样神器——张紧器、托管架和焊接作业线。张紧器用来固定海管,像是一个大夹子夹住海管。托管架则用来控制海管的铺设方向。此外,受海上作业空间限制,铺设海管需要一支专业的船队相互配合完成施工,成本也要比同等情况下的陆地高出1~2倍。

(3)在深水区进行铺管作业,水深增加,导致施工难度呈指数级增长。海管长度增加,导致重量增加,需要铺管船承受更大的张力,此时采用J-Lay方式施工。J-Lay(J型铺设法):海管以接近垂直的形态离开铺管船,沿垂弯段向下,直至铺入海底,管线整体呈“J”型,适用于几百米至几千米的深海区域。

(4)随着新技术的不断发展,海上铺管作业形式也再不断进步。对于管径小、强度稍弱的海管,可以在陆地上制造好直接卷于滚筒上,使用铺管船运至海上铺设,这种作业方式称为Reel-Lay(卷管式铺管作业)。目前,卷管式铺管船可以分为水平式和垂直式两种。水平式卷管铺管船,其转动轴垂直于铺管船甲板,采用S型铺设(常用于浅水),常用于铺设脐带缆;而垂直式卷管铺管船,其转动轴与铺管船甲板保持水平,采用J型铺设,常用于深水。当然最终选择哪种作业方式,不仅要考虑水深,还要结合作业周期、作业成本等综合因素。

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海管在海底的铺设步骤


以最常见的S型铺管作业方式为例,详细介绍海底管道是如何建成的。

(1)准备阶段。准备阶段包括铺管船就位、安装托管架、倒海管、海管起始连接以及安装海管的起始封头。浅水区一般将起始接头固定在导管架上,然后开始铺管,这种方法比较经济。

(2)海管焊接作业。海管需要被一根一根焊接在一起,然后下放到海底。焊接工序至关重要:通过滚轮输送至加工车间,然后进行坡口加工、管端消磁、管段预热、焊口组对、各种焊接(封底焊、填充焊、内部焊、盖帽焊)、无损探伤、喷砂、涂覆密封、发泡等十几项工序。

(3)海管入水。铺管船向前移船,海管入水。海管管端到达着泥点后,边焊接边铺设,进入正常铺管作业阶段。当铺管过程中遭遇恶劣天气,或是突发其他意外情况影响到铺设海管正常作业时,需要临时弃管。弃管时要焊接临时弃管头,通过A/R绞车钢丝连接。

(4)结束平铺管段作业。在海底管线铺设到立管安装位置附近时,结束铺设作业,与弃管作业步骤相同。

(5)立管、膨胀弯的连接。海管平铺段作业结束,此时需要水下测量平铺段海管与立管之间的距离,定制膨胀弯管。膨胀弯管采用法兰连接的方式。浅水区域可以人工潜水进行后续连接工作,水深大于50米时,采用饱和潜水作业。

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(6)海管清管试压、排水。完成所有管线连接后,需要进行清管试压的工作。清管作业是为了清洗管内壁、测量管线是否有屈曲变形。常用的仪器是清管器。试验压力一般需要超过设计压力,以测试水下连接点是否泄漏,之后对海管进行排水或干燥作业。

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(7)海管保护和固定。海管沉放到海底后,波浪、海流以及附近船舶抛锚都会危及到海管的安全,影响最为严重的是渔业活动,渔船抛锚、渔网破坏法兰连接点等等,所以需要采取一定的保护措施:①针对平管段,可以采用挖沟机挖沟掩埋。方法是挖沟机下放至海底,骑放在海管上,抬起海管,开始挖沟,像是耕田用的犁,深度为1~2米,然后掩埋回填。②采用水泥垫块、固定压块等保护措施。水泥垫块、固定压块等制造、铺设成本高,因此只在立管、膨胀弯管等连接处使用。

(8)管道修复。即使保护再周全,也难以完全杜绝海管发生堵塞、泄露,失效的情况。一旦发生海管堵塞,可以先使用清管球进行清管作业。对于海管发生腐蚀、泄漏或清管球不能疏通的管段,采取切断破损海管,重新更换连接。水深较浅区域,可以打捞上来重新焊接。海水较深区域,采用ROV水下作业,切断海管,使用法兰、卡箍等机械方式连接。至此,一条完整的海管铺设作业顺利结束。

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我国海底管道产业起步较晚,但经过20余年的发展,我国海底管道铺设能力取得了长足的进步。据统计,我国海洋石油已经建成了81个油气田,铺设的海洋管道长度超过6000公里。


铺管船


铺管船是海底管道施工的重要工具,在海洋设施建造方面起着举足轻重的作用。铺管船的形式较为多样,既有纯粹的铺管船,也有起重能力超强的起重铺管船;从船体上看,有驳船式、普通船型式和半潜式。

目前CNOOC已经具备7艘专业铺管船,分别是HYSY201、HYSY 202、蓝疆、滨海109、HYSY286、HYSY289和HYSY291。HYSY201是我国首条深水铺管起重船,具有三条作业线,一条主线两条辅线。其余铺管船均为单作业线,并且作业线均在右舷。我国现有的铺管船均采用S型铺管法。

目前国内浅水区域开发日趋饱和,未来趋势是向南海深水发展。相比而言,美国墨西哥湾、北非和巴西水域水深较深,相关企业很早就开展了深水技术的研究,这些国家深水铺管技术已经较为成熟。而中国海洋油气事业一直集中于浅水,作业阶段S-Lay铺管技术应用较多。随着近几年张紧器扭矩能力的提升,S-Lay铺管水深作业能力在不断进步,但Reel-Lay和J-Lay施工技术才是开发深水重点研究的方向。(来源:《石油知识》) 

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