水下管汇设计与安装技术研究

高 翔， 张 益， 陈雪娟， 孙守仁， 程 鹏， 贾 涛， 田凤仙

(宝鸡石油机械有限责任公司， 陕西 宝鸡 721002).

水下管汇设计与安装技术研究

高 翔， 张 益， 陈雪娟， 孙守仁， 程 鹏， 贾 涛， 田凤仙

(宝鸡石油机械有限责任公司， 陕西 宝鸡 721002).

水下管汇作为一种典型的水下生产设备，其设计与安装面临许多技术挑战。该文介绍了常规管汇的结构组成及功能原理，提出了水下管汇系统的技术设计要点与原则，且以常用的管汇工程实例阐述了设计细节过程。同时还详细论述了水下管汇安装的5种技术，分析了各种安装技术方法的优缺点，对促进我国水下管汇的设计制造、安装维护、清洗试验等方面的技术发展与更新具有一定的指导意义。

水下管汇；设计；安装；技术研究

0 引言

随着陆上油气资源开采力度的加剧及其储量的逐渐减少，加快海洋领域油气资源的勘探开发将成为今后发展的重点[1]。水下管汇作为海洋石油深水开发中水下生产系统的基本组成部分，具有严格的设计制造流程与要求。其作业长期处于深水中，服役环境条件比较恶劣，内部承压较大，需要实现的功能多，整体布局形式复杂，导致深水中的管汇设计、制造、安装、试验、清洗、维护等环节面临许多技术挑战。同时，水下管汇作为关键的水下生产设备，其体积大、附加值高、应用场合广泛。

目前，国外水下管汇的设计、制造技术已经成熟，水下生产设备的设计、制造已成体系，形成了完善的配套市场。我国深水油气田开发起步较晚，在水下生产系统配套设备的设计应用方面缺乏经验[2]。为此，面对我国未来深水油气田巨大的开发需求，分析研究并努力开发水下管汇系统，对我国深水水下管汇技术国产化具有重要意义。

1 总体技术概况

1.1 结构简介

水下管汇系统是包括管线、阀门、接头等配件在内的多根管线交汇而成的组合体，安装于海底井群之间，将各个油井的油气集中起来，通过输油管线混合油流，输送至采油平台[3]。典型的水下管汇系统主要由管汇主体、支撑结构、基础结构组成。管汇主体结构主要由管线、阀门、控制模块、流动仪表等组成；管汇支撑结构是管汇与基础结构之间的部分，用于支撑连接管线及其它配件；基础结构主要有桩基、吸力锚、防沉板三种，依据地质和载荷条件选择一种类型，用于将管汇载荷传递至海床。

目前主要应用于生产的是丛式井管汇和基盘式管汇两种类型，如图1、图2所示。丛式井管汇可利用钻井系统或施工船进行安装，并可以同其它设备协同操作以缩短项目周期，简化了安装工艺，节约了成本，适用于生产井口位置相对分散的油气田，国内外大多数水下生产系统管汇采用了此种类型；集成基盘式管汇可容纳更多的井口数，有更大的汇集能力，适用于油气藏集中、井口数目较多且分布密集的油气田。

图1 丛式井管汇 图2 集成基盘式管汇

1.2 功能原理

水下管汇主要用来合成、分配、控制以及检测流体流动的状态，可以优化水下生产系统的布置，减少管道和立管的数量，促进生产系统内液体的合理流动，为翼型管汇、管道、脐带缆等提供联结枢纽。其主要功能有：(1)汇集和控制卫星井产出的井液，通过海底管线输送，控制混合流体到油田输出管线；(2)从上部设施通过管汇向各井口泵输送来自水面的气体，实现气举；(3)适应不同作业工况，向各井注入化学药剂；(4)通过管汇对单井的产液特性进行测试和计量；(5)通过清管实现管汇管道清理；(6)实现在平台进行遥控操作功能。

2 技术设计要点及原则

2.1 总体设计原则

(1)水下管汇作为一种典型的深水水下生产设施，依据水下油气田的油气储量、海底地形、出油方式、环境载荷、海底基槽、钻井进度、安装方法及试运行结果等方面来制定选配目标项目的管理方案，合理配置各子系统，确保在寿命期内安全、可靠、稳定的运行[4]。

(2)在完全满足管汇功能实现的前提下，兼顾制造、试验、安装、作业及维护方案，按照API、DNV、ASME等相关规范，选定合理的标准细则，尤其是强制性要求。同时，还应参照安装工艺可行性、运行成本、风险及可靠性等因素对各个部件的配套进行合理的选择。

2.2 关键环节设计要点

(1)总体布局设计

依据油田各水下井口及其它管道总体布置，确定井口跨接的主管线及分支管线的布局位置和方向，统筹考虑水下管汇的安装、巡检、维护、生产等水下作业，确保管汇重心布置合理，满足水下生产工艺要求。管汇上的元器部件，如阀门、管线连接器、控制模块、仪表等布局及标记，便于水下机器人ROV的检查、安装、连接、维护、更换等作业。同时，根据深水、低温环境、化学介质等要素，确定合适的材料，制定完善的防腐保护措施。

(2)结构及基础设计

管汇结构整体为钢结构构件，分为3层：顶层结构由型钢和钢板组成，防止上方落物冲击，为管汇结构、设备提供保护；中层结构由型钢组成，主要承受和传递上部结构载荷；下层结构为基础，也由型钢组成，为整个系统框架内部设备提供支撑。水下管汇的基础主要有桩、吸力锚、防沉板三种，不同的基础类型，其管汇系统的布局也有所不同。在进行结构设计时，需要根据不同水深、地质状况、安装工艺、载荷状态等，对结构的强度及刚性进行全面分析。

(3)管线配置设计

管线设计要综合考虑环境热载荷、管线内外压力差、水合物沉积、流动保障、清管作业等因素，做好管线路由优化。路由布置要兼顾不同水下生产设施之间不同角度的跨接，保证管线的连接布局紧凑，安全方便，便于ROV的辅助操作；管线设计按照海底零内压分析计算，分别依据ASME标准和DNV标准计算校核环向应力、轴向应力、组合应力及管道压溃，满足设计水深要求。当要求具备清管功能时，要考虑清管回路及管路元件的设置。

(4)控制系统

水下管汇上的控制元器件要求长期安全、可靠的工作，便于进行水下安装、连接和维护等作业。控制内容主要包括开关水下阀门、监测温度和压力、生产计量、电液分配等。开关阀门所需的液压动力由水面平台通过脐带缆提供，液压控制需考虑水深大、距离远、压力高的环境特点，监测的工艺参数、生产计量参数也通过脐带缆远传到水面上。

(5)管汇试验及清洗工艺设计

管汇系统组装完成后，要进行各个管线系统的静压试验，试验压力与水深、流通介质、管线材质和流体井口压力有关，具体数值由各个管线详细设计确定，完成试验方案及其工装的设计。同时依据设计图纸和文件做出系统管线的清洗管段顺序图，制定预清洗和最终清洗的方案步骤[5]。

2.3 常规管汇的设计实例

根据上述设计思路和要点，以南海1 500 m水深某气田所配套水下管汇的作业功能要求，进行了总体布置方案设计。深水管汇设计的关键是生产管线、注入管线的合理布局，以及结构基础框架的合理选择。首先对水下管汇的生产管线进行设计及计算分析，然后在设计的生产管线的布局架构上，合理地布置了注入管线。为满足管汇的详细设计及标准规范要求，通过不断分析在结构及尺寸上还进行了一定的优化。另外，所有的管线、阀门等设备都由结构框架支撑，因此对结构框架也进行了强度分析。

此次设计的水下管汇基本方案如图3所示，有6个井槽，包括2组并行生产管线、6组支管和1条清管循环弯管，生产管线和注入管线作为管汇系统的核心部分，用来完成油气和化学药剂的汇集与分配。该方案各管线选择API 5L X65钢管，两组并行生产管线按照冗余设计，可以满足高压、低压井隔离集输，注入管线包括甲醇注入管线、乙二醇注入管线、药剂注入管线、测试管线等。依据目标海域的海床土壤条件、载荷性质、安装模式，选择水下单吸力锚为结构基础，最后综合兼顾吊装模式、防护管线、阀门等因素设计结构框架。

为实现清管功能，循环弯管的直径与主管一致，且弯曲半径至少为主管直径的5倍，便于清管球顺利通过，管体中间安装有清管阀，其整体管线布置如图4所示。依据连接位置和安装方法，选择管端液压连接器，便于使用和安装，循环弯管两端的液压连接器分别与并行生产管线的快速接头连接。

图3 管汇管线布局方案图 图4 循环弯管布置图

3 几种典型的管汇安装技术

水下管汇重量从几十吨到几百吨，其安装是一项对水深条件非常敏感的工程，是整个系统运行的重要环节。经济合理的管汇安装方法可以缩短海上安装时间、降低安装资源需求、降低海上安装作业成本、保障水下管汇系统安全运行[6]。为此，有必要对典型的水下管汇安装技术进行研究，为具体工程中的安装提供指导。

3.1 钻杆安装技术

一般先将管汇由驳船运输并固定在钻井船月池下方，安装时用续接钻杆将管汇下放至水中。通常能够进行深水作业的钻井船都配有动力定位装置，且钻井游吊系统配套有升沉补偿装置，具有适应管汇安装作业的能力。相比于多功能工程船舶，钻井船资源相对较少，使用费用较高，钻具连接时间长，效率低。

3.2 绞车安装技术

绞车安装是通过船尾的吊机、A架、绞车的联合作业对管汇实施安装，这种方法对尺寸较大以及质量较重的管汇比较实用，对吊机、绞车以及升沉补偿装置的提升能力提出了更高的要求，对船舶资源要求较为严格，可能导致安装费用的增大。

3.3 滑轮安装技术

滑轮安装需要由配备了升沉补偿装置的半潜式平台和两艘操锚船实施作业。管汇上方设置一个滑轮，穿过滑轮的钢丝绳为管汇下放的主缆绳，其两端分别连接着两艘操锚船上的绞车。管汇首先由平台上的吊机下放到水中，随后的重量逐渐由吊机转向主缆绳，在达到水面以下90 m深度时解除吊机与管汇的连接，管汇的重量完全由连接到两艘操锚船上的绞车承载，并逐渐下放到海底。该安装技术的机构较为复杂，但降低了对吊绳、吊机和绞车能力的要求。

3.4 悬垂安装技术

悬垂安装是通过运输船与安装船联合作业完成的。管汇索具由缆绳连接至安装船协同作业，两艘船之间的距离约为缆绳长度的90%。管汇由运输船下放至水中，由于缆绳的连接，管汇在水中做钟摆式运动，直至平衡，再通过安装船缆绳控制管汇其余的下放过程，完成整个安装。由于绳缆采用特殊材料可以有效地阻止管汇振动，并且海水和绳缆的拉力可以有效地缓解管汇的摆动，因此该方法在深水海域具有较高的应用性。

3.5 铅笔式浮标技术

铅笔式浮标技术是一个集水下结构物运输与安装为一体的方法。在海况条件较好的情况下，首先用驳船将管汇从建造场地运输至目标海域位置，用浮吊将管汇从驳船上吊放入水，管汇重量由浮吊逐渐转移至安装船上。管汇上的索具连接着安装船的绞车和铅笔形状的浮筒，浮筒下水后，安装船缓慢移动， 在拖航过程中，管汇的重量由浮筒的浮力来提供。当拖至安装地点后，绞车回收绳索，管汇重量重新由浮筒传递到绞车，此时浮筒上浮回收到安装船的甲板，管汇慢慢下放到海底。

4 结论

(1)水下管汇系统作为一种典型的生产设施，其设计、建造、测试、安装及维护是一项技术密集型工程。对其全过程的系统性研究，掌握其设计建造及安装技术的基本思路，并通过实例阐述了管汇系统的整体布局方案，为其它类型管汇或设备的工程设计提供参考。

(2)归纳总结了5种典型的管汇安装技术，分析了各种安装技术的实施过程及应用状况，通过对比各自的优点和限制条件，为实际工程选择合理的安装模式提供了技术基础。

(3)随着国内设计与安装技术的不断研究深化，需要进一步强化管线焊接与测试技术，逐步建立水下工艺技术体系，包括高压模拟测试系统、高压密封、电信号检测、元器件高应力应变测试以及阀门动作测试等，以推动海洋工程装备测试技术的发展。

(4)水下液压驱动技术有其独特的优势，但是由于存在泄露、腐蚀、摩擦等技术问题，且水下液压元件价格昂贵，还有很大发展空间。

[1] 杨红刚，王定亚，陈才虎，等. 海底勘探装备技术研究[J]. 石油机械, 2012, 40(12): 58-62.

[2] 程寒生，黄会娣，周美珍，等. 深水水下管汇设计研究[J]. 石油机械, 2011, 39(5): 9-11.

[3] 白勇，龚顺风，白强，等. 水下生产系统手册：水下结构与设备 [M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2012.

[4] ISO13628-1.Petroleum and natural gas industries-design and operation of subsea production systems [S].2010.

[5] 王鹏飞，张宏彬，懂磊，等. 水下管汇的清洗与静压试验研究[C].第十五界中国海洋(岸)工程学术研讨会论文集.2011.

[6] 张瑾，谢毅，周美. 深水水下管安装方法研究与进展[J]. 海洋工程, 2011, 29(1): 143-148.

Research on Design and Installution of Subsea Manifold

GAO Xiang, ZHANG Yi, CHEN Xue-juan, SUN Shou-ren, CHENG Peng, JIA Tao, TIAN Feng-xian

(CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd, Shaanxi Baoji 721002, China)

Subsea manifold as a typical underwater production equipment, its design and installation is facing many technical challenges. Therefore, this paper introduces the structure and function of conventional manifold theory, puts forward the technical key points of the design and principle of piping system under water, andthe pipe engineering example illustrates the design details of process. At the same time, the paper also discusses in detail the 5 techniques of underwaterpipe installation, introduces the advantages and disadvantages of variousinstallation methods. This is to promote the design and manufacture of underwater manifolds, installation and maintenance, cleaning and testing and other aspects of technology development and updating has some significance.

underwater manifold; design; installation; technology research

2014-08-22

中国石油天然气集团公司科技项目“水下生产系统研制”(2011B-1605)。

高 翔(1982-)，男，工程师。

1001-4500(2015)04-0041-04

P75

A