深水海底管线终端技术发展的回顾与展望

周美珍， 王长涛， 顾永维， 魏会东

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)



深水海底管线终端技术发展的回顾与展望

周美珍， 王长涛， 顾永维， 魏会东

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

该文回顾了海洋油气生产领域无潜连接的深水海底管线终端在国内外的发展历程，概括了其技术现状，并指出海底管线终端相关技术的发展方向。

深水；海底管线终端； 回顾；展望

0 引言

深水海底管线终端(PLET)用于海底管线末端进行海管与水下生产设施的水下连接，实现气/液的输送，广泛应用于水下生产系统。国际上对PLET的应用可以追溯到20世纪70年代，而在此领域，国内一直到2012年5月，在Lh1-1油田开发项目中，中海油自主设计的无潜海底管线终端顺利铺设到水深312 m的海底，并于同年7月顺利投产。这是我国首次应用深水海底管线终端，也是我国自主研发的水下生产设施在深水油气田开发项目中的首次应用。以此为突破口，中海油陆续实现了多个工程项目的多种水下设施国产化。随着全球海洋石油开发不断向深水迈进，作为深水油气田开发常用的水下设施，海底管线终端将有着广泛的应用前景。该文对海底管线终端在国内外的发展历程做了回顾，对其技术现状进行总结，并对海底管线终端相关技术的发展趋势进行了探讨。

1 深水海底管线终端发展的历史回顾

20世纪70年代，各大石油公司都在针对水深超过潜深范围的无潜海管回接技术进行研究。其中比较有代表性的是Exxon公司的直接拉入(Directly Pull-in)连接技术[1]。该技术采用拖拉的方式将海管端部的水下连接器接头拉向目标水下设施上的接收装置，并在对中装置的引导下与接收装置组对，最终由接收装置将接头锁紧，完成连接。为与水下设施上接收装置的高度相匹配，并避免管线悬跨过长，海管接头支撑在一个专用滑撬上，如图1所示。该技术在用于管线终止端时，需要将滑撬刻意铺设到位于目标接收装置侧前方的目标铺设区域内，在通过牵引拖拉缆，使滑撬带动管线按照设计路径沿海床进行较大幅度的横向滑动后，再进行拉入连接，如图2所示。因此，应用于海管终止端时，该技术也被称为横向移位(Lateral Deflection)连接技术[2]。上述无潜连接技术中使用的滑撬及其上部的管线，即是现代深水海底管线终端的雏形。

图1 直接拉入无潜连接技术示意图

图2 横向移位无潜连接技术示意图

直接拉入连接技术使深水海管的无潜回接成为现实。但是，由于缺少吸收海管变形的装置，导致海管在系统启停时容易出现管线屈曲，因此该技术不适用于高温高压生产管线的回接。此外，由于水下连接器直接与海管相连，这种连接方式，特别是用于刚性海管连接时，连接和解脱所耗费的资源和成本都非常高，并且存在连接和解脱过程中海管局部屈曲的风险，导致可重复性及可维护性差，限制了其应用范围。

1989年～1992年间，Esso公司和Exxon公司研究了一项可应用于水深1 000 m的深水油气田开发的深水水下生产系统-DMaC(Diverless-Maintained Cluster)[3]，如图3所示。此项研究的一个亮点是，开发了可由ROV操作的8″~12″大管径(相对于4″采油树管线)水下连接器，并将用于采油树和管汇连接的跨接管(Jumper)技术移植到管汇和外输管线的无潜连接中，通过跨接管将管汇与海管末端的PLET进行连接，而无需直接拖动海管进行连接。该技术可以通过跨接管的变形吸收管线的膨胀，并且可以由ROV辅助实现跨接管的定位、连接和分离操作，克服了直接拉入连接技术的缺点。该技术的成功开发，形成了现代海管回接的标准形式，即采用PLET通过Jumper进行海管与水下设施的无潜连接。通过该技术，可以直接采用ROV完成海底管线终端与水下生产设施的无潜连接和维护。

图3 “DMaC”试验研究方案

时至今日，PLET技术已经有了长足的发展，也被赋予了更多的功能，形成了功能各异的PLET。例如，具有紧急关断能力的SSIV PLET，多个接口的海管终端管汇(PLEM)，用于辅助生产的气举、注水、注化学药剂的PLET等，但是现代PLET都采用与上述研究相同的海管与水下设施之间的连接理念。PLET在自身发展的同时，也赋予了水下生产系统更多、更灵活的开发方式。

2 深水海底管线终端发展的现状

PLET的发展始终紧随深水油气田开发的需求，同时，其发展受到安装资源、安装能力的制约，并与无潜连接器技术紧密相关。经过多年的发展和磨合，形成了形式各异的PLET。按照安装方式、结构形式和连接形式的不同，可以对深水PLET进行分类，见表1。

表1 深水PLET分类表

2.1 国外PLET的应用情况

随着海上油气开发走向深水，海底管线终端的服役水深记录被一次次刷新。目前世界上已经安装的最深的PLET位于墨西哥湾的Tobago油田(Perdido项目的一部分)，水深2 926 m，2011年11月投入使用。该PLET管径为10″，采用竖直连接方式，使用J-Lay方式铺设安装，如图4所示。

图4 Tobago油田起始端(左)和终止端(右)PLET安装

世界上最大、最重的PLET服役于Ormen Lange气田，位于850 m水深的挪威海，2007年10月投入使用。该PLET轮廓长35 m，宽30 m，采用分体式结构形式，包括基础结构和两个具有PLET主体模块，如图5所示。仅基础结构就重达350 t，每个PLET模块135 t。Ormen Lange气田的基盘管汇B和C(未来安装)分别通过的16″和12″ 两条水平跨接管接入该PLET后，通过两条30″钢管外输到陆上终端。PLET主体模块可在基础结构上滑动，以吸收30″海管的膨胀[4]。

图5 Ormen Lange气田PLET的总成(左)、独立基础(中)和PLET模块(右)

2.2 国内PLET的应用情况

国内最早采用水下生产系统的深水油田是LH11-1油田，1996年3月投产。但是，在该项目中并没有采用PLET，而是采用ROV操作的直接拉入连接方式，进行外输FPS的软管与回接基座(Tie-in Base)的连接[5]，后续的LF22-1油田也没有使用PLET。

国内第一次应用深水PLET是在2012年7月投产的Lh1-1油田。Lh1-1油田采用丛式水下生产系统，汇集到中心管汇的井液通过一条10.5 km的18″/22″双层海管回接到LH11-1油田，如图6所示。海管两端各有一台PLET，设计水深分别为312 m(LH11-1侧)和267 m(Lh1-1侧)，输送介质为油气水三相混合体，设计温度65℃，设计压力8.1 MPa。PLET的承压管线为碳钢管，采用竖直连接方式。结构采用了可折叠、分体式设计方案，使用S-Lay方式铺设安装。Lh1-1油田开发中的PLET是国内首次在工程项目中应用自主研发的深水水下生产设施，创造了国内自主设计水下生产设施的水深记录。

图6 Lh1-1油田开发示意图(左)及托管架上折叠状态的PLET(右)

2015年1月投产的PY35-2/35-1气田，采用链式水下生产系统开发。PY35-2和PY35-1气田分别通过1条10″和6″的CRA复合管回接到PY34-1 CEP平台。该项目共应用了1台6″的PLET和3台10″的PLET，作业水深195 m～338 m。输送介质为酸性气体，设计温度103℃，设计压力31 MPa(PY35-2)和27 MPa(PY35-1)。PLET的承压管线为CRA复合管，采用竖直连接方式。结构采用了PLET主体和基础分离的分体式设计方案，PLET主体使用S-Lay方式铺设安装，基础使用吊装方式安装。由于海管路由处于渔业作业区，在PLET的防沉板基础上还集成了防护结构，防止渔网拖挂对PLET造成损伤。安装时，先采用吊机单独下放防沉板基础，然后将PLET主结构与海底管线一起铺设安装到基础上，如图7所示。

图7 PY35-2/1气田开发示意图(左)、PLET基础吊装下水(中)及 PLET水下装配(右)

图8 LW3-1气田开发示意图

2014年3月投产的LW3-1气田，采用丛式开发水下生产系统对东西两区进行开发，油气汇集到PLEM后回接到LW3-1 CEP平台，如图8所示。该项目中共应用了26台PLET，其中16台气管线PLET(包括2台SSIV PLET)，10台MEG管线PLET，作业水深200 m～1 460 m。输送介质为酸性气体和MEG，设计温度102℃，设计压力316 bar，承压管线的管径涵盖4.5″、 6″、 12″和 22″，同时应用了水平和竖直两种连接方式。所有PLET均采用J-Lay方式铺设安装。其中，位于西区管汇附近的12″in-field PLET 水深1 460 m，是目前国内作业水深最深的PLET。

3 深水海底管线终端的发展趋势

随着对油气的开发走向更深的海域，作为水下生产系统连接必需的海底管线终端也将也将向着更深的水深进发。目前Shell公司正在墨西哥湾开发比Perdido项目水深更深的Stones项目，Perdido项目保持的PLET水深记录有望被打破。

另外，随着水深的增加，海上施工成本将在开发中占有越来越大的比重。为了降低施工成本，深水项目中越来越多地采用铺设的方式进行PLET的安装，并且以往用吊装方式安装的大管径、大尺寸、大重量的PLET也将采用铺设安装的方式安装。例如，LW3-1深水项目中管径22″，重91 t的SSIV PLET仍然采用J-Lay的方式铺设安装。而且，为控制海上施工成本，这种趋势将继续发展。为了满足这种需求，工程公司除了建造更强大的铺管船外，在PLET的安装方式上也将有所突破，以克服以往的安装方式对PLET尺寸和重量的限制。

为满足全球对能源的需求，未被开发高温高压(温度超过150℃，压力超过10Kpsi)的油气田也将被陆续开发，对PLET的设计也带来新的需求和挑战。这种挑战不仅是对PLET上阀门、连接器等关键设备承压和密封设计的挑战，还来自于高温高压导致的海管爬行 (Pipeline Walking)问题。对于高温高压海管，每一次系统启停，海管将从热端向冷端整体移动(包括PLET)一定距离，这种海管整体移动的现象被称为海管爬行[6]。海管带动PLET爬行会使与之连接的跨接管失效，抑制海管爬行的最有效的方式是从海管热端施加约束。因此，如何实现既可以在系统启动时吸收管线的膨胀量，又可以在关停时提供足够的约束力，阻止海管爬行，将是PLET设计的一个新的课题。

虽然国内在PLET的研究和应用上起步晚，但是起点高、速度快。除了PLET自身的设计技术在不断进步外，PLET的关键部件也有了突破性的发展。目前，国内自主研制的水下连接器已完成海试，水下阀门也已经完成PR2测试，有望在不久的将来应用于国内的工程项目，实现水下PLET全部国产化。另外，在安装船舶方面，海洋石油工程股份有限公司将建造一艘具备3 000 m海管铺设能力的J-Lay起重铺管船[7]，该船具备大尺寸、大重量的PLET和其他在线(In-Line)结构物的安装能力，将使我国PLET的铺设安装能力获得重大提升。

4 结语

随着我国南海油气勘探工作的深入开展，深水油气田不断被发现，南海深水区域将成为我国海洋油气资源开发的热点，未来的南海将是各国深水工程公司角逐的主战场。深入研究水下生产系统，开发具有自主知识产权的深水水下生产设施，是我国海洋工程公司的在南海的角逐中站稳脚跟的唯一出路。虽然我国已经实现了深水PLET的国产化应用，但是，这只是在水下生产系统的研发中迈出的一小步，需要我国海洋油气工程开发的工作者在此基础上进行更深更广的研究，以实现水下设施的全部国产化，赶超国际先进水下生产技术。

[1] Richard S A，Burkhardt J A ， Daughtry A C．Deepwater pipeline connection-a subsystem of the submerged production system[C]. Offshore Technology Conference，1976.

[2] Pras S，Levallois E，Gouraud O．Second end flowline connection without length adjustment[C]. Offshore Technology Conference，1978.

[3] Pejaver D R， Jones J W, White John, et al. Prototype testing of the diverless-maintained cluster(DMaC) subsea production system[C]. Offshore Technology Conference，1992.

[4] Thomas B, Endre S. Ormen lange subsea production system[C]. Offshore Technology Conference，2007.

[5] Charles K B, Chen M, Mark P B, et al. Liuhua 11-1 development-new pipeline technologies for diverless connections[C]. Offshore Technology Conference，1996.

[6] Carr M, Sinclair F,Bruton D.Pipeline walking-understanding the field layout challenges and analytical solutions developed for the SAFEBUCK JIP[C]．Society of Petroleum Engineers, 2008.

[7] 李明捷，段梦兰，任晓瑶,等．基于双八千起重铺管船的J-lay控制系统设计及模型试验研究[C].第七届中国CAE工程分析技术年会，2011.

Retrospect and Prospect of Technology on Deepwater Pipeline End Termination

ZHOU Mei-zhen, WANG Chang-tao, GU Yong-wei, WEI Hui-dong

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd， Tianjin 300451， China)

Worldwide and domestic development history, current technology of deepwater pipeline end termination is introduced and summarized. Development trend of deepwater pipeline end termination is forecasted. The R&D and application of deepwater pipeline end termination in China is also introduced. Diver intervened pipeline end termination is not covered in this paper.

deepwater; pipeline end termination; retrospect; prospect

2015-04-15

国家工业和信息化部海洋工程装备项目“水下生产系统设计及关键设备研发(一期)”专项经费资助(E-0813C003)。

周美珍(18:19 2016-3-1818:19 2016-3-1818:19 2016-3-1818:19 2016-3-1818:19 2016-3-1818:19 2016-3-1818:19 2016-3-181962-)，女，教授级高级工程师。

1001-4500(2016)01-0001-07

P75

A