跨接管安装技术研究进展

薛士辉　张亚雷　黄佳瀚　王烨　彭勇

摘 要：随着我国海洋油气开发走向南海深水，深水跨接管作为水下采油树、管道终端管汇（PLEM）、管道终端（PLET）及输油管线间的连接管段，其安装技术尤为重要。通过对跨接管类型、跨接管连接方式、跨接管连接器类型的研究，分析总结了跨接管安装所需设备资源，对形成适合我国深水油气开发的深水跨接管安装技术，满足我国南海深水油气田开发的需要具有一定的指导意义。

关键词：跨接管；安装技术；深水油气；连接方式；连接器

中图分类号：TE54 文献标识码：B

ABSTRACT： With the marine oil and gas development towards the deep water of the South China Sea， the deepwater jumpers as the connection pipe use for among subsea tree PLET PLEM and oil pipeline. Its installation technology is very important. Studying jumper type jumper connection type and jumper connector type， analyzing and summarizing required equipment resource of jumper installation have a certain guiding significance for forming suitable jumper installation technology and meeting the need of deep water oil and gas exploration in China.

KEY WORDS： Jumper； Installation Technology； Deep Water Oil and Gas； Connection Type； Connector.

1 引言

水下生產系统已经成为深水油气开发中的一种主流模式，深水水下连接是构建完整的水下生产系统不可或缺的一个环节。跨接管作为深水水下生产设施的重要组成部分，是深水油气开发中必不可少的组成，常用于水下采油树、水下管汇、水下基盘以及输油管线间的连接，在水下生产系统中有着极为广泛的应用。我国南海海域是世界四大油气富集地之一，随着我国海洋油气开采向南海深水发展，跨接管在工程中的使用需求不断增大。深水跨接管的设计、制造、安装、试验、维护等技术长期为国外少数公司垄断，而我国在深海油气开发方面起步晚，缺乏自主的关键技术，工程经验缺乏，技术储备较少，特别是在技术含量更高的设计方面，用市场换技术的方法会造成中国海洋工程在较长的一段时间内无法摆脱对国外公司依赖的局面。因此，尽快开展跨接管研究，突破跨接管国产化的关键技术，掌握深水跨接管的设计、制造、安装、试验、维护等技术在市场需求、技术发展方面都有重大意义，而且还能为南海深水油气开采带来巨大的经济效益。

2 跨接管类型

跨接管的结构较为简单，通常是在2个端部安装有连接器接头并带有一定形状的管段，是一个较短的管状连接元件，如图1所示。其连接器与管道终端、管道终端管汇、采油树等设备上的毂座相连，如图2所示。除输油外，跨接管也可用来向油井注入水和气。跨接管根据管道是刚性还是柔性可分为刚性跨接管和柔性跨接管，其中，刚性跨接管主要有“M”和“U”两种形式，如图3所示。海底设备之间的连接通常采用刚性跨接管，刚性跨接管的形式要根据连接的海底设备的相对位置来决定，只有当水下设备都安装完毕，确定了它们之间的距离之后，才能准确的判断出跨接管的尺寸及形式。柔性跨接管的长度比要连接的海底设备之间的距离要长一些，跨接管的两端有两个连接器，用来连接海底设备。与刚性跨接管相比，柔性跨接管制造和安装时的长度和方向要求降低，更为灵活。

3 跨接管连接方式

跨接管连接方式可以分为如图4、图5所示的垂直连接、水平连接两种。对于深水跨接管安装而言，需要采用ROV辅助作业。垂直连接特别适合刚性管道，安装时只需要1个导向漏斗，不需要其他引导部件，安装效率高。水平连接特别适合要求垂直高度低的场合，以及柔性管道，能够减少渔网拖曳损伤，安装时需要2个导向漏斗，而且需要引导部件。跨接管垂直连接和水平连接各具优缺点，工程上均有成功的安装案例。垂直连接的优点有：（1）跨接管着陆简单；（2）在着陆和组装期间，跨接管没有严重的变形；（3）工具组块更易接近垂向轮毂。缺点有：（1）跨接管的垂直腿可能会导致管道堵塞；（2）在修井期间，由于高度原因，跨接管可能会干扰防喷器组的工作；（3）由于高度原因，跨接管存在拖网拖曳的可能性。水平连接的优点有：（1）跨接管接近地面，更能避免拖曳发生；（2）使得其它水下设施的高度可以降低。缺点有：（1）在安装期间，连接器通过专门工具摸索定位；（2）跨接管设计应有一定柔性以满足水平距离偏差；（3）操作工具不能依靠重力实现靠近水平轮毂。

4 跨接管连接器类型

水下连接器是连接海底设备的核心装置，主要有三种形式：图6卡爪式连接器（Collet Connector）、图7卡箍式连接器（Clamp Connector）和图8深水螺栓法兰式连接器（Bolted Flange Connector）。

卡爪式连接器是应用最广泛的水下连接器，尤其在垂直连接和超深水连接中占据了主导地位，压力等级可达15000psi，连接管径4″-64″，实际应用水深已超过2000m。卡箍式连接器在水下连接中也得到了较多的应用，最大压力等级达到15000psi，连接管径2″-48″，最大应用水深已达1500m。

卡爪式连接器和卡箍式都具有以下优点：（1）连接可靠、连接速度快；（2）简易的ROV操作面板；（3）允许一定的对中偏差。此外，卡爪式连接器对于垂直连接和水平连接均可适用，是垂直连接中应用的主要连接器形式。但是卡爪式连接器的结构相对复杂，费用高。卡箍式连接器结构简单，重量轻，对作业工具的要求低，费用低。但是卡箍式连接器在垂直连接和超深水的应用记录相对较少。

传统的螺栓法兰连接器需要潜水员在水下作业，只能应用于浅水海域。美国Sonsub公司和挪威Acergy公司分别研发了针对深水的螺栓法兰连接系统BRUTUS和MATIS，作业水深可达3000m，连接管径分别可达24″和36″，主要用于水平连接，其中MATIS系统也可用于垂直连接。这种连接器由于采用工业标准件进行连接，连接安全可靠，而且费用低，采购周期短。但是整套连接系统较为复杂，连接速度慢，对于对中精度的要求很高。

5 跨接管安装施工资源

随着油气田开发走向深水，跨接管安装深度不断加深，如何提高安装相率，降低作业成本是目前研究的重点。下面将介绍跨接管安装过程中涉及的关键资源和几种常见的安装流程。

跨接管和其他水下生产设施不同，其制造和安装有着密切的联系。有些跨接管结构形式比较简单，设计和制造周期短，因此有些跨接管可以在浮式平台或者相关船只上直接制造，但是如果跨接管的形状比较复杂，如三维跨接管，则需要在陆上工厂进行制造，然后由驳船运输到目标油气田进行安装。跨接管安装涉及到的施工资源包括运输驳船、施工船、钻井装置或浮式生产装置（FPS），以及相关的装载架、撑杆、索具、ROV、测量工具等。

（1）运输驳船

跨接管在陆地上制造完成之后，通过运输驳船运输到目标油田。跨接管的重量小，对运输驳船要求较低，但是跨接管的高度较高，在行驶过程中对驳船的平稳性有较高的要求，并且跨接管运输时海况条件应该较好。如果海况条件较差，如风力等级大、波浪和海流比较严重，运输驳船的平稳性会受到很大的影响。运输跨接管，可根据实际工程需要选择不同类型、不同规模的跨接管运输驳船。

（2）施工船

根据工程的实际要求，分析制定需要配备的施工支持船，如安装船的浮吊提升能力与提升半径应满足要求，并根据施工船舶的作业费用、日程安排，結合现场施工机具作业能力、现场的实际情况等，制定出满足经济、高效等工程要求的作业方案。

如果施工船空间较大，能够满足跨接管制造要求，那么跨接管的设计和制造可以在工程船上进行，不需要进行装载，另外也降低了跨接管运输的成本。

（3）钻井装置（钻井平台）

由于跨接管的制造和安装对跨接管的成本影响较大，所以一些情况下，将跨接管的制造和安装在钻井装置上进行。但由于钻井平台的空间有限，一般在钻井装置上进行制造的跨接管是二维的跨接管。跨接管制造完成之后，可以通过钻井平台的吊机进行下放。

（4）装载架

跨接管在运输过程中通过装载架支撑，装载架由两个架子构成一套，每个架子有两个主要的支撑柱，一个用来放置跨接管，另一个用来放置撑杆，如图9所示。通常，一艘运输驳船上可以放置3-5套装载架，若驳船体积大，根据需要还可以放置更多的装载架。装载架与装载架之间要留有足够的空间，避免装载架上的跨接管和连接器发生碰撞。

（5）撑杆

图10为撑杆，撑杆在设计和制造时应满足DNV规范，并且有足够的刚度，保证跨接管在安装和回收时的挠度和应力在允许的范围内。安装好跨接管连接器后，撑杆与跨接管解脱。

（6）索具

在撑杆和跨接管之间的索具应该易于调节到支撑的跨接管终端可能的角度范围。索具应该考虑跨接管的装配重量、几何形状和动载荷条件。索具的结构设计应使在跨接管安装和回收期间由船只运动所引发的运动减到最小。配置的索具应根据需求，使ROV能够解开或者重新使索具连接到跨接管上。

（7）ROV

ROV可以完成诸如阀门操作、液压操作和其他常规任务，也可以携带工具包承担诸如柔性出油管线和控制管缆的牵引和连接，以及部件更换等特别任务。

（8）测量工具

结合机械和声呐测量工具，完成制造安装跨接管所需要的测量信息。选用预先测量工具（PMT）和水下倾角仪，另外还有其他辅助工具，比如声呐转换器（用于距离测量），深度传感器（测量海拔）等。

结语

通过对跨接管类型、跨接管连接方式和跨接管连接器类型进行对比分析，了解了各自的区别及优缺点，对选择连接方式和连接器类型以及安装方法都有指导意义。随着海上油气资源的开发向深海迈进，跨接管的作用至关重要，我国跨接管安装技术正在逐步形成，设计技术有待提高，总体上跨接管相关技术并未形成系统化、标准化、产业化。面对陆地油气日益枯竭的趋势，海上油气资源开发已成为战略问题，加大跨接管及其他开发油气相关设备技术研究，为我国海洋油气资源开发战略保驾护航。

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