水下生产系统脐带缆内液压管线选型分析

李 博， 郭 宏， 郭江艳

(中海油研究总院，北京 100028)

水下生产系统脐带缆内液压管线选型分析

李 博， 郭 宏， 郭江艳

(中海油研究总院，北京 100028)

脐带缆内的液压管线对脐带缆的性能以及造价有着重要的影响，选择合适的液压管材料和尺寸可以保证油气田可靠、经济地运行。分析了目前脐带缆液压管线的主要材料，对比分析了每种材料的性能及适应性，提出了选择脐带缆材料类型时需考虑的因素。通过液压仿真的方法，建立了影响脐带缆内液压管线管径的仿真模型，给出了进行液压管线尺寸选择的分析方法。为深海油气田开发选用水下生产系统脐带缆内液压管线提供了一定的参考。

水下生产控制系统；脐带缆；液压管线

0 引 言

深水油气开发正在成为世界石油工业的主要增长点和科技创新的前沿[1]。海洋油气田的可采规模随水深增大而大幅增加。水下生产系统作为深水油气田的一种重要开发模式，是一种海洋石油天然气资源开发的新技术。它通过水下井口、部分或全部放置在海底的水下生产设施以及海底管线，将采出的油、气、水多相或单相流体回接到附近水下、水面或陆上依托设施，实现海上油气田的开发[2]。

水下控制系统是水下生产系统的关键技术之一，是水下生产系统通向上部设施的神经中枢和重要通道，水下生产、注入设备安装与运行过程中都需要通过水下生产控制系统来进行实时监控。水下控制系统主要有三种控制模式： 全液压控制、电液控制以及全电气控制[3]。

作为水下控制系统的关键组成部分之一的水下生产系统脐带缆，是连接上部设施和水下生产系统之间的“神经、生命线”[4]，脐带缆在水下生产系统中的主要作用如下：

(1)为水下阀门执行器提供液压动力通道；(2)为水下控制模块和电潜泵等提供电力；(3)为水下设施和油井提供遥控及监测数据传输通道；(4)为油井提供所需流体(如甲醇和缓蚀剂等化学药剂)。

脐带缆内的液压管线是水下动力源的主要输送通道，对水下生产控制系统的性能以及脐带缆的造价有着举足轻重的影响。本文主要针对脐带缆内液压管线的材料选择以及管径分析进行研究，为工程项目中水下生产系统脐带缆选材及分析提供相应的参考。

1 液压管线材料选择分析

脐带缆按管单元类型可以分为钢管脐带缆和软管脐带缆[5]，如图1所示。

(a) 钢管脐带缆

(b) 软管脐带缆

由于软管和钢管技术的不同，对安装策略的制订和成本有极大影响。脐带缆运输及安装成本在脐带缆系统中占极大比例。因此，根据不同项目情况，正确地评估软管和钢管的优缺点，对于项目成本的控制十分重要。在确定化学药剂和液压液采用钢管或软管输送时，需考虑的因素有寿命、疲劳要求、水深、压力等级、价格、安装、输送介质性质以及海底稳定性等方面。

1.1 水深影响

随着水深的增加，脐带缆需承受较大的静水压力。软管在输送水基液压液时(密度大于海水)，不存在压力失衡的问题，但是输送小密度的液体如甲醇，会导致内外压差较大的问题。钢管由于自身材料的原因，不存在内外压失衡的问题。为了解决软管压力失衡问题，可采用高抗压溃的软管，目前此种类型的软管(1/2英寸，1英寸≈2.54cm)可承受内压34.5MPa、外压60MPa。

1.2 对介质的适应性

传统软管不能输送小分子的介质如甲醇等，而芳纶纤维或交联聚乙烯则可以弥补这种缺陷；钢管的防渗性较好，可以输送甲醇、乙二醇等化学药剂，但碳钢材料容易腐蚀，而不锈钢材料能满足其性能。

在输送以前未用过的介质时，必须做适应性测试。

1.3 响应时间影响

软管受流体工作温度影响，体积膨胀明显，对于直接液压系统会造成较大的延迟；对于电液复合式控制系统，这种影响相对较小。而钢管由于材料模量大，体积变化较小，响应时效更好，适合长距离油田使用。

1.4 运输条件影响

对运输和安装条件影响较大的主要是脐带缆的最小弯曲半径(MBR)和重量。与软管脐带缆相比，同样管路配置的钢管脐带缆，最小弯曲半径和重量都大很多。

最小弯曲半径越大，存储及安装可选择的立式卷盘就越少，而立式卷盘方便运输和吊装。如果采用卧式卷盘，但有这样配置的安装船较少，动复员距离可能较远，日费率昂贵。

重量越大，运输和安装的难度就越大。需要考虑码头和安装船的起吊能力，以及运输距离和费用。并且需要考虑安装船的甲板面积和装载能力，卧式卷盘占地面积较大，如果脐带缆重量较大，则对甲板的要求很高。

安装过程中，脐带缆的重量还直接决定对张紧器张紧能力的选择。对于深水安装，钢管脐带缆由于重量较大，会造成张紧器的高张紧力，而对于软管脐带缆则张紧力相对较小。图2所示为水深和脐带缆重量对张紧器长度的影响。

图2 张紧器长度与水深和脐带缆重量的关系Fig.2 Dependence of tensioner length on water depth and umbilical weight

1.5 加工工艺影响

软管加工应该是连续无缝、圆形挤压成型，对于长距离的脐带缆，需保持其连续性且不间断地生产。而钢管采用分段焊接，主要是焊接工艺的影响，应满足相关焊接标准，如ISO 9956/14732、ASMEB31.3/Ⅸ等。

1.6 交货期影响

钢管由于被RathGibson、 Sandvik等公司占有了70%市场份额，供货商较少，交货期很长；而软管由脐带缆供应商自己生产，可极大缩短生产周期。

2 液压管线尺寸(内径)选择分析

脐带缆内的液压管径以及材料均影响着水下控制系统的响应时间，可以借助水下控制系统的液压仿真分析来决定脐带缆内的液压管线尺寸。

以南海某油气田实际投产的项目为例，具体分析脐带缆内液压管线尺寸的选择过程及方法。

2.1 油田信息简介

该油田是一个边际油田，位于中国南海珠江口盆地，距深圳约240km，油田范围海域水深约260～300m。主要依托开发设施有一条浮式生产储油装置(FPSO)，一座半潜式钻井平台。油田开发方式为采用中心丛式井管汇的水下生产系统[6]。

2.2 控制系统液压整体架构

液压动力单元(HPU)位于半潜式钻井平台上，HPU到水下生产系统是通过14.5km的复合电液控制主脐带缆与水下终端接头(UTH)连接，然后用20m液压跨接缆与水下分配单元(SDU)连接，最后通过约60m的液压跨接缆连接到水下采油树的水下控制模块(SCM)。整体构架如图3所示。

图3 南海某油气田水下控制系统液压系统图Fig.3 Schematic diagram of the hydraulic system of a subsea control system in a South China Sea oil and gas field

2.3 液压系统建模分析

本文利用专用液压仿真分析软件AMESim对水下生产控制系统进行建模分析。

2.3.1建模基础

由于该油田控制系统为开式控制系统，水下采油树上的控制阀门均为失效关的模式(控制液压失压，阀门关闭)，ESD响应时间均为迅速。因为对液压管线尺寸的影响，主要取决于系统充液的响应时间，根据ISO 13628-6以及生产作业方的要求，水下蓄能器系统的充液时间不能超过40min。水下蓄能器为1用1备，为所有的蓄能器同时充液。

假定采油树上的所有水下蓄能器(SAM)执行完一次动作后，由水面上的HPU为其充液。

假设液压管线内液体压力为0.1MPa。

假设所有的元器件都在一个水平面内(忽略水深影响，关注相同距离下不同管径的液压管线对系统充液时间的影响)

SAM内液体已排空。

2.3.2仿真模型

因为钢管和软管在AMESim软件中属性不同，所以针对不同的液压管线材料水下生产控制系统充液仿真模型在AMESim中建模如图4、图5所示。

图4 水下生产控制系统充液仿真模型(钢管)Fig.4 Simulation model for the subsea production system charging (steel pipe)

图5 水下生产控制系统充液仿真模型(软管)Fig.5 Simulation model for the subsea production system charging (flexible pipe)

2.3.3仿真结果及其分析

目前中国南海已投产采用水下生产系统开发的油气田中，脐带缆均为国外厂家产品，脐带缆内液压管线管径从0.5英寸到1英寸不等，0.5英寸是最常见的尺寸。因此，本次以0.5英寸钢管、0.75英寸钢管、0.375英寸软管、0.5英寸软管以及0.75英寸软管为备选方案，进行仿真分析，结果如图6～图9所示，其中图6和图7为钢管仿真结果，图8和图9为软管仿真结果。汇总响应时间如表1所示。

图6 SAM气体压力曲线(钢管)Fig.6 Gas pressure curves of the SAM (steel pipe)

图7 SAM液体体积曲线(钢管)Fig.7 Liquid volume curves of the SAM (steel pipe)

图8 SAM气体压力曲线(软管)Fig.8 Gas pressure curves of the SAM (flexible pipe)

图9 SAM液体体积曲线(软管)Fig.9 Liquid volume curves of the SAM (flexible pipe)

液压管类型液压管径/in充压时间/s系统充液体积/L钢管0.5237448.2钢管0.7548854.3软管0.375360697.5软管0.51889150.8软管0.751390328.3

根据充液响应时间不超过40min的判定标准，0.375英寸的软管响应为3606s，超过了所允许的时间，故不能作为脐带缆内液压管线的选择。

在满足标准以及作业方的要求下，0.5英寸钢管、0.75英寸钢管、0.5英寸软管以及0.75英寸软管均可以作为脐带缆内液压管线。综合考虑投资以及系统性能，最终该项目采用了0.5英寸的软管作为主脐带缆内的液压管线。

3 结 语

综合考虑脐带缆的应用环境、材料性能以及经济性，在保证系统安全性的前提下，选择合适的液压管线材料和尺寸可以提高效益，降低成本。

(1) 对于水深500m以内的水下生产系统，采用软管脐带缆其系统响应时间及综合成本优势较为明显；对于深水恶劣环境则采用钢管脐带缆较多。

(2) 如果系统响应时间不是很苛刻，建议尽量采用小尺寸的液压管线，降低脐带缆的投资，以提高效益。

[1] 高原,魏会东,姜瑛,等.深水水下生产系统及工艺设备技术现状与发展趋势[J].中国海上油气,2014,26(4)： 84.

[2] 刘太元,霍成索,李清平,等.水下生产系统在我国南海深水油气田开发的应用与挑战[J].中国工程科学,2015,17(1)： 51.

[3] 周美珍,张维庆,程寒生.水下生产控制系统的比较与选择[J].中国海洋平台,2007,22(3)： 47.

[4] 郭宏,屈衍,李博,等.国内外脐带缆技术研究现状及在我国的应用展望[J].中国海上油气,2012,24(1)： 74.

[5] 文纲,段梦兰,王德国,等.脐带缆液压管线材料的应用特点与选择分析[J].石油工程建设,2012,38(2)： 10.

[6] 王建文,王春升,杨思明.流花4-1油田水下生产系统总体布置设计[J].中国造船,2011,52(a01)： 172.

SelectionAnalysisofHydraulicTubeofSubseaProductionUmbilical

LI Bo, GUO Hong, GUO Jiang-yan

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The hydraulic tube has an important impact on subsea production umbilical cost and performance. Choosing appropriate material and size of umbilical hydraulic tube can ensure reliable and economical operation of oil and gas fields. This paper analyzes the main materials of the current umbilical hydraulic tube, compares and analyzes the performance and adaptability of each material, and puts forward the factors that need to be considered when selecting the hydraulic tube material type. Through the method of hydraulic simulation, the simulation model of the diameter of the hydraulic tube in the umbilical is established, and the analysis method of the hydraulic tube size selection is given. This paper provides some reference for the selection of hydraulic tube in subsea production system umbilical.

subsea control system; umbilical; hydraulic tube

TP271+.31

A

2095-7297(2017)01-0014-05

2016-10-12

工信部课题(深水钻井船海况适应性及安全分析技术研究)

李博(1983—)，男，硕士，工程师，主要从事水下生产系统设计工作。