深水开发的新型立管系统 钢悬链线立管(SCR)
黄维平,李华军
(中国海洋大学海岸与海洋工程研究所,山东青岛266071)
摘 要: 1种全新的深水立管系统 钢悬链线立管(Steel Catenar y Riser,SCR )在墨西哥湾(Golf of M ex ico )、坎普斯湾(Campos Basin)、北海(N orth Sea)和西非(West Africa)得到了成功应用。它的适用水深为300~3000m,且适用现有任何浮式结构,从浅水的固定式平台到极深水的浮式生产储运系统(FP SO)。因此,它取代了传统的柔性立管和顶张力立管,成为深水油气开发的首选立管,被认为是深水立管系统的成本有效的解决方案。关键词: 钢悬链线立管;深水立管;海底管线;深水开发
中图法分类号: T E851 文献标识码: A 文章编号: 1672-5174(2006)05-775-07
近年来,深水开发中的油气勘探和开发活动大大增加,与前几年相比水深增加了1倍。海洋工业正在更深的海域中建造生产系统,更多地采用新技术并较大程度地发展现有技术。这是世界上海洋石油天然气工业发展的总趋势,如墨西哥湾、坎普斯湾、北海和西非。随着水深的不断增加,深水开发的技术装备也不断面临新的挑战,海洋平台和立管系统在这一次次的挑战中得到了发展,从张力腿平台、单柱平台(Spar )、半潜式平台发展到今天的浮式生产系统和浮式生产储运系统(FPSO)(见图1)。由于这些平台在海洋环境(风、浪、流)的作用下具有不同的运动特征,因此,对连
接海底管线和平台的立管系统也提出了不同的要求。
如浮式结构的二阶慢漂运动在极端海况时,其最大漂移量可达水深的6%~10%(张力腿平台和单柱平台),20%~30%(浮式生产系统或浮式生产储运系统)。顶张力立管已经没有能力顺应这样大的浮体漂移。而且,随着水深的增加,顶张力的补偿也变得越来越困难,更难以容纳浮体的升沉运动。柔性立管虽然可以顺应浮体的漂移和升沉运动,但大直径柔性立管许多技术问题目前还无法解决,且柔性立管的成本高,不适用于高温高压条件[1]。这迫使人们不得不寻求1种深
水立管的成本有效的解决方案。
图1 不同水深的平台结构F ig.1 Platforms for different water depth
钢悬链线立管被认为是深水立管的成本有效的解决方案,它出现于20世纪90年代中期,经过十几年的
发展,现在已经被成功应用于张力腿平台、单柱平台、半潜式平台、浮式生产系统和浮式生产储运系统,水深
基金项目:教育部博士点基金项目(20050423002)资助
收稿日期:2006-04-06;修订日期:2006-06-02
作者简介:黄维平(1954-),男,教授。E -mai l:w phuang@
第36卷 第5期 2006年9月
中国海洋大学学报
PERIODICAL OF OCEAN UNIVERSITY OF CHINA
36(5):775~780Sept.,2006
已经超过3000m,成为深水开发的首选立管,图2是钢悬链线立管与浮式生产储运系统。由钢悬链线立管和立管塔组成的混合立管系统(Hybrid Riser Tow er,HRT)(见图3)是钢悬链线立管向极深水的延伸。本文主要介绍钢悬链线立管的研究发展现状及我国的应用前景。
1 SCR 的结构特点
1994年壳牌公司(Shell)在墨西哥湾872m 水深的张力腿平台Auger 上安装了世界上第1条钢悬链线立管,引起了工程界和学术界的极大关注。它以独特的优势赢得了深水开发的青睐。
钢悬链线立管集海底管线与立管于一身,一端连接井口,另一端连接浮式结构(见图2),无须海底应力接头或柔性接头的连接,大大降低了水下施工量和难度。它与平台的连接是通过柔性接头(Flex ible Joint)自由悬挂在平台外侧,无需液压气动张紧装置和跨接软管,节省了大量的平台空间(见图4)。因此,与柔性立管和顶张力立管相比,钢悬链线立管的成本低,无需顶张力补偿,对浮体漂移和升沉运动的容度大[2],适用于高温高压介质环境 。这些特点使得钢悬链线立管取代了柔性立管和顶张力立管而成为深水油气资源开发的首选立管系统。
与顶张力立管相比,30~50cm 的张力腿平台外输钢悬链线立管可降低成本1.5 106
英镑;15~20cm 的导管架平台集输系统可降低成本1.0 106英镑;15~25cm 用于浮式平台系统可降低成本50%。与柔性立管相比,仅管材成本一项就可降低成本90% 。自墨西哥湾的第1条钢悬链线立管问世以来,已经有数10条钢悬链线立管在墨西哥湾、巴西坎普斯湾、北海、挪威海、印度海和西非投入使用,开创了深水立管系统的新纪元[3-9]
。为了适应不同水深的需要,钢悬链线立管的概念被不断地发展和延伸。已经出现了4种基本形式的钢悬链线立管 简单悬链线立管(Sim ple Catenary Riser )、浮力波或缓波悬链线立管(Buoyant Wave /Lazy Wave Riser)、陡波悬链线立管(Steep Wave Riser)和L 型立管(Bottom Weighted Ris -er /L Riser)(见图5)。其中的缓波和陡波立管是为了减小立管的顶部张力而设计的,其隆起部分是由浮力来实现的,因此,它们的适用水深比简单悬链线立管更深 。
钢悬链线立管的独特结构形式也为其设计、制造、安装和安全服役提出了新的课题和挑战。其中控制钢悬链线立管设计和安全服役的因素为顶部和触地点(Touch Dow n Point,TDP )疲劳寿命以及流线段(
Flow line)与海底的相互作用。触地点是钢悬链线立
管的特征点 特别是简单悬链线立管,它是悬垂段(Sag Bend)与流线段的连接点(见图5)。当浮体在风、浪和流的作用下发生运动时,悬垂段和流线段会同时随浮体运动,从而引起触地点沿轴线变化,同时引起流线段与海底发生相互作用。触地点的疲劳损伤主要是由浮体运动和涡激振动引起的[10-11],海底刚度对触地点的疲劳损伤有较大影响,海底刚度越大,立管与海底相互作用引起的疲劳损伤越严重。而顶部疲劳损伤则主要是由波浪引起的[12]。
图2 SCR 与F PSO Fig.2 SCR with FP SO
图3 混合立管系统F ig.3 Hybr id Riser T ower
图4 与平台的连接方式F ig.4 Connected w ith Platform
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