崖城13-4气田水下管汇研究与应用

黄振东李雪梅沈人杰罗 军黎 昵

（1．湛江南海西部石油勘察设计有限公司； 2．西安交通大学化工学院）

崖城13-4气田水下管汇研究与应用

黄振东1李雪梅1沈人杰2罗 军1黎 昵1

（1．湛江南海西部石油勘察设计有限公司； 2．西安交通大学化工学院）

崖城13-4气田位于我国南海，属于边际油气田，其所在海域水深约89 m。针对崖城13-4气田开发需求，设计了一种新型的水下管汇。该水下管汇采用了吸力桩固定、机械复合管焊接技术、2种管卡固定方式、管道快速连接器与旋转法兰相结合连接、跨接管水下试压、水下清管、在线检测泄露等创新技术或措施，大大减少了投资费用。崖城13-4气田已于2012年初顺利投产。

水下管汇；吸力桩；管卡；跨接管；管道快速连接器；旋转法兰；水下清管；南海；边际油气田

在浅水边际油气田开发中，由于水下生产系统具有避免建造昂贵的海上采油气平台从而节省大量建设投资，以及受灾害天气影响较小、可靠性强等特点，已在许多国家作为此类油气田开发的一种重要方式而被广泛研究和应用。水下生产系统受水深的影响较小，且费用基本上不随水深变化而变化，而刚性平台的费用则随着水深的增加而增加，因此无论对于浅海还是深水区域边际油气田的开发多趋于使用水下生产系统。水下管汇是水下生产系统的重要设备之一，主要由管线、阀门、控制模块和流动仪表等组成。管汇安装在海底井群之间，主要作用是把油或气集合起来输送到依托的生产设施。管汇主要通过水下机器人（ROV）操作，其与油气井在结构上是完全独立的，油气井和出油管道通过跨接管与管汇相连［1］。水下管汇作为一种典型的水下生产设备，设计时需要考虑环境以及安装、检查、维护和生产等工况要求。崖城13-4气田位于我国南海，所在海域水深约为89 m，属于边际油气田，针对其开发需求，设计了一种新型的水下管汇，并在水下管汇的总体布置、结构、跨接管试压、在线检测泄漏等方面进行了深入研究。所设计的水下管汇已应用于崖城13-4气田开发。

1 崖城13-4气田水下生产系统工艺流程

为降低开发费用，崖城13-4气田采用水下生产系统模式并依托崖城13-1气田现有生产设施开发。针对3口开发井新建了3套水下生产装置，将开采的多相气液引至崖城13-1平台。崖城13-4气田包括主体区和南高点2个区域，其中主体区布置了2口生产井，南高点布置了1口生产井并预留了1口井的接口。在主体区布置了1套PLET（Pipeline End Termination）水下生产管汇，在南高点布置了一套PLEM（Pipeline End Manifold）水下生产管汇。主体区生产井产出的多相气液与南高点生产井产出的多相气液汇合后经海底管道输入崖城13-1平台进行处理。图1为崖城13-4气田水下生产系统工艺流程示意图。

2 崖城13-4气田水下管汇

2.1 主体区水下管汇（PLET）

主体区水下管汇包括吸力桩、管汇结构、牺牲阳极、管道快速连接器、球阀、单向阀、旋转法兰、6D弯管、水下清管器等。水下阀门的启闭、跨接管的连接和水下清管器的连接均通过ROV的操作来实现。PLET具体布置如图2所示。

主体区的A1H和A2H生产井产出的多相气液通过PLET汇合后，经过海管进入南高点水下管汇汇集。PLET上还装有多球可控型水下清管器，可实现水下清管的功能。

图1 崖城13-4气田水下生产系统工艺流程示意图

图2 崖城13-4气田PLET示意图

2.2 南高点水下管汇（PLEM）

南高点水下管汇包括吸力桩、管汇结构、牺牲阳极、管道快速连接器、球阀、单向阀、旋转法兰等。水下阀门的启闭和跨接管的连接都通过ROV的操作来实现。PLEM具体布置如图3所示。

南高点的水下管汇除接受南高点生产井A3 H产出的多相气液外，还接受由PLET过来的多相气液，汇集后通过海管输送至崖城13-1平台进行处理。

图3 崖城13-4气田PLEM示意图

3 崖城13-4气田水下管汇关键技术

3.1 总体布置优化

与水上管汇作业工况完全不同的是，水下管汇的安装、巡检、维护和生产等基本上是在“无人”的海底依靠ROV完成。管汇总体布置原则为：满足工艺要求，考虑油田总体布置，确保管汇的重心布置合理，便于海上安装；管汇上的各部件，如阀门、管线连接器、控制模块和仪表等布局和标记应便于ROV进行水下检查、安装、连接、维护和更换。依据总体布置原则，在设计中对管汇的总体布置进行了优化：①跨接管由竖直方向连接改为水平连接。若为竖直连接需要增加弯管，改为水平连接大大减小了管汇橇块的整体尺寸。②将板桩固定优化为吸力桩固定。③在管道快速连接器附近增加ROV停靠操作台，方便了ROV的就位操作。④管汇橇块与吸力桩通过ROV拆卸，可回收管汇橇块。

总体布置设计完成后，对水下管汇进行安装、连接、巡检、维护等工况进行了三维模拟分析，以确定水下管汇总体布置的实用性及合理性［2-3］。对PLET和PLEM均通过结构软件SACS和AUTOPIPE进行了有限元应力分析和吊装分析，保证了水下管汇满足设计要求。

3.2 吸力桩固定

崖城13-4气田海底土壤比较松软，如果采用传统的板桩固定方式，水下管汇安装时很难实现调平。为了解决上述问题，崖城13-4气田水下管汇采用吸力桩基础固定方式，采用该方式水下管汇在安装过程中可随时调平，且可以提供较大的防渔网拖拽能力，适合用于有拖网捕鱼区域或者水下管汇采用水平连接接头形式的情况。吸力桩基础安装方式主要利用桩的内压和外部水压的压力差将吸力桩打入水底设置［4］。PLET和PLEM均设置了3个吸力桩。安装过程中充分验证了吸力桩固定的优越性。

3.3 机械复合管焊接材料选择

为了提高管汇的防腐性能，管汇的直管段采用与海管相同的材料，即API 5L X65加内衬3 mm 316SS不锈钢的机械复合管，而管汇的管件和阀门内部均有堆焊Inconel 625的防腐材料。由此带来管件、阀门的内衬与管线的内衬不同材料焊接的问题。Inconel 625是一种对各种腐蚀介质都具有优良耐蚀性的低碳镍铬钼铌合金，其碳含量低并经过稳定化热处理，即使在650～900℃高温恒温50 h之后仍然不会有敏化倾向，并且该材料的热处理采用软化退火工艺，完全适用于湿腐蚀环境，因此采用Inconel 625合金钢作为焊接材料，它既能和API 5L X65焊接，又能和内衬的3 mm 316SS不锈钢焊接。这样，在管路焊接时就不会损坏海管内衬的不锈钢材料，满足了焊接工艺的要求。

3.4 采用2种管夹固定方式

崖城13-4气田水下管汇PLET和PLEM的管线固定均采用固定式和限位式2种管卡（图2、3）。固定式管卡只布置一个，位于管汇主管的中间位置。此位置有利于管汇固定，可防止管汇产生较大的位移偏差，从而保证了管汇的安全。崖城13-4气田属于高温高压气田，为了防止管线热膨胀而发生塑性变形，管汇固定采用限位式管卡：管汇管线处于管卡的套筒之内，套筒与管汇管线之间有3 mm的间隙。采用AUTOPIPE软件，将管汇、跨接管和海管一起建模进行受力分析，并通过调整管卡固定方式和位置使管汇受力满足规范要求。

3.5 管汇接头设计与选择

水下管汇与采气树之间的连接涉及跨接管问题。跨接管是一个较短的管状连接元件，典型的跨接管在管子的两头分别有一个终端连接器，即管道快速连接器。市场所能提供的管道快速连接器均为进口产品，价格昂贵。因此研制了一种新型的管道快速连接器（图4）。采用新型管道快速连接器较之采用进口产品可节约成本一半以上，而且使用方便、密封性能好，同时可以实现ROV操作并大幅度提高生产效率，但其成本对于边际油气田开发而言依然较高。根据崖城13-4气田水深情况，决定跨接管与管汇采用新型管道快速连接器连接，而海管与管汇之间采用旋转法兰（图5）连接。管道快速连接器与旋转法兰相结合的方案较之单独使用所研制的管道快速连接器又可节约成本一半以上。

图4 崖城13-4气田管道快速连接器三维模拟示意图

图5 崖城13-4气田旋转法兰三维模拟示意图

3.6 跨接管水下试压

水下跨接管主要用于连接管线与管汇、管线与采气树、管汇与采油树以及管线与立管等，是水下生产系统重要的元件［5-6］，其安装要求为：水下采气树和水下管汇先安装，再连接管汇至采气树之间的跨接管。通常情况下，海管、水下管汇和跨接管安装完以后，通过依托设施打压进行整体试压；但是崖城13-4气田主体区跨接管为最后连接，而南高点先投产，如通过依托设施向海管打压，试压介质必须要经过南高点才能到达主体区跨接管，这样南高点就必须停产。为了避免主体区跨接管安装后试压南高点必须停产的难题，在崖城13-4水下管汇管道快速连接器的附近，即φ152.4 mm管线上的分支接了一个φ12.7 mm的球阀（见图2和图3），将管汇分支上的φ152.4 mm球阀关闭，通过在作业船上的压力源向装有φ12.7 mm球阀的分支路上打压，从而完成各个跨接管试压作业，操作方便且实用。

3.7 在线检测泄漏

崖城13-4气田水下生产系统涉及的2个井区的钻井投产时间不一致，南高点钻井先投产，因此需要将该井区管汇与主体区管汇用阀门隔离开来，而如何检测隔离阀门是否完全关闭就成了关键。如果关闭不严，会导致先投产的南高点井区的油气进入主体区，这将给气田井区安全带来极大的风险。采用在PLET管汇主管φ203.2 mm管线上靠近旋转法兰端的分支接一个φ12.7 mm的球阀（见图2），如果不进行隔离检测就将该阀门关闭，与球阀连接的盲法兰保持连接状态；如果需要进行隔离检测则将阀门打开，同时将盲法兰卸下，如该阀门出口处无气泡产生，说明隔离阀门密封性有效。该方法简单，实用。

3.8 防腐设计

水下管汇采取整体涂装防腐、牺牲阳极防腐和腐蚀监控的设计。阳极安装设计不影响ROV的操作，监测点安装在ROV停驻点附近，在ROV巡检时即可对整个水下管汇进行阴极保护状态的测量和监测。经过防腐计算，确定PLET安装22个阳极，PLEM安装20个阳极。此外，对于管汇法兰、三通等管件采用陶瓷油漆喷涂。陶瓷油漆是一种全新的水性无机涂料，它是以纳米无机化合物为主要成份，涂装后通过低温加热方式固化，形成性能和陶瓷相似的涂膜，对于海水环境具有良好的抗腐蚀性能。

3.9 水下清管器研究与应用

水下生产系统清管一般采用依托水上设施的发球筒发射清管球，在水下管汇的终端接收清管球，这样水下接收清管球操作比较困难，且接收清管球时可能会带出海管的油污而污染海洋环境。也有采用增加一条海管与水下管汇形成环路来达到海管清管目的（在不清管的时候，2条海管均可以用于输送石油产品），但增加海管会增大投资费用，这对于海上边际油气田的开发是非常不经济的。此外，考虑到一次通球不能完全保证有效清除海管内的油污以满足生产要求，多球发射的操作流程有待简化。因此，研制了多球可控型水下清管器（见图2）来完成崖城13-4气田海管的清管工作。清管器安装于PLET的预留接口，安装工作由ROV完成。该清管器的工作流程为：清管器安装于水下管汇的预留接口，由水下机器人（ROV）完成，而在海底管道的下游崖城13-1平台安装清管球接收器用于接收清管作业用清管球；通过在作业船上的压力源打压，依次接通各压力液接口，从而将已预装在水下清管器内的多个清管球逐个推至海底管道内［7］。与普通清管器相比，该类清管器具有操作简单、成本低、安全环保的优势。

4 水下管汇成功应用

通过多种技术创新，成功地实现了崖城13-4气田水下管汇的自主设计和安装（图6）。崖城13-4气田已于2012年初成功投产，表明崖城13-4气田水下管汇的研究和应用是成功的。

图6 崖城13-4气田水下管汇码头吊装运输现场

5 结束语

水下管汇是水下生产系统的重要设施之一，针对崖城13-4气田实际情况设计的新型水下管汇系统，采用了吸力桩固定、机械复合管焊接技术、2种管卡固定方式、管道快速连接器和旋转法兰相结合连接、跨接管水下试压、水下清管、在线检测泄漏等多项创新技术或措施，并在实际生产中获得了成功应用，具有较高的工程应用价值，无论对于浅海边际油气田开发，还是对于深水油气田开发，均有重要的技术参考和工程指导意义。

［1］ 王玮，孙丽萍，白勇．水下油气生产系统［J］．中国海洋平台，2009，24（6）：41-45．

［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］ 程寒生，周美珍，郭宏，等．水下管汇设计关键技术分析和设计原则研究［J］．中国海洋平台，2011，26（3）：30-32．

［4］ 方相喆．吸力桩的施工方法：韩国，CN1438390［P］．2003-02-14．

［5］ 何同，李婷婷，段梦兰，等．深水刚性跨接管设计的主要影响因素分析［J］．中国海洋平台，2012，27（4）：50-56．

［6］ 王腾飞，张宏彬，董磊，等．水下管汇的清洗与静压试验研究［C］∥第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集．1559-1563．

［7］ 李雄岩，白浩，李雪梅，等．多球可控型水下清管器的研制及应用［J］．中国海洋平台，2012，27（3）：14-16．

The research and application of YC 13-4 gas field underwater manifold

Huang zhendong1Li Xuemei1Shen Renjie2Luo Jun1Li Ni1
（1.zhanjiang Nanhai West Oil Survey&Design Co.，Ltd.，Guangdong，524057；2.School of Chemical Engineering and Technology，Xi＇an Jiaotong University，Xi＇an，710049）

YC 13-4 gas field is located in the South China Sea and belongs to the marginal oil-gas field at the water depth about 89 m．According to the requirement of YC 13-4 gas field development，a new type underwater manifold was designed．The underwater manifold can be greatly reduced investment cost by adopting some innovative technologies such as the suction pile fixing and mechanical composite pipe welding technology，two kinds of pipe clamp fixing modes，combination of pipe quick connector and rotating flange，underwater jumper test，underwater pigging，on-line leak detection and so on．YC 13-4 gas field was put into production in early 2012 successfully．

underwater manifold；suction pile；pipe clamp；jumper；pipe quick connector；rotary flange；underwater pigging；South China Sea；marginal oil-gas fields

2013-03-06改回日期：2013-08-09

（编辑：叶秋敏）

黄振东，男，工程师，主要从事海洋石油工程工艺、总体、配管专业设计与项目管理。地址：广东省湛江市坡头区南油一区11号信箱设计公司（邮编：524057）。E-mail：huangzhd＠cnooc．com．cn。