柔性管應(yīng)用海上油氣開發(fā)的前景
時間：2018-10-09 15:30
來源：
作者:方華燦
2016 年 10 月 22 日 兩 大中國石油企業(yè)（中石油、中海油）與多家海外石油企業(yè)一起中標巴西東南部海域一處深海鹽下層石油區(qū)塊。該區(qū)塊是位于巴西東南部里約州外海桑托斯盆地的里貝拉區(qū)塊，距離海岸線 170 公里，面積超過 1,500平 方 公 里， 為 目 前 全 球 最 大 海 上油田。2016 年由殼牌公司運營的Prelude 世界上唯一的最大的浮式生產(chǎn)液化天然氣平臺（FLNG），在位于西澳大利亞州距海岸 250 公里的海面上投產(chǎn)。
全球最大海上油田里貝拉區(qū)塊的勘探開發(fā)、Prelude浮式液化天然氣平臺（FLNG）的投產(chǎn)，均提出了柔性管的應(yīng)用問題。為此，通用電氣石油和天然氣公司（GE）在英國紐卡斯爾的工廠，開始了柔性管的批量生產(chǎn)，并已于2016 年 完 成 了 供 Prelude FLNG應(yīng)用的高壓高溫動態(tài)柔性立管的生產(chǎn)，領(lǐng)先推動了全球海上油氣田中柔性管的應(yīng)用。我國海上油氣田中柔性管的應(yīng)用很少，有必要借鑒國外先進經(jīng)驗，推動柔性管的應(yīng)用。因此，本文圍繞海上油氣田中柔性管的應(yīng)用，進行論述，并對我國的應(yīng)用問題提出建議。
柔性管的結(jié)構(gòu)
組成柔性管（flexible pipe）是相對于全部用鋼制成的剛性管管材而言，它通常是以金屬（鋼）和聚合物一層一層地無粘結(jié)復(fù)合在一起組合而成的結(jié)構(gòu)。它借助具有不同機械性能和結(jié)構(gòu)功能的多層不同材料，即可獲得一個可以提供足夠整體抵抗管內(nèi)壓力和軸向力及大變形的堅強結(jié)構(gòu)。如圖 1 所示，柔性管自外至內(nèi)分別由外殼（OUTER SHEATH）、承受拉力鎧甲 （TENSILE ARMOUR）、承 受 內(nèi) 壓 鎧 甲（PRESSUREARMOUR）、 內(nèi) 襯（INNERLINER）、內(nèi)鎖（CARCASS）層等，一層一層地組成。
內(nèi)鎖層由鋼帶纏繞而成，它用以防止內(nèi)襯層的擠壓破壞，并可抵御粗顆粒及工具的損傷。內(nèi)襯層由聚合物制成，以利于油氣流體輸送。內(nèi)壓鎧甲層由很多層鋼絲螺旋纏繞而成，它具有承受高壓和超高彎曲的特性，從而可產(chǎn)生柔性和超高動力特性。拉力鎧甲層由很多層的成對的近似矩形斷面的鋼帶螺旋纏成，它可以承受軸向拉力。外殼由聚合物組成，它可對內(nèi)部各層提供保護，以適應(yīng)管外環(huán)境。
上述所有鋼絲、 鋼帶均為不銹鋼，而聚合物則具有熱塑性及防漏性能。各層雖均獨立，無粘結(jié)，但卻相關(guān)，因而相互間的配合，要求非常高。柔性管的各個獨立層的層數(shù)可根據(jù)工程需要，向生產(chǎn)廠家訂制，通常最簡單的承受中等壓力的柔性管是只有 4 層；而更多的復(fù)雜柔性管，則可以多至 19 層。
海上油氣田應(yīng)用現(xiàn)狀
在海上油氣田中，柔性管可用作海底管匯與水面平臺（船）連接的立管（riser），如圖 2 所示。柔性管還可以用作海底的水平跨接管，如圖 3 所示即為將海底采油樹與管匯之間相連接用的水平跨接管。柔性管也可以用作水面上兩船之間輸送油氣的管道 ，圖 4 所示即為水面上浮式生產(chǎn)液化天然氣（LNG） 的FPSO。
近年來已有專家提出將柔性管用作海底輸送油氣管道的倡議，并有廠家開始生產(chǎn)出了用于陸上油氣田及海底輸送油氣用的柔性管。如我國山東省咸海市的納川以及鴻通管材股份有限公司，就已經(jīng)開始批量生產(chǎn)出了柔性管， 可以用于深水，年銷售額可達 300 億元。而我國的中海油南海西部公司，則從 2009 年開始，直至 2017 年，己經(jīng) 8 次成功地應(yīng)用柔性管鋪設(shè)了海上油氣田中一定距離的注氣、注水以及海底輸送天然氣、易凝原油、高溫原油的管道。
從目前全球海上油氣田應(yīng)用柔性管情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，58% 的柔性管用做與水面船或平臺連接的立 管；70% 的 柔 性 管 的 工 作 水 深小 于 1,000m；90% 的 柔 性 管 的內(nèi)徑小于 10 英寸；76% 的柔性管的內(nèi)壓工作壓力低于 5,000PSi；70% 的柔性管的工作溫度小于 80攝氏度；絕大多數(shù)柔性管內(nèi)壓與內(nèi)徑 的 乘 積 小 于 50,000Psi-inch；流體壓力與管內(nèi)徑乘積的極限為80,000Psi-inch。
柔性管的主要優(yōu)點
柔性是柔性管的最大優(yōu)勢，柔性管的這個性能通常是以一段直徑8 英寸標準柔性管可以允許安全地彎成 2m 或 2m 以下半徑的園弧來表征。正由于柔性管具有這種良好的柔性，因而可以用于搖擺位移較大的浮式生產(chǎn)平臺作為立管；還可用作鋪設(shè)在復(fù)雜地形的不平整海底的輸送油氣的管道；尤其是由于它可以很容易地纏繞在滾筒上，故而便于高效、 快速地進行運輸及安裝。此外，與剛性管相比，柔性管具有質(zhì)量輕、抗腐蝕、抗疲勞、強度高、耐高壓、耐高溫等一列優(yōu)點。處于海水中的管道，抗腐蝕性能非常重要，傳統(tǒng)的海洋管材屬于金屬材料，容易被海水腐蝕，若防腐措施不完善， 則使用年限只有三五年，而柔性使用壽命長，可以長達到 30年。
柔性管的抗疲勞、強度高、耐高壓、耐高溫，可以以工作水深的性能來綜合表征，圖 5 給出了目前（current）及未來（future）不同管徑的柔性管的工作水深 （縱坐標）性能，從該圖明顯看出，目前應(yīng)用 7英寸和 9 英寸管徑的柔性管，工作水深己經(jīng)達到 3,000m。還有更多大尺寸管徑的柔性管，不久將來也都可以用于深水和復(fù)雜油田的開發(fā)，彰顯出柔性管技術(shù)性能的優(yōu)赿性。
柔性管的制造生產(chǎn)情況
世界第一家柔性管的生產(chǎn)廠家是英國紐卡斯爾工廠，它的產(chǎn)品使用壽命長、耐高壓、耐高溫、具有冷關(guān)閉和快速減壓潛能，還可抵御百年一遇的氣旋保持連接狀態(tài)，因而己暢銷到 1.1 萬多公里以外的東南亞，且供應(yīng) 2016 年新發(fā)現(xiàn)的巴西的全球海上最大油田及世界上首座浮式生產(chǎn) LNG 的 FPSO 使用。
我國山東省威海市的納川管材股份有限公司，2016 年建成了一條玻纖增強柔性管生產(chǎn)線，生產(chǎn)他們研制出的一種適用于深海及超深海工程領(lǐng)域應(yīng)用的輕質(zhì)、非金屬、粘結(jié)型的玻纖增強柔性管。與傳統(tǒng)海洋管材相比，該產(chǎn)品具有強度高、抗腐蝕、抗疲勞、柔性好、質(zhì)量輕、耐高溫等特點，可承受的內(nèi)壓、外壓大，適用于水深 3,000 米。傳統(tǒng)的海洋管材屬于金屬材料，容易被海水腐蝕，使用壽命低，并且由于質(zhì)量重，在施工的過程中，費用高，施工時間也長，存在一定局限性。玻纖增強柔性管為國內(nèi)首創(chuàng)，預(yù)測市場規(guī)模年超過 300 億元。
另 外， 我 國 威 海 鴻 通 管 材 股份有限公司也開始生產(chǎn)柔性管，它生 產(chǎn) 的 DN150 18MPa 和 DN10032MPa 纖維增強聚合物柔性連續(xù)復(fù)合管，承壓能力高，不僅其性能能夠替代進口的鎳基合金管，而且生產(chǎn)成本僅是進口產(chǎn)品的一半，從而將市場價格降低了 50% 。另外，它的使用壽命長，使用年限可以達到30 年，可實現(xiàn)連續(xù)盤卷、連續(xù)鋪設(shè)，大大減輕了勞動強度。正是由于與剛性管相比，它具有這些優(yōu)點，因而市場廣闊，目前銷往各大油田的在用管線已超過 17,000 公里。
國內(nèi)需加大生產(chǎn)柔性管
總之，柔性管作為高端產(chǎn)品，我國應(yīng)進一步開展研發(fā)與生產(chǎn)。國內(nèi)兩個廠家生產(chǎn)的二、三萬公里柔性管是遠遠不能滿足未來的需求。因此，從供給側(cè)改革來看，必須調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)， 大力發(fā)展柔性管生產(chǎn)，而且例如輸送液化天然氣的管道，必須增加真空絕熱層，制成保持零下 162℃的超低溫冷凍管，這種高端產(chǎn)品目前我國尚屬空白，更是需要大力開展研發(fā)的。柔性管用作海底長距離輸送油氣管道，極需在我國海上油氣田中推廣應(yīng)用。
我國威海鴻通管材股份有限公司在南海新區(qū)的臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)，已建立了海洋非金屬輸油管材基地。他們生產(chǎn)的纖維增強聚合物柔性連續(xù)復(fù)合管，可實現(xiàn)連續(xù)盤卷、連續(xù)鋪設(shè)，安裝時可減少漏點、減少勞動強度，技術(shù)性能不僅能夠替代進口的鎳基合金管，而且生產(chǎn)成本僅是進口產(chǎn)品的一半，使用年限還比國外長；尤其是他們利用管材高柔性的特點，使一整根由原來的 8 米長，制成 80 米長，直到 800 米一根，甚至還可再延長，非常有利于安裝及在海底連續(xù)鋪設(shè)。
目前他們已研制出適用于水深 500 米的柔性管，還再繼續(xù)研制增大工作水深。 顯然，我國這些在供給側(cè)改革所取得的豐碩成果，急需在我國海上油氣田中推廣應(yīng)用。我國的中海油南海西部石油公司， 采取通過試點、 逐步推廣的做法，首先，選擇注氣、注水管線使用國產(chǎn)柔性管進行試驗，分別于 2009年、2011 年在潿州 12-1PAP 平臺及 潿 洲 6-9/6-10/11-2 油 田， 使用 3 英寸及 4、6 英寸直徑的高壓國產(chǎn)柔性管，鋪設(shè)了十幾公里的注氣、注水用長輸管道。
試驗成功后，繼 而 于 2013 年、2015 年、2016年，又分別在文昌 13-6 油田、潿洲油田天然氣網(wǎng)、東方 1-1 氣田、潿洲 12-2 油田群、潿洲 12-1A 中心平臺，鋪設(shè)了管徑更大（最大達12 英寸）、壓力更高（最高壓力達22.7Mpa） 、距離更長的輸送易凝原油及天然氣的國產(chǎn)柔性管管道，推廣擴大了應(yīng)用范圍。 直至 2017 年，進一步在潿洲 6-13 油田開發(fā)項目中，應(yīng)用柔性管輸送高溫原油，首次采用國產(chǎn)的新型交聯(lián)聚乙烯材料制作的柔性管，提高了柔性管的設(shè)計溫度，高達 95℃。由此顯見，中海油南海西部石油公司推廣柔性管應(yīng)用時，這種不遺余力地推動國產(chǎn)化的理會和既積極又穩(wěn)妥的做法以及一切通過試驗的科學態(tài)度，應(yīng)在我國推廣應(yīng)用柔性管過程中，大加提倡。
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