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刨根問底:超深水復合柔性立管技術為什么存在

刨根問底:超深水復合柔性立管技術為什么存在

超深水油氣田的發現不僅帶來了機遇,也帶來了技術難題。目前只有剛性金屬管柱和無粘結柔性管可以滿足超深水作業環境,但二者卻不具有經濟可行性,未來還在急切期待新技術的開發。

來自 | Offshore
編譯 | 周詩雨

墨西哥灣、巴西和安哥拉沿海的超深水區塊(深度超過1500米),在給人們帶來不計其數的開采機遇的同時,也提出了許多技術上的挑戰。特別是超深水作業環境以及這種環境所需要的相對較大的管柱直徑,現有的柔性管規格不能很好的滿足需求,這就為剛性管和柔性管技術提出了嚴峻的挑戰。

當作業深度超過2000米、設計壓力超過1000psi時,要想滿足工程需求,則必須對現有的柔性管技術進行創新。同時還需要進行嚴格的測試,證明新技術的穩健性和耐久性。

為了解決這些問題,美國通用公司在美國能源安全研究伙伴關系(RPSEA)的支持以及美國能源部國家能源技術實驗室的資助下,著手進行了一項開發項目:形成質量過關、可用于超深水作業的8英寸內徑柔性管柱。項目的研究主體是一種新型混合柔性立管技術,通過設計、性能分析、材料和子組件測試以及最終的現場試驗,對該技術進行開發和認證。技術認證的標準制定參考了API/DNV標準和推薦測試方案。 下面主要介紹一下項目的第一階段。

設計的基本思想是開發一款可適用于超深水應用的,具有最優單位長度質量的混合復合材料和金屬/聚合物柔性管。在通用公司的設計中,使用了可以完全粘結到熱塑性阻擋層的碳纖維增強熱塑性復合壓力外殼來代替常規金屬壓力外殼。為了降低項目的整體風險,縮短推出合格產品的時間,許多已有的層和材料都仍采用與現有無粘結柔性管道技術中相同的材料(如金屬胎體、阻隔材料、拉伸金屬外殼、絕緣層和護套等)。

技術評估

目前有兩個可以滿足商業化要求的備選方案,但還沒有進行驗證的技術。

第一個是傳統的剛性金屬管柱,通常作為鋼懸鏈線立管(SCR)或頂部張緊立管系統。盡管該技術可以設計出滿足工作深度、設計壓力和服務要求的較大尺寸立管(大于7英寸),但這是以犧牲整體系統和安裝成本為代價的。

在超深水中,管道的壁厚必須足夠厚才能承受坍塌負載,而這同時也導致整個管柱系統的重量達到一個難以接受的水平。那么,要想實現該方案,則需要在整個結構中安裝大量的浮力塊,而這又會大大增加成本。另外,基于剛性管道自身的性質,其在連接到井場時,需要許多小長度的管道,這就危及到了可靠性、安全性和系統成本。最后,為了能夠適應酸性環境,需要強度較低的合金,因此單位長度的管道重量還需要增加,浮力要求也會更多。

第二個技術是無粘結柔性管。常規的無粘結柔性管采用的是多層構造,主要為金屬材料增強的熱塑性管道襯里。在柔性管的剖面示意圖中可以觀察到這種典型的結構。每層都有特定的功能,其中金屬層包括:用于抗塌陷的胎體、用于耐壓的箍殼,以及用于承載軸向張力和壓力端蓋負載的拉伸外殼。

通過對各層幾何形狀和尺寸的優化,可根據具體的油田規范進行無粘結柔性管的定制設計。根據作業要求,模塊化的設計可為用戶提供定制解決方案。柔性管是連續的,其長度由輸送卷軸尺寸或圓盤傳送帶決定。因此在超深水作業中,多個長度的柔性管存在連接在一起的可能性。典型的卷軸大約可繞1000米左右的管柱,相應的舉升能力為330噸。此外,為了在超深水應用中實現動態穩定的系統立管或管線配置和安裝方案,作業者必須采用模塊化的方法。

與剛性管柱相比,柔性管技術有以下兩個優勢。

第一,通過改變各個小層的設計,可以定制其橫向強度,進而實現抗張和抗坍塌強度的優化,達到較小的單位長度重量。這樣就降低了管柱的總體重量,減少對輔助設施的需求,如浮力塊等。

第二,由于管柱的長度是連續的(7英寸的可達到約1000米),作業中可以采用標準的卷軸設備,簡化了安裝后勤工作,降低了系統費用。

盡管具有以上優勢,但是傳統的無粘結柔性管仍存在幾個重大的技術難題。

一個最主要的問題是,當深度達到3000米后,柔性管管柱的重量和坍塌負載還是太大了,現有材料技術都已經達到了各自的技術極限。

第二個難題是,在高的設計壓力下,胎體和壓力外套的不規則表面可能會導致阻擋層完整性的進一步復雜化。類似地,由于阻擋層的外表面是通過未粘結但互鎖的環箍層增強的,因此總是存在小間隙,在三軸應力的作用下會發生襯管的熱塑性蠕變,當壓力增大時也會出現相應問題。

在常規設計中,往往還會增加一套功能層:橋接間隙的抗擠壓層或防止阻擋層局部蠕變的補償擠出量。

但增加層同時也額外增加了制造成本,并且在結構內加入新層后,如果管柱環空中發生氣滲現象,則會帶來更復雜的問題??偠灾?,無論是采用剛性金屬或柔性無粘結立管,在技術上都是可行的。但是由于系統和應用費用的問題,在經濟上還仍然不可行。出于這些原因,加之考慮到超深水資源所帶來的巨大機會,能夠滿足技術要求的、經濟可行的低風險新技術亟需被開發。

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