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深水設備設施新技術探索

深水設備設施新技術探索

深水開發的降本、提質、增效成為必然。無論油價如何,新技術總是最受關注的焦點。

來自 | E&P
編譯 | 白小明

隨著大量易開采的油氣資源已被發現,全球海上勘探活動正在轉向條件相對惡劣的環境,這一趨勢也不斷推動技術和材料學的發展。推動海上油氣行業能力發展的驅動因素主要來自兩個方面:內部和外部因素。

就內部因素而言,越來越多的管道需要運行在溫度達到或超過傳統建筑材料極限溫度的環境下。根據服務不同,管道必須能夠承受越來越高的作業溫度,或者在進行北極勘探時需要承受極端寒冷條件。隨著酸性液體運輸需求量的增加,也拓展了壓力極限范圍。

就外部因素而言,主要是管道運營正逐漸轉向深水和更加惡劣的環境(更大、更強的海浪,更復雜的洋流)。這些運營活動通常是在偏遠的工作的地點,支持設施數量少,同時有可能面臨諸如冰山或不可預測的暴風雨條件等重大環境危害。

挑戰和設計考慮因素

深水管道處于外部高壓環境下,需要較厚的管道壁,以承受安裝過程中遇到的海底壓力和應力。然而,當在深水環境中鋪設管道時,較厚管道壁帶來的附加重量以及懸鏈線的長度,二者將對鋪管船的抗拉承載力及其承受彎曲應力的能力帶來挑戰,最終可能導致管道塌陷或彎曲。

船舶當前的抗拉承載力明顯限制了管道鋪設的作業水深;因此,傳統鋼制管道的作業水深上限目前約為3000米。要超過此深度,則需要采用新的安裝技術,增加鋪管船的抗拉承載力或使用替代材料。

一旦在深水和寒冷環境安裝了管道,作業人員在保障流動安全性方面就將面臨形成水合物或蠟沉積堵塞帶來的挑戰。事實上,管理流動安全性和資產完整性本身就存在挑戰,更別說還處在充滿風險的臨極端環境下。在寒冷環境下運營的管道面臨極端的風暴天氣,這可能會影響其結構完整性,而且冰山可能會造成機械損壞,特別是對隔水管。

有一些辦法可以降低這些潛在風險,例如可以將管道埋在海床下,或用保護性混凝土“墊子”覆蓋管道,可以用撓性立管替代剛性隔水管或懸鏈線隔水管,當冰山靠近或遇到極端暴風雨威脅時,這些撓性立管可與FPSO單元斷開連接。

然而,位于深水或偏遠地區的管道卻面臨著缺乏配套基礎設施的挑戰。在管理成本和最大限度地提高環境績效方面,每個工程項目都將有其自身特定的挑戰,這些挑戰最好在設計、安裝、運營、延期和退役等階段以整體全面的方式加以解決。

由于測試和驗證新技術需要花費大量的時間,因此,相比于當前可以立即獲得的技術及其相關的財務風險,創新造成的不利影響往往更大。同樣的道理,那些充滿技術挑戰而周期較長的項目,往往更容易也更愿意探索新技術的應用。

新技術

隨著石油收入的下降,實施創新面臨的最大障礙是就是成本問題,尤其是在新區域的項目,這一點更明顯。

盡管如此,隨著勘探活動不斷深入之前未到達的作業水深,技術創新仍然是海底管道業主的關注點。推動新興技術的部分原因是傳統工程材料和技術的局限性;簡單來說,行業已經到達了現有能力范圍的極限,因此,新設計技術和新材料的應用對于實現行業目標是非常必要的。

然而,當前使用的材料和設計,在應用于當前作業條件前,都需要進行測試和鑒定,同理,新技術也一樣,需要經歷同樣的審核過程:它們需要經過測試、認證并驗證滿足服務要求,并測試和驗證其操作特性以確保系統設計和性能評估的準確性。

通常來說,新技術需要一整套新的測試參數及新的測試方法,這些測試方法本身也需要在應用之前進行詳細的評估。所有這一切都使新技術的開發成本非常高昂,開發過程可能需要數年的時間才能完成,但這么做對于控制工程和財務風險在可接受的水平來說,卻至關重要。

包括水下加壓和處理等在內的于深水油田實施的新技術,使許多油藏開發變得更經濟,同時降低了資產遭受不利天氣條件影響的風險。

海底加壓為生產立管將生產流體從油藏運輸到地面提供了所需壓力,提高了油井產量,使邊際油田的生產變得經濟可行。幾個深水油田正在使用的另一項技術是水下處理,即進行油氣相分離,除去水和沙,從而減少需要運輸到地面的流體量。通過只運輸單相生產流體,該技術提高了生產管線和立管的效率,并且減少或徹底消除了注入控制水合物形成的化學藥品的需要。

水下處理技術使操作人員在海面處于極端天氣時仍然可以進行作業,并降低了惡劣天氣期間損壞資產的風險。

為了支持資產完整性管理計劃,行業正在探索使用AUV,它們可以??吭谒虏⒊潆?,來執行常規的目視檢查、快速管道監測和探測侵蝕的陰極保護檢查。在某些情況下,AUV可以替代ROV及其支持船,從而降低成本,改進完整性管理實踐和維護修理作業活動。

復合材料

隨著熱塑性復合管的出現和應用,管道本身也在不斷發展。最典型的創新之一是,行業真正采用了復合管,而不是增強的熱塑管。復合管是將增強纖維嵌入復合基質中,形成固體管壁,而在增強熱塑性管是將纖維增強帶纏繞在襯管上。

這類似于傳統的纖維增強塑料管,但它使用高性能聚合物作為基體,而不是熱固性塑料。這是一種防坍塌破裂的管材,可以在更大的溫度范圍內使用,脆性更小,不太容易受到與酸性環境作業和腐蝕相關問題的影響。

與傳統的撓性管相比,新的增強材料可以改善結構性能,減少疲勞,改善管道與流體的兼容性,降低對化學清除劑和抑制劑的依賴,這些材料用于控制井內流體的組成。減少的質量可以使工程師降低連接扣承受的載荷,最終簡化在超深水環境中的安裝。

結構性能的改進和對液體耐腐蝕性的提高,都控制在工程成本范圍以內,包括大幅提高管道的彎曲剛度和最小彎曲半徑,這兩者都對系統設計和安裝程序有影響。

疊層制造

另一個新興技術是使用疊層制造技術來制造水下設備。由于深水處理設施需要厚壁容器來承載壓力,因此在使用固體鋼板制造時,重力式分離器等設備將變得體積非常大,難以運輸。

事實上,海底分離設備的尺寸往往受到安裝時提升設備能力的限制,而不是所需的分離性能??梢允褂茂B層制造技術來制造不同形狀的板材,例如3D蜂窩晶格,與實心鋼板相比,它可以提供更大的強度重量比。

疊層制造過程采用存儲在計算機中物體的3D模型,并將其轉換為非常薄的層。它通過一次添加一層的方式來構建對象,然后疊加材料直到對象構建完成。

與疊層制造相關的技術已經發展到支持部件制造、成型應用和結構修復,正是材料科學(例如,金屬和熱塑性粉末、鋼絲、樹脂和復合材料)和粘合技術(例如,激光熔化、電子束熔化、光聚合和化學反應)的創新發展使得這些技術進步變成現實。

水下行業的短期發展機會之一,可能是能夠快速制造新設備,或者維修經常需要更換或淘汰的設備部件。然而,由于疊層制造技術能夠定制加工材料,因此改變固體材料的特性能夠以新的方式平衡設備結構的完整性,這對行業來說可能是一個全新的嘗試。不過,在使用新技術前,需要更深入地了解該技術的優勢和劣勢。

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