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技術腦補 超深水立管設計要點評價

超深水油田立管系統設計

超深水油田開發在立管設計方面面臨著一系列的挑戰,立管系統已經成為海洋石油行業關注的焦點。本文將對超深水采油、輸油立管系統的設計進行全面評價。

立管壁厚尺寸設計

采油立管石油圈原創www.h29736.cn

鋼制懸鏈線立管(SCR)采用X65鋼級的管線。當設計壓力為5ksi時,采油立管的壁厚設計主要考慮防止因外部靜水壓力過大而造成的管壁壓縮變形。對于直徑為8、10和12英寸的管線,最大壁厚分別為1.51、1.85和 2.17 英寸,此時采油立管的壁厚設計主要考慮的是防止因15 ksi內部設計壓力而造成的管壁破裂。此處需要說明的是:立管壁厚設計僅僅是為了防止立管因外部靜水壓力或內部設壓力造成的壓縮變形或管壁破裂??v向載荷和復合載荷的校驗在尺寸設計之后進行。超深水立管縱向載荷設計準則成為限制條件之一。對于3000米水深條件,采油立管壁厚設計要同時滿足縱向載荷和復合載荷的要求。

迄今為止, 傳統焊接式X65鋼級單管濕式水下采油樹采油立管壁厚最厚為1.65 英寸.。根據現有測試結果,本文中用于海洋石油開采疲勞敏感型焊接式立管系統最大壁厚為1.9 英寸。目前,只有直徑為12英寸、設計壓力為15 ksi的采油立管的壁厚超過了1.9 英寸的限制。

輸油立管石油圈原創www.h29736.cn

鋼制懸鏈線立管壁厚尺寸設計前提條件:X65鋼級的管線、設計壓力5,000 psi。輸油立管的壁厚設計首先要保證立管不會發生擠壓變形和破裂。在任何水深和立管外徑條件下,根據擠壓變形確定的壁厚總要大于根據破裂壓力確定的壁厚。但是為了滿足管線0.5%的彎曲應變,輸油立管的壁厚還要增加。因此輸油立管的壁厚設計主要考慮彎矩和外部靜水壓力。

當水深超過3750 m,考慮水流狀態下靜水壓力在立管頂部產生的縱向載荷,那么有效張力將會超過屈服抗拉能力的60%。因此對于超深水油田,立管管壁必須考慮縱向載荷。

極限水深計算石油圈原創www.h29736.cn

確定了壁厚尺寸之后,根據美國石油協會(API)RP 1111標準計算每個鋼制懸鏈線立管的最佳使用水深。計算水深極限時X65鋼級和X70鋼級的立管都需要考慮。X70鋼級立管的壁厚比X65鋼級立管的壁厚小。由于壁厚較小,X70鋼級立管頂部凈重也較小,因而其水深極限更大。當設計壓力為5000psi,鋼級為X65時,外徑為8英寸、10英寸和12英寸的最佳水深分別為3617m、3495m和3422m。隨著立管設計壓力增加,水深極限隨之增加。當鋼級為X70時,外徑為8英寸,設計壓力為5,000psi時,采油立管的水深極限為3,903 m。

對應于采油立管,采用X70鋼級管線也可使水深極限增加,最大可達3340 m。最大使用水深并隨外徑變化不明顯。需要說明的是,所有水深極限都是在立管頂部傾角為12°的條件下計算得出的。

鋼制懸鏈線立管是利用常規焊接工藝由X65鋼級管線焊接而成。墨西哥灣地區某些鋼制懸鏈線立管也會采用X70鋼級管線。迄今為止,X80鋼級管線并未應用于鋼制懸鏈線立管系統。這是由于在酸性工況條件下厚壁X80鋼級管線的焊接性受到限制,因此本文不予考慮。

強度評估

對以下3種立管配置進行強度分析:石油圈原創www.h29736.cn

1.鋼結構懸鏈式采油立管,X65鋼級直徑為8英寸、壁厚為0.67英寸,設計壓力為5ksi,水深為3617米;

2.鋼結構懸鏈式采油立管,X65鋼級,直徑為10英寸、壁厚為1.85英寸,設計壓力為15ksi,水深為3283米;

3.鋼結構懸鏈式輸油立管,X65鋼級,直徑為16英寸,壁厚為1.17英寸,設計壓力為5ksi,水深為3100米。

根據初步分析,鋼制懸鏈線立管在十年一遇的大風條件下作業時,立管頂端承受的應力比超過允許值達到0.67,這是因為管住壓力的60%都是由于靜水壓力造成的。加上由于鉆井船動態運動產生的彎矩以及由于操作壓力產生的環向應力,鋼制懸鏈線立管在極度惡劣的操作條件下無法達到API RP 2RD的要求。

當遭遇百年一遇的暴風時,只有8英寸的鋼制懸鏈線立管無法滿足應力比要求。在千年一遇的颶風條件下,由于壓縮載荷產生很大的彎矩,立管焊接點處的應力超過了其能夠承受的屈服應力范圍。在千年一遇的颶風條件下波浪周期變長,導致深吃水半潛式平臺升降運動加劇,使得立管焊接點處承受了更大的壓縮載荷。此外,直徑為8英寸立管由于直徑較小,盡管其延伸到水下3617米,但是重量仍然相對較輕,因而更容易受到平臺升降運動的影響,其焊接點處的壓縮載荷和應力也超過了允許范圍。

根據立管動態響應結果,當水深超過3000米時,使用撓性接頭與深吃水半潛式平臺連接的X65鋼級懸鏈式立管連接強度明顯達不到規定要求。

鋼質懶波型立管(SLWR)強度評估

常規鋼制懸鏈線立管在水深超過3400時往往會面臨諸多挑戰。為了尋找強度性能更好的立管,我們將對SLWR型立管進行強度評價。

根據立管的動態響應測試結果顯示,SLWR型立管頂部張力較低,而且對沿立管方向動態起伏運動的控制能力較強,因此SLWR型立管在水深超過3000米的條件穩定性更好。

結論石油圈原創www.h29736.cn

外徑為12英寸,設計壓力為15ksi時,采用X65鋼級和X70鋼級管線焊接而成的采油立管,其壁厚大于2英寸,且無法使用常規管線焊接工藝。對于外徑為24英寸的輸油立管,由于其外部壓力和軸向載荷較大,壁厚大于2英寸,故而也無法使用常規管線焊接工藝。能夠使用常規焊接工藝進行大管徑(16英寸~24英寸)鋼制懸鏈線立管裝配的最大水深為3400m。與鋼制懸鏈線立管相比,由于SLWR型立管的浮艙可產生附加的浮力,因此可用于更大的水深條件。

來自/JPT ?譯者/于曉林 ?編輯/王亞釩

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檸檬
石油圈認證作者
畢業于中國石油大學(華東),油氣井工程碩士,長期聚焦國內外石油行業前沿技術裝備信息,具有數十萬字技術文獻翻譯經驗。如需獲取更多技術資料,請聯系我們。
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