柔性管應用海上油氣開發(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。
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，均提出了柔性管的應用問題。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，并已于2016 年 完 成 了 供 Prelude FLNG應用的高壓高溫動態(tài)柔性立管的生產，領先推動了全球海上油氣田中柔性管的應用。我國海上油氣田中柔性管的應用很少，有必要借鑒國外先進經驗，推動柔性管的應用。因此，本文圍繞海上油氣田中柔性管的應用，進行論述，并對我國的應用問題提出建議。
柔性管的結構
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復合在一起組合而成的結構。它借助具有不同機械性能和結構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壓力和軸向力及大變形的堅強結構。如圖 1 所示，柔性管自外至內分別由外殼（OUTER SHEATH）、承受拉力鎧甲 （TENSILE ARMOUR）、承 受 內 壓 鎧 甲（PRESSUREARMOUR）、 內 襯（INNERLINER）、內鎖（CARCASS）層等，一層一層地組成。
內鎖層由鋼帶纏繞而成，它用以防止內襯層的擠壓破壞，并可抵御粗顆粒及工具的損傷。內襯層由聚合物制成，以利于油氣流體輸送。內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，它可對內部各層提供保護，以適應管外環(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，但卻相關，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；而更多的復雜柔性管，則可以多至 19 層。
海上油氣田應用現(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，就已經開始批量生產出了柔性管， 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 8 次成功地應用柔性管鋪設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 的內徑小于 10 英寸；76% 的柔性管的內壓工作壓力低于 5,000PSi；70% 的柔性管的工作溫度小于 80攝氏度；絕大多數(shù)柔性管內壓與內徑 的 乘 積 小 于 50,000Psi-inch；流體壓力與管內徑乘積的極限為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平臺作為立管；還可用作鋪設在復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，目前應用 7英寸和 9 英寸管徑的柔性管，工作水深己經達到 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雜油田的開發(fā)，彰顯出柔性管技術性能的優(yōu)赿性。
柔性管的制造生產情況
世界第一家柔性管的生產廠家是英國紐卡斯爾工廠，它的產品使用壽命長、耐高壓、耐高溫、具有冷關閉和快速減壓潛能，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 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 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線，生產他們研制出的一種適用于深海及超深海工程領域應用的輕質、非金屬、粘結型的玻纖增強柔性管。與傳統(tǒng)海洋管材相比，該產品具有強度高、抗腐蝕、抗疲勞、柔性好、質量輕、耐高溫等特點，可承受的內壓、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首創(chuàng)，預測市場規(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柔性管，它生 產 的 DN150 18MPa 和 DN10032MPa 纖維增強聚合物柔性連續(xù)復合管，承壓能力高，不僅其性能能夠替代進口的鎳基合金管，而且生產成本僅是進口產品的一半，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，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。
國內需加大生產柔性管
總之，柔性管作為高端產品，我國應進一步開展研發(fā)與生產。國內兩個廠家生產的二、三萬公里柔性管是遠遠不能滿足未來的需求。因此，從供給側改革來看，必須調整產品結構， 大力發(fā)展柔性管生產，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)的臨港產業(yè)區(qū)，已建立了海洋非金屬輸油管材基地。他們生產的纖維增強聚合物柔性連續(xù)復合管，可實現(xiàn)連續(xù)盤卷、連續(xù)鋪設，安裝時可減少漏點、減少勞動強度，技術性能不僅能夠替代進口的鎳基合金管，而且生產成本僅是進口產品的一半，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。
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，我國這些在供給側改革所取得的豐碩成果，急需在我國海上油氣田中推廣應用。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柔性管，鋪設了十幾公里的注氣、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、東方 1-1 氣田、潿洲 12-2 油田群、潿洲 12-1A 中心平臺，鋪設了管徑更大（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柔性管管道，推廣擴大了應用范圍。 直至 2017 年，進一步在潿洲 6-13 油田開發(fā)項目中，應用柔性管輸送高溫原油，首次采用國產的新型交聯(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用時，這種不遺余力地推動國產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，應在我國推廣應用柔性管過程中，大加提倡。
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