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刨根问底:超深水复合柔性立管技术为什么存在

刨根问底:超深水复合柔性立管技术为什么存在

超深水油气田的发现不仅带来了机遇,也带来了技术难题。目前只有刚性金属管柱和无粘结柔性管可以满足超深水作业环境,但二者却不具有经济可行性,未来还在急切期待新技术的开发。

来自 | Offshore
编译 | 周诗雨

墨西哥湾、巴西和安哥拉沿海的超深水区块(深度超过1500米),在给人们带来不计其数的开采机遇的同时,也提出了许多技术上的挑战。特别是超深水作业环境以及这种环境所需要的相对较大的管柱直径,现有的柔性管规格不能很好的满足需求,这就为刚性管和柔性管技术提出了严峻的挑战。

当作业深度超过2000米、设计压力超过1000psi时,要想满足工程需求,则必须对现有的柔性管技术进行创新。同时还需要进行严格的测试,证明新技术的稳健性和耐久性。

为了解决这些问题,美国通用公司在美国能源安全研究伙伴关系(RPSEA)的支持以及美国能源部国家能源技术实验室的资助下,着手进行了一项开发项目:形成质量过关、可用于超深水作业的8英寸内径柔性管柱。项目的研究主体是一种新型混合柔性立管技术,通过设计、性能分析、材料和子组件测试以及最终的现场试验,对该技术进行开发和认证。技术认证的标准制定参考了API/DNV标准和推荐测试方案。 下面主要介绍一下项目的第一阶段。

设计的基本思想是开发一款可适用于超深水应用的,具有最优单位长度质量的混合复合材料和金属/聚合物柔性管。在通用公司的设计中,使用了可以完全粘结到热塑性阻挡层的碳纤维增强热塑性复合压力外壳来代替常规金属压力外壳。为了降低项目的整体风险,缩短推出合格产品的时间,许多已有的层和材料都仍采用与现有无粘结柔性管道技术中相同的材料(如金属胎体、阻隔材料、拉伸金属外壳、绝缘层和护套等)。

技术评估

目前有两个可以满足商业化要求的备选方案,但还没有进行验证的技术。

第一个是传统的刚性金属管柱,通常作为钢悬链线立管(SCR)或顶部张紧立管系统。尽管该技术可以设计出满足工作深度、设计压力和服务要求的较大尺寸立管(大于7英寸),但这是以牺牲整体系统和安装成本为代价的。

在超深水中,管道的壁厚必须足够厚才能承受坍塌负载,而这同时也导致整个管柱系统的重量达到一个难以接受的水平。那么,要想实现该方案,则需要在整个结构中安装大量的浮力块,而这又会大大增加成本。另外,基于刚性管道自身的性质,其在连接到井场时,需要许多小长度的管道,这就危及到了可靠性、安全性和系统成本。最后,为了能够适应酸性环境,需要强度较低的合金,因此单位长度的管道重量还需要增加,浮力要求也会更多。

第二个技术是无粘结柔性管。常规的无粘结柔性管采用的是多层构造,主要为金属材料增强的热塑性管道衬里。在柔性管的剖面示意图中可以观察到这种典型的结构。每层都有特定的功能,其中金属层包括:用于抗塌陷的胎体、用于耐压的箍壳,以及用于承载轴向张力和压力端盖负载的拉伸外壳。

通过对各层几何形状和尺寸的优化,可根据具体的油田规范进行无粘结柔性管的定制设计。根据作业要求,模块化的设计可为用户提供定制解决方案。柔性管是连续的,其长度由输送卷轴尺寸或圆盘传送带决定。因此在超深水作业中,多个长度的柔性管存在连接在一起的可能性。典型的卷轴大约可绕1000米左右的管柱,相应的举升能力为330吨。此外,为了在超深水应用中实现动态稳定的系统立管或管线配置和安装方案,作业者必须采用模块化的方法。

与刚性管柱相比,柔性管技术有以下两个优势。

第一,通过改变各个小层的设计,可以定制其横向强度,进而实现抗张和抗坍塌强度的优化,达到较小的单位长度重量。这样就降低了管柱的总体重量,减少对辅助设施的需求,如浮力块等。

第二,由于管柱的长度是连续的(7英寸的可达到约1000米),作业中可以采用标准的卷轴设备,简化了安装后勤工作,降低了系统费用。

尽管具有以上优势,但是传统的无粘结柔性管仍存在几个重大的技术难题。

一个最主要的问题是,当深度达到3000米后,柔性管管柱的重量和坍塌负载还是太大了,现有材料技术都已经达到了各自的技术极限。

第二个难题是,在高的设计压力下,胎体和压力外套的不规则表面可能会导致阻挡层完整性的进一步复杂化。类似地,由于阻挡层的外表面是通过未粘结但互锁的环箍层增强的,因此总是存在小间隙,在三轴应力的作用下会发生衬管的热塑性蠕变,当压力增大时也会出现相应问题。

在常规设计中,往往还会增加一套功能层:桥接间隙的抗挤压层或防止阻挡层局部蠕变的补偿挤出量。

但增加层同时也额外增加了制造成本,并且在结构内加入新层后,如果管柱环空中发生气渗现象,则会带来更复杂的问题。总而言之,无论是采用刚性金属或柔性无粘结立管,在技术上都是可行的。但是由于系统和应用费用的问题,在经济上还仍然不可行。出于这些原因,加之考虑到超深水资源所带来的巨大机会,能够满足技术要求的、经济可行的低风险新技术亟需被开发。

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