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中國海底管道工程技術及發展趨勢

TIME: 2022-12-20

一、海底管道工程簡介

當今世界,各國都把目光瞄向了海洋油氣資源在海洋石油中的開發,而此類開發需要在海上建設各類采油平臺、鉆井以及油氣資源的輸送設施,而各國目前采用的都是以海底管線作為海洋油氣資源的主要輸送方式,因此,海底管道成為了海上油氣田開發的重要組成部分,具有便捷、可靠、經濟、高效等優點,并且是油和氣的主要外輸手段。

海底油氣輸送管道是指水位最高時,位于海面以下的那部分直徑為20cm至lm的管道,是海上油氣田開發中油氣傳輸的主要方式,也稱為海洋油氣生產系統中的“生命線”。我國的海底油氣管道是近20年發展起來的。據統計,我國于2005年建成的海底輸油管道,總長度超過3000km,這項工程形成了具有中國近海特色的專有技術能力,而且使得工程技術人員基本掌握了百米水深以內的海底油氣管道施工設計與技術。目前,中國海底管道總里程已超過9000km,其中,隸屬于中國海洋石油集團有限公司(簡稱中國海油)的管道近8000km。中國海底管道約占全國油氣管道總里程的5%,雖然占比不高,但其輸送量接近全國油氣總輸量的25%。

國際上,海底管道起源于美國墨西哥灣,1954年全球首條海底管道建成。發展至今,海底管道實現了由淺灘海域到淺水,再向中深水、深水、超深水的跨越式發展。管道形式早期以鋼管為主,隨后向涵蓋單層鋼管、雙層保溫鋼管、單層夾克保溫鋼管、內附合金鋼管、子母綁扎管、撓性管道、粘接式非金屬管、集束管等多種類型相結合的方式轉變。根據使用位置和狀態,海底管道又可分為海面漂浮式管道、水中立式管道、海底水平管道以及動態立管。目前,全球最深的海底管道鋪設水深已超過2824m。

中國海底管道相關技術研究起步較晚,因技術封鎖、裝備落后等原因,海底管道工程行業發展受到極大限制。1973年,中國首條海底油氣管道在山東黃島成功鋪設;1985年,中國首條海上平臺間海底油氣管道在埕北油田建成投產;1989年,中國在渤中28-1油田自主建設了首條海底管道,真正具備了海底管道的工程技術能力。近年來,隨著中國自主研發力度加大、海洋油氣田開發建設進程加快,中國已全面創建形成了海底管道工程體系。


海底管線按其使用目的可分為內部轉運平臺、管線和外部輸管的水、連接管線或化學品運輸管線等類型。海底管道的鋪設狀態包括三種形式:挖溝不埋管道、平鋪在海床上的管道、挖溝淺埋管道。海底管道的運行狀態除包括上述的鋪設狀態外,還包括因波浪或地形、海流的沖刷和淘蝕作用導致的懸空狀態。我國目前研究的海底管道工程的內容主要有:管道施工技術、海底管道安全狀態評估以及管道疲勞壽命分析評估。

目前,中國已自主掌握了海洋管道稠油與高凝原油長距離多相輸送技術、惡劣海況及復雜地貌下海底油氣管道設計技術、海底管道高效安裝技術、海底管道事故應急處置及維保技術在內的系列核心關鍵技術,并建立了較為完善的工程裝備體系,有效解決了中國海洋稠油及高凝油多相混輸,惡劣海況及復雜地質下的海底管道設計、安裝、維搶修等系列重大難題,建成了渤海、東海、南海海洋油氣管網,支撐了中國“海上大慶”建設。

二、海底管道鋪設方法

⒈鋪管船法

⑴拖管法

拖管法一般都會應用在近海淺水區海底管道的鋪設。拖管法中的管道一般在陸上組裝場地或在淺水避風水域中的鋪管船上組裝成規定的長度,然后用起吊裝置將管道吊到發送軌道上,再綁上拖管頭進而浮筒,用拖船把管道拖下水,按預定的航線將管道就位、下沉,最后再將各段管道對接,完成管道鋪設全過程。目前,拖管法已經有四種方式:浮拖、水面下拖行、離底拖和底拖。

①浮拖。浮拖主要應用于海面風浪較小的海域,指的是利用浮筒來調節管道浮力使其漂浮在水面上,然后用大馬力主拖輪牽引管道首端沿既定路線航行,尾拖輪牽引管道尾端控制其橫向漂移以保證管道安全。它受海水流速、管道尺寸、拖輪大小等因素限制,每次浮拖的管道長度在幾百米到幾千米范圍內不等。

③水面下拖行。水面下拖行與浮拖法有些相似,只是將管道位置調整到水面下一定深度進行拖行。而且它的水面下拖行的管道會受到波浪和風等環境荷載的直接作用較小,管道更安全。

③離底拖。離底拖指利用拖鏈和浮筒將管道懸浮在海床以上的一定高度,再由水面拖輪牽引前進,這樣避開了海底障礙和地形起伏,又減小了海面風浪的影響,所以這種方法的適用范圍比較廣。

④底拖。在底拖中,管道直接放置在海底,由水面拖輪牽引至安放場地。這種施工方相對比較簡單,但是它也會受海床土壤類型和海底地形起伏的影響,需要的拖輪馬力比較大,管道長度和拖航距離也較短,一般只在海底平坦的海域應用,具體方法如下圖1所示。

圖1 底拖法鋪管示意圖

⑵S型鋪管法

目前海底管道鋪設技術中應用最多的方法就是S型鋪管法,這種方法一般要安排艘起拋錨拖輪或者多艘起拋錨拖輪來支持鋪管,工程在展開之前,需將一個錨定位在海床上,然后將錨纜引過托管架并系到第一根管子的端口,通過托管架的支撐,它會自然的彎曲成“S”型曲線。如圖2所示。根據受力點的不同,可分為三個區域,即上彎段、中間段、下彎段。上彎段一般是從鋪管船上的張緊器開始向下延伸到管道脫離托管架支撐為止;下彎段是從拐點到管線在海床泥面的著地點這段區域;中間段一般較短,即上彎段和下彎段之間的部分。目前,S型鋪管技術可使用多條作業線進行管線預制,需要一個托管架,具有多個焊接站,隨著水深的增加,托管架長度會增加、張力也會增大,但它的穩定性會減弱、風險也會增加。

圖2 S型鋪管法示意圖

⑶J型鋪管法

為了適應鋪管水深的不斷增加,20世紀80年代以來J型鋪管法發展了起來,它是進行深水和超深水的種海底管道鋪設的最適合方法?,F階段,J型鋪管法主要有2種類型:即鉆井船J型鋪管法和帶傾斜滑道的J型鋪管法。在鋪設過程中,通過借助調節托管架的管道和傾角承受的張力來改善懸空管道的受力狀態,達到安全施工的目的,如圖3所示。

圖3 J型鋪管法示意圖

⑷卷管式鋪管法

卷管式鋪管法鋪設效率高、費用低,是一種在陸地預制場地將管道接長,卷在專用滾筒上,然后送到海上進行鋪設的方法。它的工程風險小,可以連續性鋪設。由于受鋪管船尺寸和滾筒直徑的限制,卷管式鋪管法適用柔性好的小直徑管道,適合于深水區域的管道鋪設。卷管法中用的滾筒的放置方法一般有有水平放置和豎直放置兩種,為減小管道卷繞后的塑性變形滾筒直徑一般比較大。如圖4所示。

圖4 卷管式鋪管法示意圖

⒉拖拉法鋪管技術

陸上拖管法分為接管拖管法和棄管拖管法兩種。接管拖管法指鋪管船在管軸線上就位,然后將陸地絞車拖拉索具的一端送上鋪管船,使其與管道拖拉頭相接,再利用鋪管船上的工程線接管,陸地用絞車拖管接一根拖一節,然后逐漸將管道拖向登陸點;棄管法指的是在鋪管船就位后先做一段正常的鋪管,等其達到設計管段的長度之后再棄管。陸地絞車往岸邊拖管,鋪管船絞車隨即放纜、當管道的末端即將到達原鋪管船初始位置時應停止拖拉,鋪管船開始向回移船,并收起管道末端繼續接管、再棄管、再接管,用此方法完成管道的登陸鋪設。如圖5所示。

圖5 海底管線拖航示意圖

⒊浮游法

浮游法鋪管是指管道在淺水避風水域的鋪管船上或者在路上完成管線連接。采用浮筒使管線漂浮在水面上,由工程船將管線拖拉到管線設計路由處,解除浮筒使管線下沉到海底的鋪管方法。這種鋪設方法會受海面波浪的影響,為了能夠控制漂浮的管道,還需要一條牽制拖船,采用水面或者近水面浮游鋪設管道的方法容易受到水面情況的影響,從而對海上交通產生影響。

穩定性是海底管道設計的關鍵問題之一,據統計,隨著近幾十年全球能源需求的不斷增加和技術的進步,海洋油氣也在不斷向深水開發,就1996-2006年間所采用的主要深水鋪管工程方法來看,在總共的64個項目之中,有32個項目采用了S型鋪管法,占占總數的5000,J型鋪管法在項目中的采用占58% ,這些數據充分表明,到目前為止S型鋪管法仍然是海地管道鋪設技術中最主要的深水鋪管方式,而隨著近幾年海底鋪管設備和鋪設技術的不斷進步,S型鋪管法的鋪設水深也在不斷地增加之中。

三、中國海底管道行業發展歷程

⒈發展階段

中國海底管道行業發展歷程可分為以下5個階段。

⑴萌芽期(1965—1980年):土法上馬,探索下海。以陸上技術和裝備力量為班底向海洋邁進。通過自力更生,不斷學習、試驗,首次實現了由陸上到海上、岸基-船舶-灘海的突破。淺灘海域浮游法安裝技術首次成功應用。

⑵成長期(1980—1989年):對外合作,學習借鑒。采用國際標準,依托中日、中法等對外合作油田開發,突破淺水海域海底管道內部承壓、外部抗腐蝕、防水密封、抵御風波流環境等技術挑戰,海底管道工程技術取得重要進展和突破,實現了淺水海域的管道油氣集輸、結構安全。工程設計水深為0~30m。

⑶發展期(1990—2006年):自主建設,全面提升。海底管道工程設計、安裝、維修能力持續提升,充分發展了淺水海底管道技術,并初步構建了適應中國環境及地質特征的海底管道工程體系,實現了多重、復雜管輸介質的海底安全集輸。實現了一百余條、累計里程約3000km的海底管道工程建設,工程設計水深為0~150m。

⑷開拓期(2006—2014年):逐步擺脫對外依賴,實現多元化發展。技術及裝備能力得到跨越式提升,中深水、深水海域海底管道在位、穩性、鋪設、吊裝、預調試系列工程技術取得突破。完整建立了300m以內水深的海底管道工程裝備體系。突破了深水海底管道抗高靜水壓、途經溝壑、抵御高強度疲勞荷載、深水流動保障等重大技術挑戰,成功建成“海上大慶”。初步具備1500m深水工程技術能力儲備,實現了包括鋼質海管、內覆合金管、子母綁扎管、撓性管在內的多元化工程建設。

⑸跨越期(2014年以后):中國廣泛參與國際領域的海底管道工程市場競爭。建成集設計、建造、安裝、維修于一體的深水海底管道工程技術及裝備體系,持續完善中國淺水、中深水海底管道工程技術體系。全面具備1500m超深水油氣管道自主建設工程技術能力,建成“深海一號”大氣田并成功投產(圖6),技術及裝備能力總體達到國際先進水平。

圖6 “深海一號”能源站及深水立管模型圖

⒉國產化進程

1989年,中國在渤中28-1油田自主建設了首條1.6km長、管徑6in(1in=2.54cm)的混輸海底管道,加快了海底管道工程、技術、材料、裝備的自主化與國產化進程。1992年,在錦州20-2油氣田建成中國首條管長48.6km、管徑12in的長距離油氣水混輸海底管道。同年,中國首條管徑2in/8in、管長10.3km的綁扎式“子母管”海底管道在錦州20-2油氣田成功投產。1995年,在崖城13-1氣田建成管徑28in、全長778km的天然氣輸送海底管道,其管道長度屬中國之最。1998年,中國最長距離多相混輸海底管道在平湖油氣田建成投產,海底管道管徑14in、全長366km。

2001年,在綏中36-1油氣田建成全長70km、管徑20in的中國首條長距離稠油混輸海底管道,這也是全球最長的稠油混輸海底管道。2006年,中國首條國產化無縫海底管道建成投產。2007年,在文昌油田群首條高頻電阻焊海底管道實現國產化,在番禺/惠州油氣田建成首條國產埋弧焊海底油氣管道。2009年,中國首條管徑10in、管長33.5km的集膚效應電伴熱混輸海底管道在渤南油氣田投產使用。2010年,中國首條管徑6in、管長4.2km的國產化撓性海洋軟管在潿洲6-8油田建成投產。2013年,在崖城13-4油氣田成功建成了中國首條管徑6in、管長22.5km的內覆耐蝕合金海底管道。2014年,中國最大高差的高壓大管徑長輸深水海底管道在荔灣3-1油氣田建成投產,其管徑22in、管長79km、最大設計高差達1409m。2019年,在東方13-2油氣田建成中國自主鋪設的距離最長的海底管道,管徑24in、管長195km。2021年,中國首個超深水海洋立管在深海一號大氣田投產,管徑10in,最大水深1463m。同時,在該油田建成中國最大水深的海底管道,管徑8in、管長4.5km,最大作業水深1542m。目前,中國已實現了主要類型海底管道的自主建設。

四、海底管道工程技術體系及發展趨勢

⒈工程技術體系

海底管道工程技術體系主要包括油氣集輸與腐蝕控制技術、海底管道結構設計技術、安裝技術、維搶修保障技術。

近年來,中國海底管道油氣集輸與腐蝕控制技術在理論研究、技術研發、工程應用方面取得重大進展。海底管道稠油、高凝油長距離多相混輸技術取得創新與突破,加降黏減阻劑的稠油混輸管道工藝設計方法在海上稠油輸送中得到應用(圖7),摩阻計算誤差從107%降至4%,實際輸送距離延長1倍,使大批離岸較遠的油田得以開發,累計產油1.08×108m3;建立了高凝油混輸管道流動安全保障技術體系,解決了31個邊際油氣田依托及區域滾動開發難題,累計產油超過5006×104t;提出內覆耐多相流腐蝕合金管與碳鋼管S形鋪管法整體安裝技術,并成功建成投產,成本節省了16.2%。

圖7 稠油混輸管道軸向與周向油水分布變化示意圖

惡劣海況及災害地質下海底管道結構設計技術取得關鍵突破,“波流-管道-土壤”復雜流固耦合分析理論得到進一步發展(圖8),斜坡海床海底管道穩定性設計技術等一系列新技術成功開發應用。在南海荔灣氣田開發中,提出強急流環境下海底管道跨越沖刷分析及抑制方法,破解了大斜坡海底管道穩定性設計與沖刷抑制難題,突破了海底大陸架陡坡管道建設禁區,支撐了油氣田開發由淺海至深海的拓展,解決了惡劣環境下管道結構安全及完整性的技術難題。

圖8 波流聯合作用下海底管道跨越沖刷分析模型圖

通過20余年的持續開發與建設,創建形成了中國海底油氣管道安裝技術及工程裝備體系。開發形成基于動力定位船、錨系船等多種類型的海底管道鋪設技術,研制了海洋石油201船、海洋石油286船等系列化的大型專用工程施工船舶及裝備,并組合形成行業工程體系。在平北黃巖油氣田的滾動開發項目中,提出深水背負式綁扎管道鋪設技術,發明了雙管鋪設專用管卡及自適應扭轉抑制裝置并成功實現了工程應用。目前,中國千米級水深管道就位精度達到0.3%,已實現了海管鋪設水深從300m至1500m的重大突破(圖9),形成了中國全海域海底管道鋪設能力。

圖9 深水高精度海底管道鋪設模型圖

中國海底油氣管道事故應急處置及維保體系得到全面建設與完善,大深度海底挖掘機、重力式常壓干式艙等用于事故處置、維修、保護的系列創新發明裝備面世并成功應用,海底管道水下維修等系列國家工法與標準體系已經構建形成。在渤??绾降篮5坠艿啦煌.a施工中,解決了硬質海床條件下在役管道整體下臥4.5m的技術難題,使跨航道海底管道得到有效保護(圖10)。有效攻克了泄漏海底管道應急封堵、水下濕式不停產搶修、中深水犁式挖溝等關鍵技術和裝備,并得到工程應用,實現了中國全海域海底管道事故的快速處置。近10年來,中國已成功處置各類海底管道受損事故31起,有效保護了海洋生態環境。

圖10 跨航道在役管道不停產整體下臥施工模型圖

⒉工程技術發展趨勢

目前,中國海底管道工程技術及裝備體系距離國際領先水平仍有較大差距,尚不能完全滿足國內外海上油氣田的開發要求。尤其是超深水立管工程技術、大型施工設備機具、核心材料等領域,仍存在顯著短板,需進一步突破和發展,實現全面自主掌握和技術趕超,為加快推進中國南海遠海、超深水油氣田開發夯實基礎。

⑴超深水海底管道工程技術

水下集輸處理、水下增壓、水下分離與流動控制、流動安全保障等超深水流動安全保障技術仍需進一步發展與深化,并實現工程應用。超深水立管結構工程技術也亟需全面掌握,包括深水立管抗疲勞設計、安裝動態分析、在役檢測及安全評估、維搶修等技術的自主攻關與能力提升等。

⑵深水海底管道施工裝備體系

中國目前已具有動力定位S形鋪管船、錨系S形鋪管船、柔性管道鋪管船、潛水支持船(DSV)、水下機器人(ROV)噴射式挖溝機、犁式挖溝機等百余臺套海底管道工程大型作業裝備和機具,但相關設備及裝備能力無法完全適應深水油氣田開發要求,其裝備能力需進一步升級。此外,在J-lay鋪管船、Reel-lay鋪管船、深水海底管道應急濕式回收裝置等大型裝備與工機具方面仍有待進一步攻克關鍵技術,實現相關工程裝備、工機具的研制與配套應用。

⑶關鍵核心材料研發與性能提升

受限于基礎研究和工業化領域的技術短板,中國關鍵核心材料性能相比國際領先水平仍有較大差距。具體到海底管道行業,需進一步加強對外合作,加大研發投入與技術攻關力度,實現鋼管管材、焊材、關鍵結構材料、撓性海洋軟管關鍵部件國產材料性能的全面持續提升,從而更好匹配超深水、惡劣環境、復雜工況及荷載作用下的使用要求。

五、結語

近年來,我國對海洋石油開采的投資在大幅增加,而我國海洋石油開采和勘探工業也在迅速發展當中,這為我國海底管道工程創造了良好的發展前景和機遇。海底管道是海上油氣田開發的必然選擇,全面自主掌握各類型式的海底管道設計、建造、安裝、維搶修、棄置回收技術,并開展配套技術及裝備的國產化研究,形成具有自主知識產權的工程能力,對于全面推進中國海洋油氣田開發建設具有重大意義。

目前,中國已突破稠油及高凝油長距離多相混輸、復雜海底地質和惡劣海洋環境下設計與施工、海上油氣管道事故應急處置等重大挑戰,建立了相對完整的海底管道工程技術與裝備體系,實現了海底管道鋪設水深從300m至1500m的重大突破,形成了中國全海域海底管道工程能力和產業體系,促進了中國海上油氣田規模開發,相關技術及裝備能力達到國際同等水平。


【文章轉載于微信公眾號-溪流之海洋人生 2022-11-17發布】




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