自由站立式混合立管原理样机及其缩比设计 孙金丽, 王伟, 王波, 吴志星 ( 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300452) 摘要 : 针对我国深水油气田发展的现状, 研究西非深水油气田开发状况和工程模式, 提出采用浮式生产储油卸油船 FPSO+ 自由站立式立管 FSHR+ 水下生产系统 SPS+ 穿梭油轮 Shuttle 的组合模式来开发南海 自由站立式混合立管以其降低 FPSO 和刚性立管的运动耦合度的优势在西非深水油气开发中得到广泛应用, 本文重点阐述自由站立式混合立管的主要组成部件 边界条件 荷载条件等, 并给出制造自由站立式立管底部和顶部结构原理样机的缩比设计, 为后续研究自由站立式混合立管底部和顶部结构缩比原理样机模型试验提供理论支持, 也为我国研究自由站立式混合立管提供重要参考 关键词 : 水下生产系统 ; 自由站立式混合立管 ; 深水 ; 边界 Principled Sample Machine and Its Scaled Design for Free-standing Hybrid Riser SUN Jinli, WANG Wei, WANG Bo, WU Zhixing (Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin, 300452, China) Abstract:By investigating the development conditions and engineering modes in Deep-water Oil & Gas Field Development Offshore West Africa and the status quo of deep-water oil and gas field development in our country, It provided the mode of storage FPSO+ free standing hybrid riser FSHR+ the subsea production system SPS + Shuttle tanker Shuttle portfolio to develop the south China sea. It has widely used in the deep-water oil and gas development in west Africa for its lower coupling motions between FPSO and riser system. It emphasis on main components of free standing type hybrid riser, boundary conditions, loading conditions in this paper, and provided the scaled design for top and bottom structure of FSHR. This paper provides important theory supporting for physical model test, also for researching free standing hybrid riser. Keywords: subsea production system, free-standing hybrid riser, deep water, boundary 我国海上油气勘探开发起步较晚, 仅有 40 余年的历史, 且基本都在滩海 浅海 近海上进行 [1], 在深水油气勘探开发方面, 仍处于起步阶段, 研究西非深水油气田典型开发模式将对我国向深水进军有着重要的指导和借鉴意义 西非深水油气田典型开发是采用浮式生产储油卸油船 FPSO+ 自由站立式立管 FSHR+ 水下生产系统 SPS+ 穿梭油轮 Shuttle 的组合模式, 本文主要研究自由站立式混合立管的组成部件 边界条件 荷载条件等, 并给出制造原理样机底部结构和顶部结构的缩比设计 作者简介 : 孙金丽, 女, 工程师, 从事水下生产系统的设计 制造和测试工作 ; 联系电话 :17702258385, E-mail:sunjl@mail.cooec.com.cn 1
1 目前深水油气田开发模式 西非深水油气田典型五大类开发模式如下 [2] : (1) 具有钻井 修井 处理生产 存储 卸油功能的 FDPSO+ 水下生产系统 SPS+ 穿梭油轮 Shuttle 组合模式 (2) 具有存储 卸油功能的 FPSO+ 深水钻井船 / 浮式钻井平台 / 固定平台 CT + 水下生存系统 SPS+ 穿梭油轮 Shuttle 组合模式 (3) 回接到已有设施的开发模式 (4)FPU+ 水下生存系统 SPS+ 海底管线 Pipeline (5) 无任何水面设施的开发模式 在我国南海, 平均深度 1212 米, 最深处达 5559 米 其海底石油和天然气储量巨大, 探明储量在 230 亿至 300 亿吨之间, 相当于全球储量的 12% 目前我国主流开采模式是采用水下回接到附近已有设施的方式开采, 如 2012 年投产的流花 4-1 油田, 以及番禺 35-2/1 水下生产设施项目 1.1 流花 4-1 油田流花 4-1 油田位于流花 11-1 油田西北约 11 千米处, 海域水深范围 260 米 -310 米 流花 4-1 油田井液汇集到流花 4-1 水下生产管汇, 通过海底管线回接到流花 11-1 水下管汇的桥接管汇, 最后经过立管输送到 胜利号 上进行处理 储存和外输 此种开发模式归根结底为运用 FPSO 为主平台进行深水油气田的开发 1.2 番禺 35-2/1 水下生产设施项目番禺 35-2/1 水下生产设施项目, 采取的就是水下井口回接到附近油田基础设施, 此开发模式最为经济 开发模式简述如下 : 来自井口的油气经各自采油树的出油口进入导向生产底座下部的集输管线内, 采油树通过跨接管连接到管汇, 油气从各井口汇集到管汇后, 再通过跨接管进入海底输油管线, 再进一步输送到附近的中心平台 PY34-1, 最后在生产平台 LW3-1 上集中处理 [3] 2 西非海域深水油气开发模式在我国南海的适应探讨 我国南海深水油气开采起步较晚, 水下管网建设近乎空白, 目前最深的深水导管架荔湾 3-1 导管架水深 200 多米 在离岸距离超过 200 千米时, 水深 300 米以上时, 回接到已有设施的开发模式基本不适用, 一般采用全海式开发, 采用深水钻井船或浮式钻井平台 ( 张力腿平台 TLP 和半潜式平台 SS) 进行预钻井, 将各水下井口的原油经水下生产系统和立管等集输到 FPSO 进行处理, 最后根据离岸距离和油藏大小决定外输方式是采用穿梭油轮还是海底管道 综合考虑, 采用水下生产系统 SPS+ 立管系统 +FPSO+ 穿梭油轮的开发模式对我国南海较为适宜 图 1 为西非深水油气田典型开发模式 另外, 西非海域常年主导浪向良好, 因此与混合立管搭配的 FPSO 通常采用分布式多点系泊, 但是在南海一般使用转塔式单点系泊以适应多变的海洋环境 南海台风频发, 在极端工况下, 通常要求停止生产, 撤退人员, 甚至要求将 FPSO 与立管系统解脱并拖拉至安全海域避险, 因此推荐使用具备快速的解脱和连接能力的自由站立式混合立管 2
图 1 西非深水油气田典型开发模式 3 自由站立式混合立管 立管系统本质上是指连接海面浮式生产装置和海底设备之间的导管 [4] 根据其结构形式和材料类型, 常见的立管系统大致可以分为顶部张紧立管 TTR(top tension riser), 钢制悬链线立管 SCR(steel catenary riser), 柔性立管 FR(flexible riser), 混合立管 HR(hybrid riser) 为了减少浮式平台 FPSO 的运动响应, 通常采用混合立管 ( 自由站立式立管 ), 由一段近乎垂直于海床的刚性立管主体和一段连接刚性立管和浮式生产系统 FPSO 的柔性跳接管混合组合而成 其主要部件包括 : 空气罐 张紧链 柔性管 鹅颈管 顶部总成 立管主体 底部总成 刚性跳接管 立管基础和连接器等 立管顶部采用悬链线连接浮力筒从而提供浮力 柔性跳接管 ( 又称鹅颈管 ), 它将刚性立管与船体柔性连接起来, 使刚性立管与船体的运动相分离, 大大降低了浮式生产装置和立管系统的运动耦合度以及对应的疲劳损伤, 从而减小了立管的偏移 自由站立式立管的顶部和底部结构作为连接 FPSO 和水下生产设施的关节, 其受力和疲劳分析较为复杂, 顶部结构上连接空气罐张紧链 柔性跳接管, 下连接立管主体, 底部结构上连接刚性跳接管 立管主体, 下连接立管基础 因此需要顶部和底部结构具备一定的强度 刚度和疲劳强度并且要求尺寸小, 重量轻, 拖曳面积小 考虑到安装方便, 在顶部和底部结构上应设有吊耳 / 系缆结构, 便于安装过程中的起吊 下放 悬挂 牵引, 并设有 ROV 操作平台 / 抓手, 便于 ROV 水下操作 图 2 自由站立式立管顶部结构和底部结构常见形式 3
4 自由站立式立管顶部和底部结构原理样机的确定 : 在进行物理模型试验时, 一般制造缩比的原理样机进行试验 4.1 原理样机模型几何缩比的确定在比例尺选择上, 模型试验的缩尺比选择一般在 1 1~1 70 之间, 由于考虑到小尺寸试件的结构 受力和制作均与原型实际结构不同, 特别是大尺寸试件和小尺寸试件焊接残余应力差别较大, 会使试验数据准确性较差, 为缩小这种差别, 尽可能设计出与实际结构相当的试件 缩放比例的大小, 取决于试验设备的能力, 最大的模型尺寸取决于试验设备的最大空间和加载能力, 最小尺寸取决于最小载荷的数值和测量仪器, 仪表的分辨力和精度 缩尺遵照如下相似的原则确定 : 长度比尺 : 4.2 原理样机材料模拟的确定 根据如下缩比原理, 弹性模量相似 : 密度相似 : 模型材料的弹性模量应是原型材料的弹性模量的倍, 具备这样的弹性模量和泊松比的材料, 实际上往往既无天然的, 也难以人工制造 在原型材料的应力与应变的关系为非线性的情况下, 由于模型材料的应力与应变关系必须与原型的应力应变关系相似, 所以得到这样的材料就更为困难 多数情况下, 选用模型材料应尽可能地选用与原型真实结构相同的材料 4.3 原理样机荷载条件确定原理样机荷载条件的确定应遵循动力相似, 要求与模型中对应点上作用的各同名力矢量互相平行, 且其大小具有同一比值 运动和动力相似遵循如下相似原理 : 速度比尺 : 力比尺 : 力矩比尺 : 4
应力比尺 : 应变比尺 : 4.4 原理样机边界条件确定在求解方程式时, 支承条件以位移的形式来给出 所有的模型模拟载荷的作用点和作用方向应与真实载荷相一致, 力的大小根据相似条件而定 对于球形铰支, 三个方向的位移为零 ; 弹簧约束为约束轴向的力 ; 固定支承, 线位移和角位移为零 为了获得两个相似的系统, 建立相似的方程式, 模型的支承应与实际结构的支承相同 当然, 为了制作的方便, 可以简化, 但不能改变其原有的性质 综上, 原理样机各物理量缩比的相似汇总见下表 1 表 1 原理样机各物理量的相似比 长度面积体积位移速度加速度力 L A V D v a F 弯矩密度应力弹性模量抗拉刚度泊松比时间 M E k T 1 5 结论 自由站立式混合立管以其降低浮式生产装置和立管系统的运动耦合度的独特优势, 成为西非深水油气田开发中常用的立管类型 本文通过分析国内深水油气田开发现状, 概况西非深水油气田常用开发模式, 提出在深水油气开发中采用自由站立式混合立管, 并介绍了自由站立式混合立管组成部件, 给出了自由站立式立管底部和顶部结构的几何缩比和边界条件 荷载条件等缩比设计 参考文献 [1] 廖谟圣, 曹丽平. 我国海洋石油工业的进展和国外差距和建议 [J]. 石油矿场机械,2005,34(2):13-18. [2] 王莹莹, 段梦兰, 冯玮, 等. 西非深水油气田典型开发模式分析 [J]. 石油矿场机械,2010,39(11):1-8. [3] 中海石油研究中心. 深水工程手册 [M]. 北京 : 中海石油研究中心,2010:10-12. [4] 宋儒鑫. 深水开发中的海底管道和海洋立管 [J]. 中国造船,2002(10):238-251. ( 责任编辑刘蕾 ) 5