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深水设备设施新技术探索

深水设备设施新技术探索

深水开发的降本、提质、增效成为必然。无论油价如何,新技术总是最受关注的焦点。

来自 | E&P
编译 | 白小明

随着大量易开采的油气资源已被发现,全球海上勘探活动正在转向条件相对恶劣的环境,这一趋势也不断推动技术和材料学的发展。推动海上油气行业能力发展的驱动因素主要来自两个方面:内部和外部因素。

就内部因素而言,越来越多的管道需要运行在温度达到或超过传统建筑材料极限温度的环境下。根据服务不同,管道必须能够承受越来越高的作业温度,或者在进行北极勘探时需要承受极端寒冷条件。随着酸性液体运输需求量的增加,也拓展了压力极限范围。

就外部因素而言,主要是管道运营正逐渐转向深水和更加恶劣的环境(更大、更强的海浪,更复杂的洋流)。这些运营活动通常是在偏远的工作的地点,支持设施数量少,同时有可能面临诸如冰山或不可预测的暴风雨条件等重大环境危害。

挑战和设计考虑因素

深水管道处于外部高压环境下,需要较厚的管道壁,以承受安装过程中遇到的海底压力和应力。然而,当在深水环境中铺设管道时,较厚管道壁带来的附加重量以及悬链线的长度,二者将对铺管船的抗拉承载力及其承受弯曲应力的能力带来挑战,最终可能导致管道塌陷或弯曲。

船舶当前的抗拉承载力明显限制了管道铺设的作业水深;因此,传统钢制管道的作业水深上限目前约为3000米。要超过此深度,则需要采用新的安装技术,增加铺管船的抗拉承载力或使用替代材料。

一旦在深水和寒冷环境安装了管道,作业人员在保障流动安全性方面就将面临形成水合物或蜡沉积堵塞带来的挑战。事实上,管理流动安全性和资产完整性本身就存在挑战,更别说还处在充满风险的临极端环境下。在寒冷环境下运营的管道面临极端的风暴天气,这可能会影响其结构完整性,而且冰山可能会造成机械损坏,特别是对隔水管。

有一些办法可以降低这些潜在风险,例如可以将管道埋在海床下,或用保护性混凝土“垫子”覆盖管道,可以用挠性立管替代刚性隔水管或悬链线隔水管,当冰山靠近或遇到极端暴风雨威胁时,这些挠性立管可与FPSO单元断开连接。

然而,位于深水或偏远地区的管道却面临着缺乏配套基础设施的挑战。在管理成本和最大限度地提高环境绩效方面,每个工程项目都将有其自身特定的挑战,这些挑战最好在设计、安装、运营、延期和退役等阶段以整体全面的方式加以解决。

由于测试和验证新技术需要花费大量的时间,因此,相比于当前可以立即获得的技术及其相关的财务风险,创新造成的不利影响往往更大。同样的道理,那些充满技术挑战而周期较长的项目,往往更容易也更愿意探索新技术的应用。

新技术

随着石油收入的下降,实施创新面临的最大障碍是就是成本问题,尤其是在新区域的项目,这一点更明显。

尽管如此,随着勘探活动不断深入之前未到达的作业水深,技术创新仍然是海底管道业主的关注点。推动新兴技术的部分原因是传统工程材料和技术的局限性;简单来说,行业已经到达了现有能力范围的极限,因此,新设计技术和新材料的应用对于实现行业目标是非常必要的。

然而,当前使用的材料和设计,在应用于当前作业条件前,都需要进行测试和鉴定,同理,新技术也一样,需要经历同样的审核过程:它们需要经过测试、认证并验证满足服务要求,并测试和验证其操作特性以确保系统设计和性能评估的准确性。

通常来说,新技术需要一整套新的测试参数及新的测试方法,这些测试方法本身也需要在应用之前进行详细的评估。所有这一切都使新技术的开发成本非常高昂,开发过程可能需要数年的时间才能完成,但这么做对于控制工程和财务风险在可接受的水平来说,却至关重要。

包括水下加压和处理等在内的于深水油田实施的新技术,使许多油藏开发变得更经济,同时降低了资产遭受不利天气条件影响的风险。

海底加压为生产立管将生产流体从油藏运输到地面提供了所需压力,提高了油井产量,使边际油田的生产变得经济可行。几个深水油田正在使用的另一项技术是水下处理,即进行油气相分离,除去水和沙,从而减少需要运输到地面的流体量。通过只运输单相生产流体,该技术提高了生产管线和立管的效率,并且减少或彻底消除了注入控制水合物形成的化学药品的需要。

水下处理技术使操作人员在海面处于极端天气时仍然可以进行作业,并降低了恶劣天气期间损坏资产的风险。

为了支持资产完整性管理计划,行业正在探索使用AUV,它们可以停靠在水下并充电,来执行常规的目视检查、快速管道监测和探测侵蚀的阴极保护检查。在某些情况下,AUV可以替代ROV及其支持船,从而降低成本,改进完整性管理实践和维护修理作业活动。

复合材料

随着热塑性复合管的出现和应用,管道本身也在不断发展。最典型的创新之一是,行业真正采用了复合管,而不是增强的热塑管。复合管是将增强纤维嵌入复合基质中,形成固体管壁,而在增强热塑性管是将纤维增强带缠绕在衬管上。

这类似于传统的纤维增强塑料管,但它使用高性能聚合物作为基体,而不是热固性塑料。这是一种防坍塌破裂的管材,可以在更大的温度范围内使用,脆性更小,不太容易受到与酸性环境作业和腐蚀相关问题的影响。

与传统的挠性管相比,新的增强材料可以改善结构性能,减少疲劳,改善管道与流体的兼容性,降低对化学清除剂和抑制剂的依赖,这些材料用于控制井内流体的组成。减少的质量可以使工程师降低连接扣承受的载荷,最终简化在超深水环境中的安装。

结构性能的改进和对液体耐腐蚀性的提高,都控制在工程成本范围以内,包括大幅提高管道的弯曲刚度和最小弯曲半径,这两者都对系统设计和安装程序有影响。

叠层制造

另一个新兴技术是使用叠层制造技术来制造水下设备。由于深水处理设施需要厚壁容器来承载压力,因此在使用固体钢板制造时,重力式分离器等设备将变得体积非常大,难以运输。

事实上,海底分离设备的尺寸往往受到安装时提升设备能力的限制,而不是所需的分离性能。可以使用叠层制造技术来制造不同形状的板材,例如3D蜂窝晶格,与实心钢板相比,它可以提供更大的强度重量比。

叠层制造过程采用存储在计算机中物体的3D模型,并将其转换为非常薄的层。它通过一次添加一层的方式来构建对象,然后叠加材料直到对象构建完成。

与叠层制造相关的技术已经发展到支持部件制造、成型应用和结构修复,正是材料科学(例如,金属和热塑性粉末、钢丝、树脂和复合材料)和粘合技术(例如,激光熔化、电子束熔化、光聚合和化学反应)的创新发展使得这些技术进步变成现实。

水下行业的短期发展机会之一,可能是能够快速制造新设备,或者维修经常需要更换或淘汰的设备部件。然而,由于叠层制造技术能够定制加工材料,因此改变固体材料的特性能够以新的方式平衡设备结构的完整性,这对行业来说可能是一个全新的尝试。不过,在使用新技术前,需要更深入地了解该技术的优势和劣势。

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二丫
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(北京),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。如需获取更多技术资料,请联系二丫(QQ295900524;微信13132550596)

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