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技术脑补 超深水立管设计要点评价

超深水油田立管系统设计

超深水油田开发在立管设计方面面临着一系列的挑战,立管系统已经成为海洋石油行业关注的焦点。本文将对超深水采油、输油立管系统的设计进行全面评价。

立管壁厚尺寸设计

采油立管石油圈原创www.oilsns.com

钢制悬链线立管(SCR)采用X65钢级的管线。当设计压力为5ksi时,采油立管的壁厚设计主要考虑防止因外部静水压力过大而造成的管壁压缩变形。对于直径为8、10和12英寸的管线,最大壁厚分别为1.51、1.85和 2.17 英寸,此时采油立管的壁厚设计主要考虑的是防止因15 ksi内部设计压力而造成的管壁破裂。此处需要说明的是:立管壁厚设计仅仅是为了防止立管因外部静水压力或内部设压力造成的压缩变形或管壁破裂。纵向载荷和复合载荷的校验在尺寸设计之后进行。超深水立管纵向载荷设计准则成为限制条件之一。对于3000米水深条件,采油立管壁厚设计要同时满足纵向载荷和复合载荷的要求。

迄今为止, 传统焊接式X65钢级单管湿式水下采油树采油立管壁厚最厚为1.65 英寸.。根据现有测试结果,本文中用于海洋石油开采疲劳敏感型焊接式立管系统最大壁厚为1.9 英寸。目前,只有直径为12英寸、设计压力为15 ksi的采油立管的壁厚超过了1.9 英寸的限制。

输油立管石油圈原创www.oilsns.com

钢制悬链线立管壁厚尺寸设计前提条件:X65钢级的管线、设计压力5,000 psi。输油立管的壁厚设计首先要保证立管不会发生挤压变形和破裂。在任何水深和立管外径条件下,根据挤压变形确定的壁厚总要大于根据破裂压力确定的壁厚。但是为了满足管线0.5%的弯曲应变,输油立管的壁厚还要增加。因此输油立管的壁厚设计主要考虑弯矩和外部静水压力。

当水深超过3750 m,考虑水流状态下静水压力在立管顶部产生的纵向载荷,那么有效张力将会超过屈服抗拉能力的60%。因此对于超深水油田,立管管壁必须考虑纵向载荷。

极限水深计算石油圈原创www.oilsns.com

确定了壁厚尺寸之后,根据美国石油协会(API)RP 1111标准计算每个钢制悬链线立管的最佳使用水深。计算水深极限时X65钢级和X70钢级的立管都需要考虑。X70钢级立管的壁厚比X65钢级立管的壁厚小。由于壁厚较小,X70钢级立管顶部净重也较小,因而其水深极限更大。当设计压力为5000psi,钢级为X65时,外径为8英寸、10英寸和12英寸的最佳水深分别为3617m、3495m和3422m。随着立管设计压力增加,水深极限随之增加。当钢级为X70时,外径为8英寸,设计压力为5,000psi时,采油立管的水深极限为3,903 m。

对应于采油立管,采用X70钢级管线也可使水深极限增加,最大可达3340 m。最大使用水深并随外径变化不明显。需要说明的是,所有水深极限都是在立管顶部倾角为12°的条件下计算得出的。

钢制悬链线立管是利用常规焊接工艺由X65钢级管线焊接而成。墨西哥湾地区某些钢制悬链线立管也会采用X70钢级管线。迄今为止,X80钢级管线并未应用于钢制悬链线立管系统。这是由于在酸性工况条件下厚壁X80钢级管线的焊接性受到限制,因此本文不予考虑。

强度评估

对以下3种立管配置进行强度分析:石油圈原创www.oilsns.com

1.钢结构悬链式采油立管,X65钢级直径为8英寸、壁厚为0.67英寸,设计压力为5ksi,水深为3617米;

2.钢结构悬链式采油立管,X65钢级,直径为10英寸、壁厚为1.85英寸,设计压力为15ksi,水深为3283米;

3.钢结构悬链式输油立管,X65钢级,直径为16英寸,壁厚为1.17英寸,设计压力为5ksi,水深为3100米。

根据初步分析,钢制悬链线立管在十年一遇的大风条件下作业时,立管顶端承受的应力比超过允许值达到0.67,这是因为管住压力的60%都是由于静水压力造成的。加上由于钻井船动态运动产生的弯矩以及由于操作压力产生的环向应力,钢制悬链线立管在极度恶劣的操作条件下无法达到API RP 2RD的要求。

当遭遇百年一遇的暴风时,只有8英寸的钢制悬链线立管无法满足应力比要求。在千年一遇的飓风条件下,由于压缩载荷产生很大的弯矩,立管焊接点处的应力超过了其能够承受的屈服应力范围。在千年一遇的飓风条件下波浪周期变长,导致深吃水半潜式平台升降运动加剧,使得立管焊接点处承受了更大的压缩载荷。此外,直径为8英寸立管由于直径较小,尽管其延伸到水下3617米,但是重量仍然相对较轻,因而更容易受到平台升降运动的影响,其焊接点处的压缩载荷和应力也超过了允许范围。

根据立管动态响应结果,当水深超过3000米时,使用挠性接头与深吃水半潜式平台连接的X65钢级悬链式立管连接强度明显达不到规定要求。

钢质懒波型立管(SLWR)强度评估

常规钢制悬链线立管在水深超过3400时往往会面临诸多挑战。为了寻找强度性能更好的立管,我们将对SLWR型立管进行强度评价。

根据立管的动态响应测试结果显示,SLWR型立管顶部张力较低,而且对沿立管方向动态起伏运动的控制能力较强,因此SLWR型立管在水深超过3000米的条件稳定性更好。

结论石油圈原创www.oilsns.com

外径为12英寸,设计压力为15ksi时,采用X65钢级和X70钢级管线焊接而成的采油立管,其壁厚大于2英寸,且无法使用常规管线焊接工艺。对于外径为24英寸的输油立管,由于其外部压力和轴向载荷较大,壁厚大于2英寸,故而也无法使用常规管线焊接工艺。能够使用常规焊接工艺进行大管径(16英寸~24英寸)钢制悬链线立管装配的最大水深为3400m。与钢制悬链线立管相比,由于SLWR型立管的浮舱可产生附加的浮力,因此可用于更大的水深条件。

来自/JPT  译者/于晓林  编辑/王亚钒

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柠檬
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),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,请联系我们。

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