臍帶纜在海洋深水石油平臺的應用現狀及前景分析

易吉梅

(海洋石油工程 (青島)有限公司，山東青島 266555)

臍帶纜是水下控制系統的關鍵部件，也是連接水上系統與水下系統的重要紐帶。臍帶纜的應用有著悠久的歷史，并具備成熟的技術體系和管理體系，受制于技術水平和發展的限制，我國臍帶纜技術的研究還比較滯后，與國外發達國家相比，還有不小的差距。

目前，我國主要應用的臍帶纜如陸豐22-1、惠州32-5等油田使用的臍帶纜多依賴于進口，這不利于國內深海油氣田的可持續開發和利用。因此開展針對臍帶纜的關鍵技術研究，有助于提升深海油氣田設置裝備體系的提升，是深海油氣田開發需要解決的關鍵技術。

1 臍帶纜系統概述

1.1 臍帶纜及其功能構造

臍帶纜的首次應用是殼牌公司于1961年在墨西哥灣建造的第一個水下生產系統。在上世紀60年代，臍帶纜的技術發展尚不成熟，臍帶纜系統還只是使用熱塑性軟管，隨著深水層對壓潰等要求的提升，金屬臍帶纜開始越來越廣泛地使用，它克服了熱塑軟管在深水層的不足。隨著臍帶纜應用技術的成熟，目前其應用的最大水深已經可以達到2 743 m，單根敷設長度最長達到143 km。

臍帶纜在海洋工程中已經應用了近50年，在上世紀60年代，臍帶纜是直接采用液壓控制形式，全部由管道組成，而到了70年代，水下生產系統開始使用電液復合式，不再僅由管道組成，還包括了電纜和光纖等，目前臍帶纜已經成功地應用到了海洋工程中淺水及深水等各個領域［1］。

根據工況的不同，臍帶纜可以選用非金屬管和不銹鋼管作為工作液體的輸送管道，主要由電纜、光纜、液壓或化學藥劑管聚合物護套碳纖維棒或鎧裝鋼絲以及填充物等組成，包括電單元、光單元、管單元和外層設計，臍帶纜的典型結構如圖1所示。

1.2 臍帶纜的功能與作用

臍帶纜的主要功能有:①提供持續的電力電源給水下生產系統;②提供液壓動力源以保證水下生產系統的控制 (例如閥門執行器);③為水下油井等提供化學藥劑注入通道 (如甲醇和緩蝕劑等);④為水下生產系統提供控制信號及傳輸水下生產系統操作運行狀態數據。

圖1 臍帶纜結構示意圖

2 臍帶纜在海洋深水平臺的應用現狀

2.1 臍帶纜的應用和研發

臍帶纜在海洋深水平臺中有著廣泛的應用。目前，國內針對臍帶纜的應用研究主要集中在以下方面。①臍帶纜的結構設計:主要圍繞滿足液壓化學藥劑注入、電力、控制及傳輸信號等功能要求，同時考慮材料選擇需求，重點進行力學分析，對電單元、光單元、管單元、外護層進行初步的結構設計。②深水臍帶纜的安裝技術:主要研究在復雜的深水地形和深水環境等各種因素，成功地進行臍帶纜敷設，尤其需要長距離敷設的臍帶纜，需確保臍帶纜在敷設工程不能受到機械損傷以及超過自身應力范圍而受到破壞，在海底環境中穩定的工作。

為了打破長期以來我國所使用的臍帶纜全部依賴進口的局面，“水下生產系統臍帶纜關鍵技術研究”被列入2009年國家社會發展領域海洋863科技發展計劃。在“十一五”期間國家計劃水下生產系統臍帶纜關鍵技術研究課題組采取產學研相結合，確定了目標臍帶纜功能要求單元數量為10根。隨著最近幾年重點對臍帶纜的關鍵技術開展攻關，目前已經初步形成了我國具有自主知識產權的臍帶纜設計技術體系［1］。如東方電纜公司與中海油研究總院等知名科研機構合作，通過不斷創新，攻克了臍帶纜領域的技術限制，研制出了具有較強國際競爭力的臍帶纜，對于保障我國的能源安全具有重要的意義，引起了國內外其他用戶的廣泛關注 ，在一定程度上打破了國外在動態電纜上的壟斷。

2.2 國外臍帶纜在海洋深水平臺的應用現狀

目前，國外海纜供應商主要為挪威AKER SOLUTION、NEXAN、法國 TECHNIP DUCO及美國JDR等幾家公司，其中NEXAN公司擁有世界最先進的電纜運輸及安裝船［2］。國外在臍帶纜的安裝使用方面主要基于以下方面的設計研究:在設計規范方面，研發設計遵循ISO13628-5標準，規定了水下控制系統、化學藥劑注入、氣舉、公用和供電控制臍帶纜等系統的研發設計;在截面設計方面，主要圍繞滿足液壓、化學藥劑注入、信息傳輸等的控制和實施;在力學分析方面，由于臍帶纜在安裝和工作運行中容易受到流、波浪、浮體運動等海洋環境作用，加上自身重力因素，容易產生破壞，因此，有必要研究其所受的動態極值和疲勞荷載等參數，并驗證其力學性能是否能夠滿足功能和環境等方面的要求;在制造技術方面，臍帶纜的生產制造由于受到功能單元方面的影響，在立式和臥式電纜設備上通過螺旋方面實現不同的功能單元的絞合，然后再對通過使用加裝保護和屏蔽層等實現對總體的保護;在測試方面主要是通過單元測試，對臍帶纜整體的驗證試驗，包括拉伸、彎曲剛度等的試驗以及對包括對外觀尺寸及各剖件的檢測，以實現對臍帶纜的工廠驗收試驗等的分析。臍帶纜的安裝主要是基于水平鋪設和垂直鋪設等，最大限度地考慮臍帶纜最小彎曲半徑等相關的因素［2］。

2.3 國內臍帶纜在海洋深水平臺的應用現狀

目前，國內臍帶纜技術研發已經日趨成熟，并且也取得了一定的進步，臍帶纜國產化進程不斷加快。在2006年，中海油總公司通過與國外能源公司的合作，進行深海油井開發，并在南海珠江口盆地深水區成功探測出大量的天然氣，這預示著我國的能源安全向深水層的開發邁出了重要的一步，同時也為臍帶纜技術的開發和應用提供了巨大的市場機遇。在“十一五”期間，國家加大臍帶纜技術攻關力度，采取產、學、研等相結合的多層次研發體系，基于南海環境開展了針對臍帶纜的關鍵技術的研究和利用，經過多年的艱苦攻關，通過臍帶纜技術工藝、不同單元材料、耐壓等關鍵技術的研究，已經在臍帶纜結構設計、深水敷設等關鍵技術方面取得了實質性的突破，并擁有了完全自主知識產權的技術管理體系。并在力學分析承重有所突破，以1 500 m水深為試驗環境，對其荷載、海底穩定性等進行了具體的分析和研究，并得出了臍帶纜的質量外徑比、拉伸性能等指標管理體系。隨著國內首個深水氣田項目-荔灣3-1中臍帶纜的成功應用，為將來臍帶纜在深水平臺的廣泛應用奠定了堅實的基礎。

3 臍帶纜的技術要求及平臺管理需求

3.1 深水平臺對臍帶纜的技術要求

未來隨著臍帶纜在深水平臺的應用，水下生產環境對臍帶纜提出了更多的要求，如臍帶纜的尺寸、拉伸角度等，臍帶纜在極端的波浪和流載荷下，不被鄰近的立管、錨線或者結構干擾破壞等。同時隨著水深的增加，尤其是在超深水域中，臍帶纜的懸掛負荷比較高，對其安裝和運行都會帶來一定的困難。此外在深水中，出于重量的考慮會限制臍帶纜中銅電纜的尺寸，因此在一些應用中需要進行高壓輸電，電壓等級的提高對臍帶纜德設計和技術研究也是一種挑戰。根據臍帶纜蔚藍發展的趨勢，我們還需要研究長距離臍帶纜的技術，尤其是研究單根不間斷長距離臍帶纜的技術，這些都是未來臍帶纜設計過程中必須予以高度重視的問題和技術難點。

3.2 臍帶纜在海洋深水平臺管理需求

臍帶纜目前在國內取得了階段性的成功，初步形成了研發、生產、應用等一體的技術體系，加上國內市場對臍帶纜的巨大市場需求，臍帶纜的產業化步伐明顯加快。因此，要加大臍帶纜在海洋深水平臺的應用力度，通過繼續深化臍帶纜研究工作，擴大研究的范圍和覆蓋面，擴大研發團隊規模和層次，引進國內外優秀技術人才等，加強管理創新，為臍帶纜的技術升級改造，以及研發適應我國的海洋深水平臺的高品質優秀產品提供堅實的后盾。

4 臍帶纜在海洋深水平臺的應用前景

臍帶纜產品的設計開發在我國取得了階段性的成果，在某種程度上打破了國外在該領域的壟斷。產品技術設計在動態海底電纜、臍帶纜等方面取得了實質性的突破，并引起了業界和國內外的廣泛關注，國外的一些大型公司如印尼國家石油公司、CACT等多家單位都非常重視我國技術產品的應用并簽署了相關的合同。我國是一個海洋大國，海底油氣資源豐富，而隨著我國油氣資源向海洋深水平臺的開發，對臍帶纜的需求和要求也越來越高。臍帶纜在海洋深水平臺中的應用十分重要，也是水下生產系統必不可少的重要部件。同時根據國內油氣資源在深水平臺的開發和利用，臍帶纜在我國有著廣闊的市場前景。由于國產臍帶纜的研發和生產在國內尚處于起步階段，而我國又是一個臍帶纜消費大國，對臍帶纜有著強烈的市場需求，而漫長的海岸線又為臍帶纜的技術研發提供了堅強的后盾。因此，臍帶纜的在我國深水平臺的應用有著巨大的市場潛力。

5 結束語

走向深水是目前我公司發展的主要方向之一，而臍帶纜是深海油氣開發不可或缺的關鍵設備之一，為滿足國內日益增長的巨大市場需求，還需要進一步掌握海洋深水臍帶纜系統設計、分析、制造等關鍵技術的能力。雖然近幾年在國家的大力扶持下，臍帶纜的技術研發已經取得了階段性的成果，但是，由于相關技術體系不成熟、管理缺乏經驗、應用范圍有限等都在某種程度上仍然制約著我國臍帶纜產業的可持續發展。這既不能充分滿足國內對臍帶纜的市場需求，也不利于國家的海洋能源戰略安全。因此，必須要高度重視臍帶纜的技術攻關和突破，在取得的階段性的研究成果的基礎上，加大研發力度，加強海洋裝備產業人才隊伍建設，加強管理創新，強化技術交流和市場調研，為臍帶纜在海洋深水平臺的成功應用打下堅實的基礎，加快國內深海油氣開采的推進步伐。

［1］郭宏，屈衍，李博，等.國內外臍帶纜技術研究現狀及在我國的應用展望 ［J］.中國海上油氣，2012(1):74-78.

［2］王愛軍，楊和振.臍帶纜深水安裝的參數影響分析［J］.船舶力學，2012(3):67-68.