乙二醇立管底部接頭的傾斜問題與解決方法研究

原慶東，張玉勇，林影練，徐志毅，陳曉彥

中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067

乙二醇立管底部接頭的傾斜問題與解決方法研究

原慶東，張玉勇，林影練，徐志毅，陳曉彥

中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067

乙二醇（MEG）在天然氣田生產(chǎn)作業(yè)中一般被注入到井口及天然氣管道初始端，用于防止和減少天然氣水合物的產(chǎn)生。某深水氣田平臺導(dǎo)管架底部的乙二醇立管專用接頭及其壓帽在安裝過程中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重傾斜，使得接頭壓帽如何拆卸成了大難題，影響到后續(xù)的跨接管安裝及整個施工工期。經(jīng)過計算機模擬研究和陸地試驗，并采用潛水員作業(yè)和浮袋提升的方法，最終拆卸了嚴(yán)重傾斜的專用接頭壓帽，使后續(xù)跨接管的海上安裝作業(yè)得以繼續(xù)進(jìn)行。

乙二醇；立管接頭；壓帽拆除；模擬研究；跨接管安裝

1 立管接頭及壓帽用途介紹

南海某氣田水深1 400 m，采用乙二醇（MEG）注入方式來消除氣井生產(chǎn)管道中天然氣水合物的形成。乙二醇注入系統(tǒng)被安裝在CEP中心生產(chǎn)平臺，并通過一根6 in（1 in=24.5 mm）平臺立管和6 in海底管道注入到約1 400 m水深的水下分配單元（SDM），再分配到各井口注入點注入。平臺立管和海底管道的連接采用立式跨接管及CVC連接器，立式跨接管一端與平臺立管接頭相連，另一端與海管終端（PLET）接頭相連 （如圖1所示），安裝設(shè)計采用ROV輔助連接方式。

6 in平臺立管位于平臺東南面，從上沿導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)向下到平臺導(dǎo)管架底部水深188 m處，在水平方向拐向?qū)Ч芗芡鈧?cè)約1 m。立管沿途用管卡固定，端部安裝向上的專用CVC接頭用于和水下跨接管連接，如圖2所示。

立管隨導(dǎo)管架一起制造，并預(yù)裝CVC連接器接頭及壓帽（flooding cap）。

圖1 導(dǎo)管架乙二醇立管與海底管道連接方式

壓帽（flooding cap）在導(dǎo)管架下水前預(yù)裝在管端頭（hub）上，它不僅提供了對管端頭的密封，同時還起到保護(hù)管接頭密封面的作用。壓帽上帶有一個2 in閥門和一個專用插頭（hot stab），對平臺立管進(jìn)行沖水清管時用ROV打開2 in閥門并拔掉插頭。如圖3所示。

圖2 導(dǎo)管架平臺立管走向及專用CVC接頭

圖3 接頭壓帽示意

接頭壓帽靠自身重力下落并鎖止在立管專用CVC接頭上，拆除時直接上提即可脫離立管接頭，但安裝和拆卸所要求的垂直角度和水平角度誤差不應(yīng)超過2°。壓帽的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 壓帽的主要技術(shù)指標(biāo)

2 6 in MEG立管接頭傾斜問題

圖4 立管接頭實際安裝的偏離情況

3 壓帽拆卸模擬分析與試驗

3.1 計算機模擬分析

拆卸接頭壓帽的唯一方法是在保證上提垂向角度的同時增大上提拉力，但過大的上提力會損壞立管及其管卡，造成嚴(yán)重后果。

為此，對接頭壓帽上拉作業(yè)使用ABAQUS軟件進(jìn)行了有限元模擬分析，主要分析內(nèi)容有：其一，傾斜角度為5°情況下上提6 in接頭壓帽時的立管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所受力分析；其二，接頭壓帽被上拉脫離立管接頭時的立管系統(tǒng)受力分析；其三，用來固定導(dǎo)管架上立管的固定卡子[1]的承受力分析。

模擬分析主要選擇受力較大且距離立管接頭最近的管卡立管段及彎頭段，進(jìn)行動態(tài)受力分析。接頭傾斜度設(shè)定為5°、上提拉力先設(shè)定為39.2 kN（正常安裝的接頭壓帽拆卸上提拉力為9.8 kN），最大上提拉力引起的材料屈服強度必須小于材料最小屈服強度（405 MPa）。分析邊界對象為整條立管（從立管頂部到立管底部接頭），并考慮了立管及彎頭技術(shù)指標(biāo)、管材性能、一年一遇的水下海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、立管接頭及壓帽質(zhì)量等。分析結(jié)論如下：

（1）39.2kN的上提拉力對于立管結(jié)構(gòu)來講是安全的。模擬應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示，表明此時立管所承受的最大的馮·米塞斯等效應(yīng)力（VMstress）為208 MPa，低于材料所允許的最小屈服強度（405 MPa）。

圖5 39.2 kN上提拉力模擬應(yīng)力分析結(jié)果

（2）最大上提拉力不能高于73.5 kN。分析發(fā)現(xiàn)，立管接頭傾斜度越大，立管所受到的應(yīng)力越大。在立管接頭傾斜5°，施加上提拉力為73.5 kN時，立管在管卡部位所受應(yīng)力達(dá)到了390 MPa，如圖6所示。

圖6 73.5 kN提拉力模擬應(yīng)力分析結(jié)果

（3）導(dǎo)管架上的固定卡子足以承受提拉作業(yè)產(chǎn)生的應(yīng)力。根據(jù)固定卡子的設(shè)計計算，當(dāng)上提拉力不大于73.5 kN時，固定卡子受力在可承受范圍內(nèi)。

3.2 陸地模擬拆除試驗

為了驗證在不同偏離角度下的接頭壓帽拆除難度，專門在珠?，F(xiàn)場工間里進(jìn)行了模擬拆除試驗，如圖7所示。試驗結(jié)果證實：在偏離角度1°時，接頭壓帽很容易拆除；偏離2°時，拆除比較困難；偏離3°時，拆除很困難（上提拉力達(dá)到44.1 kN時，才可以拆卸）。

4 接頭壓帽現(xiàn)場拆除方法研究

圖7 接頭壓帽拆除陸地試驗

按照原設(shè)計方法，接頭壓帽的拆除是通過平臺下放吊機吊鉤，ROV在水下將吊鉤與預(yù)安裝的接頭壓帽起吊索具相連，然后用平臺吊機上提完成接頭壓帽的拆除工作。根據(jù)上述模擬計算結(jié)果和陸地實驗數(shù)據(jù)，原拆除方法因上提角度存在不確定性而存在極高的立管損壞風(fēng)險。也曾考慮使用工程船吊機進(jìn)行拆除接頭壓帽的方法，但因工程船受海況影響較大，拆除立管接頭壓帽的上提角度也不容易把握，且靠近平臺作業(yè)存在碰撞風(fēng)險，因此該方案亦最終未被采納。經(jīng)分析比較，決定采用潛水作業(yè)方案進(jìn)行接頭壓帽的拆除。

6 in MEG管道接頭位于188 m水深，可以進(jìn)行潛水作業(yè)。潛水員在水下比ROV有更大的靈活性，可進(jìn)行一些更加細(xì)微或空間受限的水下工作。首先，使用ROV對導(dǎo)管架底部進(jìn)行海底調(diào)查，對立管下端接頭部位進(jìn)行詳細(xì)檢查，以做好充分的前期準(zhǔn)備工作；其次，潛水員可從潛水支持船下入到海底進(jìn)行安裝調(diào)節(jié)浮袋和使用千斤頂?shù)茸鳂I(yè)。采用浮袋[2]提供拆除接頭壓帽的上提拉力，保證上提角度，可以通過充氣或放氣調(diào)整浮袋的上提拉力的大?。皇褂们Ы镯攲⑵x的立管端及接頭壓帽扶正，以減少接頭壓帽的偏離角度。

土的變形特征參數(shù)包括固結(jié)指數(shù)（Cc、Cs、Cr）和彈性模量（E、G、K、B），還有蠕變參數(shù)。基于CPTU資料估計土的壓縮模量Es，可以表示成凈錐尖阻力qn的函數(shù)。對于超固結(jié)黏土，Senneset（1982，1989）建議采用如下線性模型：

5 跨接管安裝研究

跨接管對接接頭的角度必須和立管接頭的角度符合才能保證水下對接成功。由于立管CVC接頭傾斜過大，使得跨接管的安裝遇到了一定的困難，為了保證跨接管的安裝成功，研究宜采取將跨接管先與平臺立管端對接安裝，再與海管終端對接安裝的方法。

6 現(xiàn)場實施效果

6.1 6 in接頭壓帽拆除

2013年7月潛水工程支持船NORMAND CLUFF號進(jìn)入安裝作業(yè)現(xiàn)場。潛水員潛入到水下約190 m海底，使用浮袋充氣進(jìn)行接頭壓帽的提拉，并使用萬能千斤頂頂升接頭壓帽較低部位以減少偏離角度。作業(yè)過程中千斤頂曾因頂升位置不合適而不得不回收到甲板上進(jìn)行調(diào)整再下放入海。在適當(dāng)調(diào)整浮袋浮力后，經(jīng)過近24 h的水下作業(yè)，接頭壓帽最終被拆下來。接頭壓帽拆下后，立管端口安裝臨時防護(hù)帽對立管進(jìn)行了保護(hù)。

6.2 跨接管安裝

2013年10月FDS主作業(yè)船到達(dá)跨接管安裝現(xiàn)場，從運輸駁船上吊起并下放預(yù)制好的6 in乙二醇跨接管。跨接管首先在平臺端安裝就位，完成立管與跨接管的連接工作；管道終端與跨接管的安裝就位則遇到一些困難，跨接管與管道終端接口不能完全對接好，通過加裝水下葫蘆來調(diào)整補償浮子的浮力，從而調(diào)整跨接管端部角度和位置，最終使連接安裝工作得以完成。

7 結(jié)束語

通過模擬計算分析以及陸地試驗提供作業(yè)依據(jù)、并采用潛水員作業(yè)、浮袋提供上拉力、千斤上頂減少傾斜度等技術(shù)，成功地拆除了嚴(yán)重傾斜的接頭壓帽，為隨后的跨接管安裝邁出了關(guān)鍵一步。這些方法和技術(shù)為類似問題的解決提供了有價值的參考。

在導(dǎo)管架項目建造過程中，應(yīng)重視立管接頭的建造和安裝質(zhì)量。立管接頭安裝的垂直度和位置應(yīng)有專人監(jiān)控，保證在預(yù)期的現(xiàn)場安裝工作不發(fā)生大的差錯，務(wù)必將可能出現(xiàn)的問題消滅在萌芽狀態(tài)。

[1]戴國華，王宏光.導(dǎo)管架水下立管卡子螺栓松脫分析及應(yīng)對[C]//海油石油工程技術(shù)論文，第4集.北京：中國石化出版社，2012：369-375.

[2]辛?xí)暂x，張孝衛(wèi)，劉玉璽，等.氣囊助浮大型導(dǎo)管架下水可行性研究[J].石油工程建設(shè)，2014，40（5）：26-30.

我國非常規(guī)能源屢獲新突破

從頁巖氣到可燃冰，再到干熱巖，今年以來，我國非常規(guī)能源發(fā)展獲得多項重大突破。2017年10月11日，國土資源部礦產(chǎn)資源儲量評審中心主任張大偉在上海表示，國土資源部正在向國務(wù)院申報天然氣水合物新礦種，組織編制《天然氣水合物勘查規(guī)范》。

天然氣水合物，又稱可燃冰。今年5月10日，我國在南海神狐海域天然氣水合物試采成功。截至7月9日，試開采連續(xù)試氣點火60天，累計產(chǎn)氣30.9萬立方米，平均日產(chǎn)5 151立方米，甲烷含量最高達(dá)99.5%。張大偉說，這次試采取得了多項重大突破性成果，創(chuàng)造了產(chǎn)氣時長和總量的世界紀(jì)錄。隨著科技不斷突破，預(yù)計2030年我國天然氣水合物年產(chǎn)能達(dá)到10億立方米。

今年以來，在長江沿線，我國頁巖氣勘探開發(fā)連續(xù)取得重大突破。截至目前，我國累計探明頁巖氣地質(zhì)儲量7643億立方米。其中，重慶涪陵頁巖氣田累計探明地質(zhì)儲量6 008億立方米，成為北美之外最大的頁巖氣田。伴隨著技術(shù)突破，頁巖氣作為獨立礦種，在我國已經(jīng)實現(xiàn)了從潛在能源到現(xiàn)實能源的跨越。張大偉介紹說，2016年我國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到78.82億立方米，預(yù)計2017年產(chǎn)量達(dá)到100億立方米，僅次于美國、加拿大，位居世界第三。我國頁巖氣發(fā)展規(guī)劃提出，到2020年力爭實現(xiàn)產(chǎn)量300億立方米，2030年實現(xiàn)產(chǎn)量800億到1 000億立方米?！澳壳皝砜?，我國頁巖氣的產(chǎn)量目標(biāo)可以實現(xiàn)，甚至偏保守。”張大偉說。

作為地?zé)崮艿囊环N，干熱巖資源量巨大、分布廣泛，排放幾乎為零，熱能連續(xù)性好，具有可觀的商業(yè)價值。近期，我國在青海共和盆地3 705米深處鉆獲236℃的高溫優(yōu)質(zhì)干熱巖體，實現(xiàn)了干熱巖勘查重大突破。張大偉說，根據(jù)目標(biāo)規(guī)劃，2020年至2030年度，我國干熱巖有望實現(xiàn)商業(yè)化運作。

摘自：http://www.cnpc/zhlm/jrgz/jrgz/Pages/20171012_C63995.aspx

（本刊摘錄）

Inclination problem ofMEGriser bottom connecting hub and solving method

YUAN Qingdong，ZHANG Yuyong，LIN Yinglian，XU Zhiyi，CHEN Xiaoyan
CNOOC Shenzhen Company，Shenzhen 518067，China

Monoethylene glycol（MEG）is widely used to prevent or reduce hydrate formation in subsea pipelines for gas field production，and it is normally injected into the wellhead and the pipeline initial end from platform.It is found that the MEG riser bottom connecting hub and its flooding cap at a certain deepwater jacket have serious inclination，which leads to big difficult problem for flooding cap removal.The problem affects the subsequent jumper installation and even the whole construction period.Therefore，the computer simulation analysis and land trialare conducted，then the way of flooding cap removalby diving operation and installing floating bag is applied.The flooding cap was finally removed.

MEG；riser connecting hub； flooding cap removal；simulation study；jumper installation

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.006

原慶東 （1963-），男，河北南宮人，高級工程師，1983年畢業(yè)于華東石油學(xué)院石油礦場機械專業(yè)，現(xiàn)從事海上油氣田工程項目海上安裝作業(yè)及研究工作。Email：qingdong_yuan@cnooc.com.cn

2017-04-26