邊際油田開發(fā)用集束海纜關鍵技術問題探究*

金 秋 戴國華 王萬旭 陳豐波 高 陽 王海濤

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459；2.中天科技海纜股份有限公司 南通 226010)

1 引言

1.1 邊際油田定義及開發(fā)模式

渤海是被山東半島和遼東半島包圍的半封閉內(nèi)海，由遼東灣、渤海灣、萊州灣、渤海中部和渤海海峽組成。渤海灣盆地在形成過程中受古生代、第三紀兩個時期地殼運動的影響，導致了斷層大量發(fā)育，形成了大大小小260 多個含油氣構造，也促使了圈閉規(guī)模、地質(zhì)儲量較小的小型油氣藏的形成。這類由于儲量規(guī)模小，在現(xiàn)有常規(guī)技術和經(jīng)濟條件下難以經(jīng)濟有效開采的油氣藏通稱為“邊際油田”，目前已探明的低品位儲量達4.1 億噸[1]。

中海油開發(fā)邊際油田主要有以下模式[2]。

(1)“三一”開發(fā)模式。對距離已開發(fā)油田20 km以內(nèi)的邊際油田，利用一座新建平臺(或水下井口)、一條海底管道、一條海底電纜將其生產(chǎn)的油氣送入在運營油田的開發(fā)模式，該模式已在渤海和北部灣海域得到成功應用。

(2)“蜜蜂式”開發(fā)模式。對于距離已開發(fā)油田20 km 以外的、無法依托已開發(fā)油田的較小的、孤立的小型邊際油田，采用可移動式的集生產(chǎn)、動力、儲油、外輸、生活為一體的小型生產(chǎn)裝置進行開發(fā)的模式。像蜜蜂一樣，采完一個小油田，可以移動到另一個小油田采油，該裝置的投資可在多個油田開發(fā)中回收。

1.2 無人值守平臺

海上無人值守平臺，是一項新型海上石油勘探開發(fā)的助力設施，其目的是為海上油氣資源開發(fā)提供一系列兼具成本效益和生產(chǎn)效率的解決方案。對于未來海上油氣開發(fā)，尤其是邊際油田的開發(fā)與利用具有明顯的優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)外越來越多的無人值守平臺已經(jīng)投運，為行業(yè)降本增效帶來顯著效果。根據(jù)文獻[3]可知，截止到2016年，全球近7 000個平臺中約23%(約1 600 座)為無人值守平臺。

無人值守平臺僅通過臍帶纜與有人平臺進行連接，實現(xiàn)電力補給、化學藥劑輸入、信號傳輸、液壓驅(qū)動，用造價相對很低的電動葫蘆代替吊機；用泡沫系統(tǒng)代替常規(guī)的海水系統(tǒng)；用節(jié)省面積和鋼材的三腿平臺代替常規(guī)的四腿平臺，采用計算機通信，通過有人平臺的終端對平臺進行監(jiān)測和遙控，是海上數(shù)字化油田和智能油田建設的基礎[3]。

1.3 集束海纜應用

集束海底電纜，是指根據(jù)無人值守平臺周圍井口數(shù)量，將多于井口數(shù)量的常規(guī)三芯回路海纜束集成在一個海纜結(jié)構中。集束海纜同時輸送不同電壓等級、不同頻率的電能，它一端連接油氣平臺上的變頻器，另一端通過水下中壓電力分配單元經(jīng)電力飛纜和井下電纜為電潛泵供電。

由圖1 可知，通過對比常規(guī)海纜和集束海纜的輸電模式下平臺上的設備組成，可知集束海纜可以極大降低平臺上關鍵電氣設備數(shù)量，如中高壓配電盤、降壓變電器、低壓配電盤、低壓變頻器等。

通過集束海纜輸電技術，將新建平臺上的電潛泵地面設備布置于已建平臺，從已建平臺直接一對一給新建平臺井下電泵供電，最大限度地簡化新建平臺上的電力系統(tǒng)，取消新建平臺上的所有房間及大部分設備，僅剩下生產(chǎn)管匯、注水管匯、照明伴熱等少量設備，極大減少新建平臺上部組塊的面積、重量。隨著上部組塊重量的大幅減少，可將導管架優(yōu)化為井口保護架，甚至直接采用隔水導管支撐的方式，降低上部組塊與下部組塊的重量，優(yōu)化船舶等施工資源，最終削減工程設施的投資費用，可加快邊際油田的開發(fā)。

按照海纜標準[4]，若采用鉛套分包結(jié)構的電纜線芯，在滿足相同數(shù)量集成回路前提下，集束海纜會迅速增大單位重量和外徑，降低了有效生產(chǎn)長度，提升了施工難度，制約了依托平臺更遠距離的邊際油田集中開發(fā)。

綜上，海上邊際油田的開發(fā)和無人值守平臺的推廣都為集束海纜的研發(fā)提供了廣闊的應用場景，因此有必要開展集束海纜關鍵技術的研究以滿足未來的市場需求。

2 集束海纜系統(tǒng)

根據(jù)油田水深條件和井口開發(fā)方式，集束海纜系統(tǒng)組成分為兩種形式，一是采用靜態(tài)集束海纜與兩個固定平臺連接，兩端分別進入接線箱，完成電力和通信連接；二是采用動態(tài)集束海纜，從浮式平臺懸掛至海床，端部安裝水下電力分配單元(Subsea power distribution unit，SPDU)，通過電飛線與水下生產(chǎn)設備對接。兩種集束海纜系統(tǒng)結(jié)組成見圖2。

靜態(tài)集束海纜通常采用聚丙烯繩纏繞方式作為外被層，鎧裝為單層。如果為硬質(zhì)海床地質(zhì)或200 m以深運行環(huán)境，建議采用雙層異向絞合鎧裝結(jié)構。整套系統(tǒng)包含平臺錨固、J 管中心限位裝置、彎曲限制器、海纜本體、接頭盒(如有需要)、牽引頭等。

針對浮式基礎和大水深環(huán)境，需要采用動態(tài)集束海纜結(jié)構，即采用兩層及以上偶數(shù)層異向絞合鋼絲，采用聚乙烯作為外護套。電纜芯進入水下電力分配單元后，需要滿足大水深、動態(tài)環(huán)境下的機械和密封要求。其系統(tǒng)主要包括平臺防水錨固、海纜本體、雙相錨固、彎曲加強件、配重塊、浮力塊、海底觸床防護管以及水下電力分配單元[5]。

3 集束海纜關鍵技術

3.1 抗水樹材料使用

海纜有“干式”和“濕式”設計之分[6]，“干式”結(jié)構主要采用擠包鉛套、縱包焊接平鋁套、皺紋銅套等環(huán)向防水層結(jié)構。而“濕式”海纜的結(jié)構設計中，無擠包或焊接環(huán)向防水層，絕緣采用抗水樹交聯(lián)聚乙烯，絕緣層或絕緣外擠包半導電層可直接與海水接觸，目前濕式結(jié)構海纜最高滿足Um=72.5 kV 電壓等級要求，在海上風電場場內(nèi)電纜和動態(tài)海纜領域得到了廣泛應用和驗證[7-8]。

隨著濕式結(jié)構海纜使用，抗水樹型交聯(lián)聚乙烯成為絕緣材料的首選。目前市面上抗水樹型交聯(lián)聚乙烯分為添加劑型(陶氏HFDC-4202EC，北歐化工LE4212)和共聚物型(北歐化工LH4201R)。

集束海纜采用濕式結(jié)構設計可以極大降低成纜外徑和單位長度重量，提升集束海纜一次性連續(xù)生產(chǎn)長度，可保障渤海灣邊際油田開發(fā)中大長度無接頭集束海纜的投運。圖3 為7×3C(3.6/6kV 35mm2)多芯集束海纜三種結(jié)構形式，分別為分相鉛套、單回路統(tǒng)包鉛套和濕式結(jié)構。由表1 可知，在三種結(jié)構都滿足標準設計和電氣傳輸要求的情況下，純鉛套結(jié)構外徑達到180 mm，單位重量達到71.4 kg/m，對生產(chǎn)和施工造成了極大的不便。

表1 不同結(jié)構的集束海纜機械性能比較

3.2 變頻控制方法

變頻驅(qū)動設備可以通過調(diào)節(jié)不同頻率、電壓或電流，使得三相交流電機輸出不同的轉(zhuǎn)速滿足外部快速變化載荷需求。變頻調(diào)速后，也實現(xiàn)了電機的“軟”起動，保持工作平穩(wěn)，減少軸承磨損，延長了電機使用壽命和維護周期。目前，變頻調(diào)速技術在泵站、風機、傳送帶和車床上廣泛應用[9]。

變頻控制器在產(chǎn)生顯著經(jīng)濟效益[10]的同時，在遠距離控制水下井口電潛泵的同時也面臨以下主要風險[11]。

(1) 電壓反射造成水下電機端過電壓。

電力系統(tǒng)長距離配電傳輸過程中，會產(chǎn)生明顯的電壓反射現(xiàn)象。在如圖4 所示的油田開發(fā)水下電力系統(tǒng)總體結(jié)構中，海纜的阻抗為Z1，井下電力系統(tǒng)阻抗為Z2，當發(fā)射的電壓第一次到達電潛泵時，電壓反射系數(shù)如下[12]所示

當Z2＞Z1時，電壓反射波為正，與入射波發(fā)生疊加后電機端電壓升高；當Z2＜Z1時，反射電壓為負，與入射波發(fā)生疊加后電機端電壓降低；當Z2=Z1時，反射電壓為0，此時電機端電壓不變，這是變頻控制路由中最理想狀態(tài)。

圖4 水下電力系統(tǒng)總體結(jié)構

(2) 變頻過程中的高頻諧波形成和擴散。

任何變頻器的電力電子元件開/閉瞬間，由于波形擾動dU/dt，會產(chǎn)生大量高頻諧波。這種諧波會破壞海纜和電潛泵電機繞組的絕緣，也會產(chǎn)生額外的繞組電流，進而產(chǎn)生過剩熱量甚至燒毀電機繞組。同時，高頻諧波會使電潛泵產(chǎn)生額外的高轉(zhuǎn)矩，加速電潛泵的磨損，甚至破壞電機。

中壓驅(qū)動與長電纜結(jié)合的配置可能會對電力傳輸系統(tǒng)帶來運行風險，即電路的電感與并聯(lián)電容的相互作用(由于系統(tǒng)中的長電纜)會產(chǎn)生諧振。驅(qū)動器中的高頻和短波長諧波足以激發(fā)串聯(lián)諧振[13]。

為了降低高頻諧波干擾，可采用以下措施。

(1) 金屬屏蔽接地方法。

電纜的絕緣線芯金屬屏蔽層可以將各接地點的感應電動勢降低至最低，抑制過剩電流流入臨近設備和系統(tǒng)中，避免電能浪費。

金屬屏蔽與電機兩端接地應360°全覆蓋，保障纜芯金屬屏蔽電氣和機械連續(xù)完整性，即避免金屬屏蔽層破點而導致高頻諧波泄漏。

(2) 地線設計。

集束海纜各回路采用地線方式，并且地線均勻分成三根，即“3+3”模式，結(jié)構具有更好的電磁相容性，對抑制電磁干擾起到一定作用，能抵消高頻諧波中的奇次頻率，可以有效防止高頻軸向電流產(chǎn)生。

(3) 絕緣材料選型。

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)具有較低的介電常數(shù)，是變頻電纜理想絕緣材料，使得電纜和水下泵站電機阻抗呈現(xiàn)更好匹配性，進而削弱過電壓高頻諧波。同時，它具有高脈沖電壓擊穿值[14]，能顯著降低反射波和電壓峰值引起的擊穿故障風險。

(4)“小三芯”獨立螺旋絞合成束。

集束海纜中各回路——“小三芯”可以單獨絞合成束，成為獨立功能單元后，再與其他“小三芯”按照相同節(jié)距整體絞合成纜，成品包含兩次成纜。也可以將所有電纜芯按照預定軌道一次性成纜，各功能單元在任一截面上，空間位置相對固定，如圖5 所示。

圖5 集束海纜成纜方式比較

采用“小三芯”單獨絞合成束成纜方式，可以有效地抵御外界電磁場干擾[15]，降低其他回路變頻操作時，對自身的串音影響。

3.3 載流量設計

在熱穩(wěn)定條件下，電纜設計導體截面達到長期允許工作溫度時的所對應的電流值稱為電纜載流量。常規(guī)海底電纜設計技術成熟，工程應用廣泛，其結(jié)構和載流量設計已經(jīng)形成了標準規(guī)范。

但是集束海纜的結(jié)構復雜，線芯數(shù)目多，各線芯由于成纜方式不同，在空間結(jié)構上存在復雜的電磁感應，影響彼此阻抗和感抗，難以評估電壓降和熱傳遞，解析法不適用，需要采用有限元方法。利用專業(yè)的多物理場耦合分析軟件對集束海纜的載流量進行分析，可以模擬集束海纜在J管中、空氣中、海水中和埋設在土壤中等不同工況下的載流量，并研究集束海纜內(nèi)不同纜芯排布方式對于阻抗、諧波、壓降、磁致?lián)p耗、串擾等電氣性能的影響。圖6 為渤海油田BZ26-3 即將投運的3.6/6 kV 7×3C×35mm2集束海纜在J 型管中的溫度場分布。

為了提升集束海纜的載流量，需要通過數(shù)值分析和結(jié)構優(yōu)化設計反復迭代，有以下改進方式。

(1) 比較“小三芯”獨立絞合和所有線芯混合絞合后，各回路之間的空間距離和磁場分布，減弱各回路的串音干擾和回路內(nèi)不對稱的壓降。

(2) 調(diào)整不同回路的成纜節(jié)距，查看集束海纜空間結(jié)構中電磁場分布，進一步弱化獨立回路受到其他回路的磁場干擾而造成額外損耗。

圖6 集束海纜熱場有限元模擬

(3) 根據(jù)海纜損耗分布規(guī)律，應對整個電纜截面中的金屬單元進行材料和結(jié)構優(yōu)化設計。包括鎧裝單元弱磁性材料選擇，金屬屏蔽材料選型及覆蓋形式設計。

3.4 關鍵附件設計

與常規(guī)海纜相比，集束海纜面臨纜芯眾多、電單元重量占比大等特點，使得集束海纜在附件設計上著重考慮運輸、施工和運行過程中機械承載能力和維修便利性。

(1) 平臺錨固。

為避免多芯集束海纜在豎直牽拉過程中纜芯與鎧裝層發(fā)生滑脫現(xiàn)象，集束海纜成纜縫隙中穿插承力單元，如鋼絞線、凱夫拉纖維束、碳纖維棒等軸向抗拉能力強單元。如圖7 所示的集束海纜用平臺錨固在約束鎧裝層的同時，可采用特殊夾具或灌膠方式約束纜芯間隙承載單元，保障集束海纜在長期動態(tài)載荷和大水深自重作用下不發(fā)生層間相對滑移和蠕變現(xiàn)象。

圖7 集束海纜用平臺錨固

(2) 搶修接頭。

施工和運維過程中，集束海纜可能發(fā)生臨時砍斷躲避臺風或錨害刮傷事故，需要備用一套搶修接頭盒[16]，如圖8 所示。接頭盒內(nèi)接續(xù)方式分為兩種，即現(xiàn)場軟接頭和預制式中間接頭。

1) 現(xiàn)場軟接頭。

首先對纜芯端部進行處理，打磨絕緣層和屏蔽層，對導體層每層銅絲進行逐層分離和焊接，恢復導體屏蔽后，采用注塑方式恢復絕緣層，然后恢復絕緣屏蔽，隨后進行金屬屏蔽和分相護套恢復。采用接頭殼體進行鎧裝層和護套恢復，保證施工過程中的機械載荷傳遞。

2) 預制式中間接頭。

在完成待接續(xù)海纜端部處理后，采用銅制導體連接管將兩側(cè)導體進行對接，然后進行壓鉗壓縮。絕緣部分采用預制式冷縮橡膠絕緣套恢復本體絕緣水平。

接頭盒內(nèi)多芯集束海纜接頭需要交錯安裝，否則徑向直徑過大。與軟接頭不同的是，預制式接頭采用金屬套筒完成纜芯接續(xù)的阻水和機械防護，預制式接頭通常較本體粗厚，需要采用較大的外殼體進行機械防護。為降低接頭盒制造成本，降低外殼尺寸、重量，降低運輸和施工難度，多芯集束海纜一般采用軟接頭方式進行接續(xù)。

圖8 集束海纜用搶修接頭盒

4 集束海纜成纜技術

集束海纜成纜技術包括三種，即立式成纜、臥式成纜和SZ 成纜。

立式成纜機是集束海纜生產(chǎn)的主要設備，在垂直空間可以疊加放置多組功能單元。通過調(diào)整成纜機第一層放線架尺寸和數(shù)量，滿足更多電纜單元的大長度連續(xù)生產(chǎn)能力。成纜機第二層通常安置填充單元和光單元放線架，保障所有功能單元按照集束海纜截面穩(wěn)定絞合成纜。

臥式成纜機將成纜方式變更成水平布置，可以避免成纜纜芯上下兩輪大角度周轉(zhuǎn)，進而降低線芯的累積塑性應變，并可以滿足更多數(shù)量的成纜單元一次性絞合。但是臥式成纜機采用行星式絞籠，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生較大的離心力，主軸結(jié)構強度制約了承載線芯的盤具尺寸，縮短了單根集束海纜的連續(xù)生產(chǎn)長度。

SZ 絞在多芯集束海纜成纜方面具有巨大優(yōu)勢。首先，各個功能盤具無需退扭設備，降低了設備占地空間。其次，各個功能單元盤具可以按照需求調(diào)整尺寸，滿足集束海纜更大長度連續(xù)生產(chǎn)要求。最后，成纜設備可以不受場地限制，可以便捷移動，甚至整體搬移至施工現(xiàn)場，并且生產(chǎn)過程可以降低流轉(zhuǎn)頻次，避免塑性應變累積。但是SZ 絞成纜節(jié)距較大，成纜后需要強度高的扎帶進行成纜束縛以防止松散。

5 集束海纜測試技術

按照油氣標準[17]，水下生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜和動態(tài)海纜需要按照表2 測試項目進行全性能測試，并且在測試過程中監(jiān)測功能單元的性能變化。集束海底電纜根據(jù)施工條件和使用環(huán)境參數(shù)，可根據(jù)表2有選擇性地進行整體性能驗證。

針對渤海灣邊際油田開發(fā)，集束海纜在導纜過程中，面臨大長度軸向拉伸和張力牽引機側(cè)向擠壓作用，需要評估拉伸過程中扭轉(zhuǎn)角度變化和極限承載能力以及集束海纜抗側(cè)壓能力。

在施工過程中，集束海纜往往采用高度退扭方式進行海纜鋪放，需要進行扭轉(zhuǎn)剛度測試，以設計合適的退扭剛度，保障海纜下水后不發(fā)生轉(zhuǎn)矩殘存[18]。施工船在鋪纜過程中，受到惡劣環(huán)境影響，可能發(fā)生縱蕩、橫搖現(xiàn)象，需要測試集束海纜彎曲剛度，進而評判纜與海床接觸時，是否出現(xiàn)彎曲半徑臨界點[19]。同時，集束海纜可能發(fā)生鋪放-回收-鋪放過程，以調(diào)整纜在水下合適路由，該過程可通過張力彎曲試驗驗證纜是否滿足這一施工要求。

為提升集束海纜載流量，內(nèi)護套結(jié)構需要進行間隔鉆孔，以便海水流入，提升纜內(nèi)部熱傳導效率，可以通過自由溢流方式驗證集束海纜在運行水壓下，縫隙中海水傳輸速率。

集束海纜在運行過程中，錨固點長期承受纜自身重量，需要評估錨固的長期可靠性，也可通過終端強度測試，來驗證鎧裝蠕變和極限承載能力。

表2 集束海底電纜綜合性能測試項目

6 總結(jié)與展望

文章以渤海灣邊際油田開發(fā)為例，闡述了多芯集束海纜電氣接續(xù)和系統(tǒng)組成結(jié)構。隨著抗水樹絕緣材料和先進設計分析方法的投用，集束海纜逐漸突破由于變頻控制和多芯集中溫升而引起的瓶頸，使得更高電壓、更多芯數(shù)、更長距離的集束海纜實現(xiàn)一次性生產(chǎn)，并投運至邊際油田開發(fā)進程中。

(1) 隨著集束海纜走向深海，動態(tài)使用條件將促進集束海纜系統(tǒng)動態(tài)防護措施進一步提升。水下電力分配單元(SPDU)的使用，將帶動國產(chǎn)更高電壓、更大水深的濕插拔關鍵器件投用。

(2) 集束海纜連續(xù)大長度生產(chǎn)嚴重依賴成纜設備和流轉(zhuǎn)通道打通。多芯集束海纜的高標準、嚴要求將提速國內(nèi)生產(chǎn)設備、運輸設備、施工裝備進一步升級，為深遠海油氣開發(fā)用管纜生產(chǎn)做好準備。