柔性管应用海上油气开发的前景
时间：2018-10-09 15:30
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2016 年 10 月 22 日 两 大中国石油企业（中石油、中海油）与多家海外石油企业一起中标巴西东南部海域一处深海盐下层石油区块。该区块是位于巴西东南部里约州外海桑托斯盆地的里贝拉区块，距离海岸线 170 公里，面积超过 1,500平 方 公 里， 为 目 前 全 球 最 大 海 上油田。2016 年由壳牌公司运营的Prelude 世界上唯一的最大的浮式生产液化天然气平台（FLNG），在位于西澳大利亚州距海岸 250 公里的海面上投产。
全球最大海上油田里贝拉区块的勘探开发、Prelude浮式液化天然气平台（FLNG）的投产，均提出了柔性管的应用问题。为此，通用电气石油和天然气公司（GE）在英国纽卡斯尔的工厂，开始了柔性管的批量生产，并已于2016 年 完 成 了 供 Prelude FLNG应用的高压高温动态柔性立管的生产，领先推动了全球海上油气田中柔性管的应用。我国海上油气田中柔性管的应用很少，有必要借鉴国外先进经验，推动柔性管的应用。因此，本文围绕海上油气田中柔性管的应用，进行论述，并对我国的应用问题提出建议。
柔性管的结构
组成柔性管（flexible pipe）是相对于全部用钢制成的刚性管管材而言，它通常是以金属（钢）和聚合物一层一层地无粘结复合在一起组合而成的结构。它借助具有不同机械性能和结构功能的多层不同材料，即可获得一个可以提供足够整体抵抗管内压力和轴向力及大变形的坚强结构。如图 1 所示，柔性管自外至内分别由外壳（OUTER SHEATH）、承受拉力铠甲 （TENSILE ARMOUR）、承 受 内 压 铠 甲（PRESSUREARMOUR）、 内 襯（INNERLINER）、内锁（CARCASS）层等，一层一层地组成。
内锁层由钢带缠绕而成，它用以防止内襯层的挤压破坏，并可抵御粗颗粒及工具的损伤。内襯层由聚合物制成，以利于油气流体输送。内压铠甲层由很多层钢丝螺旋缠绕而成，它具有承受高压和超高弯曲的特性，从而可产生柔性和超高动力特性。拉力铠甲层由很多层的成对的近似矩形断面的钢带螺旋缠成，它可以承受轴向拉力。外壳由聚合物组成，它可对内部各层提供保护，以适应管外环境。
上述所有钢丝、 钢带均为不锈钢，而聚合物则具有热塑性及防漏性能。各层虽均独立，无粘结，但却相关，因而相互间的配合，要求非常高。柔性管的各个独立层的层数可根据工程需要，向生产厂家订制，通常最简单的承受中等压力的柔性管是只有 4 层；而更多的复杂柔性管，则可以多至 19 层。
海上油气田应用现状
在海上油气田中，柔性管可用作海底管汇与水面平台（船）连接的立管（riser），如图 2 所示。柔性管还可以用作海底的水平跨接管，如图 3 所示即为将海底采油树与管汇之间相连接用的水平跨接管。柔性管也可以用作水面上两船之间输送油气的管道 ，图 4 所示即为水面上浮式生产液化天然气（LNG） 的FPSO。
近年来已有专家提出将柔性管用作海底输送油气管道的倡议，并有厂家开始生产出了用于陆上油气田及海底输送油气用的柔性管。如我国山东省咸海市的纳川以及鸿通管材股份有限公司，就已经开始批量生产出了柔性管， 可以用于深水，年销售额可达 300 亿元。而我国的中海油南海西部公司，则从 2009 年开始，直至 2017 年，己经 8 次成功地应用柔性管铺设了海上油气田中一定距离的注气、注水以及海底输送天然气、易凝原油、高温原油的管道。
从目前全球海上油气田应用柔性管情况的统计数据来看，58% 的柔性管用做与水面船或平台连接的立 管；70% 的 柔 性 管 的 工 作 水 深小 于 1,000m；90% 的 柔 性 管 的内径小于 10 英寸；76% 的柔性管的内压工作压力低于 5,000PSi；70% 的柔性管的工作温度小于 80摄氏度；绝大多数柔性管内压与内径 的 乘 积 小 于 50,000Psi-inch；流体压力与管内径乘积的极限为80,000Psi-inch。
柔性管的主要优点
柔性是柔性管的最大优势，柔性管的这个性能通常是以一段直径8 英寸标准柔性管可以允许安全地弯成 2m 或 2m 以下半径的园弧来表征。正由于柔性管具有这种良好的柔性，因而可以用于摇摆位移较大的浮式生产平台作为立管；还可用作铺设在复杂地形的不平整海底的输送油气的管道；尤其是由于它可以很容易地缠绕在滚筒上，故而便于高效、 快速地进行运输及安装。此外，与刚性管相比，柔性管具有质量轻、抗腐蚀、抗疲劳、强度高、耐高压、耐高温等一列优点。处于海水中的管道，抗腐蚀性能非常重要，传统的海洋管材属于金属材料，容易被海水腐蚀，若防腐措施不完善， 则使用年限只有三五年，而柔性使用寿命长，可以长达到 30年。
柔性管的抗疲劳、强度高、耐高压、耐高温，可以以工作水深的性能来综合表征，图 5 给出了目前（current）及未来（future）不同管径的柔性管的工作水深 （纵坐标）性能，从该图明显看出，目前应用 7英寸和 9 英寸管径的柔性管，工作水深己经达到 3,000m。还有更多大尺寸管径的柔性管，不久将来也都可以用于深水和复杂油田的开发，彰显出柔性管技术性能的优赿性。
柔性管的制造生产情况
世界第一家柔性管的生产厂家是英国纽卡斯尔工厂，它的产品使用寿命长、耐高压、耐高温、具有冷关闭和快速减压潜能，还可抵御百年一遇的气旋保持连接状态，因而己畅销到 1.1 万多公里以外的东南亚，且供应 2016 年新发现的巴西的全球海上最大油田及世界上首座浮式生产 LNG 的 FPSO 使用。
我国山东省威海市的纳川管材股份有限公司，2016 年建成了一条玻纤增强柔性管生产线，生产他们研制出的一种适用于深海及超深海工程领域应用的轻质、非金属、粘结型的玻纤增强柔性管。与传统海洋管材相比，该产品具有强度高、抗腐蚀、抗疲劳、柔性好、质量轻、耐高温等特点，可承受的内压、外压大，适用于水深 3,000 米。传统的海洋管材属于金属材料，容易被海水腐蚀，使用寿命低，并且由于质量重，在施工的过程中，费用高，施工时间也长，存在一定局限性。玻纤增强柔性管为国内首创，预测市场规模年超过 300 亿元。
另 外， 我 国 威 海 鸿 通 管 材 股份有限公司也开始生产柔性管，它生 产 的 DN150 18MPa 和 DN10032MPa 纤维增强聚合物柔性连续复合管，承压能力高，不仅其性能能够替代进口的镍基合金管，而且生产成本仅是进口产品的一半，从而将市场价格降低了 50% 。另外，它的使用寿命长，使用年限可以达到30 年，可实现连续盘卷、连续铺设，大大减轻了劳动强度。正是由于与刚性管相比，它具有这些优点，因而市场广阔，目前销往各大油田的在用管线已超过 17,000 公里。
国内需加大生产柔性管
总之，柔性管作为高端产品，我国应进一步开展研发与生产。国内两个厂家生产的二、三万公里柔性管是远远不能满足未来的需求。因此，从供给侧改革来看，必须调整产品结构， 大力发展柔性管生产，而且例如输送液化天然气的管道，必须增加真空绝热层，制成保持零下 162℃的超低温冷冻管，这种高端产品目前我国尚属空白，更是需要大力开展研发的。柔性管用作海底长距离输送油气管道，极需在我国海上油气田中推广应用。
我国威海鸿通管材股份有限公司在南海新区的临港产业区，已建立了海洋非金属输油管材基地。他们生产的纤维增强聚合物柔性连续复合管，可实现连续盘卷、连续铺设，安装时可减少漏点、减少劳动强度，技术性能不仅能够替代进口的镍基合金管，而且生产成本仅是进口产品的一半，使用年限还比国外长；尤其是他们利用管材高柔性的特点，使一整根由原来的 8 米长，制成 80 米长，直到 800 米一根，甚至还可再延长，非常有利于安装及在海底连续铺设。
目前他们已研制出适用于水深 500 米的柔性管，还再继续研制增大工作水深。 显然，我国这些在供给侧改革所取得的丰硕成果，急需在我国海上油气田中推广应用。我国的中海油南海西部石油公司， 采取通过试点、 逐步推广的做法，首先，选择注气、注水管线使用国产柔性管进行试验，分别于 2009年、2011 年在涠州 12-1PAP 平台及 涠 洲 6-9/6-10/11-2 油 田， 使用 3 英寸及 4、6 英寸直径的高压国产柔性管，铺设了十几公里的注气、注水用长输管道。
试验成功后，继 而 于 2013 年、2015 年、2016年，又分别在文昌 13-6 油田、涠洲油田天然气网、东方 1-1 气田、涠洲 12-2 油田群、涠洲 12-1A 中心平台，铺设了管径更大（最大达12 英寸）、压力更高（最高压力达22.7Mpa） 、距离更长的输送易凝原油及天然气的国产柔性管管道，推广扩大了应用范围。 直至 2017 年，进一步在涠洲 6-13 油田开发项目中，应用柔性管输送高温原油，首次采用国产的新型交联聚乙烯材料制作的柔性管，提高了柔性管的设计温度，高达 95℃。由此显见，中海油南海西部石油公司推广柔性管应用时，这种不遗余力地推动国产化的理会和既积极又稳妥的做法以及一切通过试验的科学态度，应在我国推广应用柔性管过程中，大加提倡。
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