水下生产系统后保护方案研究

崔宁 谢锏辉 张西伟 郑申奎 马庆林 薛大智

摘 要：随着渔业捕捞技术的发展，越来越多的较深水油气田的水下设施正在受到渔业活动的威胁。随着中国海洋石油开发向深水挺近，日后深水油气田的开发模式将采用水下生产系统加浮式生产平台的整体方案，油气田将建设大量包括采油树、管汇终端、脐带缆终端等水下结构物，如何保护水下生产系统中的结构、管缆免受渔业活动和落锚的损伤，已经成为保障油气田安全生产不可回避的课题。该文基于国内各油气田水下生产系统实际发生的损伤情况，结合国外已经成功实践的后保护措施，对水下生产系统后保护方案进行了介绍。

关键词：水下生产系统；水下结构物；后保护

中图分类号：P756 文献标志码：A

0 背景

近几年来，海洋渔业捕捞方式及捕捞设备发展迅猛，渔业活动对海洋油气水下设施的影响也越发明显。浅水油气田开发采用的固定式导管架平台间的海底管线、电缆等水下管缆设施，均存在有被拖网、落锚损伤和破坏的案例。为保证海上平台安全生产，避免其受到渔业活动及船舶抛锚作业影响，目前多采用挖沟埋设或覆盖压块的保护方式。

随着中国海洋石油开发向深水挺进，深水油气田的开发模式将告别固定式平台群的开发方案，采用水下生产系统加浮式生产平台的整体开发模式（图1）。油气田建设将涉及大量的海底结构物安装，包括采油树、管汇终端、脐带缆终端等，以及结构物间用于油气输送及电液控制的海底管线、电缆、脐带缆、电液飞线等。

而近几年，海洋渔业捕捞方式及捕捞设备同样存在更新和进步，渔业活动对海洋油气水下设施的影响也越发明显。深水油气田水下结构物受渔业损坏案例也时有发生，主要体现在运动拖网捕鱼的作业深度越来越深，象南海东部180 m～200 m水的深脐带缆上发现表面破损、整体打扭和因拖挂上脐带缆而被弃置的锚体（图2），而在更深的300 m水深的水下结构物上，同样发生了大面积的渔网覆盖和电缆终端被渔业活动拖翻的事故（图3），以前所做的渔业活动调查结论已经不适用于现有水下油气设施。

相比于海底管缆采用挖沟埋设的保护手段，同样裸露于海床上的水下生产系统各类结构物，也需要采用针对性的保护方案，以防止各类渔业活动、落锚的损伤。在国际范围内，以北海为例，作为世界四大渔场之一，该海域的深海鱼捕捞技术先进，捕捞深度大。因此，北海整个油气田的水下生产系统后保护已经有相当成熟的方案和普遍应用。

1 水下生产系统简介

传统的水下生产系统主要由各种水下生产流体集输设备和控制设备组成，按照功能可分为井口及采油树系统、管汇及连接系统、水下控制及脐带缆系统。水下生产系统中的水下生产设施主要包括：水下井口、水下采油树、水下管汇及各类水下控制模块等；水下生产系统中的海底管缆主要包括生产管道、脐带缆、海底电缆及各类注水、注气管道等。

采油树是水下生产系统的基本组成设备，就位于水下进口上，是水下生产的控制通道和检测设备。水下井口主要包括套管、套管头等，用于支撑采油树及井口下部流体流通。采油树将油井中的采出物直接通过管线直接输送至水下管汇。

水下管汇及连接系统主要由生产管路、水下阀门、连接设备等组成，集成至一个支撑或主体结构中。水下管汇负责将各采油树输出的油气汇集并外输。

水下控制系统包括各类脐带缆终端、电缆终端，控制系统与脐带缆、电缆相互配合，对水下生产系统进行控制。

而对于水下生产系统中所包括的各类结构、管缆设施的后保护而言，其保护方案主要取决于其外形结构，按照其外形结构划分，主要可以分为以下3类：

（1）各类立式、卧式的模块类结构，包括采油树、水下管汇、脐带缆终端、电缆终端等。

（2）海底管缆，主要包括海底管道及连接各模块的脐带缆、电缆、电液飞线等。

（3）特殊结构，主要指各类水平或垂直跨接管。

后保护方案将按照各设施不同的外形结构进行针对性地考虑和设计。

2 模块类结构物的保护

首先油气田水下生产系统通常远离航道，非航道海域本身来往船只少，且船舶在深水區域抛锚的概率又极小，因此模块类的结构物，如采油树、管汇、终端等，其主要威胁来自拖网捕捞等渔业活动。常见的损伤形式包括结构整体倾覆、阀门等零部件破坏导致的功能失效等。

对于模块类结构物保护，多采用钢结构保护罩的保护形式（图4）。根据被保护物的外形特征，保护罩的外形尺寸可能存在不同，但整体结构类似，均为梯形体。边、梁结构以钢管、工字钢为主，顶面、斜面为钢质格栅板，以减轻整体重量。为保证良好的防渔业活动和抗落锚损伤，钢结构保护罩应至少具备以下2个基本性能：

（1）斜面及顶面平滑、无突出结构，具备良好的渔网通过性，当拖网经过时，其网板、桁杆、沉子、网袋等不会出现钩挂情况。

（2）具备一定的抗冲击强度，既要保证其可以有效抵抗落锚撞击，另外在发生形变后不会对内部的被保护结构造成影响。

近几年中国南海各新开发的油气田，水下设施涉及有水下管汇、三通撬、阀组、控制终端等模块类结构物时，均设计有钢结构保护罩，在水下设施调试完成后第一时间完成保护罩安装。即便如此，在实际施工时，还是会出现水下设施安装完成后的调试阶段或是主作业船暂离期间，出现挂网甚至损坏的情况，足见其后保护的必要性和紧迫性。

3 管线及柔性管缆保护

与模块类结构物相同，水下生产系统中连接各水下模块的脐带缆、电缆主要威胁来自渔业活动，但某些连接至动态立管的较长距离外输管线、脐带缆、电缆等也会面临抛锚作业的威胁。尤其是大型的远洋货轮临时抛锚，管缆一旦被锚体挂带，其破坏力将比渔业活动更大，损伤也更为直接和严重。

目前，在裸露的管缆上覆盖水泥压块是防止落物、拖网损伤最为普遍的保护手段，象位于平台下方的管缆、膨胀弯、路由交叉点等均采用此种方式（图5），但该方式存在以下不足：

（1）稳定性不佳

水泥压块各水泥块采用尼龙绳串接，尼龙绳防腐蚀性能差，长时间在水下将出现腐蚀断裂导致水泥块散落，失去保护效果。

（2）影响管线自由度

当管线投产后，在高温高压的工作状态下，膨胀弯将会发生移动。水泥压块覆盖的膨胀弯在连接点处的受力是自由状态下膨胀弯的2.15倍。

因此，对于水下生产系统中涉及的管缆，根据其不同的特点，建议采用如下保护方案：

（1）水下各模块群内部连接各功能模块的短距离的脐带缆、电缆及海管末端接入管汇的膨胀弯等，同样采用保护罩的方式，其结构类似于工程隧道，沿管缆和膨胀弯的安装路由布置，如图6所示。此方案优势在于保护罩本身结构比水泥压块更为稳定，另外可以释放被保护管缆的自由度，目前管缆保护罩在英国北海的水下生产系统中已经得到了广泛应用，如图6所示。

（2）长距离外接管线及脐带缆，由于路由距离较长，建议采用常规的挖沟埋设或抛石覆盖。

对于长距离管缆，目前国内普遍采用挖沟埋设的方案，对于100 m以浅的管缆挖沟，相关挖沟资源和技术方案均已经十分成熟。海油工程已于2018年引进了国际上最先进的深水挖沟犁系统，作业水深可达500 m，装备水平已经处于国际领先水平。但是对于水下生产系统各模块群内部的短距离管缆，目前还没有相关的保护方案用于工程实践。

4 特殊结构保护

水下生产系统中的特殊结构主要是指跨接管，跨接管是水深超过300 m潜水无法作业或作业困难的油气田水下生产系统的采油树、管汇、海管终端等结构之间重要的连接工具。跨接管按照其布置形式可分为水平跨接管和立式跨接管。跨接管结构形式各异，通常在其结构两端存在远高出于海床成“M”型，部分超长距离跨接管在中部也会存在悬跨段，并设计有故跨接管其结构及安装后的状态，极易被渔网拖挂，一旦出现损伤可能造成连接器密封失效，严重的更可能导致油田泄漏事故。

对于跨接管的保护，国外通常采用特殊的高强度复合材料按照原跨接管管型制作套管型保护罩，复合材料以合成树脂为主，具备轻质高强度的特点，将跨接管包裹于套管中以达到保护目的（图7）。

该保护方案具备以下性能特点：

（1）合成树脂材质质量是碳钢的1/4～1/5，其材质质量轻，安装于跨接管上，不会过多地增加跨接管本身的重量。

（2）根据具体的防护需要，保护套管设计尺寸可比跨接管本体尺寸更大，具有更大的弧面且表面平滑，以保證网板、桁杆、沉子、网袋具有良好的通过性。

（3）具备良好的抗冲击性能，可有效保护跨接管免受落物损伤。

套管型保护罩类型的跨接管保护方案在英国北海的水下生产系统中已经有成功应用的案例。国内目前尚没有针对于跨接管的后保护方案用于工程实践。

5 结语

中国南海近5年来无论是在建设的或是已经投产的各油气田水下设施，水下设施遭到渔业活动破坏的案例屡见不鲜，已遭受渔业活动影响的结构物水深最深可达300 m。随着渔业捕捞技术的发展，此前所做的诸如60 m以深水下设施不需要进行后保护的结论显然已经不再适用。未来深水油气田开发模式，油气开采的主要功能设施全部转移至水下，水下生产系统中的各类结构物同样将面临渔业活动的威胁。无论从国内各较深水油气田已经发生的渔业活动损伤还是国外深水油气田的水下生产系统后保护措施的应用情况来看，一方面需要加强对渔民的宣传工作，普及水下生产设施保护、渔网钩挂解脱以及防止危害扩大的基本知识；另一方面势必需要配套有针对性的后保护方案及相关结构设计，以保证水下生产系统免受渔业活动威胁。

虽然新建的水下模块类结构物均设计了钢结构保护罩，但之前与国外合作开发的一些较深水油气田的水下生产系统中，并未采用任何保护类结构，且正在遭受渔业活动威胁。对于这类已投产的水下生产系统结构物设计针对性的后保护方案同样迫在眉睫。

参考文献

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