CN110252750A - 一种应用于深海油气管道清管作业的设备 - Google Patents

一种应用于深海油气管道清管作业的设备 Download PDF

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张海波
李友行
徐壮
朱绍华
邓重强
兰学杰
柳斌
李秀乾
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Abstract

本发明公开了一种应用于深海油气管道清管作业的设备，包括：冲水系统，连接所述冲水系统的化学药剂注入系统，能够辅助所述冲水系统进行管道清理的辅助系统，以及能够采集并传输所述清管设备的数采传输系统；所述冲水系统至少包括自由冲水以及ROV辅助冲水，所述自由冲水以海水管道内外的水压差作为动力进行冲水清管，所述ROV辅助冲水通过离心泵提供的液压动力进行冲水清管；所述化学药剂注入系统至少包括水下化学药剂罐、化学剂排放组件、化学剂注入组件、化学剂过滤及调节组件、化学剂水下补充快速接口，化学剂根据主管道流量变化以及化学剂过滤及调节组件实现化学药剂不同浓度的配比注入；本发明能够克服深水压力及沿程阻力，减少常规清管作业地面设备多、占用空间大、投入成本高缺点，提高深水管道清管作业效率。

Description

一种应用于深海油气管道清管作业的设备
技术领域
本发明涉及海工及深海领域，尤其涉及一种应用于深海油气管道清管作业的设备。
背景技术
全球深海装备技术正在蓬勃发展，技术创新层出不穷，作业水深更加深远，海洋装备向自动化、绿色化、集成化、智能化方向发展。
深海是未来海洋石油开发的“主战场”。受制于工程装备能力和技术水平因素限制，我国海上油气田开发水深暂时集中在300米以内，随着国内外深海区域油气田资源的大力开发，海底管道和海底水下装置的广泛应用，海底管道清管工作量也在逐年增加。新铺设的海底管线均需要在投产前对其进行清管处理施工，以保证海底管线内部清洁,也确保了管线的畅通性,为海上平台投用海底管线创造了良好的条件,保证了海底管线的正常使用。
随着海洋钻井向深海发展，与之相关的管道清理工作越来越困难，地面清管设备可满足陆地和浅水管道的清管作业要求，对于深水管道清管作业，所需要的地面设备数量较多，为了克服深水压力及沿程阻力，需要大功率成套作业设备，对船舶布置空间、大功率设备投入成本提出较高要求。目前国内还没有地面设备可以满足深海、长距离管道的清管作业要求，同时适用于深水的管道预调试装备也是空白。
深水油气勘探开发尚处于起步阶段，急需先进的技术和装备进行支撑。越来越多的深海管道清管作业，迫切需要一种可以在水下作业的清管作业设备。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种应用于深海油气管道清管作业的设备，可实现自由冲水和离心泵辅助冲水两种作业，能够克服深水压力及沿程阻力，减少常规清管作业地面设备多、占用空间大、投入成本高缺点，提高深水管道清管作业效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种应用于深海油气管道清管作业的设备，包括：冲水系统，连接所述冲水系统的化学药剂注入系统，能够辅助所述冲水系统进行管道清理的辅助系统，以及能够采集并传输所述清管设备的数采传输系统，其特征在于，所述冲水系统至少包括自由冲水以及ROV辅助冲水，所述自由冲水以海水管道内外的水压差作为动力进行冲水清管，所述ROV辅助冲水通过离心泵提供的液压动力进行冲水清管；
所述化学药剂注入系统至少包括罐体、化学剂排放组件、化学剂注入组件、化学剂过滤及调节组件、化学剂水下补充快速接口，化学剂根据主管道流量变化以及化学剂过滤及调节组件实现化学药剂不同浓度的配比注入。
本发明一个较佳实施例中，适用深海管道水下清管设备，满足水下2000m以浅海底管道清管作业。所述冲水系统至少包括自由冲水和ROV辅助冲水两种操作，主要系统包括所述自由冲水、所述ROV辅助冲水、所述化学药剂注入系统、所述数采传输系统、所述辅助系统，内部集成了浸没式所述海水过滤器、所述离心泵、所述水下节流及控制系统、所述水下流量计、所述水下压力表和所述水下数据采集系统所有清管支持设备，以上部件均按照最大2000水深应用进行设计并满足水下防腐材质要求，并通过撬装模块化设计，实现作业设备的高度集成，以满足海底管道对于作业设备在尺寸和重量上的要求。
本发明一个较佳实施例中，所述自由冲水至少包括ROV操作的所述海水隔离阀、所述节流单元，以海管内外的水压差作为动力，对海管进行冲水，并通过ROV操作的节流控制单元对清管速度进行控制，可满足不低于1m/s的清管速度，流量控制范围不低于0～400m3/h。所述节流单元可根据管道内部压差变化及所需清管速度，通过ROV直接控制海水注入流量，此过程无需额外的能量供给，可实现90％～95％的海水注入工作量。
本发明一个较佳实施例中，所述ROV辅助冲水至少包括所述离心泵、所述海水隔离阀、水下应用液压系统，以ROV的辅助液压系统为清管设备内的离心泵提供液压动力，通过水下液压热插拔工具实现ROV与设备的快速连接，通过控制ROV液压系统流量和压力，实现离心泵不低于150m3/h的冲水流量调节。水下应用液压系统设计深水压力补偿及平衡系统，可根据不同海水深度自动调节液压系统与外界水压的平衡。
本发明一个较佳实施例中，所述化学药剂注入系统至少包括所述罐体、所述化学剂排放系统、所述化学剂注入系统、所述化学剂过滤及调节系统、所述化学剂水下补充快速接口，化学剂通过文丘里原理根据主管道流量变化以及化学剂过滤及调节系统实现不低于300ppm和1000ppm的不同浓度的配比注入。化学剂罐体自身具备水下压力补偿能力，可根据所述罐体内化学剂的消耗不断调整体积，实现内外压力平衡，可实现不低于2000米水深的应用，且每个独立的化学剂罐可单独实现注入、排放、控制，且每个罐单独配置水下ROV热插拔接口，可实现水下实时化学剂补给填充。
本发明一个较佳实施例中，所述数采传输系统至少包括注入海水流量计量及控制系统、化学剂注入流量计量及控制系统、海水深度及温度计量系统、系统排出压力计量系统、水下数据显示系统、水下数据无线传输系统。整套系统可对作业过程中的流量、压力、深度、温度数据进行实时采集，并通过水声发送器发送，通过ROV上水声接收器接收数据，通过脐带缆传送至船上控制中心，可实现水下实时显示以及水上数据下载功能。此设备还创新设计了与ROV对接平台和供ROV操作的阀门和仪表界面，以实现ROV对水下水下清管设备的操作。
本发明一个较佳实施例中，所述辅助系统至少包括防沉板、防腐保护、外部设备连接，设备设置有适应海底不同土质的防沉板，可将接触压力控制在5kpa以内，对不同地质能够完全保障作业稳定性。整套设备设置至少两套防腐措施，其中一个是设置适用于水下设备的阳极保护，利用牺牲阳极的方式保护设备及部件，整体设计寿命不低于5年，另一个为按照水下设备表层喷涂及防腐要求设计喷涂。为适应水下快速装卸，深海清管装备上延伸出软管作为冲水管，在冲水管端部设计有水下热插拔的快速接头，可通过ROV辅助实现与发球筒上接口的水下快速连接。在作业完毕后，冲水软管可直接缠绕在设备周围，减少了水下ROV作业的工作量。
本发明一个较佳实施例中，所述ROV为遥控无人潜水器，属于无人水下航行器的一种，系统组成一般包括：动力推进器、遥控电子通讯装置、黑白或彩色摄像头、摄像俯仰云台、用户外围传感器接口、实时在线显示单元、导航定位装置、自动舵手导航单元、辅助照明灯和凯夫拉零浮力拖缆单元部件。
本发明一个较佳实施例中，清管设备内部集成了浸没式海水过滤器、离心泵、水下文丘里管、水下流量计、水下压力表和水下数据采集系统等所有清管支持设备，是一种高度集成的水下设备；设备为整体框架式结构，外框架为泵送系统、化学剂注入系统、电气系统、液压系统等提供防护和辅助设备的固定安装。
本发明一个较佳实施例中，在ROV辅助充水状态下，ROV的液压泵为撬内的离心泵提供动力，实施海管辅助注水；清管撬入口设计大流量过滤器，过滤精度不低于50μm，避免在本阶段使砂砾以及有机生物进入管道中；该设施对流过其自身的海水实施过滤、化学药剂注入、压力/流量计量等操作，并将操作和计量数据记录在自身携带的数据采集系统上。
本发明一个较佳实施例中，配置多个化学剂注入罐体，实现至少两种化学药剂的同时注入，可按需要外接扩展相应的水下化学剂罐。
本发明一个较佳实施例中，为适应水下连接，水下清管撬上延伸出海底跨接软管作为充水管，在充水管端部带有水下热插拔的快速接头，在ROV的辅助下可实现与发球筒上接口的水下快速连接。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明能够应用于2000米水深及其以浅海管清管作业，液压管路、马达、化学剂罐、压力表若干部件至少设计一种海水压力补偿装置，可根据不同水深自动适应并调节内外压力平衡，克服了深海压力及沿程阻力，实现更加彻底的清管。
(2)本发明具有自由冲水和辅助冲水两种冲水系统，每种系统具备单独的流量注入及调节能力，并可通过ROV操作水下隔离装置在水下作业时快速切换。自由冲水可实现不低于0～400m3的流量注入及调节能力，辅助冲水可实现不低于150m3/h的流量注入及调节能力，两种作业最终都可实现最低18寸海管清管球不小于1m/s的清管要求，选择性广，适用灵活方便。
(3)本发明化学剂注入系统配置多个化学剂罐，可实现至少两种化学剂的同时注入，且具有水下化学药剂补给功能以及根据作业需要临时改变多种化学药剂种类的功能，每种化学剂都可单独进行流量调节控制及过滤，最终根据主管道流量实现不低于300ppm和1000ppm的不同浓度的配比注入。
(4)本发明具备水下实时数据显示及至少150m范围的无线数据传输，提高ROV水下作业的灵活性。设备与ROV之间可通过水声发送器和接收器进行数据传输，并通过ROV脐带缆传输到地面控制模块，实现更加稳定的智能操作，降低人力水下作业的危险。
(5)本发明可实现自由冲水和离心泵辅助ROV辅助冲水两种作业，能够克服深水压力及沿程阻力，减少常规清管作业地面设备多、占用空间大、投入成本高缺点，提高深水管道清管作业效率。
(6)本发明提供至少两种防腐措施，阳极保护和涂层保护能够加强保护设备，降低海水侵蚀，提高设备使用寿命，减少成本输出。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1是本发明的优选实施例的立体结构图；
图2是本发明的优选实施例的原理示意图；
图中：保护架1；海水过滤器2；海水隔离阀3；水下马达4；离心泵5；数采传输系统6；仪表面板7；接口8；罐体9；阳极保护10；防沉板11。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
需要说明的是，当部件被称为“固定于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者也可以存在居中的部件。当一个部件被认为是“连接”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。本文所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
如图1-2所示，一种应用于深海油气管道清管作业的设备，包括：冲水系统，连接冲水系统的化学药剂注入系统，能够辅助冲水系统进行管道清理的辅助系统，以及能够采集并传输清管设备的数采传输系统6，其特征在于，冲水系统至少包括自由冲水以及ROV辅助冲水，自由冲水以海水管道内外的水压差作为动力进行冲水清管，ROV辅助冲水通过离心泵5提供的液压动力进行冲水清管；
化学药剂注入系统至少包括罐体9、化学剂排放组件、化学剂注入组件、化学剂过滤及调节组件、化学剂水下补充快速接口8，化学剂根据主管道流量变化以及化学剂过滤及调节组件实现化学药剂不同浓度的配比注入。
具体地，适用深海管道水下清管设备，满足水下2000m以浅海底管道清管作业。冲水系统至少包括自由冲水和ROV辅助冲水两种操作，主要系统包括自由冲水、ROV辅助冲水、化学药剂注入系统、数采传输系统6、辅助系统，内部集成了浸没式海水过滤器2、离心泵5、水下节流及控制系统、水下流量计、水下压力表和水下数据采集系统所有清管支持设备，以上部件均按照最大2000水深应用进行设计并满足水下防腐材质要求，并通过撬装模块化设计，实现作业设备的高度集成，以满足海底管道对于作业设备在尺寸和重量上的要求。
具体地，自由冲水至少包括ROV操作的海水隔离阀3、节流单元，以海管内外的水压差作为动力，对海管进行冲水，并通过ROV操作的节流控制单元对清管速度进行控制，可满足不低于1m/s的清管速度，流量控制范围不低于0～400m3/h。节流单元可根据管道内部压差变化及所需清管速度，通过ROV直接控制海水注入流量，此过程无需额外的能量供给，可实现90％～95％的海水注入工作量。
具体地，ROV辅助冲水至少包括离心泵5、海水隔离阀3、水下应用液压系统，以ROV的辅助液压系统为清管设备内的离心泵5提供液压动力，通过水下液压热插拔工具实现ROV与设备的快速连接，通过控制ROV液压系统流量和压力，实现离心泵5不低于150m3/h的冲水流量调节。水下应用液压系统设计深水压力补偿及平衡系统，可根据不同海水深度自动调节液压系统与外界水压的平衡。
具体地，化学药剂注入系统至少包括罐体9、化学剂排放系统、化学剂注入系统、化学剂过滤及调节系统、化学剂水下补充快速接口8，化学剂通过文丘里原理根据主管道流量变化以及化学剂过滤及调节系统实现不低于300ppm和1000ppm的不同浓度的配比注入。化学剂罐体9自身具备水下压力补偿能力，可根据罐体9内化学剂的消耗不断调整体积，实现内外压力平衡，可实现不低于2000米水深的应用，且每个独立的化学剂罐可单独实现注入、排放、控制，且每个罐单独配置水下ROV热插拔接口8，可实现水下实时化学剂补给填充。
具体地，数采传输系统6至少包括注入海水流量计量及控制系统、化学剂注入流量计量及控制系统、海水深度及温度计量系统、系统排出压力计量系统、水下数据显示系统、水下数据无线传输系统。整套系统可对作业过程中的流量、压力、深度、温度数据进行实时采集，并通过水声发送器发送，通过ROV上水声接收器接收数据，通过脐带缆传送至船上控制中心，可实现水下实时显示以及水上数据下载功能。此设备还创新设计了与ROV对接平台和供ROV操作的阀门和仪表界面，以实现ROV对水下水下清管设备的操作。
具体地，辅助系统至少包括防沉板、防腐保护、外部设备连接，设备设置有适应海底不同土质的防沉板，可将接触压力控制在5kpa以内，对不同地质能够完全保障作业稳定性。整套设备设置至少两套防腐措施，其中一个是设置适用于水下设备的阳极保护10，利用牺牲阳极的方式保护设备及部件，整体设计寿命不低于5年，另一个为按照水下设备表层喷涂及防腐要求设计喷涂。为适应水下快速装卸，深海清管装备上延伸出软管作为冲水管，在冲水管端部设计有水下热插拔的快速接头，可通过ROV辅助实现与发球筒上接口8的水下快速连接。在作业完毕后，冲水软管可直接缠绕在设备周围，减少了水下ROV作业的工作量。
具体地，ROV为遥控无人潜水器，属于无人水下航行器的一种，系统组成一般包括：动力推进器、遥控电子通讯装置、黑白或彩色摄像头、摄像俯仰云台、用户外围传感器接口8、实时在线显示单元、导航定位装置、自动舵手导航单元、辅助照明灯和凯夫拉零浮力拖缆单元部件。
具体地，如图1中的清管设备内部集成了浸没式海水过滤器2、离心泵5、水下文丘里管、水下流量计、水下压力表和水下数据采集系统等所有清管支持设备，是一种高度集成的水下设备；设备为整体框架式结构，保护架1为泵送系统、化学剂注入系统、电气系统、液压系统等提供防护和辅助设备的固定安装。
具体地，在ROV辅助充水状态下，ROV的液压泵为撬内的离心泵5提供动力，实施海管辅助注水；清管撬入口设计大流量过滤器2，过滤精度不低于50μm，避免在本阶段使砂砾以及有机生物进入管道中；该设施对流过其自身的海水实施过滤、化学药剂注入、压力/流量计量等操作，并将操作和计量数据记录在自身携带的数据采集系统上。
具体地，配置多个化学剂注入罐体9，实现至少两种化学药剂的同时注入，可按需要外接扩展相应的水下化学剂罐。
具体地，为适应水下连接，水下清管撬上延伸出海底跨接软管作为充水管，在充水管端部带有水下热插拔的快速接头，在ROV的辅助下可实现与发球筒上接口8的水下快速连接。
具体地，自由冲水和ROV辅助冲水共用海水过滤系统和化学剂注入系统，过滤系统可满足最低466m3/h的海水注入要求，及至少50μm的过滤精度，整套过滤系统通过法兰连接，作业完毕可拆卸，并对设备内部进行清洗维护。
首先进行自由冲水，水下ROV操作，打开海水过滤系统中的主管道海水隔离装置，关闭辅助冲水系统中的海水隔离装置，并操作ROV在水下将设备与水下管道终端使用跨接软管连接，使海水可以依次通过海水过滤系统、化学剂注入系统、自由冲水几个环节进入预调试管道。过程中通过自由冲水系统中的节流控制装置实现海水流量最低0～400m3/h的调节，最终实现自由冲水阶段清管球不小于1m/s的清管要求，并通过化学剂注入系统中的文丘里泵的特性、流量调节使实现不低于300ppm和1000ppm的不同浓度的配比注入要求。
其次进行辅助冲水，水下ROV操作，将ROV自身液压系统的通过水下热插拔装置与清管设备快速建立连接。关闭自由冲水系统中的管道隔离装置，打开辅助冲水阶段管道隔离装置，打开ROV液压系统供给系统驱动离心泵5工作，可实现不低于150m3/h的冲水流量调节，最终实现自由冲水阶段清管球不小于1m/s的清管要求，并通过化学剂注入系统中的文丘里泵的特性、流量调节使实现不低于300ppm和1000ppm的不同浓度的配比注入要求。
以上两个阶段的作业，均可由图2中的水下ROV控制面板直接操作，减少ROV的运动范围和运动量，避免水下缠缆的风险。同时，作业过程中的流量、压力、深度、温度等数据进行实时采集，并通过水声发送器发送，通过ROV上水声接收器接收数据，通过脐带缆传送至船上控制中心，可实现水下实时显示以及水上数据下载等功能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (10)

1.一种应用于深海油气管道清管作业的设备，包括：冲水系统，连接所述冲水系统的化学药剂注入系统，能够辅助所述冲水系统进行管道清理的辅助系统，以及能够采集并传输所述清管设备的数采传输系统，其特征在于，所述冲水系统至少包括自由冲水以及ROV辅助冲水，所述自由冲水以海水管道内外的水压差作为动力进行冲水清管，所述ROV辅助冲水通过离心泵提供的液压动力进行冲水清管；
所述化学药剂注入系统至少包括水下化学药剂罐、化学剂排放组件、化学剂注入组件、化学剂过滤及调节组件、化学剂水下补充快速接口，化学剂根据主管道流量变化以及化学剂过滤及调节组件实现化学药剂不同浓度的配比注入。
2.根据权利要求1所述的一种应用于深海油气管道清管作业的设备，其特征在于：所述自由冲水至少包括ROV操作的海水隔离阀、节流单元，以海管内外的水压差作为动力，对海管进行冲水，并通过ROV操作的节流控制单元对清管速度进行控制。
3.根据权利要求1所述的一种应用于深海油气管道清管作业的设备，其特征在于：所述ROV辅助冲水至少包括水下应用离心泵、海水隔离阀、水下应用的液压装置，以ROV的辅助液压装置为清管设备内的离心泵提供液压动力，通过水下液压热插拔工具实现ROV与设备的快速连接。
4.根据权利要求1所述的一种应用于深海油气管道清管作业的设备，其特征在于：所述化学剂罐能够进行水下压力补偿，可根据罐内化学剂的消耗不断调整体积，实现罐体内外压力平衡，且每个所述化学剂罐均单独配置水下ROV热插拔接口。
5.根据权利要求1所述的一种应用于深海油气管道清管作业的设备，其特征在于：所述数采传输系统至少包括注入海水流量计量及控制系统、化学剂注入流量计量及控制系统、海水深度及温度计量系统、系统排出压力计量系统、水下数据显示系统、水下数据无线传输系统。
6.根据权利要求1所述的一种应用于深海油气管道清管作业的设备，其特征在于：所述数采传输系统能够通过水声发送器发送，通过ROV上水声接收器接收数据，通过脐带缆传送至船上控制中心。
7.根据权利要求1所述的一种应用于深海油气管道清管作业的设备，其特征在于：所述数采传输系统设置ROV对接平台以及供ROV操作的阀门和仪表界面。
8.根据权利要求1所述的一种应用于深海油气管道清管作业的设备，其特征在于：所述辅助系统包括防沉板、防腐保护、外部设备连接。
9.根据权利要求8所述的一种应用于深海油气管道清管作业的设备，其特征在于：所述防腐保护至少包括阳极保护和设备表层防腐喷涂。
10.根据权利要求1所述的一种应用于深海油气管道清管作业的设备，其特征在于：所述清管撬入口设置海水过滤器，所述海水过滤器能够对流过其自身的海水实施过滤、化学药剂注入、压力或流量计量，并将操作和计量数据记录在自身携带的数采传输系统上。
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