CN112065336A - 一种基于四个浮筒的新型水下悬浮管汇系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四个浮筒的新型水下悬浮管汇系统，包括悬浮管汇主体、四个浮筒、多根柔性跨接管、多根外输管线和多个功能舱，四个浮筒分别安设于悬浮管汇主体的四个角；每个浮筒配置有气阀、水阀和一根进气管，气阀为三通电磁阀，且浮筒与其进气管通过气阀相连通，四个浮筒的进气管的进气端向上汇集形成一根进气总管。本发明提出了一种基于四个浮筒的新型水下悬浮管汇系统，减少了由于海底环境的变化带来的影响，减少对海底桩基等结构的依赖，提高了海底环境的变化的适应力；悬浮管汇达到使用年限或出现故障时解脱柔性管即可实现回收，易于维修、回收及其重复利用，节省资源，具有一定的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及海洋石油开发技术领域，具体涉及一种基于四个浮筒的新型水下悬浮管汇系统。
背景技术
全球海洋油气资源约占全球油气总储量的34％，随着全球海洋油气勘探开发的逐步发展，水下石油天然气装备的设计也日趋成熟。水下管汇是一种使用金属制造的大型水下设备，作为水下生产系统的关键组成部分，因其具有能够提前安装，极大地优化管线的布局形式，后期灵活和可分阶段开发等优点，而被广泛应用于水下油气开发领域。
现有的水下管汇一般坐落于海底的水下桩基结构上，整体结构固定在海床上，安装时对海底地形有一定的要求，安装程序复杂，价格高昂。此外，发生故障时水下管汇维修作业困难，回收操作复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于四个浮筒的新型水下悬浮管汇系统，用以解决现有水下管汇安装过程复杂、维修和回收困难等问题。
本发明提供一种基于四个浮筒的新型水下悬浮管汇系统，包括悬浮管汇主体、多根柔性跨接管、多根外输管线和多个功能舱，多个所述功能舱固定于海底油气田两侧的水下桩基上，所述悬浮管汇主体通过多根所述柔性跨接管系泊于多个所述功能舱，多根所述外输管线的一端连接于所述悬浮管汇主体，多根所述外输管线的另一端用于连通海面上的储油船，其特征在于，还包括四个浮筒和一根进气总管，四个所述浮筒分别安设于所述悬浮管汇主体的四个角的侧面，且所述浮筒与所述悬浮管汇主体处于同一水平；每个所述浮筒配置有气阀、水阀和一根进气管，所述气阀为三通电磁阀，且所述浮筒与其进气管通过气阀相连通，四个所述浮筒的进气管的进气端向上汇集形成一根进气总管。
优选地，四个所述浮筒关于所述悬浮管汇主体的中心对称分布。
优选地，所述悬浮管汇主体包括矩形框架和悬浮管线，所述悬浮管线设置于所述矩形框架上，四个所述浮筒分别安设于所述矩形框架四个角的侧面；所述外输管线靠近所述悬浮管汇主体的一端与所述悬浮管线相连通。
优选地，所述柔性跨接管内穿有输气输油管，所述柔性跨接管的输气输油管的远端设置于所述功能舱，所述柔性跨接管的输气输油管的近端与所述悬浮管线相连通。
优选地，每个所述浮筒内部设置有多个浮筒层，多个所述浮筒层自上而下依次层状分布，每个所述浮筒层的外壁都设置有单独的气阀和水阀，且每个所述浮筒的外部配置有一根进气管，每个所述浮筒层通过所述气阀与所述进气管相连通，所述水阀为直通电磁阀，多个所述水阀分别与每个所述浮筒的多个浮筒层的内部一一对应连通；所述气阀包括浮筒层对接口、进气口和排气口，多个所述气阀的浮筒层对接口分别与每个所述浮筒的多个浮筒层的内部相连通，多个所述气阀的进气管口与所述进气管相连通。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种基于四个浮筒的新型水下悬浮管汇系统，四个浮筒固定在悬浮管汇主体的四个角，悬浮管汇主体的下放安装、回收维修通过调节浮筒的内部水量来改变四个浮筒与悬浮管汇主体的整体结构的重力与浮力的关系来实现。管汇系统能够脱离海床平面，保持悬浮姿态，同时安装操作简单，减少吸力锚的安装，降低了安装成本；同时通过对单个浮筒进行调节来维持管汇主体稳定的悬浮姿态，以抵抗的海底环境的变化，提高了海底环境的变化的适应力；此外，悬浮管汇达到使用年限或出现故障时解脱柔性管即可实现回收，易于维修、回收及其重复利用，节省资源，具有一定的经济效益。本发明提出了一种水下悬浮管汇系统，从而减少了由于海底环境的变化带来的影响，减少对海底桩基等结构的依赖程度，简化了安装过程，降低了安装成本，提高了海底环境的变化的适应力；悬浮管汇达到使用年限或出现故障时解脱柔性管即可实现回收，易于维修、回收及其重复利用，节省资源，具有一定的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于四个浮筒的新型水下悬浮管汇系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的悬浮管汇主体及四个浮筒的三维侧视图；
图3为本发明实施例1提供的浮筒内部结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的气阀的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
实施例1提供一种基于四个浮筒的新型水下悬浮管汇系统，下面对其结构进行详细描述。
参考图1和图2，该水下悬浮管汇系统主要由悬浮管汇主体1、四个浮筒2、六根柔性跨接管3、两根外输管线4和六个功能舱5。
其中，六个功能舱5固定于海底油气田两侧的水下桩基上，具体地，海底油气田每侧分布三根水下桩基，成两侧对称分布。
四个浮筒2分别安设于悬浮管汇主体1四个角的侧面，优选地，四个浮筒2关于悬浮管汇主体1的中心对称分布，且浮筒2与悬浮管汇主体1处于同一水平。为防止发生倾覆与侧翻，浮筒2与悬浮管汇主体1的整体结构的浮心在其重心之上。其中，这里的“浮心”，是指浮体或潜体水下部分体积的形心。当浮体方位在铅直面内发生偏转时，其水下部分的体积虽保持不变，但其形状却发生变化，因而浮心的位置也相应地移动。浮心和重心的相对位置对于判断浮体是否为稳定平衡有重要意义。
悬浮管汇主体1通过多根柔性跨接管3系泊于多个功能舱5，具体地，悬浮管汇主体1通过六根侧面柔性跨接管3与坐落于海底深水的六个功能舱5一一对应相连接。
多根外输管线4的一端连接于悬浮管汇主体1，多根外输管线4的另一端用于连通海面上的储油船。
具体地，悬浮管汇主体1包括矩形框架10和悬浮管线，矩形框架10为钢架结构，其中部断面的垂直截面为矩形，其侧面的水平截面为缺四角的矩形。悬浮管线依附于矩形框架10设置，四个浮筒2分别安设于矩形框架10四个角的侧面；外输管线4靠近悬浮管汇主体1的一端与悬浮管线相连通。
具体地，悬浮管线包括注入管线和生产管线。
注入管线包括乙二醇注入管线，化学药剂注入管线，放空管线等。乙二醇注入管线，化学药剂注入管线高低压供液管线包含在主脐带缆中，从地面设施下放，在水下分配单元中完成到各个井口的分配。脐带缆包含放空管线，用来降低因故障带来的异常流体压力，放空管线在水下分配单元中分配出一根到水下悬浮管汇，并同时连接到两根汇管，可以单独或同时排出汇管内的高压流体。在注入管线分支末端保留有接头用的连接固定装置，同时在注入线路的主管道末端留有温度压力传感器，可以随时记录注入管线的温度压力变化，对工作时出现的异常状态可以实现实时监控，确保注入管线的正常工作。在注入管线上存在着相应的隔离阀，用来控制注入管线流体的流通。
生产管线包括两条并行汇管、六条支管和一条清管回路弯管。两条并行汇管可以满足高压、低压井隔离集输，方便清管作业，并且使生产管线具有一定的冗余度，在一条汇管故障时可以使用另一条汇管继续进行生产。每条支管线同时连接在两条汇管上，通过液压/水下机器人控制闸阀控制流体流向，从而实现高、低压隔离集输，在单井故障时可将该井支管关闭，而不影响其它井的生产，或者在某条汇管故障时，可以控制流体进入另一条汇管，而不必完全停产。生产管线包括2条汇管、6条支管，汇管隔离阀，支管隔离阀，跨接管接头等设备。
该柔性跨接管3为系泊、运输两用跨接管，具体地，柔性跨接管3内穿有输气输油管，柔性跨接管3的输气输油管的远端设置于功能舱5，柔性跨接管3的输气输油管的近端与悬浮管线相连通。
通过对柔性跨接管3系泊时的力学性能分析，得到海流方向和速度对于悬浮管汇主体1的稳定性影响，从而得到一种适合于悬浮管汇系统的系泊方式。浮筒2的浮力计算依据《中国船级社水下构筑物设计规范》，选取承载浮筒浮力系数，根据跨接管受力仿真情况、管汇系统质量、管汇与浮筒结构排水体积等计算出浮筒结构提供的净浮力，从而得到单个浮筒的排空体积与自身重量。
参考图3和图4，每个浮筒2配置有气阀62、水阀63和一根进气管64，气阀62为三通电磁阀，且浮筒2与其进气管64通过气阀62相连通，四个浮筒2的进气管64的进气端向上汇集形成一根进气总管。
浮筒2采用分层结构设计，减少浮筒2发生破裂对整个系统稳定性的影响。具体地，每个浮筒2内部设置有五个浮筒层20，五个浮筒层20自上而下依次层状分布，每个浮筒层20的外壁都设置有单独的气阀62和水阀63，且每个浮筒2的外部配置有一根进气管64，每个浮筒层20通过气阀62与进气管64相连通，
水阀63为直通电磁阀，多个水阀63分别与每个浮筒2的多个浮筒层20的内部一一对应连通；
气阀62包括浮筒层对接口621、进气口622和排气口623，多个气阀62的浮筒层对接口621分别与每个浮筒2的多个浮筒层20的内部相连通，多个气阀62的进气管口622与进气管64相连通。
管汇上阀门的控制方式与水下采油树相同，控制水下球阀、闸阀和药剂阀等，管汇上有电液控制阀门，同时保留有水下控制模块subsea control module，简写为SCM控制水下阀门的开关动作，并将悬浮管汇压力温度等数据传输至地面控制系统。SCM使用高低压液压控制系统，为液压执行机构提供稳定的高压和低压流体，低压用来控制采油树和管汇中的水下功能阀门，而高压线路则用来控制井下安全阀，低压为3000～5000psi，高压为7500～15000psi。
作为一个具体地实施，该水下悬浮管汇系统服役的基本参数为：水深3000m，设计工作温度100℃，最大工作温度130℃，最小工作温度3℃，工作压力30MPa，该悬浮管汇主体1为多井槽管汇，供多口生产井使用。该管汇主管尺寸为12英寸，支管尺寸为6英寸，在接口处预留了箍座，方便固定鹅颈管，每一处接口设置了水下机器人操作的控制阀；管汇设置有清管回路，服务于清管作业。
具体地，该水下悬浮管汇系统的油气运输包括以下步骤：
海底油气田产生的油、气先储存于功能舱5；
功能舱5的油、气通过柔性跨接管3的输气输油管运输至悬浮管汇主体1的悬浮管线；
悬浮管汇主体1的悬浮管线的流体经由两根外输管线4输送至海面上的储油船。
作业时，由于两侧的柔性跨接管3在生产过程，当管内油气比例不同时对悬浮管汇主体1生产不同的拉力，此时整个结构可以进行自我调节发生一定的偏移与倾斜。当生产过程中侧面六根柔性跨接管3发生受力不均时，通过对气阀62的控制实现对四个浮筒2进行单独控制，以控制四个浮筒2与悬浮管汇主体1的整体结构在海水中高度。
具体地，通过进气总管、进气管64和气阀62为浮筒层充气或排气，通过水阀63充水或排水，以充气排水或充水排气来改变四个浮筒2与悬浮管汇主体1的整体结构的重力与浮力的关系，进而调节悬浮管汇主体1悬浮在海水中高度来控制整个系统在海水中的上升与下落，通过对单个浮筒2内的某单一浮筒层20的调节实现对整个结构的微调，来保持整个系统的工作姿态稳定。
实施例2
实施例2提供一种水下管汇的安装方法，采用实施例1提供的浮筒，该安装方法包括以下步骤：
漂浮于海面：四个浮筒2分别安装在悬浮管汇主体1四个角上，浮筒2内部充满压缩气体，并使用钢丝缆绳吊装悬浮管汇主体1及四个浮筒2，使之漂浮在海面上；
排气充水：打开气阀62，浮筒层20内的压缩气体经气阀62排到海水中，同时打开水阀63，海水经水阀63进入浮筒层20内，浮筒层20内部逐步排除气体充入海水，浮筒2的重力增大，直至悬浮管汇主体1及四个浮筒2的重力微大于浮力；
下放至工作位置附近：关闭气阀62和水阀63，保持钢丝缆绳处于张紧状态，悬浮管汇主体1及四个浮筒2的整体结构匀速下放，直至悬浮管汇主体1到达工作位置附近；
下放至预定位置：打开气阀62，进气总管通过进气管64向气阀62充入气体，气体进入浮筒层20内，同时打开水阀63，浮筒层20内的海水经水阀63排出浮筒层20，持续进行浮筒层20的充气排水，直至悬浮管汇主体1到达预定位置；
设备安装：水下机器人进行悬浮管汇主体1的设备安装，并解脱钢丝缆绳；
姿态调整：通过进气总管向气阀62充入气体并排出内部海水，略微调整四个浮筒2的悬浮姿态，以扶正悬浮管汇主体1，以保证悬浮管汇主体1的稳定性。
其中，在“姿态调整”的步骤中，四个浮筒可以分别进行单独控制，在作业过程中若水下管汇两侧受力不均，乃至悬浮管汇主体1发生倾斜时，通过对四个浮筒分别进行悬浮姿态微调，以扶正悬浮管汇主体1。其中，浮筒2内部分5层设计，一旦在水下发生极端情况浮筒2的某一层发生破裂后，关闭该层的气阀，调节该浮筒2剩余四层悬浮姿态，仍能保证悬浮的悬浮管汇主体1正常工作。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于四个浮筒的新型水下悬浮管汇系统，包括悬浮管汇主体(1)、多根柔性跨接管(3)、多根外输管线(4)和多个功能舱(5)，多个所述功能舱(5)固定于海底油气田两侧的水下桩基上，所述悬浮管汇主体(1)通过多根所述柔性跨接管(3)系泊于多个所述功能舱(5)，多根所述外输管线(4)的一端连接于所述悬浮管汇主体(1)，多根所述外输管线(4)的另一端用于连通海面上的储油船，其特征在于，还包括四个浮筒(2)和一根进气总管，
四个所述浮筒(2)分别安设于所述悬浮管汇主体(1)的四个角的侧面，且所述浮筒(2)与所述悬浮管汇主体(1)处于同一水平；
每个所述浮筒(2)配置有气阀(62)、水阀(63)和一根进气管(64)，所述气阀(62)为三通电磁阀，且所述浮筒(2)与其进气管(64)通过气阀(62)相连通，四个所述浮筒(2)的进气管(64)的进气端向上汇集形成一根进气总管。
2.如权利要求1所述的水下悬浮管汇系统，其特征在于，
四个所述浮筒(2)关于所述悬浮管汇主体(1)的中心对称分布。
3.如权利要求1所述的水下悬浮管汇系统，其特征在于，
所述悬浮管汇主体(1)包括矩形框架(10)和悬浮管线，所述悬浮管线设置于所述矩形框架(10)上，
四个所述浮筒(2)分别安设于所述矩形框架(10)四个角的侧面；
所述外输管线(4)靠近所述悬浮管汇主体(1)的一端与所述悬浮管线相连通。
4.如权利要求3所述的水下悬浮管汇系统，其特征在于，
所述柔性跨接管(3)内穿有输气输油管，所述柔性跨接管(3)的输气输油管的远端设置于所述功能舱(5)，所述柔性跨接管(3)的输气输油管的近端与所述悬浮管线相连通。
5.如权利要求1所述的水下悬浮管汇系统，其特征在于，
每个所述浮筒(2)内部设置有多个浮筒层(20)，多个所述浮筒层(20)自上而下依次层状分布，每个所述浮筒层(20)的外壁都设置有单独的气阀(62)和水阀(63)，且每个所述浮筒(2)的外部配置有一根进气管(64)，每个所述浮筒层(20)通过所述气阀(62)与所述进气管(64)相连通，
所述水阀(63)为直通电磁阀，多个所述水阀(63)分别与每个所述浮筒(2)的多个浮筒层(20)的内部一一对应连通；
所述气阀(62)包括浮筒层对接口(621)、进气口(622)和排气口(623)，多个所述气阀(62)的浮筒层对接口(621)分别与每个所述浮筒(2)的多个浮筒层(20)的内部相连通，多个所述气阀(62)的进气管口(622)与所述进气管(64)相连通。
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