承重、轻量和紧凑的超绝热系统技术方案

描述了一种轻量和紧凑的绝热系统，其还能够承受高程度的压缩负荷。该系统使用分隔装置（１０）以提供结构支撑，并利用被分隔装置（１０）支撑的薄的保护作用的外部输送管（１４）的受控的弯折来形成坚固的悬链线表面，从而保护下面的绝热材料。分隔装置可包括气凝胶，或者气凝胶可提供与仍然包含在薄的外层内部的分隔装置的绝热。该系统可用于多种深水下结构的热管理，例如可用于超深水石油和气体探勘的管套管装置、立管或水下采油树。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
在深水和超深水的石油和气体勘探中，原油或气体通过管路系统从海床下提取到达水面。使得在管道中流动的热的原油或气体的温度维持在超过约30-50℃(取决于碳氢化合物(例如原油或天然气)的成分)是很重要的。将温度维持在这个范围内可防止在碳氢化合物从水下井流到表面上的生产工厂时，原油或气体被冷水冷却而可能发生的由于形成氢氧化物或蜡而引起的流动限制或阻塞。同样地，如果用于维护或者由于恶劣的天气而须盖住井，那么非常希望能够使得管道或管路系统的其他部分(例如，圣诞树或水下采油树、立管等)内的碳氢化合物的温度尽可能长的保持为高于沉淀温度(precipitationtemperature)，以在重新开始抽吸操作之前使得昂贵或耗时的清淤过程最小化或避免该清淤过程。存在所谓的用于水下管套管(pine-in-pine)结构的流动确保需求。管套管结构已经是可选择的用来满足深水勘探的流动确保需求的传统的方法。这种结构使用两个厚的同心管，即内管(流线或流管)以及外管(输送管)。流线在高温(例如60-300℃)和高压(例如相当于约70MPa(10,000psi))下携带从井中开采的碳氢化合物。输送管(独立于流线)被设计为能够抵抗随着深度成比例增加(例如，在2800米处约28MPa(4000psi))的外部碳氢化合物压力。在两个管之间的环带中，由具有相对较低的传导率的材料(例如聚酰胺)制成的开口环(split-ring)分隔装置(也称作“定心装置(centralizer)”)按照固定的间隔安装。分隔装置在将内管插到外管中的过程中起到引导作用；每个管可为1或2千米长。分隔装置还被设计为在管套管装置为了缠绕到线轴(spool)上而被弯曲时或者在管套管装置安装后弯曲时，帮助维持两个同心管之间的环形间隙。在分隔装置之间的环形间隙中，绝热材料包裹在流线周围。绝热材料可为例如热导率为24mW/m-K或更高的聚氨酯泡沫，或者以真空封装的热导率为21mW/m-K的煅制二氧化硅(fumed silica)产品。在某些地区，从井中开采出的原油的温度只有并非很热的60℃，在安哥拉的海岸附近就是这种情况。由于相对较低的温度，需要更高级别的绝热来防止由于冷却而形成氢氧化物。而且，当沉积在浅海海底的可采石油和气体耗尽时，将逐渐在较深的水中钻井。目前的管套管设计虽然在下降至1000米的深度时能够使用，但是当水下油田的深度超过1000米时会遇到如下所述的严重障碍。随着井深的增加，必须要克服下面的障碍和技术问题。首先，碳氢化合物的特性变得越来越倾向于形成蜡或氢氧化物。另外，因为较深的井和水面平台上的生产设备之间的距离显著增加，所以管套管装置的总热传递(OHT)值通常必须降低到非常低的值(例如0.5W/m2-℃，具有16小时中小于30℃的过渡冷却需求)，以防止还原的碳氢化合物的过冷。提供具有这一非常低的OHT值的管套管装置通常需要大大增加绝热材料的厚度，而这又将增加容纳包含在输送管内部的另外的绝热材料所需的输送管的内直径。当输送管的内直径增加时，在这种情况下，抵抗固定的外部压力所需的输送管壁的厚度作为输送管的外直径增加的近似成比例函数而增加。另外，随着深度增加，施加到输送管的外部压力作为深度的线性函数而增加。水深每增加10.33米，压力增加1个大气压(100kPa)。在2500米处，流体静压力达到约25Mpa(3560psi)。对于给定的内径，输送管的厚度随着流体静压力的增加而近似成比例地增加。因此，当预定应用的压力增加时，也将输送管壁制造为厚度增加，这使得输送管的外直径随着预定应用深度的增加而进一步增加。当输送管的直径和厚度变得更大时，会产生下面的缺陷。首先，管套管装置的重量会急剧增加，其重量与壁厚的平方近似成比例地增加，且随着平均直径线性增加。第二，材料成本随着钢和绝热材料用数的增加而增加。第三，为了生产该管套管装置，需要附加的劳动和较重的设备。第四，为了将管套管装置缠绕到线轴上以及为了安装该管套管设备，需要较重的设备；需要对目前使用的设备进行加固和加强(显著的资本支出水平)，以处理在2500米或更深的深度所需的更重的管道。第五，管道的水中重量对于目前使用的起重机(derrick)和船来说太大，以至于不能处理负荷以及不能使之在风大浪急的海中保持稳定；管道的过度的重量因而需要建立较大的起重机、船以及较大的浮力罐，从而导致了成本的上升以及在风大浪急的海中稳定性的下降。最后，船必须多次往返以运输所需的管道长度。目前的管套管制造操作是非常消耗劳动力的，因而很昂贵。来自供应商的用于流线和输送管的管道通常为12米(40英尺)长。在工厂中，12米长的管道要首先被焊接在一起形成1或2千米长的外部输送管的部分。然后逐渐地将聚酰胺分隔装置(定心装置)安装到内部流线部分上，而将绝热材料包裹在定心装置之间的流线部分周围。在一个流线部分被绝热以及通过以带子捆扎而固定之后，该流线部分将被推入等待中的输送管中。下一个流线部分被焊接到要被插入输送管中的部分。定心装置在流线插入输送管期间帮助引导流线。这个过程一直继续，直到总长为1千米或2千米的管套管装置组装完成。焊接管道和安装定心装置以及绝热材料的过程以时断时续(stop-and-start)的方式进行，并且需要大量的人工劳动和时间。在目前使用的一种可选的方法中，整个1或2千米的流线和输送管部分被分别焊接。然后，整个长度的流线以规则的间隔装配有定心装置环，在定心装置之间装配有绝热材料，并且以带子覆盖和固定到适当位置。完成的绝热流线然后被小心地插入等待的输送管中，依靠定心装置来维持环形间隙，从而在插入操作过程中保护绝热材料。因为以上讨论的原因，当水下管路的深度显著增加时，继续使用目前的管套管装置、绝热材料的设计以及制造方法在经济上和逻辑上变得越来越不可接受。上面描述的两种制造方法代表管套管制造方法的现有技术的水平，它们非常消耗劳动力、昂贵且慢。在一种新近的管套管设计中，内部流线覆盖有非承重的绝热材料，非承重的绝热材料被由玻璃增强塑料(GRP)制成的输送管所保护。GRP管使用机械接头(含有能够确保热性能和机械性能的承重聚合材料)在12米长的管道部分的两端机械地连接到流线。相对高性能、但是非承重的绝热材料(其热导率约为21mW/m-K)填充流线和输送管之间的环形间隙，并且提供所需的热性能。作者描述了这种新的管道与现有的管套管设计相比有多轻，以及用自动方法来制造这种管道有多方便。虽然这种新的结构的水中重量可低于为相同操作条件而设计的传统的管套管装置，但是玻璃纤维长期抵抗海水条件的能力并未得到证实，并且外层仍然很厚。因此，GRP管可能不必具备弹性弯曲性，并且因此可能需要另外的行程来将较大直径的管道运送到安装地点。如上所述，在传统的管套管设计以及在GRP管套管设计中，内管被设计为抵抗通常较高的内部压力(例如，70Mpa(10,000psi))，而外管被设计为独立地抵抗外部破坏压力(在1.5千米(5000英尺)处为15Mpa(2170psi)，在3千米(10,000英尺)处为30Mpa(4340psi))。
技术实现思路
本专利技术公开的绝热系统可用于多种应用，例如深水管路绝热、液化天然气罐(LNG tanker)绝热、处理管线(process pi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于输送水下碳氢化合物的方法，所述方法包括：Ａ）提供一种管套管装置，该装置包括：１）输送管；２）安装在所述输送管内部的流线；３）设置在所述输送管内部的至少一个分隔装置，所述分隔装置为所述输送管和所述流线提 供结构支撑并维持所述输送管和所述流线的相对位置，所述分隔装置使得所述输送管能够抵抗较大的外部压力而没有结构损坏；Ｂ）将所述管套管装置放置在水下的一个深度处，所述深度处的水压超过所述输送管在缺少由所述分隔装置提供的结构支撑时的径向塌陷 强度，其中，所述输送管产生受控塌陷以在所述分隔装置之间形成悬链线状的表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：康李，丹尼尔路易斯利泽，马克克拉耶夫斯基，
申请(专利权)人：阿斯彭气凝胶有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]