水下生产系统-课件.ppt

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1,水下生产系统概述,主讲人：

王玮,2,主要内容,一、概述二、采油树三、管汇四、跨接管五、脐带缆六、井口头,3,一、概述,近年来，随着经济的不断发展，世界各国对于油气资源的需求越来越大。

随着陆上油气资源的日益枯竭，各个国家纷纷将目光移向了海洋。

水下生产系统以其显著的技术优势、可观的经济效益得到各大石油公司的广泛关注和应用。

使用水下生产技术可以避免建造昂贵的海上采油平台，从而节省大量建设投资，而且水下生产系统受灾害天气影响较小，可靠性强，因此成为开采深水油气田的关键设施之一，在世界各地的深水油气田开发中得到了广泛的应用。

水下生产系统是经济、高效开发边际油田、深海油田的关键技术之一，目前水下生产系统基本部分如水下采油井口、管汇及控制系统等相关设施在国外已较为成熟。

水下增压泵在一定水深扬程范围内日趋成熟；2007年，挪威国家石油公司水下分离器第一次商业性应用，是水下处理工艺领域的一个重大里程碑；2011年，在挪威的Asgard油田将有可能建成第一套商用水下湿气压缩系统。

4,一、概述,从1961年第一口水下井口在美国应用以来，随着各种新技术的应用，水下生产系统应用水深越来越深，到目前为止，已投产最深采油树达到2714m（美国墨西哥湾IndependenceHub凝析气田，2007年7月投产）；回接距离最长的气田回接距离达到143公里（挪威北海Snhvit一期，水深250-345m，2007年8月21日天然气上岸）。

目前国外对于3000m水深以内的水下生产系统设计、建造、安装技术已经比较成熟，且已在西非、墨西哥湾、北海等海域经过了大量工程项目的实践检验。

中国是世界上最早发现和使用石油和天然气的国家。

历史上记载，中国带领世界开始从技术上进行天然气和食盐的探索。

但是我国深水油气田开发起步较晚，目前水下生产系统在应用方面缺乏经验，这一现状影响了我国深海油气资源的开发。

开展水下生产技术的研究对我国适应未来深水油气田的经济开发是十分及时和必要的。

5,一、概述,水下生产系统包括油井、井口头、采油树、接入出油管系统和控制油井的操纵设备。

在水下的系统中，井口头和采油树都在海底。

因此，水下生产系统就不像在水面处的生产系统，如刚性平台甚至是张力腿平台（TLP）那样受到海平面状况和水深的影响。

但另一方面，水下生产系统不能直接的进行操作，如钻井，必须通过移动的钻井单元进行，操控也必须通过脐带缆远程控制，持续地操作就比平台式的生产系统复杂地多。

6,一、概述,生产系统,7,一、概述,8,一、概述,水下生产系统的花费基本上不随水深变化。

但是刚性平台的花费是随着水深的增加而增加的，因此对于深水多趋向于使用水下生产系统。

但是对于给定水深和位置，平台的费用受井口数目的影响较小，使用平台钻井就会相对便宜。

使用移动钻井单元进行钻井增加了钻井的费用。

因此，在井口数目比较少的情况下多使用水下生产系统。

9,主要内容,一、概述二、采油树三、管汇四、跨接管五、脐带缆六、井口头,10,二、采油树,采油树（Christmas,Xmastree）最初被称为十字树，X型树或者圣诞树，它是位于通向油井顶端开口处的一个组件，它包括用来测量和维修的阀门，安全系统和一系列监视器械。

它连接了来自井下的生产管道和出油管同时作为油井顶端和外部环境隔绝开的重要屏障。

采油树包括许多可以用来调节或阻止所产原油蒸汽、天然气和液体从井内涌出的阀门。

采油树是通过海底管道连接到生产管汇系统。

11,二、采油树,采油树的主要功能：

把流体从井中输入到海底管道（生产型采油树）或者把水和气注入到海底（注入型采油树）通过控制系统指挥，阀门关闭，保证流体的输送或者注入都能够安全地停止。

能够向井或海底管道中注入一些保护性流体（防腐剂）如果需要可以注入流体关闭采油井。

可以释放完井时的多余压力。

在安装和生产过程中可以允许直接进入环空管或者套管。

采油树和其他井口设备的连接非常紧密。

12,二、采油树,采油树类型采油树主要有两种类型：

一种为传统型也称作直立型的，另一种为水平型的，水平型的采油树从1992年以后开始普遍应用。

这两种类型的采油树都包括一个在钻井后能牢固地附着在油井顶端井口构架中的卷线筒，还包括由阀门组成的阀门组，阀门组主要用来在测试和闭井时调节出井油量。

此外，油嘴对出井油量也可进行调节。

水平型采油树由阀门放置的位置而得名，除此之外，水平采油树的油管悬挂器是安装在采油树上而不是安装在井口头上。

另外，由于水平采油树的顶端设计使防喷器（BOP）可以直接安装在采油树上。

目前，甚至已经普遍认为水平型是唯一用于海底的采油树类型。

13,二、采油树,传统采油树安装在井口头处，油管和油管悬挂器比采油树先安装。

conventionalsubseatree,14,二、采油树,双孔采油树DualBoreTree典型的双孔采油树有生产和环空孔垂直通过采油树体，生产和环空总阀和吸入阀垂直安装在采油树上。

他们这样设计是为了在安装和操作过程中能够垂直的通过生产和环空孔。

15,二、采油树,单孔采油树MonoBoreTree单孔采油树主要使用在浅水区域，单孔采油树和传统的双孔采油树类似，只是单孔采油树在安装采油树和油管悬挂器时使用的立管系统更简单。

16,二、采油树,VerticalTree,HorizontalTree,二者区别：

1.垂直采油树的阀门垂直地放置在油管悬挂器的顶端，而水平采油树的水平阀门是在出油管处。

2.垂直采油树向下钻孔是通过水压或者电压从采油树的底部到油管悬挂器的顶端。

水平采油树向下钻孔是通过油管悬挂器旁边的辐射状的贯入器。

3.垂直采油树的油管和油管悬挂器在采油树之前安装，而水平采油树的油管和油管悬挂器则在采油树之后安装。

17,二、采油树,设计载荷在相关阶段所应用的载荷都可以影响采油树系统，比如像制造、存储、测试、运输、安装、操作等，应该为设计制定标准。

偶然载荷应该为实际应用由风险分析确定，偶然载荷包括掉落的物体，如渔船的锚等，突发异常的环境载荷比如地震等。

下面是采油树和相关元件需要考虑的载荷：

立管和载荷（RiserandBOPloads）;连接海底管道的载荷（Flowlineconnectionloads）;清理采油树、脐带缆和海底管道的载荷;热应力包括捕油器，元件膨胀和管线的膨胀等;吊装载荷（Liftingloads）;掉落的物体（Droppedobjects）;压力引起的载荷外部和内部的.,18,二、采油树,材料和腐蚀保护：

采油树中使用的材料应满足API17D和API6A，并且被使用者所认可。

材料首先在市场上要有比较好的口碑，服务比较好。

材料的种类应该尽量少。

另外应该根据设备的需求使用相应的材料。

进行材料测试的环境应该尽量与实际材料应用的环境相近。

应该考虑腐蚀检测。

不同材料对在外部和内部环境的响应不同。

19,二、采油树,采油树的安装油管悬挂器主要是提供结构支撑同时把油管钻具和环空油管、相应的采油树和油管的运行孔紧密地连接，当锁定在相应位置，就把油管和生产环空套管封闭。

它也能提供一个连续的交换方式或者是控制电力转换、井口传感器和其他装置。

控制线到安全阀和其他设备都在设计范围内。

水平采油树的油管悬挂器,20,二、采油树,悬挂器可以是滑动的或者是心轴形式。

滑动形式的悬挂器用齿固定在油管上，由于油管的重量施加在悬挂器上，齿和油管咬合，滑动型悬挂器拉住下部的锥体的后面，产生向内的力。

夹紧的压力随着管子的重量的增加而增加。

心轴形悬挂器通过连接最后的接头和底部悬挂的线而放置在油管上，通过螺丝固定。

21,二、采油树,采油树的连接装置：

主要是用来连接采油树和井口头，同时也把采油树和井口头进行定位。

把采油树的底端通过连接器与井口头连接,内部结构,22,二、采油树,采油树的设计在进行采油树的设计时需要考虑采油树所承载的工作压力、采油树所采用的材料、泄露问题、采油树所承受的外载荷等问题。

采油树在服务期内的温度范围是在2C到120C之间，在这个温度范围内的采油树都可以正常使用。

超过这个温度范围，采油树就要重新进行设计。

23,主要内容,一、概述二、采油树三、管汇四、跨接管五、脐带缆六、井口头,24,三、管汇,管汇系统的组成水下生产系统的管汇由管子和阀门组成，用来分配、控制管理石油和天然气的流动。

管汇安装在海底井群之间，主要是把油或气集合起来输送到井口，如图所示。

从管汇终端到一些大型的结构如水下加工系统都属于管汇。

因此，有许多种类型的管汇。

管汇系统和采油井是相互独立的，采油井和海底管道通过跨接管与管汇系统相连接。

管汇系统主要由管汇主体、支撑结构和基础组成。

25,三、管汇,1、密封或连接立管系统2、产油线3、注水线4、油井测试线5、连接注水线6、连接采油树7、连接采油树8、清管阀,26,三、管汇,管汇的形式,27,三、管汇,管汇系统的主要功能：

为生产管道、海底管道和油井之间提供一个界面；将产品都集合起来运输出去：

从各个独立的分油井中将流体都集中起来，再把产出的油运输出去，同时注入气体，化学物质；分配电和水压系统；支持翼型管汇枢纽、管道枢纽和脐带管枢纽；支持和保护所有的管道和阀门系统；在安装和恢复过程中为管汇模块提供一个支撑点；在ROV（远程作业机器人）操作过程中，给ROV提供一个支撑平台。

28,三、管汇,管汇和油井在结构上是完全独立的，油井和出油管道通过跨接管与管汇相连，管汇系统由管汇、管汇支撑结构和基础组成。

管汇是由管子、阀门、控制模块、流动仪表等组成。

管汇支撑结构是管汇和基础结构之间的交界部分。

29,三、管汇,管汇的部件：

部件主要有阀门、节流阀、与海底管道的相连的毂，安装多相仪表模块的毂，在整个使用期内用来操纵的水压和电线，可获得的节流阀模块，水下控制模块和多相仪表模块。

阀门：

阀门的选择主要由应用范围决定。

门阀一般应用于BOP组件、采油树和管汇。

球阀在水下使用中，从操作和价钱角度要优于门阀。

由于球阀目前使用非金属的密封和涂料，使得球阀的应用水深更深。

门阀应用尺寸要比球阀的小，球阀的应用尺寸在10英寸或者更大的范围。

30,三、管汇,管汇系统的设计和分析管汇系统的设计主要有钢框架的设计、连接结构的设计、连接器的设计、起重装置、控制系统、阴极保护（CP）、管子设计等。

下面主要阐述钢框架的结构设计。

钢框架的壁厚所承受的压力用下面的公式进行计算,式中：

P设计压力；D管子的名义外直径；S最小的屈服应力；t管子的壁厚；F设计因子；E经向连接因子；T温度降级因子。

31,三、管汇,对于塑料的管汇系统设计压力用下面的公式进行计算：

式中：

P设计压力；D管子的名义外直径；S对于热塑形管，应力与温度相关；t壁厚通过压力对管子的压力的计算，就可以对管汇系统的钢框架进行设计。

32,三、管汇,螺栓连接的法兰的横断面,主要的连接的目的是保证管子内部密封，对于深水，所有的密封试验，水压应该是双向的。

下面主要介绍连接方式：

夹具连接的套筒,一组筒夹连接装置,33,三、管汇,连接器的设计：

应该主要考虑水深、连接的位置、安装方法。

此外连接器的选择和设计也受以下因素影响：

a）连接器的应力（connectorstresses）b）补给要求（make-uprequirements）连接器能够使衬垫变形来保证密封性连接器内有足够的预先施加的载荷来抵消安装和操作带来的载荷;有足够的间隙保证密封衬垫的置换.c）测试.主要进行水压测试，在评估连接方法时主要考虑以下因素：

密封性（Sealingreliability）.强度或者抵抗破坏的能力（Ruggednessorresistancetodamage）.可恢复性（Easeofrecovery）.安装造价（Installationcost）.框架管子界面制造的困难.抵抗操作时带来的载荷（Resistancetooperatingloads）.,34,三、管汇,清管系统应该满足以下要求：

清管系统应该能够进行水下安装和使用索具吊装。

清管系统的管子应该与管汇系统的主管标准一致。

清管系统应该有一个管子的门阀允许清管通过，这个阀门经过水压测试。

清管循