水下生产系统

水下生产系统第1页，共58页，2023年，2月20日，星期六内容一、概述二、采油树三、管汇四、跨接管五、脐带缆六、井口头2第2页，共58页，2023年，2月20日，星期六概述水下生产系统英文名称：subseaproductionsystem定义：由水下井口等整套水下生产设备及海底管道组成的海上油气生产系统。3第3页，共58页，2023年，2月20日，星期六概述海上油气产业始于1947年，在路易斯安那州附近的墨西哥湾4.6米深的水域，Kerr-McGee首次成功完成世界第一个海上油井开采。水下油气田开发的概念是在19世纪70年代初才被提出，当时将井口、生产设备和其他一些气密部件部置在海底进行作业。水下的油气产物从油井输送到附近陆上或海洋平台上的加工设施，这就是水下工程的开始。4第4页，共58页，2023年，2月20日，星期六概述从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Snøhvit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。5第5页，共58页，2023年，2月20日，星期六概述生产系统

6第6页，共58页，2023年，2月20日，星期六一、概述二、采油树三、管汇四、跨接管五、脐带缆六、井口头7第7页，共58页，2023年，2月20日，星期六采油树(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。8第8页，共58页，2023年，2月20日，星期六采油树的主要功能：(1)把产品流体从井口引到出油管（生产采油树），或把油气注入进地层（注入采油树）；(2)通过一个节流器调节流体，但并不总是强制性的；(3)监控采油树上的井口参数，如压力、环空压力、温度、砂石检测等；(4)通过一个控制系统的阀门驱动器来安全停止生产或注入流体的流动；(5)在井口或出油管注入保护性液体，如防腐蚀剂或水合物抑制剂。9第9页，共58页，2023年，2月20日，星期六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。10第10页，共58页，2023年，2月20日，星期六1111立式采油树主阀配置在立式圣诞树（VXT）管道悬挂器的上方。油井是在采油树安装之前就完成。VXT广泛应用于水下油田，这是由其安装和操作的灵活性所决定的。11第11页，共58页，2023年，2月20日，星期六1212卧式水下采油树另外一种发展很快的类型是卧式水下采油树（HT），如下图所示为FMC制造的卧式采油树。12第12页，共58页，2023年，2月20日，星期六1313选择准则在选择HT或VT时，需要考虑下列问题：（1）卧式采油系统要比立式的昂贵。卧式采油系统的售价是立式的5到7倍。（2）立式采油系统更大、更重，而这在钻机的安装平台有限时必须考虑。（3）油井是否已经完成也是选择的另一个因素。如果油井已经完成但是采油系统还没有安装好，那么立式的采油系统比较适合。但如果采用卧式的采油系统，系统必须在油井完成之前安装好。13第13页，共58页，2023年，2月20日，星期六14（4）卧式的采油系统常常用于有复杂油藏或经常需要修井来维护油管的情况。相反的，立式的采油系统常用于简单油藏或不需要经常修井来维护管道的情况。（5）如果油气田不用经常修井，不推荐使用卧式采油系统。第14页，共58页，2023年，2月20日，星期六1515采油树的设计海底采油系统的设计不尽相同，例如完井类型（简单的、潜水员辅助的、不潜水的和无引导的），采油树的用途（生产型、注入型），工作条件（H2S、CO2或H2S和CO2）等。这些因素都会影响到采油系统的类型、材料和部件组合的选择。15第15页，共58页，2023年，2月20日，星期六1616部件设计是水下采油系统设计的关键点。典型部件的设计包括以下方面：（1）管道悬挂系统；（2）把采油树连接到水下井口的连接器；（3）采油树本体，在产品流动路径上的锻件，设计来承压。环空流动路径可能也包含在采油树本体里；（4）为生产、环空孔和辅助功能而设计的采油树阀门。采油树阀门可采用螺栓连接或集成在采油树本体上；16第16页，共58页，2023年，2月20日，星期六（5）远程打开和关闭阀门的阀门驱动器。有些可能是手动阀门，也包括深水ROV接口；（6）用于脐带缆挂接的控制连接板；（7）控制系统。这包括阀门驱动器命令系统以及压力和温度传感器。该阀门驱动器命令系统可以是简单或复杂的管道系统，包括电脑及根据应用选用的电磁线管；（8）节流器（可选）用于调节生产流速；17第17页，共58页，2023年，2月20日，星期六1818（9）采油树管道，用于引导生产液体、生产管线和环之间的交叉布置、化学剂注入、液压控制等；（10）支持采油树管道及附属设备并提供安装和修井引导的采油树框架支撑；（11）采油树的外部保护帽用来保护采油树连接器和采油树本身。采油树帽往往提供防拖网保护和防掉落保护。18第18页，共58页，2023年，2月20日，星期六1919工作条件水下采油树的额定压力等级是分为5000psi，10000psi和15,000psi。最近20,000psi的（138兆帕）海底采油树已经成功得以应用。采油树在服务期内的温度范围是在2°C到120°C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。19第19页，共58页，2023年，2月20日，星期六2020VXT和HXT主要的不同部件：采油树本体，采油树本体在HXT通常设计成一个集成的四通。生产主阀和环形阀门一样位于此采油树本体。

生产主阀通常是在生产区块设计成一个集成翼阀，可以很容易地通过法兰方法连接到采油树本体。此外，油管悬挂系统是位于采油树本体。20第20页，共58页，2023年，2月20日，星期六21油管悬挂系统；VXT采用了传统的油管悬挂器，它有一个主要生产孔和一环孔。油管悬挂器位于井口。然而，在HXT中，油管悬挂器有一个单筒悬挂器，并且有一个侧出口，生产流体将从这里传送到生产主阀。采油树帽；VXT系统的采油树帽具有修井期间提供控制接口以及密封海水功能。但在HXT，有内部采油树帽和采油树碎屑保护帽。第21页，共58页，2023年，2月20日，星期六一、概述二、采油树三、管汇四、跨接管五、脐带缆六、井口头22第22页，共58页，2023年，2月20日，星期六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。23第23页，共58页，2023年，2月20日，星期六1、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24第24页，共58页，2023年，2月20日，星期六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。25第25页，共58页，2023年，2月20日，星期六管汇的部件：部件主要有阀门、节流阀、与海底管道相连的毂，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。26第26页，共58页，2023年，2月20日，星期六清管系统应该满足以下要求：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。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。清管循环使用的管子材料和尺寸与海底管道的主管一致。应该有至少是普通管子直径的5倍的弯曲半径。应该安装在生产管汇的毂盘的内部。暴露的清管循环元件在无特别说明的情况下应该涂上环氧涂层。27第27页，共58页，2023年，2月20日，星期六清管循环在设计时应考虑以下因素：1管子尺寸；2弯曲半径；3内部突起；4阀门种类；5清管的引擎和接收器6清管位置的确定

ManifoldPiggingLoop28第28页，共58页，2023年，2月20日，星期六管子和基础结构的设计水下生产系统所用的基础是底板基础、裙式基础或者吸入桩，是依据土壤的条件决定。通常桩是用来锚固钻井或者生产单元。底板基础取决于管汇系统和与之相连的元件(比如跨接管)的重量。裙式基础嵌入海底比底板基础深的多，用来抵抗水平载荷和一部分垂直载荷。三种基础的不同长径比29第29页，共58页，2023年，2月20日，星期六设计载荷永久载荷如结构自重活荷载如安装过程中产生的环境载荷如波浪和流载荷偶然载荷如掉落的物体，渔船的冲击等土工设计参数，主要考虑以下几方面：土壤的指标，原地应力和应力历史，不排水抗剪强度,排干特性，固结特性,界面强度和触变性.30第30页，共58页，2023年，2月20日，星期六管汇系统的安装：需要仔细的计划和合作。在操作过程中主要需要工作船、起重机船或者浮式钻井船，声或者电的定位设备。ManifoldInstallationfromACraneBarge通过起重机船安装管汇31第31页，共58页，2023年，2月20日，星期六通过滑轮安装管汇32第32页，共58页，2023年，2月20日，星期六悬垂的方法安装管汇系统Transportationvessel

Hangoff33第33页，共58页，2023年，2月20日，星期六脱离悬垂运动

图中说明的是通过驳船使用悬垂方法安装管汇的过程。管汇的尺寸是：16.5m(L)x8.5m(W)x5.2m(H)，重280吨，被安装在1900米深处。34第34页，共58页，2023年，2月20日，星期六一、概述二、采油树三、管汇四、跨接管五、脐带缆六、井口头35第35页，共58页，2023年，2月20日，星期六跨接管的形式在水下油气生产系统中，跨接管是一个短的管状连接元件，主要用来在两个元件（如采油树和管汇、管汇和管汇等）之间输送流体。除了输送流体外，跨接管也可用来向油井注入水和气。典型的跨接管在管子的两头分别有一个终端连接器，如果管子是刚性的，跨接管叫做刚性跨接管，如果管子是柔性的就叫做柔性跨接管。刚性跨接管主要有“M”和“U”两种形式，如下图所示。36第36页，共58页，2023年，2月20日，星期六“M”型(弯曲)有效的防止涡激振动和热膨胀现象的发生“M”型(弯管接头)倒“U”型37第37页，共58页，2023年，2月20日，星期六四、跨接管刚性跨接管的主要元件：预先弯曲的钢管两个连接组件，并且带有完整的可回收的作动器。两个连接器的接收器,跨接管的测量工具,制造和测试的支撑架和吊装工具运输支架测试设备绝缘(ifrequired),抑制涡激振动的装置(ifrequired)38第38页，共58页，2023年，2月20日，星期六四、跨接管柔性跨接管的主要元件：不锈钢内骨架，用来抵抗外部的压力热塑性内鞘,用来密封流体螺旋形环绕钢丝,用来抵抗内部的压力轴向保护钢丝,用来增强拉伸载荷外部聚酯鞘，用来抵抗外部环境外部的不锈钢骨架,外部的附加的保护39第39页，共58页，2023年，2月20日，星期六四、跨接管柔性跨接管的优点：

灵活防腐耐高温静动态条件均可使用很好的疲劳设计寿命可清管抗坍塌性能好长度方向的规格非常简单缺点：价格昂贵，同时对于内压很高的管子来说直径比较小。40第40页，共58页，2023年，2月20日，星期六四、跨接管通过V-CAT进行垂直连接

垂直连接系统41第41页，共58页，2023年，2月20日，星期六四、跨接管安装连接器水平连接系统42第42页，共58页，2023年，2月20日，星期六四、跨接管在设计刚性跨接管时，需要考虑以下几点：通过安装船安装跨接管系统；按照标准安装跨接管；从基础结构跨接管元件独立地安装；分析系统的所有元件的可靠性，使系统的失效降到最小。43第43页，共58页，2023年，2月20日，星期六在设计刚性跨接管的元件时，应考虑以下方面：在组装、安装和维护时选择的材料应该降低磨损和密封性的损伤通过安全、造价和可靠性分析所有的元件相同设计的跨接管的元件可互换整个系统使用标准化元件所有的元件的设计操作都应该在深水中进行44第44页，共58页，2023年，2月20日，星期六四、跨接管跨接管的设计和分析，设计载荷：

制造、组装和测试载荷.运输载荷安装跨接管系统在展开过程中假定内部装满水静水压力和水压测试载荷现场制作和测量的容限.热和压力载荷包括热和压力循环.波浪和流载荷.海底管线的操作载荷.ROV冲击载荷.沉降载荷45第45页，共58页，2023年，2月20日，星期六四、跨接管柔性管的分析步骤1.材料选择主要根据功能和内部环境要求2.横截面设计主要根据功能要求、设计准则和局部的柔性分析3.系统构型设计主要根据载荷情况和设计准则进行整体的静态分析4.详细的服务寿命设计主要是端头的设计，弯曲限流器、腐蚀保护等5.安装安装系统的选择(船、设备、方法等)整体和局部的安装分析46第46页，共58页，2023年，2月20日，星期六四、跨接管第一步：将跨接管置于底部

第二步：得到所需安装形式柔性跨接管的安装47第47页，共58页，2023年，2月20日，星期六四、跨接管第三步：连接到第一个端头第四步：连接到第二个端头48第48页，共58页，2023年，2月20日，星期六主要内容一、概述二、采油树三、管汇四、跨接管五、脐带缆六、井口头49第49页，共58页，2023年，2月20日，星期六五、脐带缆脐带缆(umbilicals)最著名的脐带缆制造商是Nexans、DUCO、OceaneeringMultiflex和KvaernerOilProducts，图就是一个脐带缆的横截面。50第50页，共58页，2023年，2月20日，星期六五、脐带缆在进行脐带缆可行性分析时主要包括以下几方面：截面的设计和尺寸;分析极端响应，弯曲刚度尺寸、立管的干扰;确定脐带缆的方位角、偏移角、铺放线路;安装顺序和方法详细说明每一部分的报价;脐带缆的输送计划51第51页，共58页，2023年，2月20日，星期六五、脐带缆水下控制系统便于阀门和节流口对水下完井和管汇的操作，在水下生产系统主要有5种类型的控制系统，分别是：直接液压控制;是5种控制系统中最简单的形式，并且含有的元件最少。导向液压控制;顺序液压控制;电液压控制;多路电液压控制.52第52页，共58页，2023年，2月20日，星期六主要内容一、概述二、采油树三、管汇四、跨接管五、脐带缆六、井口头53第53页，共58页，2023年，2月20日，星期六六、井口头井口头(Wellhead)概述1作为套管装置和其他钻井压力控制元件的支撑基