水下生产系统与采油树

关于水下生产系统与水下采油树第一部分水下生产系统其次部分卧式水下采油树第三部分水下生产限制系统1.什么是水下生产系统技术它是一种通过水下完井系统，和安装在海底的生产设施，海底管汇系统及海底管线组成一套水下油气水采输系统；通过地面和水下限制系统的操作限制，将油气井采出的油水气从海底输送到依托设备或陆上终端的系统工程。它是一个技术密集、多学科综合协调的海洋工程高技术领域，有着极其广泛的应用前景，特殊对中深水油气田开发和边际油气田的开发，水下生产系统技术更体现出它的优越性。第一部分

水下生产系统图1.水下生产系统LH11-1图2.LF221水下生产设施图4.水下井口、管汇搭接模式图2.水下生产系统典型单元图5.水下生产系统典型单元3.水下生产系统生产设施典型单元图6.水下生产系统生产设施典型单元4.水下生产系统设计原则

依据海上油气田具体特点进行合理的水下生产系统工程方案设计对这一技术的推广应用至关重要，所需遵循的基本原则如下：1)水下生产系统工程方案的设计应综合考虑油气田发展各个阶段的须要、油气田基本设计参数、设计荷载；2)设计初期要考虑到将来扩大生产需求，如后期调整井或周边小区块的开发；3)水下生产系统设计应满足设计标准规范和当地特殊规定，尽可能接受国际成熟技术，在满足功能和平安的同时最大限度简化水下生产设施，使开采周期内的利益最大化；4)水下生产系统设计中应考虑鱼网、锚区和落物等潜在风险，敏感设备应设疼惜装置；

5)水下生产系统设计中应考虑环境疼惜问题，如液压液选择与泄露风险等；6)应考虑水下生产系统的安装、操作、检测、维护、修理和废弃期间的要求；7)水下生产系统设计时应充分利用周边基础设施；8)综合考虑水下生产设施与依托设施、钻完井工程的界面：水下生产系统与钻完井界面依据工程项目：水下生产系统与钻完井界面通常在泥线处，井下完井设备，包括井下平安阀、井下压力温度传感器、化学药剂注入系统等；水下生产系统与依托设施之间的界面。水下生产系统设计原则：5.水下生产系统特点水下生产系统的特点：应用水下生产系统进行海上油气田开发具有以下特点：接受水下生产技术可充分利用周边已有或在建水面设施；深水、井数少或油藏较分散时，接受水下生产系统具有建设周期短、初投资低等优势；接受水下井口油气井布置较灵敏：如丛式井不能钻及的边缘地区可接受水下完井；水下生产系统适用水深范围从几米到数千米，且可用于各种困难海况，如海上冰区等；通过水下完井方式可将探井、评价井转变为生产井，从而不致使探井报废；水下生产设备可回收利用，在降低油气田开发成本的同时还有利于海洋环境的疼惜和海上交通航行的平安；水下生产系统可用于不允许建立水面设施如固定平台、深水浮式平台的军事禁区和航线。6.水下生产设施

与

水下完井设施界面划分其界面划分在海底泥线，泥线下部井眼内部的完井管柱和设备，包括井下平安阀，井下压力温度传感器，化学药剂注入装置及人工举升设备，完井管柱系统都属水下完井设备。而海底组装的油气井口系统，管汇系统，限制和处理设施等都属水下生产设施。水下井口和生产基盘水下采油树组件水下管汇系统水下设备防护设施水下限制系统水下油气处理设施水下增压设备水下输配电系统水下计量设备水下人工举升系统7.水下生产设施包括：8.水下生产设施完整性试验水下生产设备完整性试验的主要目的如下：1、检验产品是否达到合同要求；2、验证产品性能是否满足油气田现场的实际要求；3、使海上工作人员了解和驾驭相应的水下生产设备的功能、操作方式和故障诊断方法。

水下生产设备的完整性试验主要内容如下：1、现场检查验收；2、陆地试验；3、浅水试验；4、深水试验。其次部分卧式水下采油树图7.水下采油树发展历程1.水下采油树发展历程图8.水下立式和卧式采油树2.四种采油树图2.1.水下立式和卧式采油树图9.导向安装采油树图10.无导向安装采油树2.2.导向安装采油树和无导向安装采油树LF22-1水下卧式采油树图图11.水下卧式采油树图12.TDF接头及连接3.水下卧式采油树图13.卧式采油树图14.LH11-1水下采油树及附件LH11-1卧式采油树图图15.卧式采油树剖面图图16.URT修井工具图17.LH11-1卧式有导向采油树图18.水下采油树剖示图4.水下卧式采油树特点卧式采油树特点：采油树主题为整体加工的圆筒，可设计大通径，用大油管；生产主阀和生产翼阀在主体外侧，成水平排列；除个别在采油树帽内装有球阀，否则，采油树垂直方向没有采油树阀组，（可不移动采油树起下油管修井）油管挂坐在采油树内，去掉采油树帽可修井；卧式采油树通常接受套管管装接头完井，须要一个较为困难的下放管柱来安装油管挂。且下放管柱须要隔离阀和解脱配件，才能适应特定的闸板或专用环形防喷器的标高，但可节约双筒完井立管的费用；完井较困难，卧式采油树只有在全部钻井和下套管作业完成之后，在完井之前，回收钻井BOP，把采油井口安装在钻井井口头上。再在采油树上部装上试油BOP，才能钻穿水泥塞完井，下完完井管串，座好油管挂，再装上采油树帽，工艺困难。卧式采油树任何组件失效都须要压井之后回收采油树上来修理。因此，如何防止失效，提高牢靠性很重要；卧式采油树独立油管挂的设计，须要一套困难的环空隔离系统。目前改进型的油管挂与采油树帽集成在一起。井下测试采油树，在线阀门和紧急解脱配件包都是通过油管挂下入工具的。因此，装卸和疼惜设备，测试桩，油管挂模型等都算入卧式采油树的组成部分。水下卧式采油树特点：图19.卧式采油树图20.卧式采油树—油管悬挂器在井口装置内5.卧式采油树（油管悬挂器在井口装置内）图21.卧式水下采油树剖面图图22.水下采油树及其ROV操作盘6.水下卧式接受树帽图23.用于水下电潜泵完井的采油树图24.LH11-1采油树帽7.水下卧式采油树油管挂水下采油树油管挂—卧式采油树油管挂在采油树内。用于悬挂油管串，并与密封总成协作各力和密封油管和生产套管之间的环空；为生产阀，环空阀供应接口；为井下化学剂注入口，电潜泵动力源，SCSSV限制供应接口；油管挂为生产阀、环空阀和限制系统供应密封；油管挂外径压应与防喷器阻，隔水管内径想适应；油管挂额定工作压力，34.5，51.7，69.0，86.31,103.520.7（MPa）（5000）（7500）（10000）（12500）（15000）（17500）(PSI)7.油管挂密封处材料应选择抗腐蚀性材料；8.油管挂静水试压要求，油管挂通径和下入工具道孔应试压，1.5倍额定压力/稳压15min图25.通钻采油树基本配置8.通钻采油树基本配置图26.1.水下生产限制系统主要工作内容：依据油气田总体工程方案确定水下限制系统类型；依据油气田的生产特点确定水下限制模块的限制和监视功能；确定通信方式；确定水下限制设备的安装与集成位置、易损部件的回收、更换模式；限制脐带缆和限制跨接管的选型设计；考虑水下生产限制系统与安装修井限制系统之间的关系；确定水下生产限制系统与水面依托设施工作界面和接口；确定水下生产限制系统与水下相关设备、仪表、作业工具、ROV之间接口；依据油气田实际需求考虑扩展功能。第三部分水下生产限制系统2.水下限制系统组成：图27.水下生产限制系统的基本组成3.水下生产限制系统功能：

主要用于对水下采油树、水下管汇系统等设备的远程限制，用以闸阀开/关，水下油咀的调整，井下压力温度及水下设施进行的监测，所需化学药剂的配注。主要模式有：干脆液压限制系统，干脆电液限制系统和复合电液限制系统等等限制方式。4.限制系统比较表图28.各类限制系统比较表图29.干脆液压限制系统原理图30.先导液压限制系统5.干脆液压限制系统原理图/先导液压限制系统图6.干脆液压限制系统

干脆液压限制是最简洁的水下限制系统，基本组成包括：液压动力源、液压限制盘（主控站）、液压液输送管线、液压驱动器等，见图14和图15。其主要特点：水下设备上每个远程限制阀都需一条专用限制线。水面液压限制盘的盘面上标有水下采油树限制阀位置和限制线路，它的操纵手柄与采油树上遥控阀对应，操作人员可较直观的操纵采油树，当回接距离在3英里内、井数为1-2口时，建议运用这类限制模式。其主要优势为：设备简洁、经济、易于维护。其主要缺点是：功能较少，每个限制阀都须要独立的液压线，水下设备所需限制液压线较多；为了保证驱动器响应时间，须接受较大直径的高压软管（3／4--1英寸），使限制脐带缆尺寸大、笨重；干脆液压限制系统如不增加特殊设备，就无法对液压管进行清洗。图31.干脆电液限制系统7.干脆电液限制系统8.干脆电液限制系统

干脆电液限制系统中，电信号取代部分液压信号，水上电液限制盘的电信号通过水下电缆传送给水下电磁阀，接受单一、独立电路限制电磁导向阀开启，由供应线向驱动器供应液压液，从而实现采油树以及其他水下限制动作，见图16。当回接距离较长时，脐带缆内部电压降和液压降较大，同时对限制脐带缆的要求与所需限制的井数成正比。干脆电液限制系统能从水下采油树传回生产翼阀、环空翼阀和井下压力信号。9.复合电液限制系统复合电液限制系统接受了先进的数字复合技术，实现了真正的远程遥测和遥控，为智能化综合管理供应了可能，该系统由上部电动和液压限制系统、水下限制单元组成，见图。给出带水下液压动力源的复合电液限制系统，它通过限制脐带缆连接到一个或多个采油树、管汇等。每个终端装置或节点都有一个水下限制模块(SCM)。接受多心电缆，上行信号用于遥测大量水下数据如压力、温度、阀门状态等，下行信号则用于快速地限制水下电磁执行机构，这些电磁执行机构又进一步经液压放大驱动液压阀门和油嘴。水下电子模块(SEM)的应用增加了电液系统的困难性，但却缩短了其响应时间，可用于监视较大范围的数据遥测设备。通常，电液系统适用于多井系统，开发过程中的井控和／或油藏监控应具有操作灵敏、操作速度快和数据遥测的特点。其主要优点是接受多路电气限制技术，削减了导线数量，简化了水下电路连接，大大降低了限制脐带缆成本，多用于回接距离长、井数多的水下系统。图32.典型的复合电液限制系统图33.带有水下液压动力源的复合电液限制系统10.典型复合电液限制系统图图34.水面限制单元组成11.水面限制系统组成12.水下限制系统所需限制的阀门有：（1）水面限制的井下平安阀门(SCSSVs);（2）生产主阀；（3）生产翼阀；（4）环空主阀；（5）环空翼阀；（6）转换阀（注入阀）；（7）甲醇／化学药剂注入阀；（8）防垢剂注入阀；（9）防腐剂注入阀；（10）油嘴（每个油嘴可具备两个限制功能）；（11）注入调整阀（每个调整阀可具备两个限制功能）；（12）管汇阀组；（13）化学药剂注入限制阀。13.水下限制系统监视参数如下：(1)生产压力；(2)环空压力；(3)管汇压力；(4)生产温度；(5)管汇温度；(6)油气泄漏监测；(7)采油树阀门位置（干脆给出或推想）；(8)油嘴位置；(9)油嘴压差；(10)出砂监测；(11)井下监视；(12)多相流量；(13)腐蚀监控；(14)清管监测。14.水下限制系统设计条件水面限制设备应考虑气候条件、腐蚀、海生物、潮汐、照明和紧急区划分；水下限制设备应考虑腐蚀、环境压力和温度及维护。1、压力等级水下限制系统中液压系统允许的最大操作压力应至少小于设计压力（额定工作压力）10%。水面限制的井下平安阀回路外，液压限制组件设计压力一般为：10.3MPa，20.7MPa，或34.5MPa（1500PSI，3000PSI或5000PSI），水面限制的井下平安阀回路液压限制组件的设计压力应由厂家确定。其它设备例如作业、回收和测试工具的设计压力应遵循厂商的规格书要求。

2、温度等级在非受控环境中工作的水面限制设备应按表17-3-25所列的温度等级进行设计、测试、操作和储存。安装于受控环境中的上部设备应按特定受控环境的温度等级进行设计、测试、操作和储存。3、外部静水压水下限制设备设计中应考虑外部静水压，特殊是与密封设计、自密封耦合和常压外壳相关的部分，同时也应考虑安装和作业时限制脐带缆的裂开。

4、流体的相容性选择限制设备或组件时应考虑其与限制流体和化学注入剂的相容性。水下限制系统设计条件：15.水下限制设备设计原则：功能要求典型水下限制设备的功能要求如下：1)与水面主控站通信；2)处理和执行来自主控站MCS的指令；3)监视和传送传感器数据；4)监视和传送诊断数据；5)ESD工况下，执行来自水面或水下的指令；6)响应水面指令选择性地监视和支配油井所需化学药剂。16.设计要点1）水下液压系统：水下液压系统包括水下液压支配系统、多功能快速连接、管线及液压软管、海水海水柜补偿室、水下蓄能器等。（1）水下液压支配系统水下液压支配系统从限制脐带缆终端向每口井支配液压动力，设计要点为：①当液压接口意外解脱时，应避开采油树上关键的阀门执行机构或其它故障关闭型阀门出现故障；②基盘／管汇液压支配系统的设计应考虑水下机器人或潜水员操作的隔离设备，以便在发生泄露时实现系统隔离；③水下液压支配模块可回收、改造和更换；④液压系统的设计应考虑单点失效，可通过物理路径和冗余供应的滚压隔离来实现。

（2）多功能快速连接多功能快速连接应接受球型或按键式。

（3）管线及液压软管全部的管线／管道都应有至少6毫米（1/4英寸）的公称外径。①在系统的测试、安装、拆除及正常操作和维护过程中，应支撑和疼惜全部的管线及液压软管以将其损坏程度降到最小；②管线及液压软管的许用应力应遵循ANSI/ASMEB31.3（工艺管线）的规定；③全部软管总成应符合IS013628-5（水下生产系统设计与操作：脐带缆标准）中软管部分的标准。设计要点

1）水下液压系统：(4)海水柜补偿室每个与水下阀门执行机构的弹簧／增压边相连的海水柜补偿室的容积至少是总波及体积的125%，以便连接到补偿室的全部执行机构能同时动作，应运用旁通单向阀来避开补偿室的损坏。(5)水下蓄能器①水下蓄能器的设计应遵循ASME锅炉和压力容器规范第八部分第一分册、BS7201-1和BS7201-2（液压传动：充气式储能器第一部分和其次部分）。如未遵循这些标准设计，其陆上试验和其它水上操作过程中应保证人员的平安；②蓄能器系统的设计应考虑随水深增加蓄能器效率的损失。水下蓄能器可安装在水下限制模块的内部和外部。设计要点

1）水下液压系统：2）水下化学药剂注入系统（1）水下化学药剂注入支配系统水下化学药剂注入支配系统从限制脐带缆终端向每口井或管汇终端支配化学药剂，并供应和排放用于压力测试和流淌限制设备压力平衡的流体。在泄露检测和正常的油井加热过程中，可从环空排放流体。用于油井处理的化学药剂注入支配系统的流量大大超过液压支配系统，同时，组件的额定压力高（与井口系统的额定压力一样），可输送液体的腐蚀性也更强。设计要点如下：①基盘／管汇化学药剂注入支配系统的设计应留有水下机器人或潜水员操作的隔离装置，以便于隔离系统防泄露；②考虑到回收、改遣和更换被隔离的失效管线和须要时启用备件，水下液压支配模块可包括化学药剂注入管线；③化学药剂注入系统的设计应考虑单点失效，可通过物理路径和冗余供应路径来实现。

设计要点（2）化学药剂注入管线化学药剂注入系统中的管线和软管其公称外径应至少为6毫米（1/4英寸；管线／管道的许应力应遵循ANSI/ASMEB31.3（工艺管线）的规定。水下化学药剂注入系统设计时应特地考虑以下问题：①注入甲醇时，管线摩阻和磨损的增加；②密封材料与注入流体、生产流体的相容性；③注入流体和生产流体的腐蚀性；④渗透进软管衬垫材料的液体（低质量组分）；⑤限制阀和其它流淌限制设备的选择；⑥金属一金属密封和甲醇。应有一个额外的弹性橡胶密封作为备用件，以应对由气穴现象和流体引起（腐蚀磨损）的材料降解问题。在化学药剂可能通过软管扩散的位置，所设计的系统应确保化学药剂的扩散不会通过泄漏或者二次扩散污染液压限制流体。2）水下化学药剂注入系统：设计要点

3）水下电气系统水下电气系统包括水下电气支配系统、水下限制模块、水下电子模块。全部由潜水员维护的水下电气系统应保证潜水员免受电击。下面描述各个部分的设计要点。

(1)水下电气支配系统水下电气支配系统从限制脐带缆终端头向每口井支配电力信任号。设计要点：①应尽可能削减串联电气接头的数量，冗余路径应尽可能不同；②管汇上的电力支配缆和从限制脐带缆终端到水下限制模块的跨接电缆应由水下机器人或潜水员修理或重新装配；③电力支配电缆和跨接电缆的连接应由水下机器人或潜水员运用简洁的工具完成，尽量削减钻机／船的运用时间；④在海水和导体之间最少应有两道隔离，并应适用于在海水操作；⑤如选择充油系统，应设计并安装电缆总成，以使进入绝缘液内的海水依靠重力从终端流出。电缆应安装在绝缘的压力补偿液管线内；⑥全部用于水下电气系统的材料都应与海水和绝缘流体相兼容。设计要点（2）水下限制模块（SCM）水下限制模块安装在可回收的装置或壳体内，可以独立回收和安装。水下限制模块内部结构基本是标准化的。目前一个水下限制模块的限制功能最少是7个，最多为64个。因而一个水下限制模块可对一个或多个水下采油树及设备进行遥控，并对井筒、环空以及水下管汇进行操作和监控。典型的水下限制模块见图17-3-118。依据须要，水下限制模块可以安装在采油树、水下管汇等处。水下限制模块与上部电子限制系统之间通常接受主从通讯，即以水面系统为主，水下限制为辅，兼容“发送／确认”、“需求／响应”功能。水下限制模块具有对温度、压力、流量等实施监控的功能。通常水下限制模蛱具有独立的安装基座，用于固定水下限制模块，连接执行机构和传感器。3）水下电气系统设计要点水下限制模块主要包括以下部件：电液或液压限制阀和其它阀体，如单向阀；直通接头（电气或液压）；液压管汇和管道；内部传感器和发送器；过滤器；蓄能器；压力补偿器；增压器；减压器；化学药剂注入调整阀；11水下电子模块(SEMS)。

图35.水下限制模块水下限制模块的设计要点：①多井系统中，任一水下限制模块可在不影响系统中其他操作的状况下安装、回收；②全压条件下，所设计的全部在用电子线路应封闭在充溢1个大气压氮气的壳体内；③水下电气元件应安装在充溢绝缘液体和具有压力补偿的水下限制模块内；④全部的内部连接电缆和接头都应适合于水下湿式环境；⑤为了减小电耗，电磁阀应接受脉冲操作和液压锁定，运用故障平安型电气阀时应减小安装作业时外部流体进入。(3)水下电子模块(SEM)水下电子模块包括硬件和软件。SEM硬件的设计要点：①基于运用一个或更多的微处理器和电力单元；②应设计两道独立的隔离，防海水的侵入SEM;③SEM应有最少25%的备用内存容量，20%的备用实力；④应限制SEM与传感器、限制阀体的接口类型和格式，应尽可能接受国际标准；⑤应考虑SEM的标准化设计；⑥如须要，应考虑SEM中关键测量信号的处理。

（3）SEM软件设计要点：SEM软件应由功能任务或模块构成，这些功能任务或模块应可作为独立单元设计、编码和测试，包括实时操作系统中的中断任务，或运用一个简洁的依次扫描时在实时监视器上词用主程序。模块和整套软件结构应易于软件升级和维护。软件模块的编码应接受高级编程语言。只有小型和时间紧才运用汇编语言。SEM软件应内置诊断功能以简化调制解调器、水下计算机和传感器的测试和调试。SEM可编程，允许在水上合适位置重新编程。SEM有实力短暂存储全部从水下生产系统中获得的相关数据。SEM有实力基于MCS的叮嘱执行依次监测操作或依次限制。所设计的SEM软件包括井下温度和压力信息(DHPT)。设计要点3）水下电气系统（4）水下限制脐带缆终端（SUTU）水下限制脐带缆终端接受外置阴极疼惜的结构，其内有电接头、跨接管、液压液支配阀和化学药剂注入支配器，通过ROV操作盘进行操作。通常将水下液压、化学药剂、电力支配单元集成其中便于安装和运行管理。

设计要素如下：①与水下限制脐带缆快速、牢靠连接；②与水下限制模块快速、牢靠连接，通常通过液压跨接管和电力跨接管实现；③实现液压液、化学药剂、电力的合理