宋 琳,楊樹耕,劉寶瓏

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 天津 3 0 0 0 7 2)

水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)備發(fā)展與研究

宋 琳,楊樹耕,劉寶瓏

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 天津 3 0 0 0 7 2)

摘 要:水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)是保證深海油氣開采順利進(jìn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一,它的研發(fā)與國家深海資源開發(fā)有著密切的聯(lián)系。文章就國外水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備,如水下采油樹、水下管匯、臍帶纜等的發(fā)展現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)形式以及安裝與設(shè)計(jì)時的熱點(diǎn)問題進(jìn)行了介紹,并對水下生產(chǎn)系統(tǒng)整體發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行了詳細(xì)敘述,綜合國內(nèi)研發(fā)情況,為我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研發(fā)提供學(xué)習(xí)和借鑒的建議。

關(guān) 鍵 詞:水下生產(chǎn)系統(tǒng);基礎(chǔ)設(shè)備;發(fā)展研究

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是由水下井口等整套水下生產(chǎn)設(shè)備及海底管道組成的海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)。具有投資低,水下設(shè)備可重復(fù)利用,油井布置靈活,受自然災(zāi)害影響小等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于深水油田以及邊際油田的開發(fā)。

目前國內(nèi)針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研究仍停留在理論層面。王瑋等[1]介紹了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的采油樹、管匯、跨接管和臍帶纜的性能,以及在設(shè)計(jì)、分析時采用的公式和應(yīng)注意的問題;王建文等[2]通過實(shí)例詳細(xì)介紹了目前國內(nèi)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)幾種常見的開發(fā)模式,并對采油樹的選擇以及臍帶纜的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的探討。針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)局部設(shè)計(jì)和安裝的探討,張瑾等[3]通過對大量工程實(shí)例和開發(fā)方案的調(diào)研,總結(jié)了水下管匯的安裝方法并比較各自的優(yōu)缺點(diǎn);肖能[4]對國外臍帶纜設(shè)計(jì)研究進(jìn)行了全面的跟蹤,對臍帶纜界面設(shè)計(jì)開展調(diào)研和總結(jié);孫晶晶等[5]對臍帶纜安裝技術(shù)做了介紹,并結(jié)合國內(nèi)外臍帶纜安裝技術(shù)應(yīng)用水深情況做了對比分析。這些論述為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研究提供了一些參考,本研究將進(jìn)一步就水下生產(chǎn)系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu),發(fā)展現(xiàn)狀等方面進(jìn)行深入的介紹。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)概述

整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括水下生產(chǎn)設(shè)施、水面依托支持設(shè)施、安裝維護(hù)設(shè)施3部分,其作業(yè)原理為:從井底產(chǎn)出的油氣經(jīng)井口、采油樹,依次流經(jīng)跨接管、管匯、流動管線和立管等,到達(dá)海面處理設(shè)施,經(jīng)處理后從輸油管線或油輪輸送至岸上。

國外對水下生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)件的研究較早,早在2 0世紀(jì)5 0年代末期,世界第一座水下低壓氣井在美國伊利湖應(yīng)用,利用凱利鉆探閥作為主控閥,橡膠軟管作為管線,拉開了水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用的序幕 [圖1(a)]。1 9 6 3年,T e x a c o公司安裝了水深僅6.0 9 6 m的水下井口,對于未來液壓閥驅(qū)動器和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響 [圖1(b)]。2 0世紀(jì)6 0年代中期,S h e l l公司在加利福尼亞海岸建造了第一代為水下生產(chǎn)建造而非陸上改造的水下采油樹,該系統(tǒng)持續(xù)生產(chǎn)作業(yè)近2 0年[圖1(c)]。7 0年代,L o c k h e e d公司研發(fā)了潛水艙,允許在一個大氣壓的環(huán)境下,工人通過潛水艙下潛,在井口處安裝并操作,但最終由于人員風(fēng)險(xiǎn)等問題放棄了此方案[圖1(d)]。同期,P h i l l i p s公司對北海的E k o f i s k油田進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià),為加快開采進(jìn)程,提出了使用改裝的固定式鉆井平臺與多井口相連接的構(gòu)想[圖1(e)]。8 0年代末, P h i l l i p s公司在西非象牙海岸油田的開發(fā)中使用的海底完井技術(shù),水深介于2 4 3～7 6 2 m。1 9 9 2年,E x x o n公司著手開發(fā)墨西哥灣的Z i n c油田,水深達(dá)5 1 8.1 6 m,應(yīng)用了整體管匯系統(tǒng),加快了水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)的進(jìn)程[圖1(f)]。2 0 0 0年后,Am o c o公司致力于開發(fā)墨西哥灣的深水油田項(xiàng)目,計(jì)劃鉆井8-1 0口,水深達(dá)16 4 5.9 2m[圖1(g)]。

圖1 國外水下生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)例

國內(nèi)對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研究起步較晚,現(xiàn)階段還不具備開發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán),大部分水下生產(chǎn)系統(tǒng)的油田依賴于國外技術(shù)進(jìn)口,一定程度上影響了我國邊際油田及深水油田的開發(fā)進(jìn)程,因此水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研究得到了國家的高度重視和各方廣泛關(guān)注。下面對水下生產(chǎn)系統(tǒng)各部分逐一進(jìn)行介紹。

2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備

2.1 水下采油樹

采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基本構(gòu)件,最初被開發(fā)用于傳統(tǒng)的鉆油工程,但當(dāng)石油開采轉(zhuǎn)向深海領(lǐng)域,建立傳統(tǒng)鉆井平臺毫無經(jīng)濟(jì)性可言時,采油樹技術(shù)開始被應(yīng)用于大洋深處。采油樹又被稱為十字樹,X型樹和圣誕樹,主要有套管頭、油管頭、采油 (氣)樹本體3部分組成,是用于承托油管柱重量,密封油套管的環(huán)形空間,控制和調(diào)節(jié)油井生產(chǎn),保證作業(yè)、測試及清蠟等日常生產(chǎn)管理的一種井口控制裝置。

2.1.1 國內(nèi)外背景

水下采油樹的使用始于1 9 6 7年[6]。FMC公司作為世界上最大的水下完井設(shè)備供應(yīng)商,迄今已為2 5 0個項(xiàng)目提供了超過12 0 0臺水下采油樹。V t e r oG r a y公司在過去的近1 0年共安裝了1 5 0臺水下采油樹。C a m e r o n公司和K v a r n e r公司也是世界生產(chǎn)水下采油樹的主要廠家。各公司采油樹類型如表1所示。

表1 各公司采油樹主要類型

續(xù)表

目前,國內(nèi)還沒有廠家生產(chǎn)水下采油樹,流花1 1-1油田,惠州2 1-1 s s&3 2-5油田均采用FMC公司生產(chǎn)的臥式水下采油樹,水深分別為3 7 0m、1 2 0m和3 3 3m。

2.1.2 結(jié)構(gòu)形式

水下采油樹的構(gòu)造比地面采油樹要復(fù)雜許多,這里僅介紹最普遍的立式和臥式采油樹。

立式采油樹又稱垂直式或傳統(tǒng)式 (圖2)。

圖2 立式采油樹結(jié)構(gòu)

因其PMV(生產(chǎn)主閥)、PWV(生產(chǎn)翼閥)和S C S S V(地面控制井下安全閥)垂直排列而得名。其油管掛直接安裝在井口里或油管里,采油樹安裝好后不能進(jìn)入井口內(nèi),沒有鉆孔通過采油樹,移開采油樹時不需要移開生產(chǎn)油管,安裝時也無須進(jìn)行水下檢測,適用于油管尺寸較小、高壓油氣藏、井控復(fù)雜、開發(fā)周期內(nèi)修井作業(yè)較少的水下油氣田工程。

與立式采油樹最大的區(qū)別是,臥式采油樹的PMV、PWV在樹體外水平排列(圖3),因而臥式采油樹又稱為水平采油樹。其采油樹安裝在井口上,不移開采油樹,將閥門轉(zhuǎn)向一邊(呈水平位置),就可直接進(jìn)入井筒裝置。臥式采油樹還允許使用直徑更大的產(chǎn)品管及聯(lián)合裝置,更易于后期維修,甚至可進(jìn)行后期鉆井作業(yè),比立式采油樹修井方便,節(jié)約時間,2 0世紀(jì)9 0年代出現(xiàn)后一直得到廣泛使用。

圖3 臥式采油樹結(jié)構(gòu)

2.1.3 采油樹的設(shè)計(jì)

進(jìn)行采油樹的設(shè)計(jì)時,不僅要考慮采油樹的材料,所承載的工作壓力和外載荷及泄露問題,還要滿足規(guī)范[7]。涉及水深、水下腐蝕、井下接口、油管掛接口、閥門和油嘴的要求,出油管的連接,水下機(jī)器人接口,生產(chǎn)控制系統(tǒng),壓力/溫度感應(yīng)器及安裝方法等設(shè)計(jì)時必須要關(guān)注的問題。

2.2 管匯

2.2.1 國外背景

起初水下生產(chǎn)系統(tǒng)只是單井,沒有使用管匯,經(jīng)過進(jìn)一步發(fā)展,從單一的油井系帶,菊鏈?zhǔn)焦軈R,叢式管匯到現(xiàn)在的集成基盤式管匯,國外的管匯技術(shù)遠(yuǎn)較于國內(nèi)成熟。P h i l l i p s公司的“S e a S t a r”,B P公司的“T r o i k a”,S h e l l公司的 “M e n s a”,T e x a c o公司的 “G e m i n i”, S h e l l公司的 “P o P e y e”,皆采用叢式管匯,而E x x o n公司的“Z i n c”使用的則是集成基盤式管匯。管匯的主要生產(chǎn)廠商有:FMC、V e t c o G r a y、A k e rK v a e r n e r、C a m e r o n等公司。

2.2.2 結(jié)構(gòu)及類型

水下管匯是包括閥門、管線接頭等配件由多根管道交匯而成的組合體,安裝于海底群井之間,將各個油井的油氣集中起來,通過輸油管線混合油流,輸送至上部采油平臺。水下管匯和油井在結(jié)構(gòu)上是完全獨(dú)立的,油井和出油管線通過跨接管與管匯相連。典型的水下管匯由管匯、管匯支撐結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3部分組成(圖4)。其主要功能為:集輸產(chǎn)出液;測量流量;監(jiān)測壓力/溫度;保護(hù)出油管線并維持管線和閥門的正常工作。

圖4 典型管匯結(jié)構(gòu)

目前主要應(yīng)用于生產(chǎn)的是叢式井管匯和集成基盤式管匯兩種類型。叢式井管匯可利用鉆機(jī)或施工船進(jìn)行安裝,并可以協(xié)同操作以縮短項(xiàng)目的周期,其化零為整的思想簡化了安裝工藝,節(jié)約了成本,適用于生產(chǎn)井口位置相對分散的油氣田,國內(nèi)外大多數(shù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)管匯采用了此類型;集成基盤式管匯可容納更多的井口數(shù),有更大的匯集能力,適用于油氣藏集中、井口數(shù)目較多且分布密集的油氣田。

2.2.3 設(shè)計(jì)及安裝方法

要根據(jù)水下油氣田的油氣儲量、海底地形、出油方式、環(huán)境載荷、海底基槽、鉆井進(jìn)度、安裝方法及試運(yùn)行結(jié)果等方面來挑選適合該項(xiàng)目的管匯方案。要綜合考慮管匯的結(jié)構(gòu)、基盤、管線、閥門控制系統(tǒng),管線連接系統(tǒng)以及材料的選擇等問題,設(shè)計(jì)水下管匯,還要滿足工藝要求,以保證海上施工。管匯的安裝方法有:鉆桿安裝法,直接下方法,滑輪下方法,懸垂下放法,鉛筆式浮標(biāo)法和月池濕拖法。

2.3 臍帶纜

2.3.1 國內(nèi)外背景

臍帶纜最早應(yīng)用于1 9 6 1年S h e l l公司在墨西哥灣建造的水下生產(chǎn)系統(tǒng),早期的臍帶纜材料一般為熱塑性軟管,隨著水深的增加,為滿足強(qiáng)度和疲勞的設(shè)計(jì)要求,9 0年代初,開始采用鋼管臍帶纜,后續(xù)又出現(xiàn)高抗擠毀軟管(HC R)及雙相不銹鋼等常用的臍帶材料。目前N e x a n s、A k e r K v a e r n e r、O c e a n e e r i n g M u l t if l e x(OMUK)、K v a e r n e rO i lP r o d u c t s(KO P)以及DU C O公司具有臍帶纜設(shè)計(jì)制造的能力。現(xiàn)階段,最深的臍帶纜用于墨西哥灣S h e l l公司開發(fā)的P e r d i d o油田,水深達(dá)29 5 0m。

我國南海的陸豐2 2-1油田所使用的臍帶纜,水深為3 3 3m,與挪威合作安裝完成。

2.3.2 結(jié)構(gòu)類型

臍帶纜是電纜、光纜、液壓或化學(xué)藥劑管的組合。其主要作用是將水面電力、液壓液和信號以等傳輸給水下生產(chǎn)系統(tǒng),是上部設(shè)施遙控水下生產(chǎn)的必要通道。臍帶纜按材料分為熱塑性軟管[圖5(a)]、鋼管[圖5(b)]、高抗擠毀軟管[圖5(c)]等,按其構(gòu)造分為電力控制、液壓控制、復(fù)合電液控制等。

熱塑性軟管的使用歷史較久,現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)較為豐富,且費(fèi)用低,耐腐蝕,易彎曲,但管線熱膨脹會嚴(yán)重影響響應(yīng)時間,液壓的壓力也要求更大;鋼管臍帶纜技術(shù)日趨成熟,材料種類繁多,不易在深水中彎折,響應(yīng)時間明顯優(yōu)于熱塑性軟管,但價(jià)格較高,安裝時易扭結(jié),焊接中也可能出現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)量問題。

圖5 臍帶纜

2.3.3 設(shè)計(jì)和安裝

臍帶纜的設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足液壓、化學(xué)藥劑注入、電力、控制信號等功能要求;還需要滿足拉伸、彎曲機(jī)疲勞等最大荷載的要求。臍帶纜橫截面的設(shè)計(jì)取決于管道的幾何尺寸、材料的選擇、液壓液的壓降和安裝等因素。

對臍帶纜進(jìn)行鋪設(shè)時,需要專用的鋪管船、定位船、滾筒、張緊器、斜槽和深水機(jī)器人等安裝設(shè)備。因回接距離較大,重量成為主要考慮因素,所以安裝船必須有足夠的承載力。

2.4 其他部分

2.4.1 跨接管

跨接管是一個較短的管狀連接單元,用于連接出油管線末端和水下設(shè)備上的連接點(diǎn)。跨接管分為剛性,柔性。剛性跨接管主要有 “M”“U”2種形式,適合采用垂直連接的方式,常用于采油樹與管匯,管匯與管匯之間的連接;柔性跨接管除可以連接水下終端外,還可以作為分離船體的剛性隔離管和F P S O的隔離管[8]。跨接管的安裝需要R OV或潛水員協(xié)助操作。

2.4.2 R OV

水下遙控工作機(jī)器人簡稱R OV,是一種具有智能功能的水下潛器。目前國內(nèi)已引進(jìn)不同型號近3 0臺[9]。R OV配有攝像頭、多功能機(jī)械手、多種用途和功能的聲學(xué)探測儀器及專業(yè)工具,可以進(jìn)行各種復(fù)雜的水下作業(yè),如水下安裝連接、生產(chǎn)期檢測、維修等,廣泛用于海洋石油行業(yè),為水下生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。段,我國在 “十一五”期間就將其列入 “8 6 3”計(jì)劃,“十二五”國家海洋科技發(fā)展規(guī)劃綱要中指出,要實(shí)現(xiàn)海洋開發(fā)技術(shù)自主化大發(fā)展。我國首座自主設(shè)計(jì)建造的30 0 0m深水鉆井平臺“海洋石油9 8 1”開啟了深水油氣開采之路,與之相配套的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研發(fā)變得迫在眉睫。由于我國原油具有高含蠟、高凝點(diǎn)等特殊性,且水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備處于低溫及超高壓環(huán)境,因此研發(fā)技術(shù)難度大;同時研發(fā)資本回收周期長,融資較為困難,抗技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)能力不足,與發(fā)達(dá)國家有一定差距。在闡述國外水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,筆者認(rèn)為應(yīng)加大與國外企業(yè)的合作,汲取其先進(jìn)科技理念及建造方式;加大投入企業(yè)和高校研發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的力度,鼓勵專利的授權(quán)及申請,逐步實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)建造,為我國深海油氣開發(fā)提供強(qiáng)有力的支持。

參考文獻(xiàn)

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3 對我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)研發(fā)的借鑒意義

水下生產(chǎn)技術(shù)是開發(fā)深水油氣田的重要手