水下生產(chǎn)系統(tǒng)

1、水下生產(chǎn)系統(tǒng)1引言1.1 范圍目前深水油氣田開發(fā)面臨的主要挑戰(zhàn)是，缺少一個穩(wěn)定的平臺用于支撐生產(chǎn)設施并將生產(chǎn)流體輸送到這些設施。而水下生產(chǎn)系統(tǒng)可以提供一種具有成本競爭力的開發(fā)方案，可減少乃至完全消除（在個別情況下）對地面生產(chǎn)設施的需求。圖1.1 -水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供一種高效，經(jīng)濟的深水油氣田開發(fā)方案本研究主要是為了對水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行概述。論述的關鍵主題包括： 水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要部件及其功能的一般說明； 水下生產(chǎn)設施的界面要求； 水下開發(fā)油田工程模式的考慮； 風險區(qū)域和風險管理問題的識別。1.2 條例、規(guī)范和標準1.2.1 國際規(guī)范 ANSI B31.3化工廠及煉油廠管道； API RP 2R海上鉆

2、井隔水管接頭的設計、評估和試驗； API 5A套管、油管和鉆桿規(guī)范； API 5AC套管、油管和鉆桿規(guī)范；API 5D鉆桿規(guī)范；API 5L管道規(guī)范；API 6A井口和采油樹設備規(guī)范；API 6D管道閥門規(guī)范；API 8A鉆井和采油提升設備；API 14A井下安全閥規(guī)范；API 148井下安全閥系統(tǒng)設計安裝與操作的推薦做法；API 14D海上服務用井口地面安全閥和水下安全閥規(guī)范；API 16A鉆穿設備規(guī)范；API 17D水下井口和采油樹設備規(guī)范；API 17G完井修井隔水管系統(tǒng)的設計和操作；ASME IX焊接和釬焊資格第二條焊接程序資格和第三條焊接操作資格；ASME V鍋爐及壓力容器規(guī)范（第五

3、卷 無損檢測）；ASME VI I鍋爐及壓力容器規(guī)范（第八卷 壓力容器建造規(guī)范第1冊和第2冊）；ASME/ANSI B16.34 閥門法蘭、螺紋和焊接端；DIN 50049-EN 10 204 材料試驗文件；DnV修井控制系統(tǒng)電氣要求；DnV水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性和可靠性；DnV認證說明第2.7-1條“吊裝證書要求”（海上容器）；DnV RPB401陰極保護設計推薦做法；EN 10204金屬制品一檢驗文件的類型；FEA-M 1990海上平臺電氣設備條例；IEC 92.101船用電氣裝置定義和一般要求；IS0 10423井口和采油樹規(guī)范（代替API 6A ）;IS0 10432-1井下安全閥標準；

4、IS0 10433海上服務用井口地面安全閥和水下安全閥規(guī)范（代替AP1 14D ）;IS0 13628石油天然氣行業(yè)鉆井和采油設備；IS0 13628-1石油天然氣行業(yè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)一般要求和推薦做法；IS0 13628-2石油天然氣行業(yè)水下和海上應用撓性管系統(tǒng)；IS0 13628-3石油天然氣行業(yè)輸送管道泵送系統(tǒng)；IS0 13628-4石油天然氣行業(yè)水下井口和采油樹；IS0 13628-5石油天然氣行業(yè)水下控制系統(tǒng)的設計和操作；IS0 13628-6石油天然氣行業(yè)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)；IS0 13628-7石油天然氣行業(yè)修井/完井隔水管系統(tǒng)；IS0 13628-9石油天然氣行業(yè)遙控操作機具（ROT

5、）維修系統(tǒng)；IS0 1431 3管道閥門規(guī)范（閘閥、旋塞閥、球閥和止回閥）（代替 API 6D ）;IS0 3511過程測量控制功能和儀表設備的符號表示法；IS0 898第一部分螺栓、螺紋和螺母；IS0 9001質(zhì)量體系：設計/開發(fā)、生產(chǎn)、安裝和維修的質(zhì)量保證模型；NACE MR-01-75-94材料要求：油田設備用耐硫化物應力裂紋的金屬材料 NACE RP0475 注水用材料； NAS 1638國家宇航標準：液壓控制系統(tǒng)用零件的清潔度要求； SAE J343 « SAE 100 R!（列液壓軟管和裝置的試驗和程序； SAE J517液壓軟管。1.2.2英國法規(guī)S1.913設計和施工

6、規(guī)范；S1.1019 ,英國法規(guī)（1976）第1019號海上裝置作業(yè)安全、 健康和福利條例。1.2.3 NORSOK 標準挪威水下設備是根據(jù)挪威石油管理局（NPD ） NORSOK規(guī)范中的條例和要求設計的。NORSOK標準是由挪威石油行業(yè)制定的，屬于 NORSOK計劃組成部分， 由OLF （挪威石油行業(yè)協(xié)會）和TBL （挪威工程行業(yè)聯(lián)合會）共同發(fā)布。NORSOK 標準由NTS （挪威技術標準協(xié)會）管理實施。 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設計和操作原則（1 U-DP-O01 ）; 水下采油樹系統(tǒng)（2 U-CR-003 ）; 水下顏色標志（3 U-CR-008 ）; 材料選擇（4 M-DP-O01 ）; 結構鋼

7、制造（5 M-CR-101 ） （ 1996年1月第2次修訂）； 結構鋼材料數(shù)據(jù)表（6 M-CR-120 ） （1994年12月第1次修訂）； 表面處理和保護涂層（7 M-CR-501 ） （1996年1月第2次修訂）； 陰極保護（8 M-CR-503 ） （ 1994年12月第1次修訂）； 腐蝕監(jiān)控設計（9 M-CR-505 ） （1994年12月第1次修訂）； 管道的焊接與檢驗（10 M-CR-601 ） （1994年12月第1次修訂）； 玻璃增強塑料管道材料（11 M-CR-621 ）（1994年12月第1次修訂）； 管道材料數(shù)據(jù)表（12 M-CR-630）（ 1994年12月第1次修訂

8、）； 專用器材制造商資格 （13 M-CR-650） （1994年12月第1次修訂）； 完井設備用材料（14 M-CR-701）（ 1994年12月第1次修訂）； 鉆柱組件（15 M-CR-702 ） （ 1996年1月第1次修訂）； 套管和油管材料（16 M-CR-703）（ 1996年1月第1次修訂）； 非金屬密封材料鑒定及制造商資格（M-CR-710 ）（第1次修訂）。1.3定義和縮略語ADS常壓潛水服。Annulus （環(huán)空）生產(chǎn)套管與生產(chǎn)油管之間的環(huán)形空間。BOP防噴器。Casing （套管）尺可逐漸變小的管狀鋼導管，油井是通過套管鉆成的。Casing Program（套管程序）一口

9、井中下入的套管次序。普通套管程序為 30”（地面導管）、20”（表層套管）、 13-3/8 ”（生產(chǎn)套管）。層。套管）、 13-3/8 ”（中間套管）和9-5/8 ”（生產(chǎn)套管）.CDU化學藥劑（或中央）分配裝置。Completion Guidebase（完井導向基座）裝有生產(chǎn)管連接和輸送管道連接的永久導向基座。Concentric Tubing Hanger（同心油管懸掛器）中間為生產(chǎn)井筒、側(cè)面為環(huán)空口的油管懸掛器。COPS :動力系統(tǒng)通信。CRA耐腐蝕合金。DCS分布式控制系統(tǒng)。Drill Through Wellhead（鉆穿井口）一種為泥線懸拄系統(tǒng)改裝日勺水卜井口，設不臨時回接套售用日

10、勺連接，以 便用地面防噴器鉆井以及之后用泥線采油樹完井。DSV井下安全閥（見 SCSSV ） oDual Bore Tree（雙筒采油樹）一種設有生產(chǎn)筒和環(huán)空筒垂直通過采油樹本體的水下采油樹。EDU配電裝置。EFAT擴展工廠驗收試驗。EFL電跨接管。EPU:電力單元。ESD應急關斷。ESP:電潛泵。FAT1工廠驗收試驗。Flowbase （出油基座）見“完井導向基座”。HCR高抗壓潰（性）。HDM液壓分配模塊。Horizontal Tree（臥式采油樹）一種七產(chǎn)筒和環(huán)空筒逋過樹側(cè)水平分出、油管懸掛罌位于采油樹上部的 水下采油樹。HPU液壓動力單元。Integral Valves（集成閥）由單一

11、大“閥體”或鍛件加工而成的閥門，構成水下采油樹樹體部分， 不同于“螺栓固定”閥門。ISU綜合功能臍帶纜。IWOC安裝和修井控制。JDT跨接管配置工具。LIM管道保溫監(jiān)控。LMRP下部海洋隔水管總成。一種與連接到采油樹工作筒的小型防噴器類似的 裝置，用于在下放、回收或修理雙筒采油樹時緊急井控和解脫隔水管。Low Pressure Housing（低壓井口頭）焊接到地面導管（通常為 30”）上部，用來裝配井口的機加工鍛鋼殼體。Marine Riser（海洋隔水管）一種與浮式海上鉆井船聯(lián)合使用，用于引導鉆柱以及在鉆井船與水下防 噴器之間循環(huán)鉆井液的系統(tǒng)。MASCOT:模塊和地面計算機操作測試器。MC

12、S主控站。MMI人機接口。Mono-Bore Tree（單筒采油樹）一種生產(chǎn)井筒垂直通過采油樹本體、環(huán)空筒從樹側(cè)引出的水下采油樹。Mudline Conversion System（泥線轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）一種可用轉(zhuǎn)換泥線懸掛系統(tǒng)來接收泥線采油樹的設備系統(tǒng)。Mudline Suspension System（泥線懸掛系統(tǒng)）位于使用地面防噴器鉆成的海上井中、泥線或泥線以下的套管懸掛系統(tǒng)。Mudline Tree（泥線采油樹）一種安裝在泥線懸掛系統(tǒng)上的水下采油樹。Mudline Wellhead（泥線井口）一種與泥線懸掛系統(tǒng)一起使用的水下井口。OS操作員工作站。Pack-Off （封隔）女裝十裳'有

13、懸在器中的密封系筑,用米密封性算裳曾在N問的環(huán)形空 間。Permanent Guidebase（永久導向基座）（PGB）一種連接到低壓殼上的裝配式鋼結構，用于通過地面導向柱和導向繩將 設備導入和導到井口。PLEM管道終端管匯。Production Casing（生產(chǎn)套管）生產(chǎn)油管下放其中的最后一節(jié)套管。Production Flowline（生產(chǎn)輸送管道）用來從采油樹向生產(chǎn)處理設施輸送生產(chǎn)流體的管道。Production Platform（生產(chǎn)平臺）本草甲生產(chǎn)平臺”是指接收和處理水下井生產(chǎn)流體的地卸生產(chǎn)主設 施。可能是固定式平臺、自升式生產(chǎn)平臺或者浮式結構物，例如：深吃 水立柱式平臺、半潛式平

14、臺、張力腿平臺或浮式生產(chǎn)儲油裝置.Production Riser（生產(chǎn)立管）用來從海底向地面生產(chǎn)處理設施輸送生產(chǎn)流體的管道。Production String（生產(chǎn)管柱）見生產(chǎn)油管Production Tubing（生產(chǎn)油管）從油層向采油樹輸送生產(chǎn)流體的油管。PVT壓力、體積和溫度。ROV遙控操作裝置。SCM水下控制模塊。SCMMB水下控制模塊安裝基座。SCMRT水下控制模塊下放工具。SCSSV地面控制水下安全閥。Seal Assembly（密封總成）環(huán)空密封總成。見 封隔”部分。SEM水下電子裝置模塊。SFL鋼跨接管。Side Valve Tree（旁閥采油樹）見臥式采油樹”。Single

15、 Bore Tree（單筒采油樹）一種生產(chǎn)井筒垂直通過采油樹本體、環(huán)空筒從樹側(cè)引出的水下采油樹。Single-Bore IM采油樹Dril-Quip公司單簡采油樹。SIT系統(tǒng)聯(lián)合試驗。Subsea ProductionManifold （水下生產(chǎn)管匯）安裝在海底的裝配式鋼結構，用于生產(chǎn)集輸、分配和控制。Subsea ProductionTemplate （水下生產(chǎn)基盤）用來支承多個水下井及一個結構上關聯(lián)管道和控件的裝配式鋼結構。Subsea Tree （水下采油樹）安裝在水下井口上的采油樹。Subsea Wellhead（水下井口）一種焊接在水下井表層套管上的機加工鍛鋼井口頭，在鉆井和采油過程

16、 中可將防噴器或水下采油樹安裝在上面，以控制油井和抑制井壓.Surface Conductor（表層導管）一開鉆井時為控制鉆頭方向安裝的第一層套管（通常30）?？赏ㄟ^錘入、噴射或鉆進方式下入。Surface Tie-Back System（地面回接系統(tǒng)）一種由特殊連接器和套管組成的系統(tǒng)，用來將油井套管從泥線懸掛系統(tǒng) 延伸到地面完井系統(tǒng)。TCU上部控制裝置。Temporary Guidebase（臨時導向基座）中心設有一個開口和漏斗形導向承口的裝配式鋼結構，用于第一次開鉆 時導入地面導管，或者鉆入表層導管時控制鉆頭方向。TEPU測試電力單元（EPU）。TFL （過輸送管道）一種專用修井系統(tǒng)，其專

17、用工具將穿過生產(chǎn)輸送管道沿牛產(chǎn)油管泵人.Through-Bore Tree一種生產(chǎn)井簡垂直穿過采油樹本體和采油樹本體中油管懸掛器的水下（通鉆采油樹）采油樹。Tree Connector（采油樹連接器）設在采油樹底座的機械裝置，它通過一個液壓或機械驅(qū)動器把采油樹與井口連接起來。見 井口連接器Tree Mandrel（采油樹工作筒）一種位于雙筒水下采油樹上部的機加工轂，用于連接采油樹下放工具或 下部隔水管總成和接通采油樹孔。Tree Running Tool （采油樹下放工具）一種特別設計的工具，用于將水下采油樹下放到井口并驅(qū)動采油樹連接 器，同樣也用于從井口移走采油樹。對于雙筒采油樹，有時將該工

18、具裝 到下部隔水管總成上。Tubing Hanger（油管懸掛器）井口系統(tǒng)組件，用來支撐井內(nèi)生產(chǎn)油管，并將生產(chǎn)筒和環(huán)空筒與防噴器 或水下采油樹對齊。Tubing Head （油管頭）該術語有時用于帶油管懸掛器但不帶套管懸掛器的井口。 見泥線井口Tubing Spool Adapter（油管短節(jié)異徑接頭）一種井口異徑接頭，用于：1）從一種剖面形式轉(zhuǎn)換為另一種剖面形式； 2）原表面損壞時提供一個新井口密封表面。TUTA上部臍帶纜終端總成。TUTB上部臍帶終端盒。UJB臍帶纜接線盒。UPS :不間斷電源。USV上部抽汲閥。UTA臍帶纜終端總成。UTH臍帶纜終端頭。VSE閥門特征仿真器。Wellhea

19、d oConnectr（井口連接器）一種通過嚙合和鎖定井口剖面將其他設備連接到井口的機械裝置。見 采油樹連接器Wellhead Profile（井口剖面）井口上部的外部機加工剖面，為防噴器連接器或采油樹連接器提供一個 承載臺肩和密封表面。2水下生產(chǎn)設備2.1引言水下生產(chǎn)設備經(jīng)使用證明可靠，而且其成本相對下降， 所以石油行業(yè)開始承認，它是套技術上可行且具有競爭力的油氣田開發(fā)方案。此處所論述的水下生產(chǎn)設備包括水下井口、 水下采油樹、水下管匯、水下井口基盤及與此相關的輔助設備。圖2.1 -隨著水下技術向更深水域的發(fā)展，出現(xiàn)了各種油氣田開發(fā)方案本書論述的重點是深水開發(fā)?！吧钏?一詞的意義可隨解釋而變

20、化，但是通?？杉俣?深水超出了當前飽和潛水技術的范圍。目前，潛水員可潛入深度范圍內(nèi)的水下開發(fā)已很普遍，不再值得過多評論。本書中，我們假定深水是從超出飽和潛水范圍但 處于當代ADS設備可達范圍內(nèi)的水深開始，延伸至需要采取除人力修井以外的 方法（如：遙控或 ROV干預）的深度。水深范圍大約為300m-2500m 。注意：雖然勘探鉆井活動繼續(xù)向更深的水域推進，但是2000m-2500m 幾乎是目前完井作業(yè)的極限。2.2水下井口2.2.1 水下井口的功能從浮式鉆井船鉆探水下井或在水下完井需要安裝一個水下井口。水下井口可 實現(xiàn)以下幾種目的： 支承水下防噴器（BOP并在鉆井過程中密封井套管； 支承和密封水

21、下采油樹； 支承和密封井套管； 支承和密封生產(chǎn)油管懸掛器。圖2.2 -正在下放的典型防噴器組在石油天然氣鉆井和生產(chǎn)作業(yè)過程中，水下井口與BOP或采油樹共同提供安全控層壓力的方法。水下井口很少承受實際地層壓力，但如果鉆井過程中出現(xiàn)失控井噴或者產(chǎn)過程中主要壓力封隔器破壞，則可承受此壓力。使用的標準API額定壓力值是5000psi、10000Psi、15000Psi 以及最近的 20000Psi 。水下井口還可用來回接至張力腿平臺、深吃水立柱式平臺或固定式平臺（極少）上進地面完井。2.2.2 水下采油井口的類型為方便論述，“水下井口 ”是指需在海床安裝BOP的水下鉆井應用中使用的某種特殊井口。有時也

22、稱為海洋井口。水下井口通常用于從浮式鉆井船鉆井。水下生產(chǎn)系統(tǒng)有時采用的另一種井口是泥線懸掛系統(tǒng)。通常來說，在自升式鉆井船進鉆井的過程中，泥線懸掛系統(tǒng)取決于地面防噴器的使用。隨著水下鉆井和完井技術的進步，水下井口設計已得到發(fā)展。水下井口一般為下列尺13-5/8in : 16-3/4in : 18-3/4in ;21-1/4in。尺寸使用英寸標定井口的公稱管徑（I. D.）。目前最常見的是18-3/4in水下井口下鉆井系統(tǒng)使用雙防噴器組”法，采用一個低壓 21-1/4in BOP開鉆，采用一個高壓13-5/8in BOP 完井。隨著 18-3/4in x 10000psi（10M） BOP 的開發(fā)

23、，可使用一個 BOP 把油井鉆至最終深度，因此18-3/4in x 10M井口成了標準。 盡管制造商仍然提供10M型號，但 是井口額定壓力值呈增大趨勢，18-3/4in x 15M 井口成為新標準。18-3/4in x 15M BOP能通用，但15M井口可以與10M BOP連接器兼容。傳統(tǒng)鉆井船使用的是16-3/4in水下井口系統(tǒng)。16-3/4in井口的優(yōu)勢是隔水管尺寸較小，泥漿量較少。隔水管存儲量減少，懸掛重量減輕，海流阻力減弱，泥漿系統(tǒng)減小。16-3/4in 井口系統(tǒng)在巴西應用相對比較普遍，可能是受到了他們的大量深水作業(yè)經(jīng)驗和現(xiàn)有設備應用趨勢影響的緣故。井口制造商需要進一步研發(fā)以使當前井口

24、和采油樹內(nèi)徑更小。該技術將有助于減輕因深水作業(yè)造成的重量增加。為在小 (16-3/4in )井眼內(nèi)運用高額定壓力設計，水下修井采油26in導管。BO豉采油樹連接到井口。Cameron 轂”和 Vetco H4 "工樹制造商正飽受壓力。操作員可采用小井眼技術，先下放2.2.3 井口連接器剖面所有水下井口都有一個外部剖面，用來把機械連接和密封 目前有大量剖面，而大多數(shù)制造商也都有各自的專有設計。作筒”剖面最常見。通過與競爭者達成的合作許可協(xié)議，井口制造商能夠在限度內(nèi)為客 戶適當?shù)靥峁┚哂胁煌拭孢x擇的井口。每個井口剖面都有一個特殊型式的金屬墊片，面標記著“AX”、“ DX”、“ VX”或

25、“NX”。墊片為井口與防噴器連接器之間提供了密封。這是油井與環(huán)境之間的最終阻擋層。圖2.3-井口剖面。本圖所示為兩個最常見的外部井口剖面：上圖為一個典型的 VETCO H-4 （工作筒）剖面，下圖為一個典型的Cameron （轂）剖面。同時標示了用于所有高度測量的界面特征（特別注明基準線）。深水剖面現(xiàn)在變得越發(fā)常見。這是為更深水深可能遇到的更高彎曲載荷和拉伸載荷而研發(fā)的。Cameron已開發(fā)出雙轂式剖面。該剖面極為獨特，無論新深水連接器還是標準連接 器，都可扣上剖面。ABB Vetco Gray 還開發(fā)了一個深水剖面和井口。它與現(xiàn)有設計類似，但是，跟常規(guī)井口相比，井口壁厚和剖面外徑更大，可提供

26、更大的強度。2.2.4 油管短節(jié)異徑接頭BOP上井口連接器必須與開發(fā)井井口相兼容。BOP井口連接器更換相對輕松，因此，作業(yè)者可指定井口類型和選擇剖面，并考慮與其他現(xiàn)有井的相容性或其對完井設備的選擇 權。如果作業(yè)者希望完井采油樹使用與井口不兼容的連接器，則可安裝井口轉(zhuǎn)換器。井口轉(zhuǎn)換器被稱為油管短節(jié)異徑接頭，由一個鍛造短管組成，底部設有一個與現(xiàn)有井口配套的連接 器，上部設有一個與采油樹連接器剖面配套的剖面。這些轉(zhuǎn)換器有時稱為油管頭異徑接頭。如果現(xiàn)有井口密封表面損壞，則還可用油管短節(jié)異徑接頭來提供一個新井口密封表面。最終完成轉(zhuǎn)為生產(chǎn)井的探井，這種情況并不少見。而且，它們還可用來下放油管懸掛器，這常常是為了方便使用常規(guī)采油樹。2.2.5 套管和油管懸掛器界面 典型并套管程序根據(jù)土壤條件，可使用一根42in或36in大導管開鉆，使用基盤時可預安裝一個大套筒。接著，通常安裝一根常