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(shè)施并將生產(chǎn)流體輸送到這些設(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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 &

2、#183; ANSI B31.3化工廠及煉油廠管道； · API RP 2R海上鉆井隔水管接頭的設(shè)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(shè)備規(guī)范； · API 6D管道閥門規(guī)范； · API 8A鉆井和采油提升設(shè)備； · API 14A井下安全閥規(guī)范； · API 148井下安全閥系統(tǒng)設(shè)計安裝與操作的推薦做法； · API 14D海上服務(wù)用井口

3、地面安全閥和水下安全閥規(guī)范； · API 16A鉆穿設(shè)備規(guī)范； · API 17D水下井口和采油樹設(shè)備規(guī)范； · API 17G完井修井隔水管系統(tǒng)的設(shè)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（第五卷 無損檢測）； · ASME VIII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

4、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(shè)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(shè)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； · IS0 10433海上服務(wù)用井口地面安全閥和水下安全閥規(guī)范（代替AP1

5、14D）； · IS0 13628石油天然氣行業(yè)鉆井和采油設(shè)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(yīng)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(shè)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)；

6、· IS0 13628-9石油天然氣行業(yè)遙控操作機具(ROT)維修系統(tǒng)； · IS0 14313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(shè)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(shè)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(shè)備用耐硫化物應(yīng)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

7、件的清潔度要求； · SAE J343SAE 100R系列液壓軟管和裝置的試驗和程序； · SAE J517液壓軟管。 英國法規(guī) · S1.913設(shè)計和施工規(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(shè)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(shè)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(shù)標準協(xié)會）管理實施。 &

8、#183; 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)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(jié)構(gòu)鋼制造（5 M-CR-101）（1996年1月第2次修訂）； · 結(jié)構(gòu)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(shè)計(9 M-

9、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）； · 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(shè)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

10、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(dǎo)管，油井是通過套管鉆成的。Casing Program （套管程序）一口井中下入的套管次序。普通套管程序為30”（地面導(dǎo)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 Guid

11、ebase （完井導(dǎo)向基座）裝有生產(chǎn)管連接和輸送管道連接的永久導(dǎo)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）一種為泥線懸掛系統(tǒng)改裝的水下井口，設(shè)有臨時回接套管用的連接，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)。Dual Bore Tree （雙筒采油樹）一種設(shè)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

12、。EFL電跨接管。EPU電力單元。ESD應(yīng)急關(guān)斷。ESP電潛泵。FAT工廠驗收試驗。Flowbase（出油基座）見“完井導(dǎo)向基座”。HCR高抗壓潰（性）。HDM液壓分配模塊。Horizontal Tree （臥式采油樹）一種生產(chǎn)筒和環(huán)空筒通過樹側(cè)水平分出、油管懸掛器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）由單一大“閥體”或鍛件加工而成的閥門，構(gòu)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

13、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(dǎo)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(dǎo)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。MCS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

14、設(shè)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）安裝十套霄懸掛器中的密封系統(tǒng)，用來密封連續(xù)套管柱之間的環(huán)形空間。Permanent Guidebase （永久導(dǎo)向基座）(PGB) 一種連接到低壓殼上的裝配式鋼結(jié)構(gòu)，用于通過地面導(dǎo)向柱和導(dǎo)向繩將 設(shè)備導(dǎo)入和導(dǎo)到井口。 PLEM 管道終端管匯。 Produ

15、ction 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(shè)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)流體的地面生產(chǎn)主設(shè)施?？赡苁枪潭ㄊ狡脚_、自升式生產(chǎn)平臺或者浮式結(jié)構(gòu)物，例如：深吃水立柱式平臺、半潛式平臺、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(shè)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 （

16、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 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-BoreTM采油樹Dril-Quip公司單簡采油樹。SIT系統(tǒng)聯(lián)合試驗。Subsea Product

17、ion Manifold（水下生產(chǎn)管匯）安裝在海底的裝配式鋼結(jié)構(gòu)，用于生產(chǎn)集輸、分配和控制。Subsea Production Template（水下生產(chǎn)基盤）用來支承多個水下井及一個結(jié)構(gòu)上關(guān)聯(lián)管道和控件的裝配式鋼結(jié)構(gòu)。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(dǎo)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

18、 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(dǎo)向基座） 中心設(shè)有一個開口和漏斗形導(dǎo)向承口的裝配式鋼結(jié)構(gòu)，用于第一次開鉆 時導(dǎo)入地面導(dǎo)管，或者鉆入表層導(dǎo)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)，其專用工具將穿過生產(chǎn)輸送管道沿牛產(chǎn)油管泵入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

19、器）設(shè)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(shè)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(shù)語有時用于帶油管懸

20、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。Wellhead oConnectr（井口連接器）一種通過嚙合和鎖定井口剖面將其他設(shè)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

21、樹連接器提供一個承載臺肩和密封表面。2 水下生產(chǎn)設(shè)備2.1 引言 水下生產(chǎn)設(shè)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，它是一套技術(shù)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(shè)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(guān)的輔助設(shè)備。 圖2.1 -隨著水下技術(shù)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币辉~的意義可隨解釋而變化，但是通?？杉俣ǎ钏隽水斍帮柡蜐撍夹g(shù)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(shè)備可達范圍內(nèi)的水深

22、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(yù)）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

23、采油樹共同提供安全控儲 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）上進行 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(yīng)用中使用的某種特殊 井口。有時也稱為海洋井口。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，在自升式鉆井船進行 鉆井的

24、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(shù)的進步，水下井口設(shè)計已得到發(fā)展。水下井口一般為下列尺寸 之一： · 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(ID)。目前最常見的是18-3/4in水下井口早期水 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)，可使用一個BOP把油 井鉆至最終深度，因此18-3/4in

25、 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并不 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(yīng)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(shè)備應(yīng)用 趨勢影響的緣故。 井口制造商需要進一步研發(fā)以使當前井口和采油樹內(nèi)徑更小。該技術(shù)將有助于減輕因更 深水作業(yè)造

26、成的重量增加。為在小(16-3/4in)井眼內(nèi)運用高額定壓力設(shè)計，水下修井采油 樹制造商正飽受壓力。操作員可采用小井眼技術(shù)，先下放26in導(dǎo)管。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BOP或采油樹連接到井口。 目前有大量剖面，而大多數(shù)制造商也都有各自的專有設(shè)計。Cameron“轂”和Vetco H4“工 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，按井口剖面標記著“AX”、“DX”、“VX”或“NX”。墊片為井口與防噴器連接器之間提供了密 封。這

27、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(shè)計類似，但是，跟常規(guī)井口相比，井口壁厚和剖面外徑更大，可提供更大的強度。2.2.4 油管短節(jié)異徑接頭 BOP上井口連接

28、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(shè)備的選擇權(quán)。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(shè)有一個與現(xiàn)有井口配套的連接器，上部設(shè)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2.2.