水下油氣生產系統技術及基礎設備發展與研究

宋 琳,楊樹耕,劉寶瓏

(天津大學建筑工程學院 天津 3 0 0 0 7 2)

水下油氣生產系統技術及基礎設備發展與研究

宋 琳,楊樹耕,劉寶瓏

(天津大學建筑工程學院 天津 3 0 0 0 7 2)

摘 要:水下油氣生產系統是保證深海油氣開采順利進行的關鍵設備之一,它的研發與國家深海資源開發有著密切的聯系。文章就國外水下油氣生產系統基礎設備,如水下采油樹、水下管匯、臍帶纜等的發展現狀、結構形式以及安裝與設計時的熱點問題進行了介紹,并對水下生產系統整體發展進程進行了詳細敘述,綜合國內研發情況,為我國水下生產系統的研發提供學習和借鑒的建議。

關 鍵 詞:水下生產系統;基礎設備;發展研究

水下生產系統是由水下井口等整套水下生產設備及海底管道組成的海上油氣生產系統。具有投資低,水下設備可重復利用,油井布置靈活,受自然災害影響小等優勢,廣泛應用于深水油田以及邊際油田的開發。

目前國內針對水下生產系統的研究仍停留在理論層面。王瑋等[1]介紹了水下生產系統的采油樹、管匯、跨接管和臍帶纜的性能,以及在設計、分析時采用的公式和應注意的問題;王建文等[2]通過實例詳細介紹了目前國內外水下生產系統幾種常見的開發模式,并對采油樹的選擇以及臍帶纜的設計進行了初步的探討。針對水下生產系統局部設計和安裝的探討,張瑾等[3]通過對大量工程實例和開發方案的調研,總結了水下管匯的安裝方法并比較各自的優缺點;肖能[4]對國外臍帶纜設計研究進行了全面的跟蹤,對臍帶纜界面設計開展調研和總結;孫晶晶等[5]對臍帶纜安裝技術做了介紹,并結合國內外臍帶纜安裝技術應用水深情況做了對比分析。這些論述為水下生產系統的研究提供了一些參考,本研究將進一步就水下生產系統整體的結構,發展現狀等方面進行深入的介紹。

1 水下生產系統概述

整個水下生產系統包括水下生產設施、水面依托支持設施、安裝維護設施3部分,其作業原理為:從井底產出的油氣經井口、采油樹,依次流經跨接管、管匯、流動管線和立管等,到達海面處理設施,經處理后從輸油管線或油輪輸送至岸上。

國外對水下生產系統基礎構件的研究較早,早在2 0世紀5 0年代末期,世界第一座水下低壓氣井在美國伊利湖應用,利用凱利鉆探閥作為主控閥,橡膠軟管作為管線,拉開了水下生產系統應用的序幕 [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,對于未來液壓閥驅動器和遠程控制系統的發展有深遠的影響 [圖1(b)]。2 0世紀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建造而非陸上改造的水下采油樹,該系統持續生產作業近2 0年[圖1(c)]。7 0年代,L o c k h e e d公司研發了潛水艙,允許在一個大氣壓的環境下,工人通過潛水艙下潛,在井口處安裝并操作,但最終由于人員風險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油田進行經濟評價,為加快開采進程,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中使用的海底完井技術,水深介于2 4 3～7 6 2 m。1 9 9 2年,E x x o n公司著手開發墨西哥灣的Z i n c油田,水深達5 1 8.1 6 m,應用了整體管匯系統,加快了水下生產系統開發的進程[圖1(f)]。2 0 0 0年后,Am o c o公司致力于開發墨西哥灣的深水油田項目,計劃鉆井8-1 0口,水深達16 4 5.9 2m[圖1(g)]。

圖1 國外水下生產系統實例

國內對水下生產系統的研究起步較晚,現階段還不具備開發水下生產系統關鍵技術的自主知識產權,大部分水下生產系統的油田依賴于國外技術進口,一定程度上影響了我國邊際油田及深水油田的開發進程,因此水下生產系統的研究得到了國家的高度重視和各方廣泛關注。下面對水下生產系統各部分逐一進行介紹。

2 水下生產系統的基礎設備

2.1 水下采油樹

采油樹是水下生產系統的基本構件,最初被開發用于傳統的鉆油工程,但當石油開采轉向深海領域,建立傳統鉆井平臺毫無經濟性可言時,采油樹技術開始被應用于大洋深處。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,密封油套管的環形空間,控制和調節油井生產,保證作業、測試及清蠟等日常生產管理的一種井口控制裝置。

2.1.1 國內外背景

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備供應商,迄今已為2 5 0個項目提供了超過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

續表

目前,國內還沒有廠家生產水下采油樹,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 結構形式

水下采油樹的構造比地面采油樹要復雜許多,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式 (圖2)。

圖2 立式采油樹結構

因其PMV(生產主閥)、PWV(生產翼閥)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入井口內,沒有鉆孔通過采油樹,移開采油樹時不需要移開生產油管,安裝時也無須進行水下檢測,適用于油管尺寸較小、高壓油氣藏、井控復雜、開發周期內修井作業較少的水下油氣田工程。

與立式采油樹最大的區別是,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,將閥門轉向一邊(呈水平位置),就可直接進入井筒裝置。臥式采油樹還允許使用直徑更大的產品管及聯合裝置,更易于后期維修,甚至可進行后期鉆井作業,比立式采油樹修井方便,節約時間,2 0世紀9 0年代出現后一直得到廣泛使用。

圖3 臥式采油樹結構

2.1.3 采油樹的設計

進行采油樹的設計時,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,水下機器人接口,生產控制系統,壓力/溫度感應器及安裝方法等設計時必須要關注的問題。

2.2 管匯

2.2.1 國外背景

起初水下生產系統只是單井,沒有使用管匯,經過進一步發展,從單一的油井系帶,菊鏈式管匯,叢式管匯到現在的集成基盤式管匯,國外的管匯技術遠較于國內成熟。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 結構及類型

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構上是完全獨立的,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、管匯支撐結構、基礎結構3部分組成(圖4)。其主要功能為:集輸產出液;測量流量;監測壓力/溫度;保護出油管線并維持管線和閥門的正常工作。

圖4 典型管匯結構

目前主要應用于生產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或施工船進行安裝,并可以協同操作以縮短項目的周期,其化零為整的思想簡化了安裝工藝,節約了成本,適用于生產井口位置相對分散的油氣田,國內外大多數水下生產系統管匯采用了此類型;集成基盤式管匯可容納更多的井口數,有更大的匯集能力,適用于油氣藏集中、井口數目較多且分布密集的油氣田。

2.2.3 設計及安裝方法

要根據水下油氣田的油氣儲量、海底地形、出油方式、環境載荷、海底基槽、鉆井進度、安裝方法及試運行結果等方面來挑選適合該項目的管匯方案。要綜合考慮管匯的結構、基盤、管線、閥門控制系統,管線連接系統以及材料的選擇等問題,設計水下管匯,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,鉛筆式浮標法和月池濕拖法。

2.3 臍帶纜

2.3.1 國內外背景

臍帶纜最早應用于1 9 6 1年S h e l l公司在墨西哥灣建造的水下生產系統,早期的臍帶纜材料一般為熱塑性軟管,隨著水深的增加,為滿足強度和疲勞的設計要求,9 0年代初,開始采用鋼管臍帶纜,后續又出現高抗擠毀軟管(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公司具有臍帶纜設計制造的能力。現階段,最深的臍帶纜用于墨西哥灣S h e l l公司開發的P e r d i d o油田,水深達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 結構類型

臍帶纜是電纜、光纜、液壓或化學藥劑管的組合。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系統,是上部設施遙控水下生產的必要通道。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,按其構造分為電力控制、液壓控制、復合電液控制等。

熱塑性軟管的使用歷史較久,現場施工經驗較為豐富,且費用低,耐腐蝕,易彎曲,但管線熱膨脹會嚴重影響響應時間,液壓的壓力也要求更大;鋼管臍帶纜技術日趨成熟,材料種類繁多,不易在深水中彎折,響應時間明顯優于熱塑性軟管,但價格較高,安裝時易扭結,焊接中也可能出現嚴重質量問題。

圖5 臍帶纜

2.3.3 設計和安裝

臍帶纜的設計首先應滿足液壓、化學藥劑注入、電力、控制信號等功能要求;還需要滿足拉伸、彎曲機疲勞等最大荷載的要求。臍帶纜橫截面的設計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。

對臍帶纜進行鋪設時,需要專用的鋪管船、定位船、滾筒、張緊器、斜槽和深水機器人等安裝設備。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備上的連接點。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或潛水員協助操作。

2.4.2 R OV

水下遙控工作機器人簡稱R OV,是一種具有智能功能的水下潛器。目前國內已引進不同型號近3 0臺[9]。R OV配有攝像頭、多功能機械手、多種用途和功能的聲學探測儀器及專業工具,可以進行各種復雜的水下作業,如水下安裝連接、生產期檢測、維修等,廣泛用于海洋石油行業,為水下生產提供了技術支持。段,我國在 “十一五”期間就將其列入 “8 6 3”計劃,“十二五”國家海洋科技發展規劃綱要中指出,要實現海洋開發技術自主化大發展。我國首座自主設計建造的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系統的研發變得迫在眉睫。由于我國原油具有高含蠟、高凝點等特殊性,且水下生產系統設備處于低溫及超高壓環境,因此研發技術難度大;同時研發資本回收周期長,融資較為困難,抗技術風險能力不足,與發達國家有一定差距。在闡述國外水下生產系統發展及現狀的基礎上,筆者認為應加大與國外企業的合作,汲取其先進科技理念及建造方式;加大投入企業和高校研發水下生產系統的力度,鼓勵專利的授權及申請,逐步實現自主設計建造,為我國深海油氣開發提供強有力的支持。

參考文獻

[1] 王瑋,孫麗萍,白勇.水下油氣生產系統[J].中國海洋平臺,2 0 0 9,2 4(6):4 1-4 5.

[2] 王建文,王春升,楊思明.水下生產系統開發模式和工程方案設計[J].中國造船,2 0 1 1,5 2(s u p p l 2): 2 7-3 3.

[3] 張瑾,謝毅.深水水下管匯安裝方法研究與進展[J].海洋工程,2 0 1 1,2 9(1):1 4 3-1 4 8.

[4] 肖能.水下生產系統臍帶纜截面設計與分析[D].大連:大連理工大學,2 0 1 1:1-4.

[5] 孫晶晶,劉培林,段夢蘭,等.深水臍帶纜安裝技術發展現狀與趨勢[J].石油礦場機械,2 0 1 1,4 0(1 2): 1-5.

[6] 楊鼎元.海上油氣生產系統展望[J].海洋石油, 1 9 9 8(3):3 2-3 9.

[7] 美國石油學會標準(A P I).1 7 D石油天然氣工業水下生產系統設計與操作:水下井口和采油樹.

[8] 周燦豐,焦向東,曹靜,等.水下跨接管連接器選型設計研究[J].石油化工高等學校學報,2 0 1 1,2 4 (3):7 5-7 8.

[9] 黃明泉.水下機器人R OV在海底管線檢測中的應用[J].海洋地質前沿,2 0 1 2,2 8(2):5 2-5 7.

3 對我國水下生產系統研發的借鑒意義

水下生產技術是開發深水油氣田的重要手