水下生产系统和设备
海洋工程装备
二 海工企业及制造格局介绍
钻井平台服务商
• • • • • • • • Transocean Nobel DiamondOffshore Ensco Hercules Offshore COSL Rowan Pride
世界海工装备的制造格局
第一梯队： 韩国和新加坡
•亚洲居于海工装备建造市场的前沿， 其中韩国和新加坡属于第一梯队。 •中国近年发展迅速，跻身第二梯队。
起重船
管铺船Biblioteka 水下机器人物探船、勘察船、供应船、钻井平台、生产平台、浮式生产储油船、卸油 船、起抛锚船、拖带船、倒班船、特种运输船、工程支持船（平台）、 水下机器人、起重船、铺管船、铺缆船
钻井平台的分类
固定式
按运
桩基式 重力式 张力式 棚绳塔式
地撑式
海 洋 钻 井 平 台 类 型
移性 可分
坐底式 自升式 半潜式 钻井船
性能指标 工作水深 可钻井深 海底条件限制 浮动时的稳定性 船体定位方法
国际现状 10～150 m 超过5000 m 根据海底土壤承 载，决定插入深度 易受风浪影响 桩脚插入；底垫压载
半潜式钻井平台
“981”半潜式平台是我国第 一条3000米水深第六 代半潜式钻井平台。具 有勘探、钻井、完井与 修井作业等多种功能。 DP3动力定位系统
第二梯队： 中国
•中东的阿联酋、南美的巴西、横跨亚 欧大陆的俄罗斯、以及越南、印度和 印尼等国家不甘落后，成为第三梯队。 第三梯队： 主要原因是这些国家石油资源丰富， 中东、巴西、 俄罗斯、越南、在发展油气生产的同时，努力提升自 印度、印尼 己的建造实力。
海洋工程装备建造商分为三大阵营
：在欧美公司大型跨国石油公司的需求引领下，垄断着海洋工程关键装备 开发、设计、工程总包及关键配套设备供货和高端制造领域，代表：法国 Technip公司、意大利Saipem公司、美国McDermott公司、挪威Aker Solutions公司、SBM.钻井系统、动力定位系统、FPSO单点系泊系统、水下生
水下生产系统-课件
通过压力对管子的压力的计算，就可以对管汇系统的钢 框架进行设计。
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三、管汇
主要的连接的目的是保证管子内部密封，对于深水，所有 的密封试验，水压应该是双向的。下面主要介绍连接方式：
夹具连接的套筒 螺栓连接的法兰的横断面
一组筒夹连接装置
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三、管汇
连接器的设计： 连接器的设计： 应该主要考虑水深、连接的位置、安装方法。此外连接器的 选择和设计也受以下因素影响：
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二、采油树
采油树类型 采油树主要有两种类型：一种为传统型也称作直立型 的，另一种为水平型的，水平型的采油树从1992年以 后开始普遍应用。这两种类型的采油树都包括一个在 钻井后能牢固地附着在油井顶端井口构架中的卷线筒， 还包括由阀门组成的阀门组，阀门组主要用来在测试 和闭井时调节出井油量。此外，油嘴对出井油量也可 进行调节。水平型采油树由阀门放置的位置而得名， 除此之外，水平采油树的油管悬挂器是安装在采油树 上而不是安装在井口头上。另外，由于水平采油树的 顶端设计使防喷器（BOP）可以直接安装在采油树上。 目前，甚至已经普遍认为水平型是唯一用于海底的采 油树类型。
水平采油树的油管 悬挂器
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二、采油树
悬挂器可以是滑动的或者是心轴形式。滑动形式的悬挂器 用齿固定在油管上，由于油管的重量施加在悬挂器上，齿 和油管咬合，滑动型悬挂器拉住下部的锥体的后面，产生 向内的力。夹紧的压力随着管子的重量的增加而增加。 心轴形悬挂器通过连接最后的接头和底部悬挂的线而放置 在油管上，通过螺丝固定。
阀门： 阀门：
阀门的选择主要由应用范围决定。门阀一般应用于BOP组 件、采油树和管汇。球阀在水下使用中，从操作和价钱角 度要优于门阀。由于球阀目前使用非金属的密封和涂料， 使得球阀的应用水深更深。 门阀应用尺寸要比球阀的小，球阀的应用尺寸在10英寸或 者更大的范围。
水下生产系统
水下生产系统1 引言1.1 范围目前深水油气田开发面临的主要挑战是，缺少一个稳定的平台用于支撑生产设施并将生产流体输送到这些设施。
而水下生产系统可以提供一种具有成本竞争力的开发方案，可减少乃至完全消除（在个别情况下）对地面生产设施的需求。
图1.1-水下生产系统提供一种高效，经济的深水油气田开发方案本研究主要是为了对水下生产系统进行概述。
论述的关键主题包括：·水下生产系统主要部件及其功能的一般说明；·水下生产设施的界面要求；·水下开发油田工程模式的考虑；·风险区域和风险管理问题的识别。
1.2 条例、规范和标准1.2.1 国际规范·ANSI B31.3《化工厂及炼油厂管道》；·API RP 2R《海上钻井隔水管接头的设计、评估和试验》；·API 5A《套管、油管和钻杆规范》；·API 5AC《套管、油管和钻杆规范》；·API 5D《钻杆规范》；·API 5L《管道规范》；·API 6A《井口和采油树设备规范》；·API 6D《管道阀门规范》；·API 8A《钻井和采油提升设备》；·API 14A《井下安全阀规范》；·API 148《井下安全阀系统设计安装与操作的推荐做法》；·API 14D《海上服务用井口地面安全阀和水下安全阀规范》；·API 16A《钻穿设备规范》；·API 17D《水下井口和采油树设备规范》；·API 17G《完井修井隔水管系统的设计和操作》；·ASME IX《焊接和钎焊资格》第二条焊接程序资格和第三条焊接操作资格；·ASME V《锅炉及压力容器规范》（第五卷无损检测）；·ASME VI I《锅炉及压力容器规范》（第八卷压力容器建造规范第1册和第2册）；·ASME/ANSI B16.34《阀门法兰、螺纹和焊接端》；·DIN 50049-EN 10 204《材料试验文件》；·DnV《修井控制系统电气要求》；·DnV《水下生产系统的安全性和可靠性》；·DnV《认证说明》第2.7-1条“吊装证书要求”（海上容器）；·DnV RPB401《阴极保护设计推荐做法》；·EN 10204《金属制品一检验文件的类型》；·FEA-M 1990《海上平台电气设备条例》；·IEC 92.101《船用电气装置》定义和一般要求；·IS0 10423《井口和采油树规范》(代替API 6A);·IS0 10432-1《井下安全阀标准》；·IS0 10433《海上服务用井口地面安全阀和水下安全阀规范》（代替AP1 14D）；·IS0 13628《石油天然气行业钻井和采油设备》；·IS0 13628-1《石油天然气行业水下生产系统一般要求和推荐做法》；·IS0 13628-2《石油天然气行业水下和海上应用挠性管系统》；·IS0 13628-3《石油天然气行业输送管道泵送系统》；·IS0 13628-4《石油天然气行业水下井口和采油树》；·IS0 13628-5《石油天然气行业水下控制系统的设计和操作》；·IS0 13628-6《石油天然气行业水下生产控制系统》；·IS0 13628-7《石油天然气行业修井/完井隔水管系统》；·IS0 13628-9《石油天然气行业遥控操作机具(ROT)维修系统》；·IS0 14313《管道阀门规范》（闸阀、旋塞阀、球阀和止回阀）（代替API 6D）；·IS0 3511《过程测量控制功能和仪表设备的符号表示法》；·IS0 898《第一部分螺栓、螺纹和螺母》；·IS0 9001《质量体系：设计/开发、生产、安装和维修的质量保证模型》；·NACE MR-01-75-94《材料要求：油田设备用耐硫化物应力裂纹的金属材料》；·NACE RP0475《注水用材料》；·NAS 1638《国家宇航标准：液压控制系统用零件的清洁度要求》；·SAE J343《SAE 100R系列液压软管和装置的试验和程序》；·SAE J517《液压软管》。
水下生产系统
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主要内容
一、概述 二、采油树 三、管汇 四、跨接管 五、脐带缆 六、井口头
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二、采油树
采油树(Christmas,Xmas tree )最初被称为十 字树，X型树或者圣诞树，它是位于通向油井 顶端开口处的一个组件，它包括用来测量和维 修的阀门，安全系统和一系列监视器械。它连 接了来自井下的生产管道和出油管．同时作为 油井顶端和外部环境隔绝开的重要屏障。采油 树包括许多可以用来调节或阻止所产原油蒸汽、 天然气和液体从井内涌出的阀门。采油树是通 过海底管道连接到生产管汇系统。
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一、概述
水下生产系统包括油井、井口头、采油树、接 入出油管系统和控制油井的操纵设备。在水下 的系统中，井口头和采油树都在海底。因此， 水下生产系统就不像在水面处的生产系统，如 刚性平台甚至是张力腿平台（TLP）那样受到 海平面状况和水深的影响。但另一方面，水下 生产系统不能直接的进行操作，如钻井，必须 通过移动的钻井单元进行，操控也必须通过脐 带缆远程控制，持续地操作就比平台式的生产 系统复杂地多。
下面是采油树和相关元件需要考虑的载荷：
立管和ＢＯＰ载荷(Riser and BOP loads); 连接海底管道的载荷(Flowline connection loads); 清理采油树、脐带缆和海底管道的载荷; 热应力 包括捕油器，元件膨胀和管线的膨胀等; 吊装载荷(Lifting loads); 掉落的物体(Dropped objects); 压力引起的载荷– 外部和内部的.
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二、采油树
单孔采油树Mono Bore Tree 单孔采油树主要使用在浅水区域， 单孔采油树和传统的双孔采油 树类似，只是单孔采油树在安 装采油树和油管悬挂器时使用 的立管系统更简单。
水下生产系统的分类
水下生产系统的分类
一、水下起重系统
水下起重系统是指在水下环境中完成车辆载荷的设备，其主要包括：水下起重机、水下吊装装置、下沉装置等等。
水下起重机又可细分为潜水艇起重机和海起重机。
潜水艇起重机主要用于海床深处作业场所，可以完成深水作业环境下的吊装、移运、收集等作业。
海起重机是在近海外环境下完成车辆载荷作业的设备。
它能够在沉船废弃物和底泥上完成任务，可在深水海洋环境中起重起吊，也可以在管道水暖过程中完成起卸作业，从而大大提高了作业效率。
水下石油生产系统是指主要适用于拓展海底油气藏开采作业及开采产品制备和转运作业的设备。
它包括海洋平台、海洋套管、液体泵、水下管线、海洋液体处理系统和水下生产设备等。
它可以用于远程探测海底油气藏，发掘新藏体和发展既有藏体，完成开采产品的采集、提炼和输送，以及维护海洋生态环境的功能。
三、水下扬尘控制系统
水下扬尘控制系统是指将粉尘安装到水下作业等离子发生器中，然后利用电磁场产生负压，将粉尘收集空气重新排出。
它可以将环境空气中的有害物质收集或混合在一起，从而使空气保持洁净，符合国家的环保标准。
四、水下交通通信系统
水下交通通信系统是指将水底安设交通及通信设施，以实现水下作业现场的交流，保证不设计材料的顺利输送的设备。
它是先进的交通和通信系统，不仅能够提高作业效率，而且还能够提供安静的环境作为海洋生物栖息地。
它有助于保护和改善海洋环境，有利于提高海洋生物的数量，进而达到长期生态资源保护的目的。
水下生产系统-2014
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（5）远程打开和关闭阀门的阀门驱动器。有些可能是 手动阀门，也包括深水ROV接口； （6）用于脐带缆挂接的控制连接板； （7）控制系统。这包括阀门驱动器命令系统以及压力 和温度传感器。该阀门驱动器命令系统可以是简单 或复杂的管道系统，包括电脑及根据应用选用的电 磁线管； （8）节流器（可选）用于调节生产流速；
选择准则 在选择HT或VT时，需要考虑下列问题： （1）卧式采油系统要比立式的昂贵。卧式采油系统 的售价是立式的5到7倍。 （2）立式采油系统更大、更重，而这在钻机的安装 平台有限时必须考虑。 （3）油井是否已经完成也是选择的另一个因素。如 果油井已经完成但是采油系统还没有安装好，那 么立式的采油系统比较适合。但如果采用卧式的 采油系统，系统必须在油井完成之前安装好。
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概述
从1961年第一口水下井口在美国应用以来，随着各种新 技术的应用，水下生产系统应用水深越来越深，到目前 为止，已投产最深采油树达到2714m（美国墨西哥湾 Independence Hub凝析气田，2007年7月投产）；回接距 离最长的气田回接距离达到143公里（挪威北海Snø hvit 一期，水深250-345m，2007年8月21日天然气上岸）。 目前国外对于3000m水深以内的水下生产系统设计、建 造、安装技术已经比较成熟，且已在西非、墨西哥湾、 北海等海域经过了大量工程项目的实践检验。
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油管悬挂系统；VXT采用了传统的油管悬挂器 ，它有一个主要生产孔和一环孔。油管悬挂器 位于井口。然而，在HXT中，油管悬挂器有一 个单筒悬挂器，并且有一个侧出口，生产流体 将从这里传送到生产主阀。
采油树帽；VXT系统的采油树帽具有修井期间 提供控制接口以及密封海水功能。但在HXT， 有内部采油树帽和采油树碎屑保护帽。
水下生产系统标准体系分析
源行业海 洋 深 水 石 油 工 程 标 准 化 技 术 委 员会秘书处委托项目(２０１７ＯＴ － ＫＧ０１) 第一作者:谭越(１９７８—) ꎬ男ꎬ博士ꎬ高级工程师 研究方向:海洋工程装备标准化、海工结构
ｏｆ Ｏｉｌｆｉｅｌｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ) 下的水下生产
设备分 委 会 ( ＳＣ１７￣ Ｓｕｂｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｓｕｂｓｅａ Ｐｒｏ￣
ｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ) 负责制修订ꎬ主要是规定了水
下生产系统设备性能ꎬ也包括设计和工艺规范等
方面ꎬ包括以下几个部分[８] :①水下设备ꎻ②挠性
关键词:水下生产系统ꎻ标准体系ꎻ国外先进标准ꎻ国际标准 中图分类号:Ｕ６７４. ３８ꎻＴＥ９５２ 文献标志码:Ａ 文章编号:１６７１￣７９５３(２０１９)０３￣００７３￣０５
海洋石油生产从浅水发展到深水ꎬ海洋工程 技术的发展推动了标准的系列化进程ꎬ水下生产 系统( ｓｕｂｓｅａ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍꎬ ＳＰＳ) 在国外已形 成较为完整的标准体系[１] ꎬ而国内由于受到深水 油气田开发进程的限制ꎬ尚未形成完善的水下生 产系统标准体系ꎮ 由于缺乏统一规划ꎬ对国外标 准缺乏认真细致的分析ꎬ在采标过程中存在着完 全照搬ꎬ标准选题不当ꎬ盲目采标等问题ꎮ 因此ꎬ 开展水下生产系统标准体系梳理ꎬ对国外先进标 准体系进行对比分析ꎬ提出构建我国水下生产系 统标准体系的建议ꎮ
( ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ) 、 推 荐 做 法 ( ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｐｒａｃ￣ 件ꎬ通常包含规范和推荐做法的相关要素ꎮ
深水水下生产系统及工艺设备技术现状与发展趋势
深水水下生产系统及工艺设备技术现状与发展趋势高原;魏会东;姜瑛;王勇【摘要】概括了水下生产系统的水下井口及采油树系统、管汇及连接系统、水下控制及脐带缆系统以及水下增压设备、水下分离设备、水下电力设备等水下生产工艺设备的技术现状,并对水下长距离流动保障技术、水下电力输送和全电控制技术、水下安装技术、水下生产系统可靠性及完整性管理技术、极地水下生产系统技术等水下生产系统的前沿技术发展趋势进行了展望,并指出了我国水下生产系统研发和应用的思路和发展方向.【期刊名称】《中国海上油气》【年(卷),期】2014(026)004【总页数】7页(P84-90)【关键词】深水;水下生产系统;水下生产工艺设备;技术现状;发展趋势【作者】高原;魏会东;姜瑛;王勇【作者单位】深圳海油工程水下技术有限公司;海洋石油工程股份有限公司设计公司水下所;海洋石油工程股份有限公司设计公司水下所;深圳海油工程水下技术有限公司【正文语种】中文随着国际社会对能源需要的增加,世界范围内的深海油气开发活动日渐活跃,在深海开发过程中除了兴建大量的水面油气生产平台外,水下生产系统也已成为深海海洋工程技术的重要组成。
作为对深水浮式水面设施,如张力腿平台、半潜式平台、立柱式平台、浮式生产储卸设施的重要支持[1],水下生产系统通过海底管道和立管与其建立联系,可以搭建起灵活多样的海洋石油开发形式[2]。
水下生产系统对于水深的要求不敏感,且不受海面恶劣风浪环境的影响,其安全性高,适用范围广,在未来极地冰区的海洋油气开发中也有广阔的应用前景。
目前水下生产系统的作业流程是,油气藏中的生产流体通过水下井口头和采油树汇集到管汇,然后通过海底管线上的终端设备进行集输,最后由立管输送至水面设施。
在整个生产过程中,由水面设施的主控站通过水下脐带缆系统及控制设备对生产过程进行监测、控制和化学药剂的注入。
经过多年的研发和工程经验积累,世界海洋工程大国,如挪威、美国、巴西等已经掌握了水下生产系统的关键技术,垄断了国际水下设备和脐带缆市场,与工程公司的海管/立管的EPIC总包能力相结合,共同进行深水SURF(Subsea Umbilical Riser Flowline)工程建设。
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Petroleum Offshore Subsea
2009-08-05
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水下生产技术是海洋油气开发生产的关键技术
《油气21世纪》（汇聚主要大油公司的组织）列出以下海洋油气开发生产 的八大未来关键技术:
1. 2. 3. 4. 5 5. 6. 7. 8. 未来的环境技术 勘探开发技术 提高采收率技术 经济的钻井和修井技术 综合运行操作和实时油气藏管理 水下生产处理和传输技术 深水和水下生产技术 天然气技术
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水下生产技术是海洋油气开发生产的未来技术
水下到陆地 浮体＋水下 平台为主
• 近年来国际大油公司迅速组建水下生产技术业务部门，指明海洋石油开发生产的
未来发展方向－－水下生产技术和设备！ • Subsea新公司/部门/业务：Subsea 7, J. Ray Subsea, Fluor, FMC, Aker Subsea ……
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水下生产技术是海洋油气开发生产的未来技术
Statoil和Shell－－海洋油气开发生产关键技术发展趋势路线图
水下生产技术和设备将是今后海洋油气开发生产的关键！
Petroleum Offshore Subsea
2006年前（套）
2067 519 148 383 1
2006 2010年（套） 2006-2010
2349 219 78 504 ?
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2009-08-05
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水下生产处理项目急速增长
• 已经宣布
o 全球经济高涨；资源有限；中东政局动荡；可替代能源未能形成力量。在 可预见的未来，中美经济衰退、中东和平、可替代能源的大跃进都不太可 能。
石油工业的未来在于海洋石油！ 石油工业的未来在于海洋石油 ！
• 陆地油气资源得到应有的开发且正在迅速枯竭。 • 海洋油气资源丰富，勘探开发正在迅速发展。 海洋油气资源丰富 勘探开发正在迅速发展 • 石油工业的未来在于海洋石油！ • 海洋油气开发 海洋油气开发生产工业将蓬勃发展！ 产 将蓬勃发展
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2009-08-05
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美国墨西哥湾油气开发总投资分类 2008 2008-2011
美国墨西哥湾油气开发 总投资分类 2008 2008-2011
百万美元
<－－浮体平台 <－－固定式平台 <－－水下生产技术和设备
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海洋油气田的基本开发方案
• FPS + 水下生产系统 • TLP + 水面采油树 • TLP + 水下生产系统
Moored Semi
• 回接到岸(水下生产系统)
• 丛式井(水下生产系统)
• ……
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海洋石油的发展趋势
•勘探和开发：向深水发展（3000m） 大量的中小油气藏 •设施的应用：深水发展FPSO/Subsea •设备的发展：更大的压力和口径（15ksi,5 15ksi 5～9 9″） •设备的发展：更高的压力和温度（15ksi,350F）
# Subsea Trees Actual # Subsea Trees Forecast (Normalized) 8000 6000
+185%
4000
+350%
7114 2496 1341 2000-2010e 2011-2025e
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2000 0
68 60s
FPS和FPSO配套应用
• FPS和FPSO在深水油气田开发生产中的大量应用 • 水下生产技术是FPS和FPSO必备的关键配套生产系统和技术
油气 分阶段 发 油气田分阶段开发
• 使油气田的分阶段开发经济可行（如流花油田和春晓气田）
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稠油田开发
• ……
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2009-08-05
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内容提要
• • • • • • • 市场分析—海洋石油工业发展趋势 市场分析—水下生产设备和技术 水下生产设备和技术是海洋石油生产的关键技术 水下生产技术设备的关键应用 生产技术 备的关 应 水下生产系统、 水下生产系统 、FEED、关键技术 水下生产设备技术项目实例 水下生产系统的一些关键技术和设备等
+30%
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+250%
87 70s
426 80s
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1092 90s
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水下生产系统的全球发展十分迅猛！
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全球水下生产系统的市场需求猛增
今后5年的水下生产系统需求超过以前50年的总和！ 水下生产系统
水下卫星井 水下基盘井 水下基盘 水下管汇 水下分离系bsea
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水下油气田可行性研究FEED
水下油气田可行性研究FEED内容
• 完整水下油气田生产系统开发方案 • 详细的概念设计和成本研究 • 风险评估 • 需要的最小投资分析 • 费用比较 费 较 • 未来周边油气田开发方案规划
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全球每年投产水下井口数2008 2008-2013
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全球水下生产系统1960 1960-2025
• ~2300m
• Production Semi 生产半潜平台 产 潜平
• ~2300m
• TLP 张力腿平台
• 305~1524m 305 1524m
• Spar 平台
• ~1370m
• Subsea Systems 水下生产系统
• 20~3000m
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• 已经安装
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美国墨西哥湾的深水生产系统
• 美国墨西哥湾的深水生产系统： – 水下生产系统240个，占总数的85％！ 水下生产系统240个 占总数的85％！ – 固定式平台5个 – 顺应塔式平台3个 – 张力腿平台14个 – 半潜式平台5个 – SPAR平台14个
• 美国墨西哥湾水下生产技术和设备的投资超过各种平台的投资！ • Technip 的SURF（水下）业务营收占70%！ • FMC的水下生产技术和设备业务营收年平均增长29％！
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Petroleum Offshore Subsea
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石油工业的未来—海洋石油
高油价将长期持续
• 能源是世界各国可持续发展的战略物资。 • 石油是最主要的能源。 • 世界油气资源有限。 世界油气资源有限 • 高油价将长期持续。
水下生产系统的 水下生产系统 的主要组成块
水下生产系统设备主要组成块： • Tree & Wellhead • Manifold/Template • Control • Umbilical • Flowline • Risers • Processing • …… 相关方面：
- 已有基础设施：平台、FPSO、上部结构 - 流动保障 - 设备供应商
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2009-08-05
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全球水下生产井口投产数2002 2002-2011
全球水下井口投产数今后五年增长100％（2011 vs 2004）！
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内容提要
• • • • • • • 市场分析—海洋石油工业发展趋势 市场分析—水下生产设备和技术 水下生产设备和技术是海洋石油生产的关键技术 水下生产技术设备的关键应用 生产技术 备的关 应 水下生产系统、FEED、关键技术 水下生产设备技术项目实例 水下生产系统的一些关键技术和设备等
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