6水下生产控制系统
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。
水下生产系统知识讲解
水下生产系统第一章：水下生产系统发展概述1、从浅水走向深水原因・对能源需求的增长・陆上及浅水资源开发已经到达成熟期，并开始减少。
・高油价，降低开发成本・深水技术的快速发展（深水钻井技术、水下增压和分离技术等）水深、环境条件、油气田位置和油气输送成本等综合因素决定了油田的开发为何采用水下生产系统？・能将井口布置在现有平台有效钻井范围以外的地方；・高油价，降低开发成本；・深水技术的快速发展（深水钻井技术、水下增压和分离技术等）2、水下生产系统组成立管和海管、水下采油树、水下增压系统、水下分离系统、回注系统、水下管汇、跨接管、管道终端、连接器3、我国水下生产系统发展展望1）国外规范和成熟经验是重要参考资料2）但由于中国南海海域的特殊条件（台风频繁、较强的内波流作用、复杂海底地形、油田离岸距离远等），相关的技术不可能完全照搬，必须针对南海的独特海况与离岸距离，做出创新性的研究与设计。
3）采油树结构复杂，涉及机械、力学、密封、材料、控制、安全、钻井、海洋工程等学科。
一旦具备了水下采油树的设计、制造、安装和测试能力，就可以设计制造其他水下产品，突破国外技术封锁，自主开发深水油气田。
第二章：立管系统立管主要功能＞生产立管：将流体从地底油藏传输到海面浮式设施＞注入立管：回注气体或液体到地底油藏＞外输立管：将处理过的油气传输到陆上或穿梭油轮＞钻井立管：钻井工具通道立管类型从本身的特点可分为钢悬链线立管（SCR）、顶部张紧立管（TTR）、柔性立管（FR）、混合立管（HR）深水立管的主要挑战：>立管系统的费用对水深非常敏感；>立管系统的安装费用对水深也非常敏感；>安装时需要具有足够能力的特殊安装船舶；>对于焊接和检验质量的要求高；>在立管设计中的主要考虑因素为重量和疲劳寿命。
立管的组装>柔性立管和脐带缆通过陆上组装而成；>SCR通过立管安装船舶焊接作业线组装而成;>TTR通过连接法兰或连接接头组装而成。
水下控制系统技术-主控站和电力单元
出通道 所 接 出两根 冗余 的 电缆 ，一头 连接脐 带 缆里 的两对 冗 余 的电缆 。
２ ． ２ ． ４ Ｅ Ｐ Ｕ 的功 能 ：
（ Ｉ ）提 供过 电压 保护 ；
（ ２ ）提 供过 电流 跳 闸保护 ；
（ ３ ）为控制 器提 供超温 跳 闸保 护 ；
（ ４ ）提 供输 入及 输 出 电压 ， 电流 的在 线监 测 以及 报警 ； （ ５ ）提 供绝 缘监 测 以及报 警 和跳 闸保 护 ；
直 接液 压控 制方 式特 点是可 靠性低 、反应时 间慢 ，属于 日渐淘 汰 的控 制 方式 。
混 合 电液控 制方 式特 点是可 靠性 高 、反映时 间较快 、成本 适 中 。
全 电气 控制方 式特 点是 可靠 性高 、反 映时间快 、成 本高 、技术 复杂 。
目前混 合 电液控 制方式 在很 多 国外 深海 项 目中被普 遍运用 ， 已经顺利 实施 的 ＹＣ１ ３ — ４气 田开 发项 目也 是采用 此种控 制方 式 。
２ 水 下控 制 系 统 的组成
水 下控 制 系统组 成可分 为 ：上部设 施和 水下 设施 。如 图 １ 水 下控制 系统 结构框 图所示 。
图 １中 的上部控 制系统 设施 包括 ：主控 站 （ ＭＣ Ｓ ）和 电力单 元 （ Ｅ Ｐ Ｕ），液压 动力 单元 （ ＨＰ Ｕ），
脐 带 缆上 部终端 （ Ｔ ＵＴ Ａ ） 及平 台的配 电系统 （ ＭＣ Ｃ）及 中央 控制 系统 （ Ｄ ＣＳ ）［ ３ Ｊ ；
水 下 控 制 系统 技 术一 主控 站 和 电力单 元
周 佳 ，杨季平
（ 中海石油能源发展 油田建设工程设计研发 中心 ，湛江 ５ ２ ４ ０ ５ ７ ）
国家标准批准发布公告2009年第2号(总第142号)－－批准224项国家标准的公告
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GB/T 23270.2-2009
信息与文献 开放系统互连 馆际互借应用协议规范 第2部分：协议实施一致性声明（PICS）条文
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GB/T 23271-2009
二硫化钼
2009-01-05
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GB/T 23272-2009
运动保护装备要求 第1部分：登山动力绳
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GB/T 23269-2009
信息与文献 开放系统互连 馆际互借应用服务定义
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GB/T 23270.1-2009
信息与文献 开放系统互连 馆际互借应用协议规范 第1部分：协议说明书
基于文件的电子信息的长期保存2009-03-32009-09-01
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GB/T 23284-2009
缩微摄影技术 16mm和35mm卷式缩微胶片使用的影像标记（光点）
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造船 船体结构单元的拓扑 第3部分：单元间的关系
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气缸 成品检验及验收
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液压传动 电控液压泵 性能试验方法
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GB 23254-2009
货车及挂车 车身反光标识
2009-03-06
2009-07-01
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水下生产控制系统验证测试
水下生产控制系统应进行质量鉴定试验以验证设备在特定工作条件下的性能。
作为替代，制造商应提供与工业实际（设备按指定要求即将完成的）相一致的证明文件或其他客服证据。
这一条款规定了用来鉴定产品设计的质量鉴定试验。
用于设计鉴定的设备或工装夹具应该是在设计，尺寸和材料方面具有代表性的生产模型。
如所设计产品的安装，形式，功能或材料上有任何变化，制造厂应文字记录这些变化对产品性能的影响。
重大的设计变动就成为一个新的设计需要重新认证（重大变动是指由制造厂确定的影响产品在其作业环境中性能的变化）。
如材料的适应性能通过其他方法实现，材料的变化不需要重新认证。
应对SEM进行形型式试验以鉴定温度循环和振动相关的设计。
进行所有试验时应考虑人员安全和对周围区域潜在的破坏。
宜进行综合实验程序以确保满足控制系统的性能要求。
1.质量鉴定试验
1.1净水压力试验（内部和外部）
作为质量鉴定试验的一部分，宜对所有的受压组件或装备进行静水压力试验。
额定压力小于或等于103.4MPa（15000 psi）时应在1.5倍的设计压力下进行静水压力试验。
额定工作压力超过103.4MPa（15000 psi）时的内部净水压力试验应在1.25倍设计压力下进行。
外部静水压力试验应在1.1倍设计围压下进行。
试验压力应在任何组件，管线或节点没有外部流体泄露的情况下最少保持10min。
试验期间所有的液压蓄能器应与回路隔离。
控制设备的低压部分，如适用，包括储液罐，低压过滤器，泵吸入管线和系统返回管线，都不进行静水压力（试验压力）试验。
1.2 最小和最大温度试验
应进行质量鉴定试验以证明小于或等于最小额定工作温度，大于或等于最大额定工作温度时的设备性能。
1.3 周期试验
对具有周期操作性能的设备应进行模拟长期现场作业的质量鉴定试验。
试验周期应等于或超过指定应用的周期。
2.出厂验收试验（FA T）
2.1 概述
水下控制系统组件的FA T应在发货前进行。
制造商应建立和实施综合实验程序，程序应能证明所采购的所有系统和设备的组件能很好的完成作业功能并满足全部要求。
一套完整的水下生产控制系统实验应是该程序的一部分，但当无法使用实际装置时可使用模拟器。
FAT开始前应有既定的程序和接收标准。
进行完整的FA T时最少应注意以下内容：
——电液方向控制阀的性能和泄漏率
——监控系统的精确度
——通信系统灵敏度和抗噪性能
——电源需求和灵敏度
——所有管线，管道工程和液压组件的压力试验
——蓄能器预充压力
——卸压阀压力设定
——流体和系统清洁度
——控制模块压力试验
——设备匹配认证
——电缆绝缘阻抗和电导系数
——容器泄露试验
——牺牲阳极电导系数
所有的水下仪表和电子设备的环境压力显示应符合制造商的规定书。
如：所有SEM 都要求通过温度循环，振动和老化试验。
温度试验的目的是验证所有的组件在超过设计温度范围工作时，可能促使组件过早失效。
振动试验的目的是暴露组装时可能出现的劣质工艺。
所有的SEM应在最终关闭后进行泄露试验。
2.2 完整性
静水压力试验应在1.1中详细说明。
那些已经通过合适的法规机构（例如：美国船级社，ASME,挪威船级社）进行过实验和认证的组件可以免除这部分试验，净水压力（检验压力）试验应在安全过压设备之前进行。
2.3 功能和连续性
应进行功能试验以验证设备能正常运行。
这些实验的目的是验证控制系统操作功能正确，包括所有的互锁，顺序，控制和再启。
试验时，每条液压和电力线应进行正常操作的实验。
液压线路应在线路的实验压力（额定工作压力）下进行。
电力路线应在确保没有短路和开路情况下进行。
任何电路的故障应依据以上标准在最终接受前重做和重试验。
2.4 安全和操作校验
这些实验用来验证系统的调整是按照设计规格书和制造商数据表的规定进行，试验中使用与压力等级（调节阀，泄压阀，报警和关断开关，蓄能器预充，泵的开/停开关），液位，电压，延时和类似的参数相关的所有设置点的清单。
应对所有安全特征或设备进行操作正确性验证。
2.5 业主要求的其他实验
2.5.1 内部泄漏试验
泄漏试验的目的是验证内部系统泄漏是否在制造商规格书规定的可接受的范围内。
试验应在液压控制系统的设计压力（额定工作压力）下进行，所有的线路都要试验，试验最少持续10min，泄漏率应通过两种方法之一进行监视。
将系统加压到设计压力，隔高供应源并监视压力衰减，应监视和记录压力衰减；
给系统施加常压并监视不同系统组件的泄漏率。
2.5.2 流体冲洗
流体冲洗的目的是清除在建造过程中进入液压系统的污染物，流体冲洗应使用指定的系统工作液进行，接受标准与注1一致。
注1：本部分所涵盖的，安装于受控环境中的上部设备应按照特定受控环境的温度进行设计，测试，操作和储存。
限于受控环境中使用的设备总成或组件应用白兰标签标记，用以警示用户在操作手册里规定的环境使用。
只在受控环境中使用
2.5.3 灵敏度测试
灵敏度测试应在子系统或完整的生产控制系统中进行。
其实验目的是监视系统性能和操作受限时，在控制模式下改变关键参数。
3.系统集成实验
可以进行整个系统测试。
如可能，过程设备，水下硬件和控制在安装前一起实验。
实验一般应该在岸上基地进行，以易于进行必要的修正和返工。
系统集成实验宜在所有模式下进行，如可行，在完全冗余和非冗余状态下进行，分系统实验应在最小，正常，最大负载下进行。
系统集成实验一般应包括终端设备，跨接管，脐带缆，接线箱/连接的非控制洗系统组件，和安装时要用到的任何作业工具。
功能试验应验证所有输入信号，控制和复位的最终结果。
应重新检查关键设置点。
系统集成实验的主要优点是操作人员可熟悉可调
节设备的位置，并用来验证或改变设定点方法。
另外，性能试验宜记录触发器的触发次数，蓄能器的排放体积，泵系统的恢复次数，电路的电力消耗，化学药剂注入路线的输送速度，长软管的膨胀体积以及回读监视器的准确度。
本部分宜参考用于系统测试的附加说明。
4. 记录
制造商应记录所有性能试验验证试验和FAT的过程和结果。
记录中宜确定进行和目击试验的人员以及实验的时间和地点。