水下生产系统与采油树课件
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）；
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。
水下采油系统
ｌ水下采油系统介绍
水下采油系统是将全部或部分油气集输装备置于海底的水下生产系统。该系统主要包括：水下采油树、水下底盘、水下管汇、跨接管、海洋立管、脐带缆等设备。水下采油系统的出现，解决了在深水中使用固定式平台而使成本急剧上升的问题；水下采油系统多与浮式生产系统配合工作。在水下系统中，井口头和采油树都在海底；因此，水下生产系统就不会像在水上的生产系统（如刚性平台）那样 受到海面风浪流和水深的影响。但另一方面，水下生产系统不能直接进行操作，操控也必须通过脐带缆远程控制，持续地操作显然比平台式生产系统复杂得多。水下生产系统的费用基本上随水深变化而变化，而刚性平台的费用是随着水深的增加而增加的；因此，对于深水区域，多趋向于使用水下生产系统。图ｌ为简单的水下采油系统，该系统的工作原理为：油气从水下井口上的采油树采出，经海底管线送到水下管汇进行计量、收集、初步处理，再通过海洋立管输送，然后被运往岸上做进一步处理。
１．１水下采油树
采油树最初被称为十字树、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￣ｕＪ，ｔ－部环境隔绝开的重要屏障。采油树还包括：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线连接到生产管汇系统的。水下采油树的诞生使低成本地开发深水油气田成为可能。
１．２水下管汇
水下管汇主要用来分配、控制管理石油和天然气的流动。水下管汇安装在海底井群之间，主要是将数口油井的油气集巾起来，再通过一条输油管线混合油流，送到最近的采油平台或岸上基地做进一步处理，它可以减少海底管线的长度（见图３）。管汇终端包括一些大型的结构（如：水下加工系统）都属于水下管汇；因此，水下管汇类型有许多种。
水下管汇和油井在结构上是完全独立的，油井和出油管道通过跨接管与管汇相连。水下管汇由管汇、管汇支撑结构、基础结构和保护盖三部分组成。
采油树设计方案.
水下采油树
第1页 共17页 水下采油树模型开发技术方案
一、主要技术规范
a 执行标准：API SPEC 6A19
b 额定工作压力：70Mpa(10000psi)
c 公称通径：主通径：Φ65mm(2 9/16in)
旁通径：Φ65mm(2 9/16in)
d 额定温度级别：P.U（-29℃~121℃）
e 材料级别：DD
f 产品规范等级：PSL3
g 性能要求级别：PR1
h 总体尺寸（长×宽×高）：3130mm×560 mm×2540 mm
主要技术要求：系统工作压力HP：7500psi，LP：5000psi；电源耐压5kv；HP输入1路、输出2路、回油1路；LP输入1路、输出16路、回油1路。
外形尺寸：1400mm*900mm*1400mm
环境温度：操作温度0℃~+40℃
储藏温度-18℃~+50℃
工作压力：LP 5000psi， HP
7500psi
主要功能：接收SCM发出信号，开启、关闭阀门，通断油路，检测SC M按照主控站指令发出控制命令功能；向SCM提供温度、压力信号并记录，检测SCM对温度、压力信号的接收和传输能力。
采油树是整个生产系统的执行部分，通过控制采油树管线上的阀门，来控制整个采油系统的流程。整个采油树生产执行主要分为三个部分：生产主回路、环空回路、药剂注入回路。
二、采油树主要组成
树体 （TREE BODY）
采油树与井口回接系统 （CONNECTOR TIE-BACK）
井口连接器 （WELLHEAD CONNECTOR）
采油树帽 （INTERNAL TREE CAP）
阀门 （VALVE BLOCK & VALVE)
ROV控制盘 （ROV CONTROL PANEL） 水下采油树
第2页 共17页 化学药剂注入 （CHEMICAL INJECTION）
浅谈水下采油树技术
浅谈水下采油树技术
刘庆越;吴磊
【摘 要】走向深海,获取其中储量巨大的油气资源已成为世界各国缓解能源压力的一大趋势.在深海开采需要的装备中,水下采油树是水下海底采油设备中必不可少的重要组成部分.长期以来,水下采油树的关键技术始终处在国外公司的垄断下.鉴于如此现状,早日实现水下采油树技术的国产化,为我国未来的深海开采项目降本增效,已成为中国海洋石油发展的需要.
【期刊名称】《应用能源技术》
【年(卷),期】2015(000)007
【总页数】3页(P24-26)
【关键词】水下采油树;技术;公司;国产化;认识
【作 者】刘庆越;吴磊
【作者单位】中国石油(中国)有限公司天津分公司,天津300000;中国石油(中国)有限公司天津分公司,天津300000
【正文语种】中 文
【中图分类】TE
水下采油树是水下生产系统的基本构件，最初被开发用于传统的钻油工程，随着石油开采转向深海领域后，水下采油树技术开始被应用于海洋深处。本文提到的水下采油树是指连接到海底井口装置上的全套设备，它用于控制和管理采油、采气、注气和注水作业，也可用于进行井下修井作业等。通常情况下，在深水油田的开发、边缘地区采油注水和与浮式生产系统相关的油田早期开发中，经常使用到水下采油树技术。
目前，国内油田使用的水下采油树主要组成包括：树体、采油树与井口回接系统、井口连接器、采油树内帽、液压驱动的阀门、监控装置、控制系统界面、ROV控制盘、气举CHOKE、化学药剂注入、采油树体总成、水下控制单元等。下面重点介绍其中五个组成部分。
1.1 树体(TREE BODY)
整体加工的空心圆筒体，内部形状加工成与油管挂和采油树内帽相配合的形状，下端及顶部为螺纹状结构，分别与液压井口连接器及采油树帽相连接。
1.2 采油树与井口回接系统(CONNECTOR TIE-BACK)
该系统由上下两部分组成，其顶部与树体相接并密封，其底部与套管悬挂器相接并密封，中间由上下两部分相接并密封。它的主要功能是为采油树体和水下井口之间的垫片提供保护。
井口专题（二）采油树
井口专题（二）采油树
采油树概念
采油树是自喷井和机采井等用来开采石油的井口装置。它是油气井最上部的控制和调节油气生产的主要设备，采油树由阀门、异径接头、油嘴及管路配件组成，是一种用于控制生产，并为钢丝、电缆、连续油管等修井作业提供条件的装置。
采油树的作用
(1)连接井下各层套管，密封各层套管环形空间，承挂套管部分重量。
(2)悬挂油管及下井工具，承托井内全部油管柱的重量，密封油管、套管间的环形空间。
(3)控制和调节油井的生产。
(4)保证各项井下作业施工，便于压井作业、起下作业等措施施工和进行测压、清蜡等日常生产管理。
(5)录取油压、套压资料。
采油树分类
采油树按结构形式，可分为分体式和整体式两种。分体式是由一些阀门等独立部件组装而成。
△分体式采油树
整体式是将主阀、安全阀、清蜡阀和翼阀等制成一个整体部件，阀与阀之间的距离较小，既省空间又耐高压，特别适用于海上平台的油气井。
△整体式采油树
按生产井类别和完井生产方式，可分为自喷井、电潜泵井、气举井、螺杆泵井和注水井、气井的采油树等。 △各式采油树
单管和双管之分
1． 单油管采油树
单油管采油树安装在单油管完井的井口装置上，除了有分体式和整体式之外,它还有单翼和双翼之分。根据井的种类或油井生产方式的差别，可用阀门及短节组合成不同形式的单油管采油树，而其连接方式可以是法兰式、螺纹式或卡箍式。 △单管采油树
2．双油管采油树
双油管采油树安装在双油管完井的井口装置上，用于两个油层同时而又独立开采的生产控制。双油管完井是在同—个生产套管中下入两根平行油管柱(长油管柱和短油管柱)或两根同心油管柱，通过双管封隔器和单管封隔器对两个油(或气)层段进行分隔。 △双管采油树
3 . 三管采油树
随着技术的发展和现场的实际应用需求，已经出现了三管采油树。 △三管采油树
采油树相关部件
1．油管四通和三通
采油树的油管四通和三通与主阀、清蜡阀和翼阀相连接，常见的四通和三通有法兰式和法兰一双头螺栓式。采用四通的采油树为双翼采油树，采用三通的采油树为单翼采油树。有些平台采油树的三通与清蜡阀和主阀或井口安全阀组成—体，则成为整体式采油树。 2．闸阀与旋塞阀
水下生产系统目标油气田的工程专项
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附件
高端船舶和海洋工程装备关键技术产业化项目
指标要求
一、 海洋油气装备创新发展工程专项
（一）示范应用
1. 第七代半潜式钻井平台（钻井船）。作业水深3658米（22000英尺）、钻深15000米以上、平台最大甲板可变载荷10000吨以上、DP3定位系统，配套设备和系统国产化率达到30%以上。
2. 大型浮式生产储卸油装置（FPSO）。作业水深在500米左右、储存量达20万吨、日油气处理能力2万吨左右、配套设备和系统本土化率达30%。
3. 海上平台拆解装备。平台的起重能力为10000吨以上，装备DP3动力定位系统，能够满足750人居住需要，吊机、北斗导航、SCR脱硝、全自动升降式栈桥等配套设备和系统领域实现本土化。
4. 中深水张力腿式生产平台（TLP）。工作水深1000米以上，排水量50000吨以上，张力筋腱定位，配置干式采油树，
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具有采油、生产、修井综合功能，生产处理能力：油2万吨/日以上、气150万立方米/日以上。
5. 液货装卸及外输系统。包括货油泵系统、透平驱动系统、液位遥测系统和外输系统等。扬程150mlc以上，最大外输能力6000立方米/小时。
二、 水下生产系统目标油气田的工程专项
（一）关键设备及系统产业化
1. 水下生产系统。包括水下采油树及配套工具、水下井口及配套工具、水下控制系统、多功能管汇、光纤钢管脐带缆等。最大工作水深500米左右，设计寿命20年以上。
2. 水下生产系统关键电气设备。包括水下电机、水下变压器、水下变频器、水下开关、水下可插拔电连接器等，工作水深500米左右。
三、 海洋空间资源开发与保障装备工程专项
（一）示范应用
1. 海上卫星发射平台。可搭载60人、自持力60天，关键系统和设备实现国产化率90%以上。
2. 海上风电安装及运维装备。装备最大起重能力达到1200吨，最大作业水深可达60米，采用DP2动力定位系统，甲板面积和可变载荷满足主流风电作业需求。
深水油气管道和水下采油树流动保障及OLGA多相流模拟-V1
深水油气管道和水下采油树流动保障及OLGA多相流模拟-V1
深水油气管道和水下采油树流动保障及OLGA多相流模拟
在海底油气开发过程中，深水油气管道和水下采油树是关键设施，其流动保障和安全性能至关重要。OLGA多相流模拟技术可用于管道和采油树的设计、仿真和优化，有效提高海底油气开发的生产效率和安全性能。
1.深水油气管道流动保障
作为海底油气输送的主要设施，深水油气管道的流动保障是关键问题。采用OLGA多相流模拟技术可以模拟管道内的多相流动情况，预测油气的流动状态和流速，确定管道内存在的液-液、气-液和固-液相互作用，分析流体在弯管、阀门和泵站等特殊场合的流动特点，为优化设计和管理提供依据。
2.深水水下采油树流动保障
水下采油树是深水油气开发过程中必不可少的设备，它扮演着控制油气开采、调节产量、保护设备安全的重要角色。采用OLGA多相流模拟技术可模拟水下采油树中的多相流动，预测液态和气态的体积分数、密度、速度和压力等参数，精确描述流体在阀门、管道和泵站等设备内的流动及相互作用，为改进水下采油树的设计和运行提供参考。
3.OLGA多相流模拟技术优势
OLGA多相流模拟技术具有高精度、高可靠性和高效性等优势。它可以对复杂的多相流动进行模拟和分析，预测流体的流动特性、相互作用以及相变（例如气液两相转化、膨胀、收缩等），为优化流动设计、再现设施故障和灾害事件提供准确的定量描述和预测。
4.结语
深水油气管道和水下采油树的流动保障及安全性能是海底油气开发中不可忽视的问题。OLGA多相流模拟技术作为一种可靠的工具，可以精确分析和预测复杂的多相流动现象，并为改善和优化设计提供参考和指导。在海底油气开发和生产领域中，OLGA多相流模拟技术越来越被人们所重视和应用。
水下油气生产系统及其基础设备研究分析
水下油气生产系统及其基础设备研究分析
国外对水下生产系统基础构件的研究较早,早在20世纪50年代末期,世界第一座水下低压气井在美国伊利湖应用,利用凯利钻探阀作为主控阀,橡胶软管作为管线,拉开了水下生产系统应用的序幕[图1(a)]。1963年,Texaco公司安装了水深仅的水下井口,对于未来液压阀驱动器和远程控制系统的发展有深远的影响[图1(b)]。20世纪60年代中期,Shell公司在加利福尼亚海岸建造了第一代为水下生产建造而非陆上改造的水下采油树,该系统持续生产作业近20年[图1(c)]。70年代,Lockheed公司研发了潜水舱,允许在一个大气压的环境下,工人通过潜水舱下潜,在井口处安装并操作,但最终由于人员风险等问题放弃了此方案[图1(d)]。同期,Phillips公司对北海的Ekofisk油田进行经济评价,为加快开采进程,提出了使用改装的固定式钻井平台与多井口相连接的构想[图1(e)]。80年代末,Phillips公司在西非象牙海岸油田的开发中使用的海底完井技术,水深介于243~762m。1992年,Exxon公司着手开发墨西哥湾的Zinc油田,水深达,应用了整体管汇系统,加快了水下生产系统开发的进程[图1(f)]。20XX年后,Amoco公司致力于开发墨西哥湾的深水油田项目,计划钻井8-10口,水深达[图1(g)]。国内对水下生产系统的研究起步较晚,现阶段还不具备开发水下生产系统关键技术的自主知识产权,大部分水下生产系统的油田依赖于国外技术进口,一定程度上影响了我国边际油田及深水油田的开发进程,因此水下生产系统的研究得到了国家的高度重视和各方广泛关注。下面对水下生产系统各部分逐一进行介绍。
水下生产系统的基础设备
1.水下采油树
采油树是水下生产系统的基本构件,最初被开发用于传统的钻油工程,但当石油开采转向深海领域,建立传统钻井平台毫无经济性可言时,采油树技术开始被应用于大洋深处。采油树又被称为十字树,X型树和圣诞树,主要有套管头、油管头、采油(气)树本体3部分组成,是用于承托油管柱重量,密封油套管的环形空间,控制和调节油井生产,保证作业、测试及清蜡等日常生产管理的一种井口控制装置。
海洋石油钻采装备与结构 第二章 海洋采油装备与结构
第二章 海洋采油装备与结构
第一节 海上采油平台及水下采油装备
海洋采油装备与海上油气集输的方式有关。一般离岸较远的低产小油田，常将油、气分离处理后，送至油轮上运走，叫做全海式。对于离岸较远的高产油田常通过短距离海底管线将油、气集中到采油平台，分离处理后再经海底管线送至岸上进行储运，叫做半海半陆式。离岸较近的油田即可采用一井专线或多井一线直接通过海底管线将油、气混输到岸上进行分离及储运，叫做全陆式。此外，近年来在深海还发展了水下采油装备。下面分别介绍海上采油平台与水下采油装备。
一、海上采油平台
（一）海上采油方式的分类
1．浅海采油
水深在70m以内，一般采用采油平台采油。可分下列几种情况：
（l）3～5口井的采油平台 在平台上进行油气的计量，然后将油、气、水通过海底管线混输至岸上。
（2）多井（可供18口井用）的采油平台，平台上有油气分离及脱水等装置，待去气去水以后，将原油用泵通过海底管线输送到岸上。这种平台可兼供钻生产井用。
2．深海采油
水深在100m以上即需采用海底井口（水下井口），并使用一系列水下采油装备来采油，叫做水下采油法。一般在较深水中也可采用钢管在海底集油，然后再用软管连接到海上的浮动分离储油装置上。例如常用的单点系泊装置即使用高100m以上，直径约10m的圆柱型浮筒，上端与油气分离、储油装置连接，底部用软管连接海底集油管线。它既能固定于一个位置上，又能随风浪摇摆。浮筒上装有漂浮软管和尼龙系缆，还有操纵软管及系绳用的滚筒和动力转盘，通过软管用泵向油轮装油。油轮保持迎风可绕浮筒360º旋转。水面处浮筒周围有碰垫，以防船碰伤。浮筒上有直升飞机坪和供应维修用的房舍，如图2－1所示。也可在海底建立水下油罐，储存原油。油罐是一个顶部为圆弧形的圆柱体。用管道把压缩空气压入圆柱体内，将油罐拖运到装设地点，然后再利用压缩空气和一个临