鄭利軍，段夢蘭，劉軍鵬，董衍輝

（1．中海油研究總院，北京100027；2．中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249）

水下生產(chǎn)系統(tǒng)選型影響因素研究

鄭利軍1，段夢蘭2，劉軍鵬2，董衍輝2

（1．中海油研究總院，北京100027；2．中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249）

設(shè)備選型是水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。水下采油樹分為立式和臥式2種，影響選型的因素有油藏條件、水下維護(hù)要求、水下壓力等級、井口的數(shù)目、與之配合的裝備類型、經(jīng)濟(jì)成本以及操作方的習(xí)慣。海床土壤特征及安裝設(shè)備是確定水下管匯底部支撐結(jié)構(gòu)的依據(jù)，水深、風(fēng)浪流條件、離岸距離、地質(zhì)地貌條件、油田規(guī)模和開發(fā)壽命、油藏分布與儲(chǔ)量、油藏品質(zhì)、地層壓力等將影響到水下管匯井槽數(shù)、閥門的選擇，以及未來管匯的詳細(xì)設(shè)計(jì)?？缃庸芎瓦B接器的選擇是相輔相成的，根據(jù)安裝難易、環(huán)境條件等確定跨接管的連接方式、材料、形狀以及連接器的類型。

水下開采系統(tǒng)；設(shè)備；選擇

水下采油樹、水下管匯、水下處理設(shè)備以及將其連接在一起的連接設(shè)備等組成了水下生產(chǎn)系統(tǒng)［1－4］。隨著海洋深水油氣田的開發(fā)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，2007—2012年，全世界的投資總額將達(dá)到＄346億元。水下生產(chǎn)系統(tǒng)中設(shè)備種類繁多，但沒有一種產(chǎn)品可以通用于不同的油氣田，需要根據(jù)油田的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)之前需要對水下設(shè)備進(jìn)行選型，主要依靠經(jīng)驗(yàn)，關(guān)鍵是對影響因素要有深刻的了解。本文對水下生產(chǎn)系統(tǒng)選型的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，可為海洋油氣田開發(fā)的前期工作提供參考。

1 水下采油樹

水下采油樹由閥門、異徑接頭、油嘴及管路配件等組成，是一種用于生產(chǎn)控制的裝置，并可為鋼絲繩修井作業(yè)和連續(xù)油管修井作業(yè)提供條件，是海洋油氣開發(fā)中水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分［5－6］。

按照安裝方式，水下采油樹可以分為立式采油樹和臥式采油樹。立式采油樹的控制閥門和抽汲閥門在垂直方向上，且與井口的生產(chǎn)油管柱處于同一直線上，有1組提供進(jìn)入套管和油管柱之間通道的環(huán)空翼閥。臥式采油樹與立式采油樹的主要區(qū)別為閥門相對于井口生產(chǎn)管柱的方向不同，采油樹的控制閥門和抽汲閥門與生產(chǎn)油管柱孔保持垂直，油管懸掛器的頂部和底部環(huán)繞著側(cè)向孔環(huán)向密封；其他方面與立式采油樹有很多相同之處，例如油管懸掛器與采油樹內(nèi)部之間的配合和密封同于立式采油樹中油管懸掛器坐落在油管頭上的形式。在選擇時(shí)可依據(jù)立式和臥式采油樹的特點(diǎn)，如表1。

表1 立式采油樹和臥式采油樹特點(diǎn)對比

針對采油樹整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部部件的選型，需考慮的主要因素有6點(diǎn)：

1） 油藏條件

首先應(yīng)該確定該井的生產(chǎn)類型，例如產(chǎn)油、產(chǎn)氣、產(chǎn)油和氣或注水。不同的生產(chǎn)類型影響系統(tǒng)材料的選擇、采油樹的功能結(jié)構(gòu)配置以及密封方式和等級的選擇。目前常用的是產(chǎn)油采油樹，產(chǎn)氣采油樹所需的技術(shù)復(fù)雜一些，注水采油樹最簡單。不同油田的油藏儲(chǔ)量和開采期限都不同，因此在選用采油樹時(shí)需要考慮到油藏儲(chǔ)量和開采期限對采油樹的影響，對于大規(guī)模的油藏儲(chǔ)量以及開發(fā)時(shí)間較短的油田，可以選用口徑比較大，生產(chǎn)能力比較強(qiáng)的采油樹，開采期限也影響采油樹的選擇。同時(shí)，采油樹的安裝也是采油樹選擇的一個(gè)考慮因素，通常水平采油樹安裝需要37個(gè)安裝工具，垂直采油樹的安裝需要24個(gè)安裝工具，現(xiàn)在有一種AZ－10的采油樹只需要5個(gè)安裝工具。生產(chǎn)能力強(qiáng)的采油樹相對于一般的采油樹在體積方面要大一些，在安裝船絞車起重能力不夠的情況下，需要把采油樹分成幾個(gè)部分安裝，這極大增加了采油樹的安裝時(shí)間和費(fèi)用。在油藏規(guī)模不大、生產(chǎn)利潤不高的情況下，盡量減少安裝費(fèi)用也是采油樹選擇的重要因素。

2） 水下維護(hù)

此問題主要涉及到生產(chǎn)流體的組成，是否含H2S、CO2及其含量的多少。這些直接影響到采油樹閥門、零部件和密封元件材料的選擇，材料選擇的合適與否直接關(guān)系到采油樹的制造成本。通常，材料成本約占整個(gè)采油樹成本的25%。

3） 水下環(huán)境

壓力主要指采油樹內(nèi)部和采油樹外部的壓力，采油樹內(nèi)部的壓力又分關(guān)井時(shí)和正常作業(yè)時(shí)的壓力。壓力的影響主要涉及到材料的經(jīng)濟(jì)性以及密封設(shè)計(jì)的好壞?，F(xiàn)有采油樹的額定壓力值有34．5MPa（5 000psi）、69MPa（10 000psi）、103．5 MPa（15 000psi），根據(jù)開采油田的壓力值選擇相應(yīng)額定壓力值的采油樹。同時(shí)，各個(gè)油田的水下溫度也不同，而不同類型的采油樹及其部件，包括油嘴、套管和傳感器所承受的溫度各不相同。在選擇采油樹時(shí)，需要分別考慮海底的溫度對油嘴、套管、傳感器的影響。同時(shí)，采油樹分為淺水采油樹和深水采油樹，相比于深水采油樹，淺水采油樹更為簡單、模塊也更小?，F(xiàn)在國際上定義深水為超過500m的水深，全球各大采油樹制造商也根據(jù)不同的水深，設(shè)計(jì)了不同類型的采油樹，因此，可以根據(jù)海水的深度不同，選擇不同的采油樹。

4） 井口數(shù)目

油田開發(fā)可以選擇衛(wèi)星井開發(fā)和底盤井開發(fā)。確定選擇何種方式開發(fā)受采油樹總的數(shù)目、油藏分布、水深、油氣集輸存儲(chǔ)方式影響。通常，在1個(gè)鉆井中心周圍分布有4個(gè)或以上的采油樹采用底盤井開發(fā)更為經(jīng)濟(jì)。

5） 裝備類型

裝備主要指油氣集輸處理的平臺(tái)裝置，主要有固定式平臺(tái)（自升式平臺(tái)）和浮式裝置。這些設(shè)備影響到采油樹的安裝和維修，所以裝備不同，采油樹的規(guī)格類型也不同。自升式平臺(tái)、TLP、SPAR可以安裝干式井口，半潛式平臺(tái)、FPSO則可與濕式井口配合，油田的水深以及油藏的分布可決定采用裝備的類型［7］。此外，從傳統(tǒng)的海洋鉆井模式可以看到裝備還包括與采油樹相接觸的裝置（主要包括海底立管、BOP、LRP等），這些裝置坐落在采油樹的上部，其質(zhì)量直接影響到采油樹所能承受的載荷，如果超過其最大載荷將引發(fā)事故。

6） 操作方習(xí)慣

操作方的習(xí)慣在采油樹的類型規(guī)格選擇上占有很大影響。操作方需要考慮的問題有：安裝和維護(hù)的技術(shù)與投入、是否采用潛水員、是否采用特殊材料、金屬和彈性體密封要求、總的經(jīng)濟(jì)成本。1套采油樹系統(tǒng)的工程成本與遠(yuǎn)程控制采油樹的數(shù)目、采油樹冗余特性的多少、采油樹所用的材料以及采用的密封等級等直接相關(guān)。

2 水下管匯

水下管匯是一種大型的由金屬制造的設(shè)備，其主要由管道和閥門組成。水下管匯有效地為水下生產(chǎn)裝備提供了一個(gè)“聚集點(diǎn)”和“分配點(diǎn)”，其用來將不同井口產(chǎn)出的油氣集中經(jīng)1條或多條單獨(dú)的管線輸送到浮式裝置和對不同的井口進(jìn)行注水、注氣、注化學(xué)藥劑以及井口維護(hù)工作。

管匯的選型主要針對槽數(shù)、底部支撐結(jié)構(gòu)以及閥門，管道需要根據(jù)油田流體特征及開發(fā)要求專門設(shè)計(jì)。

2．1 底座支撐結(jié)構(gòu)選擇

常見的水下管匯支撐結(jié)構(gòu)主要有防沉板、銷樁或吸力錨等，如圖1。不同的類型造價(jià)不同，對海底特征適應(yīng)性也不同，在保證管匯系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，選擇適當(dāng)?shù)墓軈R底座將會(huì)有助于安裝的順利進(jìn)行以及節(jié)約成本。海底地形的平坦程度、土壤特性、風(fēng)浪流對海底土壤的沖刷都將影響整個(gè)管匯系統(tǒng)底座的選擇，如表2。

圖1 管匯底部主要支撐結(jié)構(gòu)

表2 支撐結(jié)構(gòu)主要選擇依據(jù)

2．2 管匯槽數(shù)選擇

管匯槽數(shù)與井口的數(shù)目及油田未來開發(fā)要求有關(guān)。油藏規(guī)模決定了井口的數(shù)目，在深水油氣田開發(fā)中鉆井的成本占總開發(fā)成本的一大部分，所以開發(fā)商以盡可能少鉆井為原則進(jìn)行油田開發(fā)。當(dāng)油藏規(guī)模較大，可適當(dāng)增加井口數(shù)目；當(dāng)油藏規(guī)模較小或油藏分布較為分散則適當(dāng)減少井口數(shù)目并使井口分布較為分散，可以考慮不使用管匯，井口采出的油氣直接通過管線輸送到儲(chǔ)油裝置。通常，管匯的設(shè)計(jì)壽命為20a，且設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮壽命周期成本［8］，若油藏的規(guī)模不大導(dǎo)致開發(fā)的壽命不長，也不需采用管匯。確定井口數(shù)目后，需要對水下生產(chǎn)設(shè)施的布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而得到連接至同一管匯的井口數(shù)目，即井槽數(shù)目。

3 水下跨接管

水下設(shè)備的連接（采油樹與管匯、管匯與PLET＼PLEM等）通過跨接管完成，跨接管按照其制造材料可分為剛性跨接管和柔性跨接管2類，主要特點(diǎn)對比如表3所示。

表3 剛性跨接管與柔性跨接管特點(diǎn)對比

剛性跨接管主要有“M”和“U”2種形式，另外還有“L或Z”型跨接管，其中垂直連接最為常用的是“U”和“M”型，水平連接使用“L”型和“Z”型。使用剛性跨接管連接海底設(shè)備時(shí)，根據(jù)所連接的海底設(shè)備的相對位置來決定選擇的剛性跨接管的形式。另外，水平連接常采用膨脹彎，只有當(dāng)水下設(shè)備都安裝完畢，確定它們之間的距離之后，才能準(zhǔn)確地判斷出跨接管的尺寸及形式。倒“U”型和“M”型跨接管的特點(diǎn)對比如表4所示。

水平連接與垂直連接目前工業(yè)界均有成熟的技術(shù)，并且有緊急斷開功能，其維修的難易程度也相同，進(jìn)行選擇時(shí)可依據(jù)如表5所示的因素［9］。

表4 倒“U”型和“M”型跨接管特點(diǎn)及適用性對比

表5 垂直與水平連接選擇依據(jù)

4 水下連接器

在跨接管確定好連接形式后（垂直連接或水平連接），需要選擇連接器將其與水下設(shè)備固定在一起。目前連接器有機(jī)械式連接器和液壓式連接器2種，兩者的區(qū)別在于安裝時(shí)的動(dòng)力來源不同。液壓式連接器本身擁有液壓元件，安裝時(shí)只需ROV觸動(dòng)開關(guān)即可自動(dòng)將連接器與液體承載設(shè)備密合。機(jī)械式連接器本身不具有液壓元件，連接器的密合需要CAT（連接器起動(dòng)工具）的協(xié)助，兩者對比如表6所示。

表6 機(jī)械式連接器和液壓式連接器對比

由于液壓式連接器的安裝省去了液壓工具CAT的使用，所以可以降低安裝成本，適用于數(shù)量較少的連接器的安裝。但是，如果連接器數(shù)量較多，而每個(gè)連接器都配備液壓元件，則會(huì)使成本大增，從而超過省去CAT而節(jié)約的成本。從液壓式連接器的應(yīng)用中也可以看出，其應(yīng)用主要在于一些只需要單個(gè)或者數(shù)個(gè)連接器的使用中，而對于大量的跨接管和管匯的連接，不適用于自身帶有液壓部件的液壓式連接器。

5 結(jié)論

1） 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的選型是進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，需要從業(yè)經(jīng)驗(yàn)、對主要影響因素的理解與實(shí)際情況相結(jié)合。

2） 根據(jù)油藏規(guī)模、井口壓力以及修井要求確定采油樹是采用立式還是臥式。

3） 在深水中，通常采用吸力錨式的管匯底部支撐結(jié)構(gòu)。

4） 在水下采油樹和管匯、管匯和管匯等之間的跨接管基本上是剛性管，它們通常水平地放置在海底，其結(jié)構(gòu)形式由連接距離來決定。

5） 連接器的類型由連接形式來決定，目前機(jī)械式連接器是應(yīng)用的主要趨勢。

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Study of Influencing Factors on Subsea Production System Selection

ZHENG Li－jun1，DUAN Meng－lan2，LIU Jun－peng2，DONG Yan－h(huán)ui2
（1．CNOOC Research Institute，Beijing100027，China；2．Offshore Oil／Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Facility selection is a key technology for subsea production system design．Based on the different characteristics，Christmas tree can be divided into horizontal tree and vertical tree．There are several factors that effects trees’selection：reservoir conditions，subsea maintenance requirements，subsea conditions，the number of wells，associated with the type of floaters，economic cost and operator’s habit．Seabed soil characteristics and installation facilities play an important role on the selection of manifold support bottom．Some factors，such as marine environment，reservoir conditions，design life，etc．a(chǎn)ffect the number of manifold slot，valve selection，the detailed design of the manifold piping as well．Jumper and connector selection are complementary．Connection style，material，jumper shape and connector style can be determined according to the installation，environment condition，and other factors．

underwater production system；equipment；selection

book=31,ebook=31

TE952

：A

1001－3482（2012）06－0067－05

2011－12－23

國家科技重大專項(xiàng)“水下生產(chǎn)技術(shù)”（2011ZX05026－003）

鄭利軍（1976－），男，遼寧東港人，工程師，碩士，2000年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)研究。