水下生產系統選型影響因素研究

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（北京）海洋油氣研究中心，北京102249）

水下生產系統選型影響因素研究

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（北京）海洋油氣研究中心，北京102249）

設備選型是水下生產系統設計的關鍵技術。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、水下維護要求、水下壓力等級、井口的數目、與之配合的裝備類型、經濟成本以及操作方的習慣。海床土壤特征及安裝設備是確定水下管匯底部支撐結構的依據，水深、風浪流條件、離岸距離、地質地貌條件、油田規模和開發壽命、油藏分布與儲量、油藏品質、地層壓力等將影響到水下管匯井槽數、閥門的選擇，以及未來管匯的詳細設計。跨接管和連接器的選擇是相輔相成的，根據安裝難易、環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；設備；選擇

水下采油樹、水下管匯、水下處理設備以及將其連接在一起的連接設備等組成了水下生產系統［1－4］。隨著海洋深水油氣田的開發，水下生產系統的應用越來越多，2007—2012年，全世界的投資總額將達到＄346億元。水下生產系統中設備種類繁多，但沒有一種產品可以通用于不同的油氣田，需要根據油田的環境參數進行單獨的設計。設計之前需要對水下設備進行選型，主要依靠經驗，關鍵是對影響因素要有深刻的了解。本文對水下生產系統選型的關鍵技術進行研究，可為海洋油氣田開發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，是一種用于生產控制的裝置，并可為鋼絲繩修井作業和連續油管修井作業提供條件，是海洋油氣開發中水下生產系統的重要組成部分［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，且與井口的生產油管柱處于同一直線上，有1組提供進入套管和油管柱之間通道的環空翼閥。臥式采油樹與立式采油樹的主要區別為閥門相對于井口生產管柱的方向不同，采油樹的控制閥門和抽汲閥門與生產油管柱孔保持垂直，油管懸掛器的頂部和底部環繞著側向孔環向密封；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。在選擇時可依據立式和臥式采油樹的特點，如表1。

表1 立式采油樹和臥式采油樹特點對比

針對采油樹整體結構及內部部件的選型，需考慮的主要因素有6點：

1） 油藏條件

首先應該確定該井的生產類型，例如產油、產氣、產油和氣或注水。不同的生產類型影響系統材料的選擇、采油樹的功能結構配置以及密封方式和等級的選擇。目前常用的是產油采油樹，產氣采油樹所需的技術復雜一些，注水采油樹最簡單。不同油田的油藏儲量和開采期限都不同，因此在選用采油樹時需要考慮到油藏儲量和開采期限對采油樹的影響，對于大規模的油藏儲量以及開發時間較短的油田，可以選用口徑比較大，生產能力比較強的采油樹，開采期限也影響采油樹的選擇。同時，采油樹的安裝也是采油樹選擇的一個考慮因素，通常水平采油樹安裝需要37個安裝工具，垂直采油樹的安裝需要24個安裝工具，現在有一種AZ－10的采油樹只需要5個安裝工具。生產能力強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部分安裝，這極大增加了采油樹的安裝時間和費用。在油藏規模不大、生產利潤不高的情況下，盡量減少安裝費用也是采油樹選擇的重要因素。

2） 水下維護

此問題主要涉及到生產流體的組成，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系到采油樹的制造成本。通常，材料成本約占整個采油樹成本的25%。

3） 水下環境

壓力主要指采油樹內部和采油樹外部的壓力，采油樹內部的壓力又分關井時和正常作業時的壓力。壓力的影響主要涉及到材料的經濟性以及密封設計的好壞。現有采油樹的額定壓力值有34．5MPa（5 000psi）、69MPa（10 000psi）、103．5 MPa（15 000psi），根據開采油田的壓力值選擇相應額定壓力值的采油樹。同時，各個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，需要分別考慮海底的溫度對油嘴、套管、傳感器的影響。同時，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。現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不同的水深，設計了不同類型的采油樹，因此，可以根據海水的深度不同，選擇不同的采油樹。

4） 井口數目

油田開發可以選擇衛星井開發和底盤井開發。確定選擇何種方式開發受采油樹總的數目、油藏分布、水深、油氣集輸存儲方式影響。通常，在1個鉆井中心周圍分布有4個或以上的采油樹采用底盤井開發更為經濟。

5） 裝備類型

裝備主要指油氣集輸處理的平臺裝置，主要有固定式平臺（自升式平臺）和浮式裝置。這些設備影響到采油樹的安裝和維修，所以裝備不同，采油樹的規格類型也不同。自升式平臺、TLP、SPAR可以安裝干式井口，半潛式平臺、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事故。

6） 操作方習慣

操作方的習慣在采油樹的類型規格選擇上占有很大影響。操作方需要考慮的問題有：安裝和維護的技術與投入、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、總的經濟成本。1套采油樹系統的工程成本與遠程控制采油樹的數目、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。

2 水下管匯

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

管匯的選型主要針對槽數、底部支撐結構以及閥門，管道需要根據油田流體特征及開發要求專門設計。

2．1 底座支撐結構選擇

常見的水下管匯支撐結構主要有防沉板、銷樁或吸力錨等，如圖1。不同的類型造價不同，對海底特征適應性也不同，在保證管匯系統安全穩定的前提下，選擇適當的管匯底座將會有助于安裝的順利進行以及節約成本。海底地形的平坦程度、土壤特性、風浪流對海底土壤的沖刷都將影響整個管匯系統底座的選擇，如表2。

圖1 管匯底部主要支撐結構

表2 支撐結構主要選擇依據

2．2 管匯槽數選擇

管匯槽數與井口的數目及油田未來開發要求有關。油藏規模決定了井口的數目，在深水油氣田開發中鉆井的成本占總開發成本的一大部分，所以開發商以盡可能少鉆井為原則進行油田開發。當油藏規模較大，可適當增加井口數目；當油藏規模較小或油藏分布較為分散則適當減少井口數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油裝置。通常，管匯的設計壽命為20a，且設計時需要考慮壽命周期成本［8］，若油藏的規模不大導致開發的壽命不長，也不需采用管匯。確定井口數目后，需要對水下生產設施的布局進行設計，進而得到連接至同一管匯的井口數目，即井槽數目。

3 水下跨接管

水下設備的連接（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，主要特點對比如表3所示。

表3 剛性跨接管與柔性跨接管特點對比

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備時，根據所連接的海底設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，只有當水下設備都安裝完畢，確定它們之間的距離之后，才能準確地判斷出跨接管的尺寸及形式。倒“U”型和“M”型跨接管的特點對比如表4所示。

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

表4 倒“U”型和“M”型跨接管特點及適用性對比

表5 垂直與水平連接選擇依據

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備固定在一起。目前連接器有機械式連接器和液壓式連接器2種，兩者的區別在于安裝時的動力來源不同。液壓式連接器本身擁有液壓元件，安裝時只需ROV觸動開關即可自動將連接器與液體承載設備密合。機械式連接器本身不具有液壓元件，連接器的密合需要CAT（連接器起動工具）的協助，兩者對比如表6所示。

表6 機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，適用于數量較少的連接器的安裝。但是，如果連接器數量較多，而每個連接器都配備液壓元件，則會使成本大增，從而超過省去CAT而節約的成本。從液壓式連接器的應用中也可以看出，其應用主要在于一些只需要單個或者數個連接器的使用中，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 結論

1） 水下生產系統的選型是進行詳細設計的關鍵技術，需要從業經驗、對主要影響因素的理解與實際情況相結合。

2） 根據油藏規模、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構。

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，其結構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，目前機械式連接器是應用的主要趨勢。

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Study of Influencing Factors on Subsea Production System Selection

ZHENG Li－jun1，DUAN Meng－lan2，LIU Jun－peng2，DONG Yan－hui2
（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．affect 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“水下生產技術”（2011ZX05026－003）

鄭利軍（1976－），男，遼寧東港人，工程師，碩士，2000年畢業于西南石油大學油氣儲運工程專業，現從事水下生產系統相關設計研究。