水下生产系统与采油树

1.什么是水下生产系统技术它是一种通过水下完井系统，和安装在海底的生产设施，海底管汇系统及海底管线组成一套水下油气水采输系统；通过地面和水下控制系统的操作控制，将油气井采出的油水气从海底输送到依托设备或陆上终端的系统工程。它是一个技术密集、多学科综合协调的海洋工程高技术领域，有着极其广泛的应用前景，特别对中深水油气田开发和边际油气田的开发，水下生产系统技术更体现出它的优越性。图1.水下生产系统LH11-1图2.LF221水下生产设施图4.水下井口、管汇搭接模式图2.水下生产系统典型单元图5.水下生产系统典型单元3.水下生产系统生产设施典型单元图6.水下生产系统生产设施典型单元4.水下生产系统设计原则根据海上油气田具体特点进行合理的水下生产系统工程方案设计对这一技术的推广应用至关重要，所需遵循的基本原则如下：1)水下生产系统工程方案的设计应综合考虑油气田发展各个阶段的需要、油气田基本设计参数、设计荷载；2)设计初期要考虑到将来扩大生产需求，如后期调整井或周边小区块的开发；3)水下生产系统设计应满足设计标准规范和当地特殊规定，尽可能采用国际成熟技术，在满足功能和安全的同时最大限度简化水下生产设施，使开采周期内的利益最大化；4)水下生产系统设计中应考虑鱼网、锚区和落物等潜在风险，敏感设备应设保护装置；5)水下生产系统设计中应考虑环境保护问题，如液压液选择与泄露风险等；6)应考虑水下生产系统的安装、操作、检测、维护、维修和废弃期间的要求；7)水下生产系统设计时应充分利用周边基础设施；8)综合考虑水下生产设施与依托设施、钻完井工程的界面：水下生产系统与钻完井界面根据工程项目：水下生产系统与钻完井界面通常在泥线处，井下完井设备，包括井下安全阀、井下压力温度传感器、化学药剂注入系统等；水下生产系统与依托设施之间的界面。水下生产系统设计原则：5.水下生产系统特点水下生产系统的特点：应用水下生产系统进行海上油气田开发具有以下特点：①采用水下生产技术可充分利用周边已有或在建水面设施；②深水、井数少或油藏较分散时，采用水下生产系统具有建设周期短、初投资低等优势；③采用水下井口油气井布置较灵活：如丛式井不能钻及的边缘地区可采用水下完井；④水下生产系统适用水深范围从几米到数千米，且可用于各种复杂海况，如海上冰区等；⑤通过水下完井方式可将探井、评价井转变为生产井，从而不致使探井报废；⑥水下生产设备可回收利用，在降低油气田开发成本的同时还有利于海洋环境的保护和海上交通航行的安全；⑦水下生产系统可用于不允许建立水面设施如固定平台、深水浮式平台的军事禁区和航线。6.水下生产设施与水下完井设施界面划分其界面划分在海底泥线，泥线下部井眼内部的完井管柱和设备，包括井下安全阀，井下压力温度传感器，化学药剂注入装置及人工举升设备，完井管柱系统都属水下完井设备。而海底组装的油气井口系统，管汇系统，控制和处理设施等都属水下生产设施。1.水下井口和生产基盘2.水下采油树组件3.水下管汇系统4.水下设备防护设施5.水下控制系统6.水下油气处理设施7.水下增压设备8.水下输配电系统9.水下计量设备10.水下人工举升系统7.水下生产设施包括：8.水下生产设施完整性试验水下生产设备完整性试验的主要目的如下：1、检验产品是否达到合同要求；2、验证产品性能是否满足油气田现场的实际要求；3、使海上工作人员了解和掌握相应的水下生产设备的功能、操作方式和故障诊断方法。水下生产设备的完整性试验主要内容如下：1、现场检查验收；2、陆地试验；3、浅水试验；4、深水试验。图7.水下采油树发展历程1.水下采油树发展历程图8.水下立式和卧式采油树2.四种采油树图2.1.水下立式和卧式采油树图9.导向安装采油树图10.无导向安装采油树2.2.导向安装采油树和无导向安装采油树•LF22-1水下卧式采油树图图11.水下卧式采油树图12.TDF接头及连接3.水下卧式采油树图13.卧式采油树图14.LH11-1水下采油树及附件•LH11-1卧式采油树图图15.卧式采油树剖面图图16.URT修井工具图17.LH11-1卧式有导向采油树图18.水下采油树剖示图4.水下卧式采油树特点卧式采油树特点：1.采油树主题为整体加工的圆筒，可设计大通径，用大油管；2.生产主阀和生产翼阀在主体外侧，成水平排列；3.除个别在采油树帽内装有球阀，否则，采油树垂直方向没有采油树阀组，（可不移动采油树起下油管修井）4.油管挂坐在采油树内，去掉采油树帽可修井；5.卧式采油树通常采用套管管装接头完井，需要一个较为复杂的下放管柱来安装油管挂。且下放管柱需要隔离阀和解脱配件，才能适应特定的闸板或专用环形防喷器的标高，但可节省双筒完井立管的费用；6.完井较复杂，卧式采油树只有在所有钻井和下套管作业完成之后，在完井之前，回收钻井BOP，把采油井口安装在钻井井口头上。再在采油树上部装上试油BOP，才能钻穿水泥塞完井，下完完井管串，座好油管挂，再装上采油树帽，工艺复杂。7.卧式采油树任何组件失效都需要压井之后回收采油树上来修理。因此，如何防止失效，提高可靠性很重要；8.卧式采油树独立油管挂的设计，需要一套复杂的环空隔离系统。目前改进型的油管挂与采油树帽集成在一起。9.井下测试采油树，在线阀门和紧急解脱配件包都是通过油管挂下入工具的。因此，装卸和保护设备，测试桩，油管挂模型等都算入卧式采油树的组成部分。水下卧式采油树特点：图19.卧式采油树图20.卧式采油树—油管悬挂器在井口装置内5.卧式采油树（油管悬挂器在井口装置内）图21.卧式水下采油树剖面图图22.水下采油树及其ROV操作盘6.水下卧式采用树帽图23.用于水下电潜泵完井的采油树图24.LH11-1采油树帽7.水下卧式采油树油管挂水下采油树油管挂—卧式采油树油管挂在采油树内。1.用于悬挂油管串，并与密封总成配合各力和密封油管和生产套管之间的环空；2.为生产阀，环空阀提供接口；3.为井下化学剂注入口，电潜泵动力源，SCSSV控制提供接口；4.油管挂为生产阀、环空阀和控制系统提供密封；5.油管挂外径压应与防喷器阻，隔水管内径想适应；6.油管挂额定工作压力，34.5，51.7，69.0，86.31,103.520.7（MPa）（5000）（7500）（10000）（12500）（15000）（17500）(PSI)7.油管挂密封处材料应选择抗腐蚀性材料；8.油管挂静水试压要求，油管挂通径和下入工具道孔应试压，1.5倍额定压力/稳压15min图25.通钻采油树基本配置8.通钻采油树基本配置图26.1.水下生产控制系统主要工作内容：①根据油气田总体工程方案确定水下控制系统类型；②根据油气田的生产特点确定水下控制模块的控制和监视功能；③确定通信方式；④确定水下控制设备的安装与集成位置、易损部件的回收、更换模式；⑤控制脐带缆和控制跨接管的选型设计；⑥考虑水下生产控制系统与安装修井控制系统之间的关系；⑦确定水下生产控制系统与水面依托设施工作界面和接口；⑧确定水下生产控制系统与水下相关设备、仪表、作业工具、ROV之间接口；⑨根据油气田实际需求考虑扩展功能。2.水下控制系统组成：图27.水下生产控制系统的基本组成3.水下生产控制系统功能：主要用于对水下采油树、水下管汇系统等设备的远程控制，用以闸阀开/关，水下油咀的调节，井下压力温度及水下设施进行的监测，所需化学药剂的配注。主要模式有：直接液压控制系统，直接电液控制系统和复合电液控制系统等等控制方式。4.控制系统比较表图28.各类控制系统比较表图29.直接液压控制系统原理图30.先导液压控制系统5.直接液压控制系统原理图/先导液压控制系统图6.直接液压控制系统直接液压控制是最简单的水下控制系统，基本组成包括：液压动力源、液压控制盘（主控站）、液压液输送管线、液压驱动器等，见图14和图15。其主要特点：水下设备上每个远程控制阀都需一条专用控制线。水面液压控制盘的盘面上标有水下采油树控制阀位置和控制线路，它的操纵手柄与采油树上遥控阀对应，操作人员可较直观的操纵采油树，当回接距离在3英里内、井数为1-2口时，建议使用这类控制模式。其主要优势为：设备简单、经济、易于维护。其主要缺点是：①功能较少，每个控制阀都需要独立的液压线，水下设备所需控制液压线较多；②为了保证驱动器响应时间，须采用较大直径的高压软管（3／4--1英寸），使控制脐带缆尺寸大、笨重；③直接液压控制系统如不增加特殊设备，就无法对液压管进行清洗。图31.直接电液控制系统7.直接电液控制系统8.直接电液控制系统直接电液控制系统中，电信号取代部分液压信号，水上电液控制盘的电信号通过水下电缆传送给水下电磁阀，采用单一、独立电路控制电磁导向阀开启，由供应线向驱动器供应液压液，从而实现采油树以及其他水下控制动作，见图16。当回接距离较长时，脐带缆内部电压降和液压降较大，同时对控制脐带缆的要求与所需控制的井数成正比。直接电液控制系统能从水下采油树传回生产翼阀、环空翼阀和井下压力信号。9.复合电液控制系统复合电液控制系统采用了先进的数字复合技术，实现了真正的远程遥测和遥控，为智能化综合管理提供了可能，该系统由上部电动和液压控制系统、水下控制单元组成，见图。给出带水下液压动力源的复合电液控制系统，它通过控制脐带缆连接到一个或多个采油树、管汇等。每个终端装置或节点都有一个水下控制模块(SCM)。采用多心电缆，上行信号用于遥测大量水下数据如压力、温度、阀门状态等，下行信号则用于快速地控制水下电磁执行机构，这些电磁执行机构又进一步经液压放大驱动液压阀门和油嘴。水下电子模块(SEM)的应用增加了电液系统的复杂性，但却缩短了其响应时间，可用于监视较大范围的数据遥测设备。通常，电液系统适用于多井系统，开发过程中的井控和／或油藏监控应具有操作灵活、操作速度快和数据遥测的特点。其主要优点是采用多路电气控制技术，减少了导线数量，简化了水下电路连接，大大降低了控制脐带缆成本，多用于回接距离长、井数多的水下系统。图32.典型的复合电液控制系统图33.带有水下液压动力源的复合电液控制系统10.典型复合电液控制系统图图34.水面控制单元组成11.水面控制系统组成12.水下控制系统所需控制的阀门有：（1）水面控制的井下安全阀门(SCSSVs);（2）生产主阀；（3）生产翼阀；（4）环空主阀；（5）环空翼阀；（6）转换阀（注入阀）；（7）甲醇／化学药剂注入阀；（8）防垢剂注入阀；（9）防腐剂注入阀；（10）油嘴（每个油嘴可具备两个控制功能）；（11）注入调节阀（每个调节阀可具备两个控制功能）；（12）管汇阀组；（13）化学药剂注入控制阀。13.水下控制系统监视参数如下：(1)生产压力；(2)环空压力；(3)管汇压力；(4)生产温度；(5)管汇温度；(6)油气泄漏监测；(7)采油树阀门位置（直接给出或推测）；(8)油嘴位置；(9)油嘴压差；(10)出砂监测；(11)井下监视；(12)多相流量；(13)腐蚀监控；(14)清管监测。14.水下控制系统设计条件水面控制设备应考虑气候条件、腐蚀、海生物、潮汐、照明和危险区划分；水下控制设备应考虑腐蚀、环境压力和温度及维护。1、压力等级水下控制系统中液压系统允许的最大操作压力应至少小于设计压力（额定工作压力）10%。水面控制的井下安全阀回路外，液压控制组件设计压力一般为：10.3MPa，20.7MPa，或34.5MPa（1500PSI，3000PSI或5000PSI），水面控制的井下安全阀回路液压控制组件的设计压力应由厂家确定。其它设备例如作业、回收和测试工具的设计压力应遵循厂商的规格书要求。2、温度等级在非受控环境中工作的水面控制设备应按表17-3-25所列的温度等级进行设计、测试、操作和储存。安装于受控环境中的上部设备应按特定受控环境的温度等级进行设计、测试、操作和储存。3、外部静水压水下控制设备设计中应考虑外部静水压，特别是与密封设计、自密封耦合和常压外壳相关的部分，同时也应考虑安装和作业时控制脐带缆的破裂。4、流体的相容性选择控制设备或组件时应考虑其与控制流体和化学注入剂的相容性。水下控制系统设计条件