海洋石油装备概论-第3章

第二章海洋石油钻井装备贾光政第三章海洋油气开采装备东北石油大学机械科学与工程学院2013年09月海洋石油装备概论第二章海洋石油钻井装备3.1海洋油气开采方式3.2海洋固定式开采系统3.3海洋浮式开采系统3.4海洋油气开采主要设备主要内容第二章海洋石油钻井装备由于油气藏的构造和驱动类型、深度及流体性质等的差异，其开采方式也不相同。通常气藏以自喷的形式开采，开发后期部分气藏采用排液采气.常用的采油方式有：自喷和人工举升方式。人工举升方式包括：有杆抽油泵、螺杆泵、电潜泵、水力活塞泵、射流泵、气举、柱塞泵、腔式气举、电潜螺杆泵、海底增压泵。目前海上最常用的人工举升采油方式是水力活塞泵采油、电潜泵采油和气举采油。3.1海洋油气开采方式第二章海洋石油钻井装备3.1海洋油气开采方式油气开采方式选择的因素（2）搞好后续替换，适当时候转换采油方式在开采过程中，随着采出程度、综合含水的上升和地层能量的下降，需要及时转换采油方式。（2）搞好后续替换，适当时候转换采油方式在开采过程中，随着采出程度、综合含水的上升和地层能量的下降，需要及时转换采油方式。（1）尽可能发挥地层的产能对于高产能的油井，要优化自喷设计参数，充分发挥地层的产能，延长自喷周期。第二章海洋石油钻井装备3.1海洋油气开采方式（3）油井产液量电动潜油泵适合于大排量下工作，对含水油井和低油气比油井，电动潜油泵的产量还可能更大一些。气举虽然也可以达到较大的产液量，但较电潜泵要低一些，水力活塞泵又次之。第二章海洋石油钻井装备3.1海洋油气开采方式（4）油井含气量。高油气比对电动潜油泵和水力活塞泵都是威胁，当井筒内气体体积超过泵送液量的10%时，电动潜油泵将开始失效，水力活塞泵还能工作，但是效率将大大降低，故需要增加下泵深度和另设排气装置来解决。而高油气比恰恰对气举非常合适。第二章海洋石油钻井装备（5）深度限制油井不生产时，井底静压可使得井内液体存在一个静液面。油井生产时，因井底流压低于静压，井筒内动液面必然低于停产时的静液面。对电动潜油泵和水力活塞泵来说，下泵深度应该使泵沉没到动液面下足够深度，以防止气蚀作用和克服诸如通过井下气体分离器时产生的任何入口节流损失。水力活塞泵较适合在深井工作，常用于井深为3000～4000m油井；气举采油深度已经达到3600m。3.1海洋油气开采方式第二章海洋石油钻井装备3.1海洋油气开采方式（6）灵活性油井生产过程中产量是会发生变化的，能适合产量变化的灵活性也是采油方法的一个评价指标。气举能在广泛的范围内灵活改变气举日产液量，可从日产1m³到几千m³。水力活塞泵由于改变每分钟的冲数和冲程长度较容易，因此，在额定流量范围内灵活地改变产量是容易做到的。电动潜油泵的灵活性是机械采油方法中较差的，但新的电流频率转换器的问世改善了电动潜油泵的工作条件。第二章海洋石油钻井装备3.1海洋油气开采方式（7）油井出砂出砂给电潜泵和水力活塞泵都带来冲蚀问题，砂子充填在井下泵顶部会造成提泵困难。气举是唯一不畏惧含砂流体的机械采油方法。（8）经济性要求设备占地面积尽可能小、质量轻。适应地层性质要求，免修期长，维护费用低，技术安全可靠，操作方便、投资少，尽量满足环境要求。第二章海洋石油钻井装备水力活塞泵采油的方法是由地面设备提供高压动力液（水或原油都可以做动力液），通过井下管道注入并操纵一个往复运动的活塞泵，由活塞泵的推动将原油举升到地表。3.1海洋油气开采方式地面部分包括沉降罐、地面动力泵、油气分离器和各种阀件；地下部分包括同心的两层油管、水力活塞泵和密封两层油管间环形空间井带有单向进油阀的锥形座。水力活塞泵采油装置第二章海洋石油钻井装备动力液从沉降罐抽出经地面动力泵加压后由中心油管压入井下。高压动力液推动水力活塞作往复运动，不断地从油井中抽取原油与废动力液一起经过两层油管间的环形空间（或用一根油管，废动力液和原油由油套管间的环形空间）流至设在平台的油气分离器。脱出气体后的原油返至沉降罐，一部分作为动力液重复使用，另一部分沿着出油管流向计量站。3.1海洋油气开采方式第二章海洋石油钻井装备水力活塞泵采油原理图油管油气分离器水力活塞泵锥形座地面动力泵沉降罐3.1海洋油气开采方式第二章海洋石油钻井装备电动潜油泵是一种特殊设计的多级高压离心泵，它的整个机组包括潜油电动机、保护器、多级离心泵、铠装电缆、电缆滚筒、自耦变压器、控制台、气体分离器等。如图3-2所示。电动潜油泵机组一般用油管下入井中，铠装电缆固定在油管上。少数机组用电缆悬吊挂入井中。3.1海洋油气开采方式电动潜油泵采油装置第二章海洋石油钻井装备电动潜油泵采油原理图3.1海洋油气开采方式井口装置铠装电缆导向轮电缆滚筒油管多级离心泵保护器潜油电动机自耦变压器自动控制台第二章海洋石油钻井装备潜油电机为封闭式三相感应电机，装于充满变压油的外径为100～500mm的钢管内。变压油的压力必须略高于井底流体压力，以防止地层水通过接缝处渗入电机内部破坏电机工作。根据油井的生产能力，电机的功率范围可达10～500kW.最高工作温度为95℃。电机长期处于运行状态。环境温度比较高故设有专门的油路循环系统对电机运转部件进行润滑和散热。电动机的转子和钉子各分为若干节，每节有单独的绕组，串于电动机轴上，形成细而长的电动机外形。3.1海洋油气开采方式第二章海洋石油钻井装备保护器有独立的两部分组成。上部充满润滑脂，用来对离心泵的止推轴承进行润滑，下半部充满变压器油，以便及时补充电机与钢管外壳间变压器油的消耗。有些保护器轴的两端制有花键，用特殊的联轴器分别同电动机和泵相连，有的潜油泵设计成为电动机和泵轴直接相连的，不需要联轴器。保护器的主要作用就是密封和润滑。3.1海洋油气开采方式第二章海洋石油钻井装备3.1海洋油气开采方式多级离心泵是钢管式壳体，其外径与潜油电机相仿。级数从84-332级不等，长度一般不超过5.5m，排量40～3000m³/d，扬程1400～3000m液柱，泵效率44%～52%。多级离心泵上还装有灌泵用的单流阀。当需要把电动潜油泵机组提升到地面检查时，可以通过排油阀排泄油管和离心泵壳体内的油液。第二章海洋石油钻井装备3.1海洋油气开采方式电动潜油离心泵具有排量大、扬程高、流量均衡、油管寿命长、地面设备简单、受气候变化影响较小，易于实现自动控制以及具有较好的携沙、携蜡能力等优点，但受电机耐热程度的限制，适应一般不超过3000m。油井产量改变和开采高粘度油会影响泵效，不允许有较多的气体进入泵内，而且设备结构复杂，制造质量要求高，造价昂贵。第二章海洋石油钻井装备气举是一种利用气体来举升油井流体的方法。通常分为连续气举和间歇气举两种类型。气举的特点之一是就是安装了特殊的气举阀。这些阀沿着油管柱安装，以提供气体从套管进入油管的通道。气举阀也可以做成轴状安装在油管之中，顶端系有钢丝绳并由绞车牵引下放到油管中某个位置或有某个位置起出。3.1海洋油气开采方式气举采油装置第二章海洋石油钻井装备气举采油原理图3.1海洋油气开采方式油气气流控制室注入高压气体油层套管油管气举阀封隔器底阀开采油层第二章海洋石油钻井装备当有一定压力的气体通过打开的气举阀不断注入油管之中，高于该阀的液体由于混入气体后，液体密度变小，体积变大，最后伴随着高压气体返回地面，这种方式成为连续气举。对于一些低产量的间歇油井，由于其油管内动液面有个回升过程，因此气体注入需要预先设计好注入时间，原油产出有一定的周期间歇，这种方法被称为间歇气举。3.1海洋油气开采方式第二章海洋石油钻井装备气举采油的优点是井下设备投资较低，采油速度可以进行地面控制，流体中的沙粒对气举设备没有影响，不受斜井的影响，气举采油活动构件少，磨损少，维修费用和操作费用较低。气举采油局限性是要求油田本身产气，而且平台上要有配套设施，如气体压缩机，气体回收设备等，所以它适于开采有充足高压天然气作气源的油气田，目前应用较广泛，尤其是对海底完井的机械采油井多用气举采油法。3.1海洋油气开采方式第二章海洋石油钻井装备固定式平台上用来开采海上油气田的各种工艺流程和设备基本上与陆上油田相似。固定平台生产系统包括以下几种主要形式：桩基（主要是导管架）式平台开采系统、重力式平台开采系统、张力腿式平台开采系统、绷绳塔式开采系统。3.2海洋固定式采油系统固定式海上采油平台，是用桩基，沉垫基础或其它方法固定在海底面上指定位置并对其产生支承压力的结构物。是世界上用得最早而且较为广泛的一种生产系统。第二章海洋石油钻井装备所谓刚性平台是指在海洋环境载荷作用下不发生偏移稳座于海底的平台。它分为桩基式平台和重力式平台二大类。3.2海洋固定式采油系统（1）刚性平台第二章海洋石油钻井装备导管架（Jacket）式采油平台由于可以在边建造平台的同时，边进行油气田开发预先的钻井作业，待平台建造好后运移到海上，与预钻井的海底基盘定位安装，将海底井口回接至平台上进行完井。这种方法可以将油气田开发周期缩短一年以上，故导管架式采油平台是固定式平台中数量最多的。3.2海洋固定式采油系统导管架（Jacket）式采油平台第二章海洋石油钻井装备3.2海洋固定式采油系统导管架式采油平台示意图导管架桩上部结构水面海底第二章海洋石油钻井装备如中国东海平湖油气田的导管架综合钻采平台，工作水深87.5米，导管架总重4630吨，导管架的12根裙桩（钢桩）总重3300吨，外径为84英寸（2133.6毫米），用水下打桩机打入海底长度超过100米；裙桩与导管架固定，从而确保导管架的全部负荷传递至钢桩而由地基承载。3.2海洋固定式采油系统第二章海洋石油钻井装备3.2海洋固定式采油系统单腿塔式平台鹿特丹和多德雷赫特两家荷兰工程公司研制和设计的，用于240m左右水深的单腿塔式钢平台，它没有普通钢桁架式结构。塔式采油平台塔体最厚钢板的厚度在50mm以内。有一些垂直和水平的加强构件。桩套和圆形底座为一体，不用桩导杆，将桩插人桩套中，用海水作为钢塔的压舱水，并在内部和外部采用阴极保护。第二章海洋石油钻井装备3.2海洋固定式采油系统三腿塔式平台底座（三个）用桩固定；中心基础一个，桩腿基础三个，打桩固定，底座桩腿三根；水平支撑桁架；中心支柱。优点是结构简单，节省费用，安装容易和迅速，适应各种土壤条件，用于任何海上环境。第二章海洋石油钻井装备重力式平台是与桩基平台不同的另一种型式的平台。它不需要用插人海底的桩去承担垂直荷载和抵抗水平荷载，完全依靠本身的重量直接稳定在海底。根据建造材料的不同，又分为混凝土重力式平台、钢重力式平台和混合重力式平台三大类。3.2海洋固定式采油系统重力式平台第二章海洋石油钻井装备混凝土重力平台为钢筋混凝土结构或钢筋混凝土结构与钢结构的复合体，靠自重坐于海底。它的基础部分和立柱都是中空的舱室，可以用来储存原油。它的固定是靠在基础四周安装铰链垫以及在底座下装设钢质裙板等来实现的。3.2海洋固定式采油系统混凝土重力平台（Concretegravityplatform）立柱甲板沉垫裙板康普迪平台第二章海洋石油钻井装备优点节省钢材，耗钢量是同样条件的桩基钢平台耗钢的50%以下。经济效果好。采用廉价的混凝土材料，估计总成本可节省20%；而且混凝土重力式平台的沉垫(沉箱)可以贮油，因而经济效果更十分显著。海上现场安装的工作量小。全部结构在岸边隐蔽的深水施工水域中已经建造完毕，因而避开了海况恶劣的深水现场安装工作，施工工艺比钢结构简单，不需要在海底打桩。甲板负荷大，在立柱中钻井安全可靠。防海水腐蚀、防火、防爆性能都好。维修工作量小，费用低，使用寿命长。3.2海洋固定式采油系统第二章海洋石油钻井装备缺点对地基的要求高。混凝土平台对地基的要求较高，是区别于桩基平台的显著特点之一。一座混凝土平台能否正常工作，除取决于它本身的结构强度外，另一种重要的因素就是看它能否稳坐在海底。3.2海洋固定式采油系统（a）滑动破坏（b）承载力破坏（c）摇动破坏（d）液化破坏基础破坏形式第二章海洋石油钻井装备图（a）所示是在风浪产生的水平推力作用下，基础与海底之间发生的滑动破坏，滑动面可能出现在基础与海底土壤之间，也可能出现在