041第四章 海上石油生产设施 第一讲-海洋石油工程(课件)-中国石油大学(北京)-檀朝东

海洋石油工程海上石油生产设施海洋石油工程海上石油生产设施石油天然气工程学院檀朝东[e-mail]13801331255教学要求明确海洋采油的三种典型系统及其特点，了解三种典型系统的组成与生产原理，掌握采油平台上的油气水处理方法与流程，了解单点系泊的结构组成、优缺点与应用情况，了解水下生产系统的组成、控制方法及水下生产时的修井方法。重点：三种典型的海洋采油系统的特点，采油平台上的油气水处理方法与流程，单点系泊的结构组成、优缺点，水下生产系统的组成、控制方法及水下生产时的修井方法。难点：海上生产系统的选择方法。第四章海上石油生产设施第二节固定平台生产系统第一节海洋采油概述第三节浮式生产系统第四节水下生产系统第五节海上生产系统的选择第六节海洋修井用特殊机具第一节海洋采油概述随着海洋石油开发技术的飞速发展，在传统的固定平台开采石油的基础上，出现了一些新的结构形式，并已发展成为固定平台生产系统，浮式生产系统和水下生产系统三种海上油田生产系统。（1）固定平台生产系统是当前广泛采用的开采方式。它以近海建造栈桥、浅海构筑人工岛和开阔海区建造各类固定平台为基础，用基本与陆地油田相似的工艺和设备开采海上油田。第一节海洋采油概述（2）浮式生产系统是近期发展较快的新采油方式。它以半潜式平台或改装的大型油轮等移动式浮体为主体，处理和集输来自海底井的油气。它的出现，不仅加快了海上油气田的建设速度，形成了称做“早期生产系统”的概念，而且还因为开发费用低，回收投资快，使过去用固定平台开发不经济的边际油田资源也能够被开发利用。第一节海洋采油概述（3）水下生产系统目前主要是水下完井系统。水下完井已在海上油田的早期生产系统、油田边缘卫星井、探井生产以及建造固定平台不经济的小油田开发等方面得到应用。尽管这种生产系统目前大多数适于固定平台和浮式装置结合使用，而且是浮式生产系统必不可少的组成部分，但它已经形成了独立的生产系统。第一节海洋采油概述海上油气田生产系统类型见下图。上面所述的三种生产系统各有其特点及适用条件，在选用时应根据本油田的具体情况，按照投资少的原则，综合考虑各种因素，对每种生产系统进行可行性研究，经过对比分析，最后筛选出一种至几种单一的或综合的较为有效的方案。第四章海上石油生产设施第二节固定平台生产系统第一节海洋采油概述第三节浮式生产系统第四节水下生产系统第五节海上生产系统的选择第六节海洋修井用特殊机具所谓固定平台生产系统是指该系统中的主要设备——平台，固定于海底，对其产生支承压力的生产系统。该生产系统是世界上用得最早而且较为广泛的一种生产系统。在固定平台上用来开采海上油气田的各种工艺流程(如注水、注气、油气水处理等)和设备基本上与陆上油田相似。固定平台生产系统经过近四十年的使用，根据固定平台型式的不同，已经发展成以下几种主要形式的生产系统：第二节固定平台生产系统Ø刚性平台生产系统(l)桩基式平台生产系统;(2)重力式平台生产系统;(3)混合式平台生产系统。Ø柔性平台生产系统主要为绷绳塔式平台生产系统。第二节固定平台生产系统典型的固定平台生产系统主要包括平台(采油树安装于甲板上)、单点系泊系统、回接到平台的采油立管系统、水下底盘、水下管汇、油轮(贮油轮和穿梭油轮)、海底管线和底盘井等。见下图。第二节固定平台生产系统从位于水下底盘上的油(气)井生产出来的流体，经采油立管上升到平台。经计量和处理后再经采油立管和输油管线流往单点系泊，再经单点系泊流入系于其上的油轮，用穿梭油轮运走。用于生产作业的平台叫生产平台。它的作用是从事海上油、气生产性的开采、处理、贮藏、监控、计量等作业。一个平台有的只具有一种功能，有的有多种功能，也有的由几种不同功能的平台用引桥相连组合成的多平台生产系统。第二节固定平台生产系统一、固定式海上采油平台的类型二、平台上的油气水处理系统三、单点系泊系统第二节固定平台生产系统固定式海上采油平台的类型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。固定式生产平台随着使用情况、海洋环境和建筑材料的不同又分为许多类型。(1)刚性平台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。它分为以下二大类:固定式海上采油平台的类型1)桩基式平台①导管架式采油平台导管架（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。据1996年统计，约占94.4%。固定式海上采油平台的类型导管架式采油平台与其他钢结构固定平台一样，其负荷均由打入地基的桩承担。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。固定式海上采油平台的类型东海平湖油气田导管架综合钻采平台固定式海上采油平台的类型钢制导管架平台固定式海上采油平台的类型②塔式平台Ø单腿式见下图，这是鹿特丹和多德雷赫特两家荷兰工程公司研制和设计的口用于240m左右水深的单腿塔式钢平台，它没有普通钢桁架式结构。该种平台的优点是:1）疲劳强度高;2）承载能力大(最大甲板负荷为2万吨);3）因导管和立管处于钢板制成的立柱内，故它们不受海况影响;固定式海上采油平台的类型4)投资少;5)使用期间检验、维护和修理的费用较低;6)达到使用寿命后容易拆除。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。固定式海上采油平台的类型Ø三腿式下图为赫雷马公司设计的三腿塔式钢结构平台。使用水深为300m左右。(a)优点a)结构简单，节省费用;b)安装容易和迅速;c)适应各种土壤条件;d)用于任何海上环境(因是桩固基础)。固定式海上采油平台的类型(b)组成部分a)底座(三个)用桩固定;b)中心基础一个，桩腿基础三个，打桩固定，装于底座c)桩腿三根;d)水平支撑桁架;e)中心支柱口下图是为阿吉普公司设计的另一种三腿塔式平台，使用水深300m。中心支柱和三个桩腿为钢桁架结构。固定式海上采油平台的类型2)重力式平台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。①混凝土重力式平台把混凝土重力式结构用于岸边和浅水地带己有悠久历史，而用于外海却在70年代以后。首先，1973年在北海油田建成了埃克菲斯克贮油罐，这个巨型混凝土结构物的工作水固定式海上采油平台的类型深是70m，贮油量16万m³，由法国人设计，在挪威建造。其后，挪威在总结了混凝土油罐和其它海洋工程实践经验的基础上，首创了两座混凝土重力式平台一康迪普型平台，它们适应的水深分别为120m及140m。其后，又相继建造了数座深水混凝土平台。此外，在南美的巴西也建造了水深仅20~50m的浅水混凝土重力平台。可见，混凝土平台可以适应从浅到深的各种水深。右图为康迪普平台混凝土重力平台（Concretegravityplatform）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。固定式海上采油平台的类型重力式混凝土平台如右图所示。Ø优缺点优点:a)节省钢材。如上述两座康迪普平台，耗钢量分别为1.2万吨及1.5万吨，而同样条件的桩基钢平台耗钢达2.0~4.0万吨。b)经济效果好。采用廉价的混凝土材料。在北海，用混凝土重力式平台比钢导管架平台更为经济。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。固定式海上采油平台的类型c)海上现场安装的工作量小。这主要是因为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。d)施工工艺比钢结构简单，不需要在海底打桩。e)甲板负荷大，在立柱中钻井安全可靠。f)防海水腐蚀、防火、防爆性能都好。g)维修工作量小，费用低，使用寿命长。固定式海上采油平台的类型缺点:a)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。一般情况下，基础(沉垫)稳定性的破坏主要有如图所示的几种型式。固定式海上采油平台的类型（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，也可能出现在海底的土壤与土壤之间。在粘土类地基上，可能出现如图（b）所示的承载力破坏，这是由于在垂直与水平荷载共同作用下，基础的一端下面因地基中的应力大于土壤承载力而造成的。发展下去，会造成土壤的塑性挤出和平台的倾斜。由于波浪力从两个相反的方向周期交替地作用于平台，因而可能使平台基础两个端部下面的地基同时发生破坏，即构成图(c)所示的摇动破坏。固定式海上采油平台的类型在粉砂地基上建造混凝土平台时，由于风浪、地震等产生的动力作用，可能会使地基完全失掉抗剪能力而发生液化破坏现象。这时土体的强度完全丧失，平台会陷入地基中。同时，还可能伴随有平台的倾斜。如图(d)。以上各种破坏情况，都是桩基平台所没有的，从而可知，混凝土重力平台对地基的要求远比桩基平台高。因而，基础设计的好坏，常成为重力式平台成败的关键。b)结构分析比较复杂。c)浇注混凝土时需较多的木模板。d)岸边需有较深的、隐蔽条件较好的施工水域。e)拖航时阻力大。固定式海上采油平台的类型②钢质重力式平台除混凝土平台外，钢质重力式平台也是重力式平台的一个重要分支。1971年，意大利首先建造了一座适用水深90m的钢重力式平台一洛安高平台。如图所示。整个平台由沉箱、支承框架和甲板三部分组成，沉箱兼作贮罐。建造时，先把各个沉箱、支承框架、甲板分别预制，而后在岸边组装成整体，再拖运到井位下沉安放。固定式海上采油平台的类型和混凝土平台相比，钢重力式平台的贮油量虽小，但在对贮量要求不大的情况下，钢平台反而有较高的经济效益。由于它比混凝土平台轻的多，所以预制过程中不需要较深的施工水域，拖航时要求的拖航马力小，使用中对地基承载力的要求也不高。钢平台避免了混凝土平台许多缺点，但在省钢材，耐腐蚀、贮油量大、隔热等方面，都不如混凝土平台，这又是它的缺点。固定式海上采油平台的类型③混合重力式平台所谓混合重力式平台是指由混凝土基础和钢质导管架所组成的平台。这种类型的平台可用于深水，与混凝土重力式平台比较重量轻，造价低，制造安装方便。它主要分为以下二种类型:Ø混合塔式平台右图为Saga石油公司设计的用于北海Troll油田34/7区块的一种混合塔式平台，使用水深310m，该平台下半部混凝土结构，包括一个基础部分和基础上面很高的混凝土沉箱。该沉箱有7个圆筒罐，顶部呈圆拱形。上半部是一个桁架式导管架结构。桁架结构支撑甲板很大一部分面积，避免使用大悬臂支承结构。固定式海上采油平台的类型平台的上半部主要承受拖曳力，下半部主要承受惯性力。这两种载荷的最大值发生在有波浪时的不同时刻。这意味着结构上的总载荷与常规的混凝土平台相比要小。建造这种平台的方法是使用临时铰链联接，使平台的钢质部分从最初的水平位置转起，顶部重量为4万吨。固定式海上采油平台的类型Ø重力基础导管架式平台右图为TPG和LJA公司设计的用于北海和美国东部沿海的一种重力基础导管架式平台，使用水深300~500m。该平台主要是一个固定在重力式底座上的导管架结构。用于320m水深的钢导管架部分不到200m。混凝