14042第四章_海上石油生产设施_第二讲-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三节浮式生产系统一、浮式生产系统的典型类型二、采油立管系统三、定位系统四、浮式生产系统的油气水处理系统五、浮式采油系统的优点典型的浮式生产系统是指利用改装(或专建的)半潜式钻井平台、张力腿平台、自升式平台或油轮放置采油树、生产和处理等设施的生产系统。它相当于一座固定平台，这种生产系统可适用于深水和海况恶劣的边际小油田。这是70年代以来发展较快的一种生产系统。它以移动式浮体为主体，在其上放置生产和处理设施，收集、计量和处理来自海底井的油气。这种生产系统的出现，不仅加快了海上油气田的开发速度，而且可作为“早期生产系统”以降低开发费用，及早回收投资。使过去用固定平台开发不经济的边际油田也能开发利用。浮式生产系统的典型类型十多年来，这种系统得到了不断地完善和提高。根据浮体型式的不同，逐步形成了以下几种类型浮式生产系统：(1)以半潜式平台为主体的浮式生产系统；(2)以油轮为主体的浮式生产系统；(3)以张力腿平台为主体的浮式生产系统；(4)以自升式平台为主体的浮式生产系统；浮式生产系统的典型类型浮式生产系统的典型类型1.以半潜式平台为主体的浮式生产系统该种生产系统的主要特点是把采油设备(采油树等)、注水(气)设备和油气水处理等设备，安装在一艘经改装(或专建的)半潜式钻井船上。它需另一油轮完成装油和卸油的功能。油气从海底井经采油立管(刚性或柔性管)上至半潜式钻井船(常用锚链系泊)的处理设施，分离处理后经海底输油管线和单点系泊系统，进人贮油轮，再经穿梭油轮运走。这种生产系统的优点是:稳定性好，可适用于恶劣的海况条件。其缺点是甲板面积小，承载能力低，改装时间长，成本高。浮式生产系统的典型类型以半潜式平台为土体的浮式生产系统浮式生产系统的典型类型2.以油轮为主体的浮式生产系统该种生产系统的主要特点是把生产设备、注水(气)设备和油气水处理等设备安装在一艘具有贮油和卸油功能的油轮上。油气从海底井出来后，经采油立管(刚性或柔性管)上至系泊于单点系泊之上的油轮，分离处理后，贮存在油轮的油舱内，经穿梭油轮运走。该生产系统的优点：(1)初始投资低。因为可以低价购置当前过剩油轮。同时油轮本身具有贮油功能，不像半潜式钻井平台那样需另建贮油罐。浮式生产系统的典型类型(2)改装容易，费时少口(3)由于甲板面积大，有利于处理设备的安装。使油气水能得到很好地分离和处理。(4)贮油能力大。其缺点是稳定性差。以油轮为主体的浮式生产系统浮式生产系统的典型类型浮式生产系统的典型类型3.以张力腿平台为主体的浮式生产系统张力腿平台可以看作一个垂直锚系的半潜式平台。虽然张力腿平台不贮油，不装油，但这种平台是开发深水油田的一个具有很大竞争力的形式。这种结构的外形减小了垂向波力的影响，因而也就减小了系泊系统的受力变化，上部结构设计成足以承受油田开发各个阶段的载重量，不论在拖航条件下，还是在垂直系泊时都能保持稳定。这种形式的主要优点是:井沉、纵摇和横摇运动在很大程度上被控制，这就大大地简化了立管与浮动设备之间的输送系统。浮式生产系统的典型类型以张力腿平台为主体的浮式生产系统浮式生产系统的典型类型浮式生产系统的典型类型4.以自升式平台为主体的浮式生产系统该种生产系统是利用自升式钻井船改装的。其上可放置生产与处理设备，主要用于浅水，可以移动。自海底井出来的油气上至自升式平台分离处理后，再经立管返回到底部，经海底管线和单点系泊输至油轮运走口这种系统也可作为油田评价用。目前采用这种浮式生产系统的有巴西(Badejo油田)、几内亚(Espoir油田)以及墨西哥湾和东南亚海域等海水较浅的油田。浮式生产系统的典型类型以自升式平台为主休的浮式生产系统第三节浮式生产系统一、浮式生产系统的典型类型二、采油立管系统三、定位系统四、浮式生产系统的油气水处理系统五、浮式采油系统的优点(l)刚性立管主要由捆扎成束的管子组成。立管下部是铰接的球接头，适应于立管的水平运动。允许的偏斜角最大一般为100，立管顶部配有滑动接头或拉紧器，允许它作升降运动口采用这种刚性立管需要有一个专用井架。刚性主管有两种类型:l)非整体型中间是一根外输管线，周围由一些较小的生产管线包围。每根管线由浮动装置上的张紧器单独补偿张力，能单根安装、拉紧和收回。采油立管系统其优点是建造简单、便宜，可单独维修。缺点是由于管线的相互干扰，难应用于深水，有风暴时需解脱，从而增加停产时间。采油立管系统非整体性采油立管2)整体型由一个容纳若干根小管线的外圆柱组成。立管上有一些附加设备以增加浮力，从而降低平台所受的拉力。整个主管系统作为一个整体承受着拉力，能快速卸开，应用于深水和恶劣环境的海域。但成本高，有风暴时要解脱。采用刚性立管可与海底井口进行可靠的插入和连接。能进行钢丝绳作业，设计简单，费用低。但要配置井架和放置立管的地方。采油立管系统采油立管系统整体性采油立管(2)挠性立管1)粘结结构用埋入合成橡胶中的纺织物和钢加强物制成。具有钢带径向轮胎和螺旋软管的性能。1——内衬套2、3、4、5——粘结层6——合成橡胶复盖层7——螺旋缠绕的钢丝8、9——涂黄铜的钢制绳蕊采油立管系统粘结结构2)非粘结结构用钢和塑性材料制成。钢元件具有机械性能，而塑性材料能防漏。下图是巴西石油公司为恩佐瓦油田的浮式生产系统设计的一种挠性非粘结结构软管，由五层组成。第一层为钢胎，呈螺旋形，具有抗挤和抗变形的性能。第二和第五层为聚酰胺层。具有防漏和防腐的性能。第三层为钢铠，呈螺旋层，具有抗内压的性能。第四层也是钢铠，为二层交叉的钢丝，具有抗拉的性能。采油立管系统1—钢胎；2—聚酰胺层；3—抗压钢铠;4一抗拉钢铠;5一聚酰胺层采油立管系统(3)混合性采油立管此种立管即上部为挠性管，下部为刚性管。两种立管通过浮筒连接起来。浮筒使下部的刚性管处于张紧状态。柔性立管的所有管线都可分别在浮式生产系统上更换。由于柔性系统在61m深度的浮筒外装到刚性管上，所以需要修理的柔性构件都在正常潜水深度以内。虽然下部立管极少需要修理，但每根管子都可以更换。下部构件按直径约1.8m的环状排列。刚性管的终端在水面浮筒处。采油立管系统下部立管中的管子装在一个结构蕊的周围。此蕊子用来支持导向漏斗(每隔4.9m)。出油管线通过它保持垂直和托住复合泡沫塑料件。水面浮筒包括两部分:顶部的主浮筒和较小的辅助浮筒。辅助浮筒在安装期间支撑结构蕊。出油管线终端是液压连接器心轴，同时，鹅颈使管子通过隔离一直延伸到在横梁上的接箍处。在正常海况条件下，此立管可用于213m以上的水深，它具有采油、注气、注水、气举、修井、供气、排气。供液和供电等功能。采油立管系统第三节浮式生产系统一、浮式生产系统的典型类型二、采油立管系统三、定位系统四、浮式生产系统的油气水处理系统五、浮式采油系统的优点(1)锚泊定位系统1)型式①全向冲击式所谓全向冲击式就是可以承受任意角(0~360°)作用下的环境载荷，锚链成对称分布。定位系统1一对称六链;2一对称八链;3一对称九链;4一对称十链②单向冲击式所谓单向冲击式就是在某一个方向上比全向冲击式要强，占有强有力的环境方向、锚链成非均匀分布。定位系统1—30°~70°八链;2—45°~90°八链;3一30°~60°八链;4一45°~90°十链2)组成①锚是系泊系统的抓力件。它由锚冠、锚杆、锚柄和锚爪等组成。锚的抓力随着水平拉力的增加而增加。当锚缆与水平成60度角时，对锚的抓力影响较小。锚缆的长度一般为水深的5~6倍。锚柄与锚爪之间的夹角在砂土或粘土中为30°，在软泥土中为90°，此时锚爪的抓力最大。对于半潜式平台，一般采用动力锚，其结构如下图所示。定位系统右图为动力锚结构示意图1—锚柄;2—锚杆;3—锚冠;4—锚爪定位系统②锚缆由钢丝绳、锚链或两者相结合组成。海洋工程所用的锚缆都是由镀锌钢丝制成(有的用不锈钢)，链径多采用6.4~10cm。(2)动力定位系统1)定义依靠船舶或半潜式平台上的动力，使其在风，浪、流等外力作用下，保持所要求的水平面内的位置与方向角的一种主动定位系统。定位系统2)原理利用位置检侧系统(由电子传感元件等组成)，将在外部(风、浪、流等)扰动力的作用下浮体的水平漂移量与方位偏差量及时传感与检测出来，经过控制系统中的信号处理器的处理，自动输入电子计算机，通过计算机发生推动指令，使推动器系统发出相应的推力，以抵抗外部扰动力，使浮体回复到原有的位置与方位上。定位系统3)组成①位置检测系统②控制系统控制系统包括信号处理器、电子计算机(多用数字式)、监视装置、推力器驱动装置和位置指示装置。③推力器系统浮式生产系统所用的定位系统在浅水中常用锚泊定位系统，在深水中常用动力定位系统。但因费用太高，也有用锚泊定位系统加动力定位系统这种组合形式的。定位系统第三节浮式生产系统一、浮式生产系统的典型类型二、采油立管系统三、定位系统四、浮式生产系统的油气水处理系统五、浮式采油系统的优点(1)处理系统的工艺流程浮式生产系统的油气水处理流程和固定平台生产系统的相同。(2)处理系统的设备由于处理设备放在浮式生产系统的浮体上，浮体的运动对流体处理效果会带来很大的影响。因此，其设备与固定生产系统的设备略有不同。浮式生产系统的油气水处理系统1)浮体运动对处理效果的影响浮休的运动对处理效果有五种影响:①液面效应所谓液面效应就是指由于浮体的运动引起容器内流体液面变化的效应。在浮体静止的情况下，容器内流体液面处于水平位置。但是，一旦浮体运动，其液面就形成倾斜状态。浮式生产系统的油气水处理系统液面效应②共振效应由于浮体的纵摇和纵荡运动，当容器内液体的自振频率接近浮体的激励频率时，容器内的液体就产生共振。共振时，天然气流速增加，油气分离质量变差，可能存在油水混合物排出隔舱的情况，和液面效应的影响相同。由于液面效应和共振效应，电脱水器可能短路，降低了破乳效果。在天然气脱水塔内，由于纵摇和横摇运动引起天然气不均匀流动，从而使天然气与吸收剂的接触效率大大降低。在缓冲罐内，共振效应可能引起很大的液体能量力，使液位仪表工作不正常。浮式生产系统的油气水处理系统③主要扰动效应主要扰动效应是由于液面效应、共振效应和其它运动引起的效应，是一个能量吸收的过程。由于主要扰动的结果，液体中气泡逸出变慢，油水相混合可能性增加，降低了分离效果。④次生扰动效应这是由于在容器内安装多层带孔的隔板(为消除共振效应和主要扰动效应)而引起的。流体通过小孔形成射流，产生次生扰动，使处理效果降低。⑤处理控制效应浮式生产系统的油气水处理系统浮体的运动引起有害的效应，见下表。浮式生产系统的油气水处理系统(3)提高处理效果的方法为尽量减小浮体运动对油气水处理效果的影响，可采用以下几种方法:1)正确放置各种设备容器的位置根据浮体运动对处理影响大小的不同，可把设备分为以下几级:一级:浮体运动对处理有明显影响的设备。如三相分离器、油处理器、污水处理器、喷淋式接触塔。二级:浮体运动对处理有较小影响的设备。如两相分离器、气体洗涤塔、缓冲罐、填充式接触塔、加热器。浮式生产系统的油气水处理系统三级:浮体运动对处理几乎没有影响的设备。如热交换器、泵、压缩机、冷凝器、管汇等。最不利的浮体运动是纵摇。因此，处理容器的轴线需要沿着最小纵摇轴线定位。一般地说，它是浮体的纵轴线。对于像油轮或驳船之类的浮体，纵摇运动通常比横摇运动小。所以，在这种情况下，处理设备的放置，其纵轴应和浮体的纵轴方向一致。但是，为了某些目的而建造的浮体，可能是横摇幅度小于纵摇幅度，那么，容器的纵轴就要和浮体的纵轴垂直，浮体的纵摇运动就变成处理设备的横摇运动。浮式生产系统的油气水处理系统浮体上各处的角运动都是相同的，而线性运动随着离重心距离的增加而增加。例如总的升沉运动是浮体的绝对升沉运动和离重心距离乘以正切(纵摇度)之和。而且，升沉运动增大了纵摇和纵荡的共振