水下生产系统与采油树.ppt

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关于水下生产系统与水下采油树,第一部分水下生产系统第二部分卧式水下采油树第三部分水下生产控制系统,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。

第一部分水下生产系统,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：

采用水下生产技术可充分利用周边已有或在建水面设施；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；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；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；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；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；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。

水下井口和生产基盘水下采油树组件水下管汇系统水下设备防护设施水下控制系统水下油气处理设施水下增压设备水下输配电系统水下计量设备水下人工举升系统,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。

第二部分卧式水下采油树,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：

采油树主题为整体加工的圆筒，可设计大通径，用大油管；生产主阀和生产翼阀在主体外侧，成水平排列；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）油管挂坐在采油树内，去掉采油树帽可修井；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；,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。

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；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。

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。

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；为生产阀，环空阀提供接口；为井下化学剂注入口，电潜泵动力源，SCSSV控制提供接口；油管挂为生产阀、环空阀和控制系统提供密封；油管挂外径压应与防喷器阻，隔水管内径想适应；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：

根据油气田总体工程方案确定水下控制系统类型；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；确定通信方式；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；控制脐带缆和控制跨接管的选型设计；考虑水下生产控制系统与安装修井控制系统之间的关系；确定水下生产控制系统与水面依托设施工作界面和接口；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；根据油气田实际需求考虑扩展功能。

第三部分水下生产控制系统,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：

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；为了保证驱动器响应时间，须采用较大直径的高压软管（34-1英寸），使控制脐带缆尺寸大、笨重；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：

15.水下控制设备设计原则：

功能要求典型水下控制设备的功能要求如下：

1）与水面主控站通信；2）处理和执行来自主控站MCS的指令；3）监视和传送传感器数据；4）监视和传送诊断数据；5）ESD工况下，执行来自水面或水下的指令；6）响应水面指令选择性地监视和分配油井所需化学药剂。

16.设计要点1）水下液压系统：

水下液压系统包括水下液压分配系统、多功能快速连接、管线及液压软管、海水海水柜补偿室、水下蓄能器等。

（1）水下液压分配系统水下液压分配系统从控制脐带缆终端向每口井分配液压动力，设计要点为：

当液压接口意外解脱时，应避免采油树上关键的阀门执行机构或其它故障关闭型阀门出现故障；基盘管汇液压分配系统的设计应考虑水下机器人或潜水员操作的隔离设备，以便在发生泄露时实现系统隔离；水下液压分配模块可回收、改造和更换；液压系统的设计应考虑单点失效，可通过物理路径和冗余供给的滚压隔离来实现。

（2）多功能快速连接多功能快速连接应采用球型或按键式。

（3）管线及液压软管所有的管线管道都应有至少6毫米（1/4英寸）的公称外径。

在系统的测试、安装、拆除及正常操作和维护过程中，应支撑和保护所有的管线及液压软管以将其损坏程度降到最小；管线及液压软管的许用应力应遵循ANSI/ASMEB31.3（工艺管线）的规定；所有软管总成应符合IS013628-5（水下生产系统设计与操作：

脐带缆标准）中软管部分的标准。

设计要点,1）水下液压系统：

（4）海水柜补偿室每个与水下阀门执行机构的弹簧增压边相连的海水柜补偿室的容积至少是总波及体积的125%，以便连接到补偿室的所有执行机构能同时动作，应使用旁通单向阀来避免补偿室的损坏。

（5）水下蓄能器水下蓄能器的设计应遵循ASME锅炉和压力容器规范第八部分第一分册、BS7201-1和BS7201-2（液压传动：

充气式储能器第一部分和第二部分）。

如未遵循这些标准设计，其陆上试验和其它水上操作过程中应保证人员的安全；蓄能器系统的设计应考虑随水深增加蓄能器效率的损失。

水下蓄能器可安装在水下控制模块的内部和外部。

设计要点,1）水下液压系统：

2）水下化学药剂注入系统

（1）水下化学药剂注入分配系统水下化学药剂注入分配系统从控制脐带缆终端向每口井或管汇终端分配化学药剂，并提供和排放用于压力测试和流动控制设备压力平衡的流体。

在泄露检测和正常的油井加热过程中，可从环空排放流体。

用于油井处理的化学药剂注入分配系统的流量大大超过液压分配系统，同时，组件的额定压力高（与井口系统的额定压力一致），可输送液体的腐蚀性也更强。

设计要点如下：

基盘管汇化学药剂注入分配系统的设计应留有水下机器人或潜水员操作的隔离装置，以便于隔离系统防泄露；考虑到回收、改遣和更换被隔离的失效管线和需要时启用备件，水下液压分配模块可包括化学药剂注入管线；化学药剂注入系统的设计应考虑单点失效，可通过物理路径和冗余供给路径来实现。

设计要点,

（2）化学药剂注入管线化学药剂注入系统中的管线和软管其公称外径应至少为6毫米（1/4英寸；管线管道的许应力应遵循ANSI/ASMEB31.3（工艺管线）的规定。

水下化学药剂注入系统设计时应专门考虑以下问题：

注入甲醇时，管线摩阻和磨损的增加；密封材料与注入流体、生产流体的相容性；注入流体和生产流体的腐蚀性；渗透进软管衬垫材料的液体（低质量组分）；控制阀和其它流动控制设备的选择；金属一金属密封和甲醇。

应有一个额外的弹性橡胶密封作为备用件，以应对由气穴现象和流体引起（腐蚀磨损）的材料降解问题。

在化学药剂可能通过软管扩散的位置，所设计的系统应确保化学药剂的扩散不会通过泄漏或者二次扩散污染液压控制流体。

2）水下化学药剂注入系统：

设计要点,3）水下电气系统水下电气系统包括水下电气分配系统、水下控制模块、水下电子模块。

所有由潜水员维护的水下电气系统应保证潜水员免受电击。

下面描述各个部分的设计要点。

（1）水下电气分配系统水下电气分配系统从控制脐带缆终端头向每口井分配电力相信号。

设计要点：

应尽可能减少串联电气接头的数量，冗余路径应尽可能不同；管汇上的电力分配缆和从控制脐带缆终端到水下控制模块的跨接电缆应由水下机器人或潜水员修理或重新装配；电力分配电缆和跨接电缆的连接应由水下机器人或潜水员使用简单的工具完成，尽量减少钻机船的使用时间；在海水和导体之间最少应有两道隔离，并应适用于在海水操作；如选择充油系统，应设计并安装电缆总成，以使进入绝缘液内的海水依靠重力从终端流出。

电缆应安装在绝缘的压力补偿液管线内；所有用于水下电气系统的材料都应与海水和绝缘流体相兼容。

设计要点,

（2）水下控制模块（SCM）水下控制模块安装在可回收的装置或壳体内，可以独立回收和安装。

水下控制模块内部结构基本是标准化的。

目前一个水下控制模块的控制功能最少是7个，最多为64个。

因而一个水下控制模块可对一个或多个水下采油树及设备进行遥控，并对井筒、环空以及水下管汇进行操作和监控。

典型的水下控制模块见图17-3-118。

根据需要，水下控制模块可以安装在采油树、水下管汇等处。

水下控制模块与上部电子控制系统之间通常采用主从通讯，即以水面系统为主，水下控制为辅，兼容“发送确认”、“需求响应”功能。

水下控制模块具有对温度、压力、流量等实施监控的功能。

通常水下控制模蛱具有独立的安装基座，用于固定水下控制模块，连接执行机构和传感器。

3）水下电气系统,设计要点,水下控制模块主要包括以下部件：

电液或液压控制阀和其它阀体，如单向阀；直通接头（电气或液压）；液压管汇和管道；内部传感器和发送器；过滤器；蓄能器；压力补偿器；增压器；减压器；化学药剂注入调节阀；11水下电子模块（SEMS）。

图35.水下控制模块,水下控制模块的设计要点：

多井系统中，任一水下控制模块可在不影响系统中其他操作的情况下安装、回收；全压条件下，所设计的全部在用电子线路应封闭在充满1个大气压氮气的壳体内；水下电气元件应安装在充满绝缘液体和具有压力补偿的水下控制模块内；所有的内部连接电缆和接头都应适合于水下湿式环境；为了减小电耗，电磁阀应采用脉冲操作和液压锁定，使用故障安全型电气阀时应减小安装作业时外部流体进入。

（3）水下电子模块（SEM）水下电子模块包括硬件和软件。

SEM硬件的设计要点：

基于使用一个或更多的微处理器和电力单元；应设计两道独立的隔离，防海水的侵入SEM;SEM应有最少25%的备用内存容量，20%的备用能力；应限制SEM与传感器、控制阀体的接口类型和格式，应尽可能采用国际标准；应考虑SEM的标准化设计；如需要，应考虑SEM中关键测量信号的处理。

（3）SEM软件设计要点：

SEM软件应由功能任务或模块构成，这些功能任务或模块应可作为独立单元设计、编码和测试，包括实时操作系统中的中断任务，或使用一个简单的顺序扫描时在实时监视器上词用主程序。

模块和整套软件结构应易于软件升级和维护。

软件模块的编码应采用高级编程语言。

只有小型和时间紧才使用汇编语言。

SEM软件应内置诊断功能以简化调制解调器、水下计算机和传感器的测试和调试。

SEM可编程，允许在水上合适位置重新编程。

SEM有能力暂时存储所有从水下生产系统中获得的相关数据。

SEM有能力基于MCS的命令执行顺序监测操作或顺序控制。

所设计的SEM软件包括井下温度和压力信息（DHPT）。

设计要点,3）水下电气系统,（4）水下控制脐带缆终端（SUTU）水下控制脐带缆终端采用外置阴极保护的结构，其内有电接头、跨接管、液压液分配阀和化学药剂注入分配器，通过ROV操作盘进行操作。

通常将水下液压、化学药剂、电力分配单元集成其中便于安装和运行管理。

设计要素如下：

与水下控制脐带缆快速、可靠连接；与水下控制模块快速、可靠连接，通常通过液压跨接管和电力跨接管实现；实现液压液、化学药剂、电力的合理分配；进行水下安装位置、安装方式的优化设计，一般可考虑独立安装或集成在管汇上；需要考虑与水下控制设备之间软连接点设计，以保证发生意外事故时损失最小。

3）水下电气系统,设计要点,（5）通信协议及通讯模式通信系统应可靠传输规定的数据信号，设计要点如下：

通信和电源应适应特定电压和频率变化范围及电力分配单元所能支持的SEM数量；通信应基于信息格式化，该格式应能可靠识别信息开始时间和给定长度；应包括“中止联接”信息；接收破损信息和“中止联接”应使MCS重新发送这条消息；每条信息应有CRC或类似的类型，避免接收和解释错误信息可能性；协议应方便SEM软件和辅助计算机软件的加载；系统的通信性能应满足误码率在1XI0-5到IX10-6之间，实现小于IX10-6的误码率；整个水下控制系统应使用相同通信协议，通信协议应基于IEC60870-5-2（遥控设备和系统第五部分：

传输约定第二部分通讯协议）以及同等国际标准。

水下通讯模式包括：

通讯线、电力载波、光纤通讯三种主要模式。

3）水下电气系统,设计要点,（6）水下仪表安装在水下的仪表主要是压力、温度传感器，流量计量装置等由相关专业进行选型设计。

水下仪表选型设计要点如下：

水下仪表应尽可能减少与SCM的电气、液压的连接数量；水下仪表的故障不应反过来影响系统其它部分的操作；直接暴露在生产液中的传感器，应考虑沙、水合物和蜡引起的接口堵塞；设计系统时，应考虑传感器信号的校验或调节方法；用来监测井筒额定压力的传感器应满足最大操作压力工况，并应遵循APISpec6A（井口和采油树）和APISpec17D水下采油树标准的规定；传感器里最少应提供两道独立的隔离屏障，将井液与周围环境隔离。

设计要点,3）水下电气系统,（7）高完整性管线保护系统（HIPPS）高完整性管线保护系统用于避免管线和其它相关设备受到水下高压油井的破坏，从而可按低于油井最大关井压力进行管线和设备设计。

HIPPS是一个具有现场逻辑系统的自治安全系统，包含以下组件：

双屏障隔离阀的控制；最小的双重独立先导或管线压力的压力发送器；系统重启的主动控制，以防止通过隔离阀的节流和振荡。

设计要点,3）水下电气系统,控制脐带缆图,图36.深水电力、液压、化学控制,图37.复合电液控制管缆的端面结构,