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水下生产系统1 引言1.1 范围 目前深水油气田开发面临的主要挑战是，缺少一个稳定的平台用于支撑生产设施并将生产流体输送到这些设施。而水下生产系统可以提供一种具有成本竞争力的开发方案，可减少乃至完全消除（在个别情况下）对地面生产设施的需求。 图1.1 -水下生产系统提供一种高效，经济的深水油气田开发方案 本研究主要是为了对水下生产系统进行概述。论述的关键主题包括： 水下生产系统主要部件及其功能的一般说明； 水下生产设施的界面要求； 水下开发油田工程模式的考虑； 风险区域和风险管理问题的识别。1.2 条例、规范和标准1.2.1 国际规范 ANSI B31.3化工厂及炼油厂管道； API RP 2R海上钻井隔水管接头的设计、评估和试验； API 5A套管、油管和钻杆规范； API 5AC套管、油管和钻杆规范； API 5D钻杆规范； API 5L管道规范； API 6A井口和采油树设备规范； API 6D管道阀门规范； API 8A钻井和采油提升设备； API 14A井下安全阀规范； API 148井下安全阀系统设计安装与操作的推荐做法； API 14D海上服务用井口地面安全阀和水下安全阀规范； API 16A钻穿设备规范； API 17D水下井口和采油树设备规范； API 17G完井修井隔水管系统的设计和操作； ASME IX焊接和钎焊资格第二条焊接程序资格和第三条焊接操作资格； ASME V锅炉及压力容器规范（第五卷 无损检测）； ASME VIII锅炉及压力容器规范（第八卷 压力容器建造规范第1册和第2册）； ASME/ANSI B16.34阀门法兰、螺纹和焊接端； DIN 50049-EN 10 204材料试验文件； DnV修井控制系统电气要求； DnV水下生产系统的安全性和可靠性； DnV认证说明第2.7-1条“吊装证书要求”（海上容器）； DnV RPB401阴极保护设计推荐做法； EN 10204金属制品一检验文件的类型； FEA-M 1990海上平台电气设备条例； IEC 92.101船用电气装置定义和一般要求； IS0 10423井口和采油树规范(代替API 6A); IS0 10432-1井下安全阀标准； IS0 10433海上服务用井口地面安全阀和水下安全阀规范（代替AP1 14D）； IS0 13628石油天然气行业钻井和采油设备； IS0 13628-1石油天然气行业水下生产系统一般要求和推荐做法； IS0 13628-2石油天然气行业水下和海上应用挠性管系统； IS0 13628-3石油天然气行业输送管道泵送系统； IS0 13628-4石油天然气行业水下井口和采油树； IS0 13628-5石油天然气行业水下控制系统的设计和操作； IS0 13628-6石油天然气行业水下生产控制系统； IS0 13628-7石油天然气行业修井/完井隔水管系统； IS0 13628-9石油天然气行业遥控操作机具(ROT)维修系统； IS0 14313管道阀门规范（闸阀、旋塞阀、球阀和止回阀）（代替API 6D）； IS0 3511过程测量控制功能和仪表设备的符号表示法； IS0 898第一部分螺栓、螺纹和螺母； IS0 9001质量体系：设计/开发、生产、安装和维修的质量保证模型； NACE MR-01-75-94材料要求：油田设备用耐硫化物应力裂纹的金属材料； NACE RP0475注水用材料； NAS 1638国家宇航标准：液压控制系统用零件的清洁度要求； SAE J343SAE 100R系列液压软管和装置的试验和程序； SAE J517液压软管。1.2.2 英国法规 S1.913设计和施工规范； S1.1019，英国法规(1976)第1019号海上装置作业安全、健康和福利条例。1.2.3 NORSOK标准 挪威水下设备是根据挪威石油管理局(NPD) NORSOK规范中的条例和要求设计的。 NORSOK标准是由挪威石油行业制定的，属于NORSOK计划组成部分，由OLF（挪威石油行业协会）和TBL（挪威工程行业联合会）共同发布。NORSOK标准由NTS（挪威技术标准协会）管理实施。 水下生产系统的设计和操作原则(1 U-DP-O01)； 水下采油树系统(2 U-CR-003)； 水下颜色标志(3 U-CR-008)； 材料选择（4 M-DP-O01）； 结构钢制造（5 M-CR-101）（1996年1月第2次修订）； 结构钢材料数据表(6 M-CR-120)（1994年12月第1次修订）； 表面处理和保护涂层(7 M-CR-501)（1996年1月第2次修订）； 阴极保护（8 M-CR-503）（1994年12月第1次修订）； 腐蚀监控设计(9 M-CR-505)（1994年12月第1次修订）； 管道的焊接与检验(10 M-CR-601)（1994年12月第1次修订）； 玻璃增强塑料管道材料(11 M-CR-621)（1994年12月第1次修订）； 管道材料数据表（12 M-CR-630）（1994年12月第1次修订）； 专用器材制造商资格(13 M-CR-650)（1994年12月第1次修订）； 完井设备用材料（14 M-CR-701）（1994年12月第1次修订）； 钻柱组件（15 M-CR-702）（1996年1月第1次修订）； 套管和油管材料（16 M-CR-703）（1996年1月第1次修订）； 非金属密封材料鉴定及制造商资格(M-CR-710)（第1次修订）。1.3 定义和缩略语ADS常压潜水服。Annulus（环空）生产套管与生产油管之间的环形空间。BOP防喷器。Casing（套管）尺可逐渐变小的管状钢导管，油井是通过套管钻成的。Casing Program （套管程序）一口井中下入的套管次序。普通套管程序为30”（地面导管）、20”（表层套管）、13-3/8”（生产套管）。层。套管）、13-3/8”（中间套管）和9-5/8”（生产套管）CDU化学药剂（或中央）分配装置。 Completion Guidebase （完井导向基座）装有生产管连接和输送管道连接的永久导向基座。Concentric Tubing Hanger （同心油管悬挂器） 中间为生产井筒、侧面为环空口的油管悬挂器。 COPS： 动力系统通信。 CRA 耐腐蚀合金。 DCS 分布式控制系统。 Drill Through Wellhead （钻穿井口）一种为泥线悬挂系统改装的水下井口，设有临时回接套管用的连接，以便用地面防喷器钻井以及之后用泥线采油树完井。DSV井下安全阀(见 SCSSV)。Dual Bore Tree （双筒采油树）一种设有生产筒和环空筒垂直通过采油树本体的水下采油树。EDU配电装置。EFAT扩展工厂验收试验。EFL电跨接管。EPU电力单元。ESD应急关断。ESP电潜泵。FAT工厂验收试验。Flowbase（出油基座）见“完井导向基座”。HCR高抗压溃（性）。HDM液压分配模块。Horizontal Tree （卧式采油树）一种生产筒和环空筒通过树侧水平分出、油管悬挂器位于采油树上部的水下采油树。HPU液压动力单元。Integral Valves （集成阀）由单一大“阀体”或锻件加工而成的阀门，构成水下采油树树体部分，不同于“螺栓固定”阀门。ISU综合功能脐带缆。IWOC安装和修井控制。JDT跨接管配置工具。LIM管道保温监控。LMRP下部海洋隔水管总成。一种与连接到采油树工作筒的小型防喷器类似的装置，用于在下放、回收或修理双筒采油树时紧急井控和解脱隔水管。Low Pressure Housing （低压井口头）焊接到地面导管（通常为30”）上部，用来装配井口的机加工锻钢壳体。Marine Riser （海洋隔水管）一种与浮式海上钻井船联合使用，用于引导钻柱以及在钻井船与水下防喷器之间循环钻井液的系统。MASCOT模块和地面计算机操作测试器。MCS主控站。MMI人机接口。Mono-Bore Tree （单筒采油树）一种生产井筒垂直通过采油树本体、环空筒从树侧引出的水下采油树。 Mudline Conversion System （泥线转换系统）一种可用转换泥线悬挂系统来接收泥线采油树的设备系统。Mudline Suspension System （泥线悬挂系统）位于使用地面防喷器钻成的海上井中、泥线或泥线以下的套管悬挂系统。Mudline Tree （泥线采油树）一种安装在泥线悬挂系统上的水下采油树。Mudline Wellhead （泥线井口）一种与泥线悬挂系统一起使用的水下井口。OS操作员工作站。Pack-Off（封隔）安装十套霄悬挂器中的密封系统，用来密封连续套管柱之间的环形空间。Permanent Guidebase （永久导向基座）(PGB) 一种连接到低压壳上的装配式钢结构，用于通过地面导向柱和导向绳将 设备导入和导到井口。 PLEM 管道终端管汇。 Production Casing （生产套管） 生产油管下放其中的最后一节套管。 Production Flowline （生产输送管道）用来从采油树向生产处理设施输送生产流体的管道。Production Platform （生产平台）本草甲“生产平台”是指接收和处理水下井生产流体的地面生产主设施。可能是固定式平台、自升式生产平台或者浮式结构物，例如：深吃水立柱式平台、半潜式平台、张力腿平台或浮式生产储油装置Production Riser （生产立管）用来从海底向地面生产处理设施输送生产流体的管道。Production String （生产管柱）见“生产油管”。Production Tubing （生产油管）从油层向采油树输送生产流体的油管。PVT压力、体积和温度。ROV遥控操作装置。SCM水下控制模块。SCMMB水下控制模块安装基座。SCMRT水下控制模块下放工具。SCSSV地面控制水下安全阀。Seal Assembly （密封总成）环空密封总成。见“封隔”部分。SEM水下电子装置模块。SFL钢跨接管。Side Valve Tree （旁阀采油树）见“卧式采油树”。Single Bore Tree （单筒采油树）一种生产井筒垂直通过采油树本体、环空筒从树侧引出的水下采油树。Single-BoreTM采油树Dril-Quip公司单简采油树。SIT系统联合试验。Subsea Production Manifold（水下生产管汇）安装在海底的装配式钢结构，用于生产集输、分配和控制。Subsea Production Template（水下生产基盘）用来支承多个水下井及一个结构上关联管道和控件的装配式钢结构。Subsea Tree（水下采油树）安装在水下井口上的采油树。Subsea Wellhead （水下井口）一种焊接在水下井表层套管上的机加工锻钢井口头，在钻井和采油过程中可将防喷器或水下采油树安装在上面，以控制油井和抑制井压Surface Conductor （表层导管） 一开钻井时为控制钻头方向安装的第一层套管（通常30”）。可通过锤入、 喷射或钻进方式下入。 Surface Tie-Back System （地面回接系统）一种由特殊连接器和套管组成的系统，用来将油井套管从泥线悬挂系统延伸到地面完井系统。TCU上部控制装置。Temporary Guidebase （临时导向基座） 中心设有一个开口和漏斗形导向承口的装配式钢结构，用于第一次开钻 时导入地面导管，或者钻入表层导管时控制钻头方向。 TEPU 测试电力单元(EPU)。 TFL（过输送管道） 一种专用修井系统，其专用工具将穿过生产输送管道沿牛产油管泵入Through-Bore Tree 一种生产井简垂直穿过采油树本体和采油树本体中油管悬挂器的水下（通钻采油树）采油树。Tree Connector（采油树连接器）设在采油树底座的机械装置，它通过一个液压或机械驱动器把采油树与井口连接起来。见“井口连接器”。Tree Mandrel（采油树工作筒）一种位于双筒水下采油树上部的机加工毂，用于连接采油树下放工具或下部隔水管总成和接通采油树孔。Tree Running Tool（采油树下放工具）一种特别设计的工具，用于将水下采油树下放到井口并驱动采油树连接器，同样也用于从井口移走采油树。对于双筒采油树，有时将该工具装到下部隔水管总成上。Tubing Hanger（油管悬挂器）井口系统组件，用来支撑井内生产油管，并将生产筒和环空筒与防喷器或水下采油树对齐。Tubing Head（油管头）该术语有时用于带油管悬挂器但不带套管悬挂器的井口。见“泥线井口”。Tubing Spool Adapter（油管短节异径接头）一种井口异径接头，用于：1）从一种剖面形式转换为另一种剖面形式；2)原表面损坏时提供一个新井口密封表面。TUTA上部脐带缆终端总成。TUTB上部脐带终端盒。UJB脐带缆接线盒。UPS：不间断电源。USV上部抽汲阀。UTA脐带缆终端总成。UTH脐带缆终端头。VSE阀门特征仿真器。Wellhead oConnectr（井口连接器）一种通过啮合和锁定井口剖面将其他设备连接到井口的机械装置。见“采油树连接器”。Wellhead Profile（井口剖面）井口上部的外部机加工剖面，为防喷器连接器或采油树连接器提供一个承载台肩和密封表面。2 水下生产设备2.1 引言 水下生产设备经使用证明可靠，而且其成本相对下降，所以石油行业开始承认，它是一套技术上可行且具有竞争力的油气田开发方案。此处所论述的水下生产设备包括水下井口、水下采油树、水下管汇、水下井口基盘及与此相关的辅助设备。 图2.1 -随着水下技术向更深水域的发展，出现了各种油气田开发方案 本书论述的重点是深水开发。“深水”一词的意义可随解释而变化，但是通常可假定，深水超出了当前饱和潜水技术的范围。目前，潜水员可潜入深度范围内的水下开发已很普遍，不再值得过多评论。本书中，我们假定深水是从超出饱和潜水范围但处于当代ADS设备可达范围内的水深开始，延伸至需要采取除人力修井以外的方法（如：遥控或ROV干预）的深度。水深范围大约为300m-2500m。注意：虽然勘探钻井活动继续向更深的水域推进，但是2000m-2500m几乎是目前完井作业的极限。2.2 水下井口2.2.1 水下井口的功能 从浮式钻井船钻探水下井或在水下完井需要安装一个水下井口。水下井口可实现以下几种目的： 支承水下防喷器(BOP)并在钻井过程中密封井套管； 支承和密封水下采油树； 支承和密封井套管； 支承和密封生产油管悬挂器。图2.2 -正在下放的典型防喷器组 在石油天然气钻井和生产作业过程中，水下井口与BOP或采油树共同提供安全控储 层压力的方法。水下井口很少承受实际地层压力，但如果钻井过程中出现失控井喷或者产 过程中主要压力封隔器破坏，则可承受此压力。使用的标准API额定压力值是5000psi、 10000psi、15000psi以及最近的20000psi。 水下井口还可用来回接至张力腿平台、深吃水立柱式平台或固定式平台（极少）上进行 地面完井。2.2.2 水下采油井口的类型 为方便论述，“水下井口”是指需在海床安装BOP的水下钻井应用中使用的某种特殊 井口。有时也称为海洋井口。水下井口通常用于从浮式钻井船钻井。 水下生产系统有时采用的另一种井口是泥线悬挂系统。通常来说，在自升式钻井船进行 钻井的过程中，泥线悬挂系统取决于地面防喷器的使用。 随着水下钻井和完井技术的进步，水下井口设计已得到发展。水下井口一般为下列尺寸 之一： 13-5/8in： 16-3/4in： 18-3/4in; 21-1/4in。 尺寸使用英寸标定井口的公称管径(ID)。目前最常见的是18-3/4in水下井口早期水 下钻井系统使用“双防喷器组”法，采用一个低压21-1/4in BOP开钻，采用一个高压 13-5/8in BOP完井。随着18-3/4in x 10000psi (10M) BOP的开发，可使用一个BOP把油 井钻至最终深度，因此18-3/4in x 10M井口成了标准。尽管制造商仍然提供10M型号，但 是井口额定压力值呈增大趋势，18-3/4in x 15M井口成为新标准。18-3/4in x 15M BOP并不 能通用，但15M井口可以与10M BOP连接器兼容。 传统钻井船使用的是16-3/4in水下井口系统。16-3/4in井口的优势是隔水管尺寸较小， 泥浆量较少。隔水管存储量减少，悬挂重量减轻，海流阻力减弱，泥浆系统减小。16-3/4in 井口系统在巴西应用相对比较普遍，可能是受到了他们的大量深水作业经验和现有设备应用 趋势影响的缘故。 井口制造商需要进一步研发以使当前井口和采油树内径更小。该技术将有助于减轻因更 深水作业造成的重量增加。为在小(16-3/4in)井眼内运用高额定压力设计，水下修井采油 树制造商正饱受压力。操作员可采用小井眼技术，先下放26in导管。2.2.3 井口连接器剖面 所有水下井口都有一个外部剖面，用来把机械连接和密封BOP或采油树连接到井口。 目前有大量剖面，而大多数制造商也都有各自的专有设计。Cameron“毂”和Vetco H4“工 作筒”剖面最常见。通过与竞争者达成的合作许可协议，井口制造商能够在限度内为客户适 当地提供具有不同剖面选择的井口。每个井口剖面都有一个特殊型式的金属垫片，按井口剖面标记着“AX”、“DX”、“VX”或“NX”。垫片为井口与防喷器连接器之间提供了密 封。这是油井与环境之间的最终阻挡层。图2.3-井口剖面。本图所示为两个最常见的外部井口剖面：上图为一个典型的VETCO H-4 （工作筒）剖面，下图为一个典型的Cameron（毂）剖面。同时标示了用于所有高度测量的界面特征（特别注明基准线）。 深水剖面现在变得越发常见。这是为更深水深可能遇到的更高弯曲载荷和拉伸载荷而研发的。Cameron已开发出双毂式剖面。该剖面极为独特，无论新深水连接器还是标准连接器，都可扣上剖面。ABB Vetco Gray还开发了一个深水剖面和井口。它与现有设计类似，但是，跟常规井口相比，井口壁厚和剖面外径更大，可提供更大的强度。2.2.4 油管短节异径接头 BOP上井口连接器必须与开发井井口相兼容。BOP井口连接器更换相对轻松，因此，作业者可指定井口类型和选择剖面，并考虑与其他现有井的相容性或其对完井设备的选择权。如果作业者希望完井采油树使用与井口不兼容的连接器，则可安装井口转换器。井口转换器被称为油管短节异径接头，由一个锻造短管组成，底部设有一个与现有井口配套的连接器，上部设有一个与采油树连接器剖面配套的剖面。这些转换器有时称为油管头异径接头。 如果现有井口密封表面损坏，则还可用油管短节异径接头来提供一个新井口密封表面。最终完成转为生产井的探井，这种情况并不少见。 而且，它们还可用来下放油管悬挂器，这常常是为了方便使用常规采油树。2.2.5 套管和油管悬挂器界面2.2.5.1 典型并套管程序 根据土壤条件，可使用一根42in或36in大导管开钻，使用基盘时可预安装一个大套筒。接着，通常安装一根常规30in导管。再者，可根据预期载荷安装一根1in、1-1/2in、2in或更大壁厚的导管。大多数水下井可通过打入、钻入或喷入“表层”导管开钻，将低压井口头连接到上部。然后通过此导管继续钻进油井。然后，通过它将连接20in/1 8-3/4in或类似大小套管的1 8-3/4in高压井口（井口头）下放到预钻孔，坐封到低压井口头后注水泥。然后，将水下防喷器组送到高压井口头并进行测试。继续钻进井眼，然后通过BOP和井口下放适当大小的套管。可选尺寸多种多样。最常见的尺寸如下：20in、18-3/4in、16-3/4in、13-3/8in、10-3/4in、9-5/8in和7in。将选定的套管悬挂在井口中，套管尺寸逐渐变小。大多井口可容纳3或4个悬挂器。需要更多套管时，可将之作为一个“尾管”悬挂在井深处。 因为油管悬挂器坐在卧式采油树中，而不像常规采油树一样坐在井口中，所以，跟常规采油树相比（通常需要井口系统），本章他处所述的卧式采油树能使井口系统少一个悬挂器。操作规程仍然是在“以防万一”井口中设置一个可用的额外悬挂器槽。可在井口上方增加油管悬挂器异径接头短节，以容纳油管悬挂器，而且，尽管罕见，但仍可容纳更多所需的套管。图2-10所示为一个安装有两个套管悬挂器的18-3/4in井口。大多井口限制为3或4个悬挂器。需要更多悬挂器时，可在井口下安装次级悬挂器。 井口的封隔或密封装置密封套管之间的环空。过去的封隔设计使用弹性密封。新设计采用金属对金属密封。某些情况下，通常为复合金属和合成橡胶密封，其设计保证弹性体可提供初始密封，变形时可迫使金属密封就位或“激活”。弹性体充当备用密封。 井口在泥线位置悬挂大部分套管重量。有些套管柱被锚定在油井深处。稍后安装生产油管时，将其悬挂在井口或油管悬挂器异径接头短节或上面采油树中。每种方法都将载荷传递至井口。 油井生产期间，作用于套管的热效应和压力效应可转换悬挂器载荷并沿井口向上传递。因此建议生产井锁定悬挂器。为简化油井的拆卸和废弃，再加上该锁定有时安装困难，有些“勘探”井口不适合用锁定。