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超深水
ISO13628_1
<
610
610~1830
>
1830
美国_墨西哥湾
400
400~1300
1300
北海/大西洋(英国/挪威)
300
300~2000
2000
巴西/西非
400~1000
1000
表1_海洋工程界深水定义标准
水深是一个相对的概念,深水这一概念将随着技术的不断发展而发生变化。
1.1_深水开发模式
对于开发模式的选择而言,应根据实际水深的应用情况来做出相应判断,目前全世界有三种开发模式,一种是刚性开发模式,一种是柔性开发模式,还有一种是混合开发模式。
开发模式跟油藏和油的品质密切相关,像刚性开发模式适用于油藏比较深,或者区块比较大,储量比较多,叫整装油田。
而柔性开发模式,适用于油藏比较浅,它的可控制范围比较大。
这两种系统除了油藏的地质性质之外,还有一个储藏的性质,比如说油的品质比较好,含硫量少,对井的干涉不频繁,不需要频繁修井,这样的话便适用于柔性开发模式;
而如果某个油田的含蜡量高或者含硫量高,就要经常修井,此时便要用刚性开发模式。
对于混合开发模式,可以简单理解为把以上两种开发模式的优点组合下,相对来讲比较复杂,此处便不多介绍。
柔性开发系统又根据所选平台和立管的不同,分为湿采油树+海底生产系统+柔性立管+浮式平台或者是湿采油树+海底生产系统+海底管线+固定式平台,以下分别对柔性开发系统的各个装备做出介绍。
2海底生产系统及其关键技术介绍
水下生产系统包括油井、井口头、采油树、接入出油管系统和控制油井的操纵设备。
在水下的系统中,井口头和采油树都在海底。
因此,水下生产系统就不会像在水上的生产系统(如刚性平台)那样受到海面风浪流和水深的影响。
但另一方面,水下生产系统不能直接进行操作(如钻井,必须通过移动的钻井单元进行),操控也必须通过脐带缆远程控制,持续地操作显然比平台式生产系统复杂得多。
2.1湿采油树
2.1.1采油树的类型
主要分为干采油树和湿采油树。
两者区别在于:
干式安装在平台上(早期有些采油树安装在水下采用密封舱与海水隔离也称为干式采油树),一般适用于浅水,价格便宜,结构和控制系统都比较简单;
湿式采油树安装在海底,适用于深水或者不方便安装采油平台的区域,比如航道、军事管制区等,价格为干式采油树的几十倍,结构和控制系统比较复杂,采用大量的安装工具,对安全可靠性要求极高,比如一些关键阀门的操作会采用液动、电动、ROV手动操作多种方式。
采油树是位于通向油井顶端开口处的一个组件,它包括用来测量和维修的阀门、安全系统和一系列监视器械。
它连接了来自井下的生产管道和出油管,同时作为油井顶端和外部环境隔绝开的重要屏障。
采油树还包括许多可以用来调节或阻止所产原油蒸汽、天然气和液体从井内涌出的阀门。
采油树是通过海底管道连接到生产管汇系统的。
2.1.2采油树的设计
在进行采油树的设计时需要考虑采油树所采用的材料、所承载的工作压力和外载荷以及泄露等问题。
采油树在服务期内的温度范围是2℃~120℃,在这个温度范围内的采油树都可以正常使用。
超过这个温度范围,采油树就要重新进行设计。
2.2管汇系统
2.2.1管汇系统的组成
水下生产系统的管汇由管子和阀门组成,用来分配、控制管理石油和天然气的流动。
管汇安装在海底井群之间,主要是把油或气集合起来输送到井口。
管汇系统的主要功能:
1)为生产管道、海底管道和油井之间提供一个界面;
2)将油气集合起来输送出去;
3)分配电和水压系统;
4)支持翼型管汇枢纽、管道枢纽和脐带管枢纽;
5)支持和保护所有的管道和阀门系统;
6)在安装和恢复过程中为管汇模块提供一个支撑点;
7)在ROV操作过程中,给ROV提供一个支撑平台。
管汇和油井在结构上是完全独立的,油井和出油管道通过跨接管与管汇相连。
管汇系统由管汇、管汇支撑结构和基础结构组成。
管汇由管子、阀门、控制模块、流动仪表等组成。
管汇支撑结构是管汇和基础结构之间的交界部分。
2.3跨接管
2.3.1跨接管的形式
在水下油气生产系统中,跨接管是一个较短的管状连接元件,主要用来在采油树和管汇、管汇和管汇等之间输油。
除输油外,跨接管也可用来向油井注入水和气。
典型的跨接管在管子的两头分别有一个终端连接器。
如果管子是刚性的,跨接管叫做刚性跨接管,如果管子是柔性的就叫做柔性跨接管。
在海底采油树和管汇、管汇和管汇等之间的跨接管基本上是刚性管,它们通常水平地放置在海底。
当水下的硬件设备都安装完毕,它们之间的距离就确定下来。
这时就可以精确地制造跨接管。
柔性跨接管主要由两个终端接头以及接头之间的柔性管组成。
柔性管主要用于输送油气外,也可用于分离船体的刚性隔离管和FPSO的隔离管。
2.4脐带缆
在脐带缆设计中最主要考虑其疲劳问题,另外还需考虑弯曲刚度,以及涡激振动和涡致运动所带来的疲劳破坏。
通常设计是由脐带缆供应商承担,但一些石油公司同时还要求第三方对设计进行校核。
设计和设计校核时除考虑上述问题外,还需考虑动力学分析及安装等问题。
脐带缆的疲劳损伤主要是由轴向应力(RA)、弯曲应力(RB)和摩擦应力(RF)3种应力共同作用的结果。
3钻井平台及其关键技术介绍
3.1半潜式钻井平台
3.1.1半潜式钻井平台技术特征
半潜式钻井平台主要由浮体、立柱和工作平台三大部分组成。
浮体提供半潜式钻井平台的大部分浮力,立柱用于连接工作平台和浮体,支撑工作平台。
工作平台即上部结构,用于布置钻井设备、钻井器材、起吊设备、直升式平台、安全救生、人员生活设施以及动力、通讯和导航等设备。
半潜式钻井平台深海水域能充分显示出它的优越性,特别是在采用动力定位系统后,现代深水半潜式钻井平台一般为四支柱型或六支柱型,工作平台一般呈矩形,下图即为半潜式钻井平台。
图1半潜式钻井平台
深水半潜式钻井平台的可变载荷是衡量钻井平台性能的重要指标,优化平台设计,应用高强度钢、甚高强度钢技术,减轻平台自重,可增加可变载荷,以适应更大的工作水深和远海深钻。
3.1.2半潜式钻井平台技术研究
随着海上勘探开发向深水发展,对深水半潜平台的设计技术提出了更高的要求,如:
更加恶劣的海况、解决稳性与可变载荷的平衡矛盾、使平台结构更趋合理简洁、减少焊接缺陷和疲劳裂纹、采用高强度钢以减轻自重、设备材料的选择、建造成本的控制、提高可变载荷量、水动力性能和运动性能预报、强度和疲劳评估等技术研究,使得对深水半潜平台的设计更优化,以趋向最佳。
半潜式钻井平台技术研究的主要关键技术内容:
(l)半潜式钻井平台优化设计。
(2)钻井系统及设备配套技术研究。
(3)半潜式钻井平台控制系统集成技术研究。
(4)半潜式钻井平台定位技术研究。
(5)半潜式钻井平台建造技术研究。
3.2浮式钻井船
3.2.1浮式钻井船技术特征
钻井船是用于海上钻井目的的船形浮式装置。
浮式钻井船的“船井”开设在船体中央,使之在纵横摇的摇摆近中心处。
浮式钻井船设有锚泊定位或动力定位系统。
水深超过50Om的大都采用动力定位。
浮式钻井船是所有钻井装置中机动性最好的,移运灵活,停泊较简单,适应水深范围较广泛,一般从20m一5000m乃至更深,特别适用深水钻井。
与半潜式钻井平台相比,浮式钻井船更偏重于超深水作业。
浮式钻井船钻井深度最大达到了11430m,与半潜式钻井平台一样配置了先进、可靠、安全的钻井设备。
3.2.2浮式钻井船技术研究
它的缺点是受风浪影响大,稳定性差,摇摆度大,作业海况限制了钻井的正常作业,钻井作业性能是最差的,解决浮式钻井船在高海况恶劣环境条件下的耐波性能、提高减摇性能是浮式钻井船技术研究中的关键问题之一。
浮式钻井船技术研究的主要关键技术内容:
(l)浮式钻井船总体优化设计。
(3)浮式钻井船控制系统集成技术研究。
(4)浮式钻井船高海况耐波性能研究。
(5)浮式钻井船建造技术研究。
4生产平台及其关键技术介绍
4.1张力腿平台
4.1.1张力腿平台技术特征
张力腿平台(TensionLegPlatfo~TLP)是一种垂直系泊的浮式平台,是深水顺应
式平台的一种典型型式。
张力腿平台是半潜式平台的延拓,通过张紧缆索(tether)或张力键(tendon)将浮式半潜平台结构系于海底,其合理的适用水深在15Om至2000m深海海域。
张力腿平台通常由平台上体、浮体、张力腿、上部设施组块、顶张力井口立管、悬链式立管(外输/输入)和锚桩基础构成,船体通过由钢管组成的张力腿与固定于海底的锚桩相连(详见图2)。
船体的浮力使得张力腿始终处于张紧状态,从而使平台保持垂直方向的稳定。
张力腿平台自由浮动时的稳定性较好。
平台的浮力由立柱和位图2张力腿平台
于水面以下的浮箱提供。
浮箱首尾与两个立柱相连形成环状结构。
由于位于水面以下较深处,所以浮箱受表面波浪力的影响较小。
海底基座模板相连,或是直接接
连在桩基顶端。
采油井位于平台本体的中部,可以支持采油干树系统,生产立管通过采油井,上与生产设备相接,下与海底油井相接。
4.1.2张力腿平台技术研究
TLP动力响应问题在TLP设计中非常重要,运动性能的优劣会直接影响到TLP的设计型式以及结构用钢量等,张力腿平台动力响应分析技术包括:
波频响应即由于波浪直接作用在平台上而产生的一阶运动响应;
低频响应即由于波浪慢漂力及风力引起的纵荡、横荡、首摇三个共振响应高频响应一由于高阶波浪效应引起平台共振响应。
张力腿平台系索问题也是张力腿设计的关键技术问题之一,主要在系索的形式、安装、受力分析以及可靠性等方面的分析研究。
张力腿平台是海上深水和超深水进行海洋油气勘探开发可与海工设施灵活组合,是方便于油气处理及外输的主要钻井平台型式之一。
张力腿平台技术研究的主要关键技术内容:
(l)张力腿平台总体优化设计。
(2)张力腿平台泊系统技术研究。
(3)张力腿平台动力响应分析研究。
(4)张力腿平台油气处理外输形式研究。
(5)张力腿平台建造技术研究。
4.2柱状式平台
4.2.1柱状式平台技术特征
柱状式平台(SparPlatform)概念是从张力腿平台发展而来的,主要特点:
主体吃水很深,水线面相对较小,在系泊系统和主体浮力控制的作用下,6个自由度上的运动的固有频率都远离常见的海洋能量集中频率范围,从而有效减少波浪引起的平台垂荡,显示了良好的运动性能;
柱体底部装有压载使得平台的重心低于浮心,以保证平台的稳性和垂向稳定,减少纵摇;
平台中部侧面布置锚链等锚泊系统以锚泊在海底,从而减少平台的纵荡和垂荡。
与其他深海平台相比,spar平台的系泊图3SPar平台
系统投资成本降低一半左右。
现代SPar平台的主体为垂直悬浮于水中的立柱体或组合主体,主要由顶部甲板模块、主体结构、系泊系统和立管系统四个系统组成。
主体上部一般为封闭结构,提供平台整体浮力;
底部为压载,降低平台重心,因而能保证无条件稳定性和较好的垂向运动性能,适合干采油树(DryTree)和顶端张紧立管(TopTensionedRiser,TTR)的使用。
Spar平台使用刚性悬链线立管(SteelCatenRiser,SCR)通过海底采油装置(SubSea)进行油气的开采,同时利用SCR或柔性立管通过海底管网系统将油气送往岸上处理,也有一些SPar平台利用穿梭油轮或者与附近的FPSO等平台联合进行油气的处理和输出。
SPar平台主体的中央部分均有一个方形的中心井,其内部的水域与外界连通,装有支撑TTR的浮力罐及其支撑架等系统。
现代SPar平台的系泊系统一般采用多根半张紧的悬链线系泊缆,导缆器则通常位于重心附近,海底处一般使用抓力锚或者吸力锚基。
4.2.2柱状式平台技术研究
Spar平台运动响应分析技术研究主要考虑垂荡运动、纵荡/横荡、纵摇/横摇、首摇和涡激振荡。
系泊系统设计分析主要研究涡激振动对系泊系统的影响。
Spar平台的疲劳强度分析主要集中在关键节点上,这些节点主要包括顶部模块同Spar筒体间的连接等,这些节点对设计要求来说,具有较短的疲劳寿命。
Spar平台与海底管道立管及浮筒相互作用设计分析技术。
SPar平台在运输以及建造安装过程中的安装技术问题也需要加以研究。
Spar平台技术研究的主要关键技术内容:
(l)Spar平台总体优化设计。
(2)Spar平台系泊系统技术研究。
(3)Spar平台动力响应分析研究。
(4)SPar平台理论研究与模型试验技术。
(5)spar平台建造、安装技术研究。
4.3浮式生产储卸油装置
4.3.1浮式生产储卸油装置技术特征
FPSO即浮式生产储卸油装置。
FPSO由锚系到海底的大型油轮型驳船构成,通常与井口平台或海底采油系统组成一个完整的采油、原油处理、储油和卸油系统。
其作业原理是:
通过海底输油管线接受从其他海上设施的海底油井中收集采出的原油,并在船上应用油气处理设备进行处理、注水或注气,然后储存原油在货油舱内,最后通过尾卸载系统输往穿梭油船
FPSO主要包括系泊系统、船体部分、油生产设备、尾卸载系统等几个部分。
系泊系统:
这种系统可以有一个或多个锚点,一根或多根立管,一只浮式或固定式浮筒,一座转塔或扼架,主要用于将FPSO系泊于作业油田。
船体部分:
这部分既可以按特定要求新建,也可以用油船或驳船改装。
生产设备:
主要是采油设备和储油设备,以及油、气、水分离设备等。
尾卸载系统:
包括卷缆绞车、软管绞车等,用于连接和固定穿梭油船,并将FPSO储存的原油卸入穿梭油船。
4.3.2浮式生产储卸油装置技术研究
FPSO关键技术主要包括系泊系统、外输油系统、生产工艺系统及船体系统。
随着国际海洋工程装备市场的不断发展及向深海油田发展,针对深水超大型FPSO,除了考虑FPSO的结构强度与疲劳强度外,还要考虑船体极限强度要求。
浮式生产储卸油装置技术研究的主要关键技术内容:
(1)浮式生产储卸油装置总体优化设计。
(2)浮式生产储卸油装置系泊系统技术研究。
(3)浮式生产储卸油装置外输系统技术研究。
(4)浮式生产储卸油装置油气处理系统技术研究。
(5)浮式生产储卸油装置钻井系统技术研究。
5立管系统及其关键技术介绍
立管系统是连接水下部分和水面部分的通道,是海上油气田开发的重要组成部分,尤其在深水开发中起着关键作用。
随着水深的不断增加,深水开发的技术装备也不断面临新的挑战,海洋平台不断发展,与此同时也对连接海底管线和平台的立管系统也提出了不同的要求。
本文主要介绍钢悬链线立管(SCR)和组合立管(HRT)。
5.1组合立管(HRT)
5.1.1_设计概念
混合立管塔(HybridRiserTower)是基于BHOR(bundlehybridoffsetriser)概念设计。
BHOR的设计概念是:
基于钢混合立管概念;
自站立式装配结构;
多个立管成束配置,集成在一个较大的壳体内;
水面和水下配置都考虑到减小立管塔对波浪的动态响应以及持续数天的拖航操作工况。
5.1.2_结构组成及特点
其结构上部为一个张紧的浮筒,下部通过重力锚固定于海床上。
管束主体部分(BMS)通过各种机械柔性节点连接到海床基础,如同张力腿平台的张力键一样,这种配置可以在有限的刚度范围内允许容纳较小角度管束的移动;
浮筒罐和立管塔上段部分采用同样的方式连接。
浮筒罐是一个独立结构,在立管主体扶正就位、固定在基础上后安装。
管束和浮筒罐的制造是相互独立的。
中央张紧部分(TS)作为整个立管的主结构传输上部浮筒和下部基础件的张力。
当需要绝热保温时,可采用双层生产管道结构(PIP)并可附带用于气体举升的注气线。
立管塔的显著特点是在深水油气田浮式生产平台应用时具有非常低的在役疲劳破坏;
但是在从制造码头到现场的拖航过程中,过长的拖航距离可能影响允许疲劳破坏。
立管塔系统除了具有较低的在役疲劳破坏外,较高的绝热性能以及可容纳更多立管和脐带缆的能力,都要优于传统的立管系统。
在安装立管塔前,不需要FPSO事先在位,可提前安装立管塔,缩短了当FPSO在位时第1口井投产的时间,提高了油气田开发的效率。
水面拖航时管束漂浮在水面,通过首尾拖拉控制一定的张力。
这个方法要求要有充分的准备工作,安装设备和海上操作。
该方法的缺点是塔式结构直接暴露在波浪荷载中,容易引起高应力的疲劳破坏,故在操作时,需要限制拖航时间和距离。
5.1.3立管的设计通常需考虑下列因素:
(1)_生产流速,流体载荷,船体运动,环境载荷,水面结构的张紧要求,热(绝热)性能,疲劳,油田结构拥挤情况,系统扩容能力和其他系统的接口等。
(2)_立管安装所需船只,安装的复杂性和制造的复杂性。
(3)_有无潜水员干预操作,检测和维修,未来扩容的需要,钻/修井船接口,立管锚链系统的接口以及维护等。
(4)_安全性和可靠性。
(5)_商业投资成本和操作成本。
5.2钢悬链线立管(SCR)
5.2.1设计概念
钢悬链线立管(SteelCatenaryRisers,SCR)是近年来国内外发展起来的一种新型深水立管系统。
钢悬链线立管不仅成本低,对浮体运动有较大的适应性,且适用于高温高压工作环境。
钢悬链线立管集海底管线与立管于一身,一端连接井口,另一端连接浮式结构,无须海底应力接头或柔性接头的连接,大大降低了水下施工量和难度。
它与平台的连接是通过柔性接头自由悬挂在平台外侧,无需液压气动张紧装置和跨接软管,节省了大量的平台空间。
因此,与柔性立管和顶张力立管相比,钢悬链线立管的成本低,无需顶张力补偿,对浮体漂移和升沉运动的容度大,适用于高温高压介质环境。
这些特点使得钢悬链线立管取代了柔性立管和顶张力立管而成为深水油气资源开发的首选立管系统。
为了适应不同水深的需要,钢悬链线立管的概念被不断地发展和延伸,已经出现了4种基本形式的钢悬链线立管,简单悬链线立管、浮力波或缓波悬链线立管、陡波悬链线立管和L型立管。
其中的缓波和陡波立管是为了减小立管的顶部张力而设计的,其隆起部分是由浮力来实现的,因此它们的适用水深比简单悬链线立管更深③。
图4钢悬链线立管的基本形式
5.2.2SCR的关键技术
(1)浮体运动的影响
钢悬链线立管主要用于浮式结构与海底井口的连接,而浮式结构在风浪流的作用下,往往会产生较大的运动响应。
这些响应主要包括一阶高频(波浪频率)响应和二阶低频(波浪的差频)响应,它们构成了浮体水平运动(Surge,Sway)的主要部分,以及升沉运动。
浮体的一阶运动是关于平衡位置的振荡,其幅度小频率高,引起立管顶部低应力疲劳循环,构成立管顶部高周疲劳损伤的主体。
浮体的二阶慢漂(slowdrift)运动由2部分组成,一部分是风和流引起的大幅度的漂移,另一部分是波浪引起的小幅度振荡。
前者引起触地点的改变,后者将引起触地点的高应力疲劳循环,尽管触地点的应力较小,但应力的
累积也将造成低周疲劳损伤。
浮体的升沉运动也引起触地点的疲劳损伤。
(2)与海底相互作用
钢悬链线立管随浮体运动时,其流线段将与海底发生相互作用。
它是影响触地点疲劳循环的最重要参数。
在管线的反复作用下,海底将形成沟槽,沟槽的宽度一般为2~3倍的管径,沟槽深度一般为0.5~1倍的管径(见图9)。
海底沟槽的形成对钢悬链线立管的出平面运动有较大影响,当暴风和流迫使浮体发生大幅度漂移时,流线段的拔出和出平面运动将受到沟槽的阻力作用,引起立管局部应力增大,当悬链线处于绷紧状态、立管张力较大时,沟槽的影响尤为严重。
(3)疲劳损伤与寿命预测
疲劳寿命是钢悬链线立管设计的控制参数,其影响因素之多,使得疲劳寿命预测问题成为钢悬链线立管设计的难点。
已经研究认定的影响因素有:
波浪力、流、浮体的一阶响应、二阶响应和升沉运动。
这些影响因素引起钢悬链线立管不同位置的疲劳损伤,因此,钢悬链线立管的疲劳损伤分为两大类:
浪致振动疲劳和涡激振动疲劳。
浪致振动主要造成立管顶部疲劳损伤,损伤的性质是低应力循环的高周疲劳损伤,其影响因素包括:
一阶波浪力、浮体的一阶和二阶运动以及柔性接头的刚度等。
6结论
本文对柔性开发系统的几个关键装备如海底生产系统、钻井平台、生产平台、立管做出了简要介绍,并且指出了各自的关键技术,通过对柔性开发系统的综合介绍,为今后深水开发做出进一步研究分析提供参考。
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