摘 要

近年来，随着陆上石油资源的勘探工作已接近尾声，深海油气资源的开发已经成为世界海洋资源开发的热点，我国的石油资源勘探则以南海和渤海诸油田为典型代表。为满足油田水深日益增加的要求，在众多海底采油方案中水下生产系统的概念成为国内外海洋工程界研究的热点。

本文主要分四个部分对水下生产系统的采油方案进行介绍，并重点针对水下生产系统的总体布局和结构与设备的设计进行初步的分析与讨论。

1、水下生产系统总体设计。针对目标油田的石油储量、井口数量、井口分布情况等因素，综合考虑油田开发周期内不同阶段的需要，在满足作业要求和安全的同时最大限度简化水下生产设施，使开采周期内经济效益最大化。在设计初期还需要考虑将来扩大生产的需求，选择合理的总体系统布局。

2、水下结构与设备的设计与安装。对水下生产系统的主要结构与设备：井口装置、水下采油树、水下观汇、跨接管、脐带缆、多相流泵进行设计。同时解决水下生产系统的流动保障问题。水下生产系统的安装，通过现有工程经验，设计水下生产系统的安装方案，包括井口装置、水下采油树、管汇的安装等。提出系统的运行维护与保养计划。

3、水下生产系统控制系统设计。水下生产系统控制系统的功能是实时监测生产设备、水下采油树、井口的工作状况并实时调整工作参数，对异常情况进行监控、报警并采取相应的解决措施；同时还应能将控制命令传输到相应的设备，实现对水下生产系统工作过程的控制。对水下控制系统的设计主要包括:主控站设计方法、电力单元和调制解调器设计方法、液力动力单元设计、脐带缆设计方法。

关键词：海底采油；水下生产系统；总体布局；水下控制；水下安装

Abstract

In recent years, with the continuous increase of energy consumption in the world, the development of deep-sea oil and gas resources has become the focus of the development of the world's marine resources, and China is represented by the South China Sea and Bohai oil fields. In order to meet the increasing demand for oilfield water depth, the concept of underwater production system has become a hot topic in the marine engineering community at home and abroad in many subsea oil recovery schemes.

This article mainly introduces the oil production scheme of subsea production system in four parts, and mainly analyzes and discusses the overall layout, structure and equipment design of underwater production system.

1 The overall design of underwater production system. Based on factors such as oil reserves, wellheads, wellhead distribution, and other factors in the target oil fields, the needs of different stages in the oilfield development cycle are comprehensively considered, and the underwater production facilities are simpli?ed at the same time to meet operational requirements and safety, so that the economic benefits in the extraction cycle are maximized. Change. In the initial stage of design, it is also necessary to consider the need for future expansion of production and choose a reasonable overall system layout.

2 Underwater structure and equipment design and installation. The main structure and equipment of the underwater production system: wellhead device, subsea tree, underwater view, crossover tube, umbilical, multiphase flow pump design. At the same time solve the problem of flow assurance for underwater production systems. Installation of underwater production systems, through the existing engineering experience, designing installation schemes for subsea production systems, including wellhead installations, subsea tree production, and manifold installation. Put forward the system operation maintenance and maintenance plan.

3 Underwater control system design. The function of the underwater control system is to monitor the working status of the production system and the subsea wellhead in real time and adjust the production parameters, monitor and alarm the abnormal situation, and take corresponding measures; at the same time, the control command should be transmitted to the corresponding equipment. Realize the control of the working process of underwater production systems. The design of the underwater control system mainly includes: master station design method, power supply unit and modem design method, hydraulic power unit design method, umbilical cable upper terminal and underwater distribution terminal design method, umbilical cable design method, underwater control Module design method.

Key Words：Subsea oil production; Subsea production system; Subsea control; Subsea installation

目录

摘要 3

Abstract 4

1.绪论 1

1.1研究背景与国内外研究现状 1

1.2几种典型的海底采油系统介绍 4

1.2.1海底支撑型采油平台 4

1.2.2浮动式深海采油平台 6

2.水下生产系统总体布局设计 9

2.1水下生产系统的布局类型 9

2.1.1丛井式 9

2.1.3卫星井式 10

2.1.4链接式 10

2.2水下生产系统总体布置方案 10

2.2.1目标油田的选择 10

2.2.2三种水下生产系统拟采用方案 11

2.3卫星式与中心管汇的布置方案设计 15

2.3.1井口和中心管汇布置原则 15

2.3.2 SDU的布置 15

2.3.3跨接点和跨越方式 16

2.4本章小结 16

3.水下生产系统主要组成部分设计及安装 17

3.1采油树系统设计 17

3.2水下管汇 18

3.2.1水下管汇的选择标准 19

3.2.2管汇生产管道设计 19

3.2.3管汇结构设计 21

3.2.4基础结构设计 21

3.3.水下生产系统的安装 22

3.3.1水下生产系统的安装 22

3.3.2安装船和拖轮 23

3.3.3安装船的要求和选择 23

3.3.4安装定位 24

3.4本章小结 25

4.水下生产系统控制系统设计 26

4.1主控站设计 27

4.2电力单元与调节器设计 27

4.3液压动力单元设计 28

4.4脐带缆 29

4.2.1脐带缆结构设计 29

4.2.2脐带缆布局设计 32

4.5本章小结 33

参考文献 34

总结 35

致谢 36

1.绪论

1.1研究背景与国内外研究现状

自上世纪五十年代开始，全球的化石能源消耗持续快速增长。目前在可再生资源领域的一系列新方案和新发明仅仅一定程度上减少了矿物燃料的消耗，但矿物燃料（煤、石油、天然气）仍占世界总能源消耗的78%。最近几年，人们对石油和天然气需求越来越大，这导致原油价格快速上涨。石油占总矿物燃料消耗很高，因此石油的生产对世界能源的稳定意义重大。海洋石油资源的勘探和开发具有高投入、开发周期长、但高回报的特点。在高油价刺激下，石油企业纷纷将目光转向目前探明程度很低的海洋。近年来世界经济对能源的依赖，迫使人们将更多的注意力投向海洋油气产业。最近些年全球大型油田的勘探表明，陆上油气资源已日渐枯竭，50%～80%的新增探明石油储量均源于海洋，其中又有一半处于水深在300m以上的深海^[1]。

水下生产系统作为近些年广泛采用的海洋石油生产方式，是一种将全部或部分油气集输设备放置于海底的开发海洋石油的模式。该模式通过水下井口，海底的水下生产设施、海底管汇将从海底采出的油、气、水多相或单相流体回接到附近水面依托设施、岸上终端油气处理厂。由于处在海底，水下生产系统不会像水面生产系统（桩基式、重力式等海洋支撑型平台或张力腿平台、Spar、FPSO等浮动生产系统）那样受到海洋风浪流和海水深的影响。同时，水下生产系统的建设费用对水深的变化不敏感，在深水海域使用水下生产系统有它的成本优势。

中国南海深水海域中已探明有大量的石油资源。目前勘探结果表明，海南岛周围形成了北部湾盆地、莺歌盆地、琼东盆地和珠江盆地4个储油构造，海南大陆架蕴藏着极其丰富的海洋油气资源^[19]，有着广阔的深海油气开发前景。南海深海水域开采油田面临的是海水深度和低温高压环境及由此带来的船体、钻井系统、水下生产系统、系泊装置、立管系统及流动保障设施等一系列技术难题。水下生产系统组成如下图1.1所示。我国南海夏季有频繁的台风,冬季季风不断,具有大浪强风环境特征，所以在南海的深水石油开发工程项目中，选择适合其海洋环境特点及作业需要的生产开发模式尤为重要。

图1.1 水下生产系统组成图

目前国内外处于对于水下生产系统研究的初始阶段。陈家庆总结了当前水下生产系统的出现和蓬勃发展主要是基于以下几个方面的原因:提高采收率的需要、解决油气田中高含水问题的需要、保障流体输送的需要、深水或边际油田经济效益的需要。同时对对实施水下生产系统的部分共性问题进行简单分析评述。这些共性问题是：海底井口装置的选用问题、海底产出物的海底前处理问题、海底流体输送过程中的流动保障问题、施工设计标准问题^[2]。

李丽娜，刘飞等人总结了目前水下生产系统布置模式中比较常见的有五种模式及其叙述适用范围。五种控制模式分别为：（１）单卫星井回接到附近水下或水面处理设施；（２）管汇和丛式卫星井；（3）集中式基盘管汇；（４）管串式；（５）综合开发模式^[3]-[6]。

张理，李丽娜概括了五种基本控制系统，包括：（１）直接液压控制系统；（２）先导液压控制系统；（３）顺序液压控制系统；（４）电液混合控制系统；（５）全电控制系统。指出了目前水下开发采用的主要是电液混合控制系统，实质上是水下控制设备通过通信系统接收指令控制电磁换向阀的运动。同时，张理归纳了水下控制系统的主要系统，主控站、电力单元和调制解调器、液力动力单元、脐带缆上部终端和水下分配终端、脐带缆设计、水下控制模块设计方法^[7],[8]。

李丽娜提出设计原则为水下生产系统工程方案的设计应综合考虑油气田开发周期内各阶段的需要，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，且在设计初期就需要考虑将来扩大生产的需求^[4]。

林影炼，胡茂宏等人提出了水下生产系统研究中的重要技术，这些重要的关键技术分别为深水油田水下生产设施标准温度确定方法与控制方法、深水油田水下生产设施化学添加剂的选用，控制设备通信方式的选择、深水油气田海管汇和立管形式的选择、深水油田管汇设计与安装方法选择。针对这些关键技术,文章结合番禺35－2/35－1气田水下生产系统的实际情况提出了详细优化意见，并提出了其他情况下关键技术的应用原则^[9]。

陈家庆提出了油气井产出物的海底处理是研制开发水下生产系统的关键问题,而海底多相流的增压泵送和分离则是海底处理技术中的基础。具体分为以下四类:水下多相流泵的增压系统、水下气-液分离和液体增压泵送系统、水下产出水分离和回注系统、水下湿气压缩系统。文章列举了3种已经商业化运行阶段的多相流增压泵，分别介绍其设备特点。同时围绕海底气-液分离技术和液-液分离技术进行介绍^[10]。另外，传统的流动保障技术原理是抑制水合物质的形成，随着海水深度和运输管道长度的增加，水合物抑制成本将大幅度增加，而新型“冷流”或 “水合流”流动保障技术^[11]允许水合物部分生成，将生成的水合物以固体形式进行运输。对于海底处理技术，梅洛洛总结了当前深水多想分离技术面对的主要难题：深水环境压力高和温度低。并介绍了七套目前已经实际投入使用的水下分离系统，并进行对比^[10]。Statoil公司位于挪威北海Trall油田的水下分离与注水系统（SUSIUE）于2000年投产，是世界上第１个水下分离与注水系统^[12]。

张妹妍,刘培林对水下生产系统的发展趋势进行了研究，作者提出了目前水下生产系统的发展趋势，一是：为了满足将来深海油田开发的需要,在风险允许的前提下对海底分离技术进行根本性的变革很有必要。将不同类型的分离器串联起来工作是当前最具创新性的新方案,例如静电强化型重力分离和管式液体分离系统。二是：水下气体压缩是一种能带来明显利润的革命性技术,将该项技术应用于水下,必须对其进行适当简化,这样才能确保该系统在使用期限内具备成本低和操作高的特点^[14]。

王长涛，姜瑛等人对水下生存系统深水海管水下清管试压技术进行了研究介绍了基于水上支持设备和水下支持设备的两种水下清管试压技术，对这两种技术的优缺点进行了对比后笔者认为水下支持设备技术是水下清管技术的发展趋势。笔者介绍了清管试压水下方案的两种关键设备：水下注水撬和水下试压撬。文章介绍了清管试验水下方案关键步骤管线充水／清管和管线试压的详细过程^[15]。

左信，胡意茹介绍了目前水下生产系统广泛采用的电力载波通信技术，电力线载波通信技术的定义是采用电力线路传输数据的一种通信方式，该技术将载有控制信号的高频信号加载到电力线上，用电力线进行数据传送，通过专用的电力线调制／解调器将高频信号从电力线上分离出来，传送到终端工作设备^[16]。

对于水下生产系统的管汇布置，程兵，李清平介绍了三种布置方式方式，单井回接：通过1至2根流动管线，将单个卫星井连接到已有的丛式管汇或者生产平台进行油气生产。菊花链式：将多个分散井分别每个独立连接到海底管道中，再通过海底管道逐个串联后回接现有设施。基盘管汇：多井口共用一个基盘和管汇，即井口装置和管汇安装在同一基盘上。各种布置的特点为基盘式和丛式井都需要用到管汇，单井回接和菊花链式也可能会回接到管汇上，由此可见管汇的布置，是海底布置的重要环节^[17]。

对于水下生产系统在中国南海深水海域油气田开发中应用与即将面对的挑战，刘太元，霍成总结了水下生产系统在深水油气田开发中的应用，并介绍了未来将呈现出的发展趋势。水下生产及海底处理系统的作用将不断加强。电液复合控制方式向全电式控制方式发展、海底生产系统电力向海底高压交直流电力方向发展，原来位于海面的大型电力设备开始出现在海底安装应用^[13]。刘总结了水下控制系统呈现出新的发展趋势为通讯接口的标准化程度越来越高，通讯带宽要求越来越大，光纤逐渐取代电力载波系统成为水下信号传输方式。提出了南海海域的特点对我国海洋油气田开发中应用水下生产系统的挑战，这些特点包括南海海域台风相比其他海域较为频繁，南海现有的内孤立波对海上油气勘探开发所带来的影响、南海海域环境条件复杂等^[4]。

水下生产系统可以预留多个接口远的井口可以进行开发，但是其产出物中含水份和其他杂质在长距离的输送过程中面临流动保障的困难，引起结蜡、水合物等问题；在油气田作业过程中，管道中流体压力和温度变化较明显，会导致其采收率发生变化，而通过水下增压技术则可以使油气田的寿命大大延长，从而提高收益^[18],[19]。

基于以上现状，文章结合目前我国南海油藏勘探情况，选择目标海域应用水下生产系统进行海底采油。针对已选油藏的环境特点，对水下生产系统进行合理布局，设计水下生产装置及控制系统，提出水下生产系统的安装、运行管理、维护保养方案。

1.2几种典型的海底采油系统介绍

采油系统又称生产平台，是指专门从事海上油、气等生产性的开采、处理、监控、测量、储藏等作业的平台，有的是单个平台，也可以是油几个不同用途的平台用引桥相连，组成的生产平台群。按结构形式的不同，采油平台可分为海底支撑型和浮动式平台。海底支撑型平台包括桩基式、重力式、牵索塔式等；浮动式平台包括张力腿平台、单柱平台（Spar）、浮式生产储油系统（FPSO）、半潜式平台等。

1.2.1海底支撑型采油平台

钢质桩基导管架平台。导管架平台是由打入海底的桩柱支承整个平台，用钢桩固定于海底。钢桩穿过导管打入海底，并由若干根导管组合成导管架。上甲板平台设置于导管架的顶部，它高于作业的波高，以免波浪的冲击到甲板的底部。上甲板上布置油气钻采设备及辅助工具、动力装置、泥浆循环净化设备、人员的工作与生活舱室和直升机平台等上层建筑模块。导管架水平支撑的层数根据其长细比的要求而定。在冰区作业的平台，应尽量在水线区域（潮差段）减少或不设支撑。以免冰块堆积。20世纪70年代中到90年代初是导管架平台技术发展比较迅速的时期。在这段时间里，导管架平台的作业水深不断被刷新：1975年，导管架平台的最大作业水深达到了144m；1976年埃克森石油公司在圣巴巴海峡260m的水深安装了导管架平台；1978年。壳牌石油公司在路易斯安娜州以南的墨西哥湾312m水深处又安装了导管架平台。1991年，壳牌公司又在412m的水深安装导管架平台。迄今，该平台仍然保持着传统形式导管架平台作业水深的最高纪录。

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