水下生产系统选型影响因素研究

郑利军，段梦兰，刘军鹏，董衍辉

（1．中海油研究总院，北京100027；2．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249）

水下生产系统选型影响因素研究

郑利军1，段梦兰2，刘军鹏2，董衍辉2

（1．中海油研究总院，北京100027；2．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249）

设备选型是水下生产系统设计的关键技术。水下采油树分为立式和卧式2种，影响选型的因素有油藏条件、水下维护要求、水下压力等级、井口的数目、与之配合的装备类型、经济成本以及操作方的习惯。海床土壤特征及安装设备是确定水下管汇底部支撑结构的依据，水深、风浪流条件、离岸距离、地质地貌条件、油田规模和开发寿命、油藏分布与储量、油藏品质、地层压力等将影响到水下管汇井槽数、阀门的选择，以及未来管汇的详细设计。跨接管和连接器的选择是相辅相成的，根据安装难易、环境条件等确定跨接管的连接方式、材料、形状以及连接器的类型。

水下开采系统；设备；选择

水下采油树、水下管汇、水下处理设备以及将其连接在一起的连接设备等组成了水下生产系统［1－4］。随着海洋深水油气田的开发，水下生产系统的应用越来越多，2007—2012年，全世界的投资总额将达到＄346亿元。水下生产系统中设备种类繁多，但没有一种产品可以通用于不同的油气田，需要根据油田的环境参数进行单独的设计。设计之前需要对水下设备进行选型，主要依靠经验，关键是对影响因素要有深刻的了解。本文对水下生产系统选型的关键技术进行研究，可为海洋油气田开发的前期工作提供参考。

1 水下采油树

水下采油树由阀门、异径接头、油嘴及管路配件等组成，是一种用于生产控制的装置，并可为钢丝绳修井作业和连续油管修井作业提供条件，是海洋油气开发中水下生产系统的重要组成部分［5－6］。

按照安装方式，水下采油树可以分为立式采油树和卧式采油树。立式采油树的控制阀门和抽汲阀门在垂直方向上，且与井口的生产油管柱处于同一直线上，有1组提供进入套管和油管柱之间通道的环空翼阀。卧式采油树与立式采油树的主要区别为阀门相对于井口生产管柱的方向不同，采油树的控制阀门和抽汲阀门与生产油管柱孔保持垂直，油管悬挂器的顶部和底部环绕着侧向孔环向密封；其他方面与立式采油树有很多相同之处，例如油管悬挂器与采油树内部之间的配合和密封同于立式采油树中油管悬挂器坐落在油管头上的形式。在选择时可依据立式和卧式采油树的特点，如表1。

表1 立式采油树和卧式采油树特点对比

针对采油树整体结构及内部部件的选型，需考虑的主要因素有6点：

1） 油藏条件

首先应该确定该井的生产类型，例如产油、产气、产油和气或注水。不同的生产类型影响系统材料的选择、采油树的功能结构配置以及密封方式和等级的选择。目前常用的是产油采油树，产气采油树所需的技术复杂一些，注水采油树最简单。不同油田的油藏储量和开采期限都不同，因此在选用采油树时需要考虑到油藏储量和开采期限对采油树的影响，对于大规模的油藏储量以及开发时间较短的油田，可以选用口径比较大，生产能力比较强的采油树，开采期限也影响采油树的选择。同时，采油树的安装也是采油树选择的一个考虑因素，通常水平采油树安装需要37个安装工具，垂直采油树的安装需要24个安装工具，现在有一种AZ－10的采油树只需要5个安装工具。生产能力强的采油树相对于一般的采油树在体积方面要大一些，在安装船绞车起重能力不够的情况下，需要把采油树分成几个部分安装，这极大增加了采油树的安装时间和费用。在油藏规模不大、生产利润不高的情况下，尽量减少安装费用也是采油树选择的重要因素。

2） 水下维护

此问题主要涉及到生产流体的组成，是否含H2S、CO2及其含量的多少。这些直接影响到采油树阀门、零部件和密封元件材料的选择，材料选择的合适与否直接关系到采油树的制造成本。通常，材料成本约占整个采油树成本的25%。

3） 水下环境

压力主要指采油树内部和采油树外部的压力，采油树内部的压力又分关井时和正常作业时的压力。压力的影响主要涉及到材料的经济性以及密封设计的好坏。现有采油树的额定压力值有34．5MPa（5 000psi）、69MPa（10 000psi）、103．5 MPa（15 000psi），根据开采油田的压力值选择相应额定压力值的采油树。同时，各个油田的水下温度也不同，而不同类型的采油树及其部件，包括油嘴、套管和传感器所承受的温度各不相同。在选择采油树时，需要分别考虑海底的温度对油嘴、套管、传感器的影响。同时，采油树分为浅水采油树和深水采油树，相比于深水采油树，浅水采油树更为简单、模块也更小。现在国际上定义深水为超过500m的水深，全球各大采油树制造商也根据不同的水深，设计了不同类型的采油树，因此，可以根据海水的深度不同，选择不同的采油树。

4） 井口数目

油田开发可以选择卫星井开发和底盘井开发。确定选择何种方式开发受采油树总的数目、油藏分布、水深、油气集输存储方式影响。通常，在1个钻井中心周围分布有4个或以上的采油树采用底盘井开发更为经济。

5） 装备类型

装备主要指油气集输处理的平台装置，主要有固定式平台（自升式平台）和浮式装置。这些设备影响到采油树的安装和维修，所以装备不同，采油树的规格类型也不同。自升式平台、TLP、SPAR可以安装干式井口，半潜式平台、FPSO则可与湿式井口配合，油田的水深以及油藏的分布可决定采用装备的类型［7］。此外，从传统的海洋钻井模式可以看到装备还包括与采油树相接触的装置（主要包括海底立管、BOP、LRP等），这些装置坐落在采油树的上部，其质量直接影响到采油树所能承受的载荷，如果超过其最大载荷将引发事故。

6） 操作方习惯

操作方的习惯在采油树的类型规格选择上占有很大影响。操作方需要考虑的问题有：安装和维护的技术与投入、是否采用潜水员、是否采用特殊材料、金属和弹性体密封要求、总的经济成本。1套采油树系统的工程成本与远程控制采油树的数目、采油树冗余特性的多少、采油树所用的材料以及采用的密封等级等直接相关。

2 水下管汇

水下管汇是一种大型的由金属制造的设备，其主要由管道和阀门组成。水下管汇有效地为水下生产装备提供了一个“聚集点”和“分配点”，其用来将不同井口产出的油气集中经1条或多条单独的管线输送到浮式装置和对不同的井口进行注水、注气、注化学药剂以及井口维护工作。

管汇的选型主要针对槽数、底部支撑结构以及阀门，管道需要根据油田流体特征及开发要求专门设计。

2．1 底座支撑结构选择

常见的水下管汇支撑结构主要有防沉板、销桩或吸力锚等，如图1。不同的类型造价不同，对海底特征适应性也不同，在保证管汇系统安全稳定的前提下，选择适当的管汇底座将会有助于安装的顺利进行以及节约成本。海底地形的平坦程度、土壤特性、风浪流对海底土壤的冲刷都将影响整个管汇系统底座的选择，如表2。

图1 管汇底部主要支撑结构

表2 支撑结构主要选择依据

2．2 管汇槽数选择

管汇槽数与井口的数目及油田未来开发要求有关。油藏规模决定了井口的数目，在深水油气田开发中钻井的成本占总开发成本的一大部分，所以开发商以尽可能少钻井为原则进行油田开发。当油藏规模较大，可适当增加井口数目；当油藏规模较小或油藏分布较为分散则适当减少井口数目并使井口分布较为分散，可以考虑不使用管汇，井口采出的油气直接通过管线输送到储油装置。通常，管汇的设计寿命为20a，且设计时需要考虑寿命周期成本［8］，若油藏的规模不大导致开发的寿命不长，也不需采用管汇。确定井口数目后，需要对水下生产设施的布局进行设计，进而得到连接至同一管汇的井口数目，即井槽数目。

3 水下跨接管

水下设备的连接（采油树与管汇、管汇与PLET＼PLEM等）通过跨接管完成，跨接管按照其制造材料可分为刚性跨接管和柔性跨接管2类，主要特点对比如表3所示。

表3 刚性跨接管与柔性跨接管特点对比

刚性跨接管主要有“M”和“U”2种形式，另外还有“L或Z”型跨接管，其中垂直连接最为常用的是“U”和“M”型，水平连接使用“L”型和“Z”型。使用刚性跨接管连接海底设备时，根据所连接的海底设备的相对位置来决定选择的刚性跨接管的形式。另外，水平连接常采用膨胀弯，只有当水下设备都安装完毕，确定它们之间的距离之后，才能准确地判断出跨接管的尺寸及形式。倒“U”型和“M”型跨接管的特点对比如表4所示。

水平连接与垂直连接目前工业界均有成熟的技术，并且有紧急断开功能，其维修的难易程度也相同，进行选择时可依据如表5所示的因素［9］。

表4 倒“U”型和“M”型跨接管特点及适用性对比

表5 垂直与水平连接选择依据

4 水下连接器

在跨接管确定好连接形式后（垂直连接或水平连接），需要选择连接器将其与水下设备固定在一起。目前连接器有机械式连接器和液压式连接器2种，两者的区别在于安装时的动力来源不同。液压式连接器本身拥有液压元件，安装时只需ROV触动开关即可自动将连接器与液体承载设备密合。机械式连接器本身不具有液压元件，连接器的密合需要CAT（连接器起动工具）的协助，两者对比如表6所示。

表6 机械式连接器和液压式连接器对比

由于液压式连接器的安装省去了液压工具CAT的使用，所以可以降低安装成本，适用于数量较少的连接器的安装。但是，如果连接器数量较多，而每个连接器都配备液压元件，则会使成本大增，从而超过省去CAT而节约的成本。从液压式连接器的应用中也可以看出，其应用主要在于一些只需要单个或者数个连接器的使用中，而对于大量的跨接管和管汇的连接，不适用于自身带有液压部件的液压式连接器。

5 结论

1） 水下生产系统的选型是进行详细设计的关键技术，需要从业经验、对主要影响因素的理解与实际情况相结合。

2） 根据油藏规模、井口压力以及修井要求确定采油树是采用立式还是卧式。

3） 在深水中，通常采用吸力锚式的管汇底部支撑结构。

4） 在水下采油树和管汇、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，其结构形式由连接距离来决定。

5） 连接器的类型由连接形式来决定，目前机械式连接器是应用的主要趋势。

［1］ Thomas Bernt，Hydro，Endre Smedsrud．Ormen Lange Subsea Production System［C］．Houston：OTC，2007．

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［3］ 于芳芳，段梦兰，郭 宏，等．深水管汇设计方法及其在荔湾3－1气田中的应用［J］．石油矿场机械，2012，41（1）：24－29．

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Study of Influencing Factors on Subsea Production System Selection

ZHENG Li－jun1，DUAN Meng－lan2，LIU Jun－peng2，DONG Yan－hui2
（1．CNOOC Research Institute，Beijing100027，China；2．Offshore Oil／Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Facility selection is a key technology for subsea production system design．Based on the different characteristics，Christmas tree can be divided into horizontal tree and vertical tree．There are several factors that effects trees’selection：reservoir conditions，subsea maintenance requirements，subsea conditions，the number of wells，associated with the type of floaters，economic cost and operator’s habit．Seabed soil characteristics and installation facilities play an important role on the selection of manifold support bottom．Some factors，such as marine environment，reservoir conditions，design life，etc．affect the number of manifold slot，valve selection，the detailed design of the manifold piping as well．Jumper and connector selection are complementary．Connection style，material，jumper shape and connector style can be determined according to the installation，environment condition，and other factors．

underwater production system；equipment；selection

book=31,ebook=31

TE952

：A

1001－3482（2012）06－0067－05

2011－12－23

国家科技重大专项“水下生产技术”（2011ZX05026－003）

郑利军（1976－），男，辽宁东港人，工程师，硕士，2000年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，现从事水下生产系统相关设计研究。