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1、海上生产系统在油气集输中的应用摘 要 水下生产系统是一种将全部或部分油气集输设备放置于海底 ,低成本开发海洋石油的先进方法对这一方法的研究在我国仅是近几年的事情。本文根据我 国海洋油 田的具体情况提出了多种开发边际油田的方案,可供设计、生产部门参考。关健词海洋油气 水下生产系统 油气集输前 言随着世界对石油需求量的不断增加,海洋石油工业得到了迅猛的发展 ,海洋石油开发技术也有了很大的进步。人们对石油资源的注意力也由浅海逐步移 向深海和某些小油田 、边际油田。海洋平台也从最初岸边浅水区的木制平台发展到中、深水压的钢结构平台,乃至深水区的浮式平台。为了开发边际油田,降低开发费用 ,尽力回收资金,出
2、现了浮式早期开发 系统平台上的采油树移到了海底,并从海底卫星井采油树发展到了多井海底采油系统,该系统将从海底井采出来的原油通过集油管汇和采油立管输送到水面设施。采油系统从海面移向海底已经成为一种发展趋势。对边际油田以及那些储量低的小油 田来说 ,海底采油系统的应用更为重要和有效,尤其对深水区油田更是如此。水下采油集输系统即水下生产系统的应用 ,将把全部或部分油气集输设备放置海底 ,这就避免了使用固定式或永久浮动式平台来支持整个系统,同时也就避免了平台建造成本可能高于所开采的石油价值这一矛盾 ,这使得低成本开发边际油田成为可能其次 ,水下生产系统的应用还在一定程度上,可以缩短施工建设时间 同时,
3、由于省却了平台操作人员,也就较多地节省了生产管理操作费用此外 ,由于生产设备置于海底 ,可避免恶劣气候和海况对生产造成的诸如关井停产的损失,使生产的连续性、安全性好 生产效率提高 。也正是 由于生产设备置于海底 ,采用水下泵输送生产液 ,使油层的天然能量减少了水深段的损失,从而提高了最终采收率,延长了油田的生产寿命,提高了总的开发效率。正 是由于上列种种优势 ,水下生产系统越来越得到世界石油界的高度重视 ,近十多年来得到了迅速的发展 ,已成为当今海洋油气开发的一项极有生命力的新的生产技术。而我国从1992年开始在水下生产系统的研究上也有了一个良好的开端。海上油气生产工程系统构成海洋石油工程建设
4、的目的是为油气田生产提供必要的生产设施，主要有海上生产设施、油气储运设施及陆地终端三个部分。本文只研究海上生产设施部分内容。海上生产设施是指建立在海上的建筑物。由于海上设施是用于海底油气开采工作，加上海洋水深及海况的差异、油气藏类型和储量的不同、开采年限不一，因此海上生产平台类型众多。基本上可分为海上固定式生产设施（导管架式平台、重力式平台和人工岛以及顺应塔型平台）、浮式生产设施（潜式平台、TLP、SPAR及FPSO等）、水下生产设施等三大类。（1）固定平台生产系统是当前广泛采用的开采方式。它以近海建造栈桥、浅海构筑人工岛和开阔海区建造各类固定平台为基础，用基本与陆地油田相似的工艺和设备开采海
5、上油田。（2）浮式生产系统是发展较快的新采油方式。它以半潜式平台或改装的大型油轮等移动式浮体为主体，处理和集输来自海底井的油气。浮式生产系统的出现，不仅加快了海上油气田的建设速度，形成了称为“早期生产系统”的概念，而且还因为开发费用低，回收投资快，使过去用固定平台开发不经济的边际油田资源也能够被开发利用。（3）水下生产系统目前主要是水下完井系统。水下完井已在海上油田的早期生产系统、油田边缘卫星井、探井生产以及建造固定平台不经济的小油田开发等方面得到应用。尽管这种生产系统目前大多数适于固定平台和浮式装置结合使用，而且是浮式生产系统必不可少的组成部分，但它已经形成了独立的生产系统。三种生产系统各有
6、其特点及适用条件，在选用时应根据本油田的具体情况，按照投资少的原则，综合考虑各种因素，对每种生产系统进行可行性研究，经过对比分析，最后筛选出一种至几种单一的或综合的较为有效的方案。固定平台生产系统是指该系统中的主要设备平台，固定于海底，对其产生支承压力的生产系统。该生产系统是世界上使用最早而且较为广泛的一种生产系统。在固定平台上用来开采海上油气田的各种工艺流程(如注水、注气、油气水处理等)和设备基本上与陆上油田相似。固定平台生产系统经过近四十年的使用，根据固定平台型式的不同，已经发展成以下几种主要形式的生产系统：刚性平台生产系统：1、 桩基式平台生产系统;2、 重力式平台生产系统;3、 混合式
7、平台生产系统。柔性平台生产系统：主要为绷绳塔式平台生产系统。海上油气生产系统海上油气田开发具有高投入、高风险、高科技、高收益等特点，选择合适的生产设施和生产技术是减少海上油气生产投入的关键。为此，世界各大石油公司研制开发了适合不同海域、不同海况和不同产量的海上生产系统。本章主要就海上油气生产系统的模式、平台型式、上部组块、水下生产系统和油气输送系统进行阐述，对海上油气生产系统的总体概况进行介绍。第一节 开发模式要进行海上油气的开发，必须有井口系统、生产、辅助系统，还必须有钻井、安全和生活方面的系统，如何合理布置这些系统就要根据油气田的特性、规模、地理位置和海洋环境的具体情况而定，一般布置可分为
8、全海式和半海半陆式两大类。一、 全海式海上油气田开发生产模式全海式就是将开采和生产处理的全过程都在海上完成，经处理的合格原油由海上用穿梭油轮外输或管道外输。固定式生产设施、浮式生产设施和水下生产设施的不同组合形成了海上油气田全海式生产模式。国内全海式油气田的几种组合形式：1.井口平台+中心处理平台+储油平台及输油码头（渤海的第一个海上油田埕北油田）2.井口平台+浮式生产储油轮（FPSO），由海底管线和电缆相连（涠州10-3，绥中36-1，惠州油田群等油田）3.水下井口+浮式生产系统 由海底管线相连（如南海流花11-1油田，陆丰22-1油田）4.自升式平台+漂浮软管+两点系泊的FSO二、 半海半
9、陆式海上油气田的开发生产模式半海半陆模式由海上生产设施、陆上处理设施（陆上终端）和连接它们的海底管线组成。在海上平台（井口平台、中心处理平台）上，将井流物在平台上计量并作简单处理后，用海底管线将油气集中输送到陆上终端做进一步的处理。陆上终端对原油进行处理、储存和外输。天然气和伴生气分离成为干气和其他深加工原料（如液化气和轻油），再经管线或汽、火车向外运输（如锦州20-2油气田）。采取此形式开采的油气田一般距海岸较近，尤其是气田的开发及在具有较多的伴生气可以利用时。由于气体的净化、分离等设施较复杂，占地面积多，且危险性也比较大，在海上建气体处理平台造价远高于海管的铺设和在陆上建处理厂，所以从经济
10、和安全的考虑，半海半陆式是最合适的模式。第二节 主要平台形式海洋平台主要是用于海洋石油勘探、开发，由于海洋水深和其他海况相差悬殊，因此海洋平台也设计成很多种，以更好的适应具体环境。依据其结构形式的不同，将其分为：导管架平台、重力式平台、顺应塔式平台、自升式平台、半潜式平台、张力腿平台、浮式柱状海洋平台（以下称为SPAR）以及FPSO等八种，如上图所示。一、 导管架平台导管架平台是通过打桩的方法将钢质导管架式平台固定于海底的一种固定式平台。导管架平台是最早使用的，也是目前技术最成熟的一种海上平台。迄今为止世界上建成的大、中型导管架式海洋平台已超过2000座。导管架平台主要由三部分组成：上部模块、
11、导管架和桩基础。导管架平台的技术特点：1）导管架平台主要由杆件组成。各杆件相交处形成了杆结点结构，由于结点的几何形状复杂并受焊接影响，故其应力集中系数很高，容易发生各种形式的破坏。对杆节点的校核是导管架分析的重要环节，API等规范对管节点的设计都有明确要求。2）导管架是刚性结构，是靠自身的结构刚性来抵制外部载荷的，一般要求导管架不能随着波浪的冲击而大幅摆动。所以当水深越深时，要达到结构要求的刚性，必须增加材料，以致成本会成几何级数增长。所以，导管架结构不适合在较深的海域。3）随着工程技术水平的发展，导管架形式越来越多。4）导管架平台的分析计算一般包括就位、装船、运输、吊装、地震、疲劳等，需根据
12、这一系列工况的分析和计算，最终确定结构形式及构件尺寸。5）导管架的形式很大程度上取决于当地的运输及海上安装能力及设备。如海上吊装能力足够大，则导管架设计成吊装下水形式；如吊装能力不够，则导管架必须设计成滑移下水形式，需要专用的带滑道的下水驳船。导管架平台的优点：1）技术成熟、可靠；2）在浅海和中深海区使用较为经济，尤其在浅海的边际油田，导管架平台有较强的成本优势；3）海上作业平稳、安全。导管架平台的缺点：1）随着水深的增加，导管架平台的造价成指数级增长，所以不能继续向深水发展，一般适用于水深200米以内的油气田；2）海上安装工作量大，制造和安装周期长；3）当油田预测产量发生变化时，对油田开发方
13、案调整的灵活性较差。二、 半潜式平台半潜式生产平台是用于深海钻井及采油的一种平台型式，最初由半潜式钻井平台改造而成，由于其非常适合深水开发，现在的半潜式生产平台一般为新建平台，主要集中在墨西哥湾、北海和巴西海域，最深水深将达到2414米。半潜式平台一般选择适用的水下生产系统，并利用FPSO觧决原油的贮运问题。除常规的动力系统和公用系统外，半潜式生产平台包括：船体和甲板系统、锚泊定位系统、生产系统和立管等，综合生产平台可能还有钻完井系统。三、 张力腿平台张力腿平台是一种垂直系泊的顺应式平台。1954年，美国的R.O.Marsh率先提出了采用倾斜系泊索群固定的张力腿平台方案。1984年，Conoc
14、o公司在北海148米水深的Hutton油田安装了世界上第一座张力腿平台。在此后20多年中，张力腿平台得到飞速发展，在建和在役的张力腿平台共有23座，大部分在墨西哥湾，最深工作水深达1425米。张力腿平台通常简称TLP，它由上部设施、甲板、柱型船体、浮筒、张力腿构成，船体通过由钢管组成的张力腿与固定于海底的锚桩相连。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。根据张力腿平台结构形式进化的阶段，大致可以将它们分为第一代张力腿平台和第二代张力腿平台。第一代张力腿平台又称为传统类型的张力腿平台，这种平台一般由46根立柱和连接立柱的浮筒组成。张力腿与立柱的数量关系一般是一一对应的
15、，每条张力腿由2至4根张力筋腱组成，上端固定在平台本体上，下端与海底基座模板相连，或是直接接连在桩基顶端。第二代张力腿平台出现于20世纪90年代初期，它在保持了传统类型张力腿平台优良的稳定性和良好的经济效益同时，同时又降低了建造成本，使张力腿平台更适合于深海环境。可分为三大系列：- Atlantia公司的SeaStar系列单柱式张力腿平台；- MODEC公司的Moses系列张力腿平台；- ABB公司的延伸式张力腿平台（ETLP）。虽然张力腿平台种类、形式繁多，但总体上仍可将其按结构分成五部分：平台上部结构、立柱（含横撑、斜撑）、浮体（含沉箱）、张力腿、锚固基础。平台上部结构是指TLP底甲板以上
16、的部分，其上设有生产、生活设备和设施。张力腿平台的系泊方式一般采用垂直系泊的张力腿系统。张力腿系泊系统不仅控制着平台与井口的相对位置，还对其安全性起着决定性的作用。张力腿平台的系泊系统主要由两部分组成：- 张力腿（Tendon）：张力腿一般是由空心钢管构成，直径从610毫米到1100毫米不等，厚度在20毫米到35毫米。- 锚固基础（Anchor foundation）：锚固基础是张力腿平台的另一个重要部分，起着固定平台、精确定位的作用。其类型主要有打入桩基础、重力式基础、吸力锚基础等三种形式。其中打入桩基础是目前使用最广泛最具可靠性的基础形式。张力腿平台的优点：1）可采用干式采油树，钻井、完井、修井等作业和井口操作简单，且便于维修；2）就位状态稳定，浮体几乎没有升沉、横摇和纵摇运动；3）完全在水面以上作业，采油操作费用低
