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1、海上油气开采工程与生产系统中海工业有限公司第一章 海上油气开采工程概述海底油气资源的存在是海洋石油工业得以发展的前提。海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%，全球海洋石油蕴藏量约1000多亿吨，其中已探明的储量约为380亿吨。世界对海上石油寄予厚望，目前全球已有100多个国家在进行海上石油勘探，其中对深海进行勘探的有50多个国家。一、 海上油气开采历史进程、现状和将来一个多世纪以来，世界海洋油气开发经历如下几个阶段： 早期阶段：1887年1947年。1887年在墨西哥湾架起了第一个木质采油井架，揭开了人类开发海洋石油的序幕。到1947年的60年间，全世界只有少数几个滩海油田，大多是结构简单
2、的木质平台，技术落后和成本高昂困扰着海洋石油的开发。起步阶段：1947年1973年。1947年是海洋石油开发的划时代开端，美国在墨西哥湾成功地建造了世界上第一个钢制固定平台。此后钢平台很快就取代了木结构平台，并在钻井设备上取得突破性进展。到20世纪70年代初，海上石油开采已遍及世界各大洋。发展阶段：1973年至今。1973年全球石油价格猛涨，进一步推进了海洋石油开发的历史进程，特别是为了应对恶劣环境的北海和深水油气开发的需要，人们不断采用更先进的海工技术，建造能够抵御更大风浪并适用于深水的海洋平台，如张力腿平台（TLP）、浮式圆柱型平台（SPAR）等。海洋石油开发从此进入大规模开发阶段，近20
3、年中，海洋原油产量的比重在世界总产油量中增加了倍。进军深海是近年来世界海洋石油开发的主要技术趋势之一。二、 海上油气开采流程海上油气田开采可划分为勘探评价、前期研究、工程建设、油气生产和设施弃置五个阶段：勘探评价阶段：在第一口探井有油气发现后，油气田就进入勘探评价阶段，这时开发方面的人员就开始了解该油气田情况，开展预可行性研究，将今后开发所需要的资料要求，包括销售对油气样品的要求，提交勘探人员。前期研究阶段：一般情况，在勘探部门提交储量报告后，才进人前期研究阶段。前期研究阶段主要完成预可行性研究、可行性研究和总体开发方案(ODP)。前期研究阶段也将决定油气田开发基础，方案的优化是最能提高油气田
4、经济效益的手段。因此，在可行性研究和总体开发方案 ( ODP ）上都要组织专家进行审查，并得到石油公司高级管理层的批准。工程建设阶段：在工程建设阶段，油藏、钻完井和海洋工程方面的主要工作是成立各自的项目组，建立有效的组织结构和管理体系，组织基本设计编写并实施，对工程质量、进度、费用、安全进行全过程的管理和控制，使之达到方案的要求。油藏项目组主要进行随钻分析和井位、井数等方面调整；钻完井项目组密切与油藏项目组配合进行钻井、完井方案的实施；海洋工程项目组负海上生产设施的建造；生产方面的人员也会提前介入，并进行投产方面的准备。生产阶段：生产阶段在油气田开发过程中延续的时间最长，从油气田投产开始，直至
5、油气井废弃为止。该阶段由于平台到处有油、气的存在，操作人员除进行正常的设施操作和维护外还需要经常配合钻完井方面人员进行钻井、完井、修井等方面的作业，有时还要配合地面工程设施的改造，因此，安全工作尤为重要。弃置阶段：海上油气生产设施的退役和拆除是海上油气田开发的组成部分和最后一个工作环节。设施废弃处置，不仅涉及拆除技术、费用，而且涉及海洋环境的保护。油气田设施弃置不仅要遵守国内有关法律、法规，而且需要履行国际公约所承担的义务。三、 海上油气开采工程系统构成海洋石油工程建设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。1. 海上生产设施海上生产设施是指
6、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。2. 油气储运设施海上油田原油的储存和运输，基本上有两种：储油设施安装在海上，采用运输油轮将原油直接运往用户；或利用安装海底输油管道将原油从海上输送到岸上的中转储油库，然后再用其他运输方式运往用户。海上气田的气一般采用海底长输管线进行外输到岸上终端，然后再用其他运输方式运往用户。3. 陆地终
7、端陆上终端是建造在陆地上，通过海底管线接收和处理海上油气田或油气田群开采出来的油、气、水或其混合物的油气初加工厂，是海上终端的延伸。它一般设有原油或轻油脱水与稳定、天然气脱水、轻烃回收和污水处理以及原油、轻油、液化石油气储运等生产设施，并有供热、供排水、供变电、通讯等配套的辅助设施与生活设施。因此它具有大规模集中处理和储存油气，几乎不受气候影响的优点。第二章 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
8、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
9、+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
10、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
11、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、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
12、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
13、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
14、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，Conoco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
15、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，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： - Atlan
16、tia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
