水下生产系统-课件

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二、采油树
采油树的连接装置： 主要是用来连接采油树和井口头，同时也把采油树和井口 头进行定位。
把采油树的底端通过连 接器与井口头连接
内部结构
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二、采油树
采油树的设计 在进行采油树的设计时需要考虑采油树所承载 的工作压力、采油树所采用的材料、泄露问题、 采油树所承受的外载荷等问题。 采油树在服务期内的温度范围是在2 °C到120 °C之间，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。
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一、概述
从1961年第一口水下井口在美国应用以来，随着各种新技术的应 用，水下生产系统应用水深越来越深，到目前为止，已投产最深 采油树达到2714m（美国墨西哥湾 Independence Hub凝析气田， 2007年7月投产）；回接距离最长的气田回接距离达到143公里 （挪威北海Snøhvit一期，水深250-345m，2007年8月21日天然气 上岸）。目前国外对于3000m水深以内的水下生产系统设计、建 造、安装技术已经比较成熟，且已在西非、墨西哥湾、北海等海 域经过了大量工程项目的实践检验。 中国是世界上最早发现和使用石油和天然气的国家。历史上记载， 中国带领世界开始从技术上进行天然气和食盐的探索。但是我国 深水油气田开发起步较晚，目前水下生产系统在应用方面缺乏经 验，这一现状影响了我国深海油气资源的开发。开展水下生产技 术的研究对我国适应未来深水油气田的经济开发是十分及时和必 要的。
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三、管汇
1、密封或连接立管系统 2、产油线 3、注水线 4、油井测试线 5、连接注水线 6、连接采油树 7、连接采油树 8、清管阀
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三、管汇
管汇的形式
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三、管汇
管汇系统的主要功能： 管汇系统的主要功能： 为生产管道、海底管道和油井之间提供一个界面； 将产品都集合起来运输出去：从各个独立的分油井中 将流体都集中起来，再把产出的油运输出去，同时注 入气体，化学物质； 分配电和水压系统； 支持翼型管汇枢纽、管道枢纽和脐带管枢纽； 支持和保护所有的管道和阀门系统； 在安装和恢复过程中为管汇模块提供一个支撑点； 在ROV(远程作业机器人)操作过程中，给ROV提供一 个支撑平台。
通过压力对管子的压力的计算，就可以对管汇系统的钢 框架进行设计。
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三、管汇
主要的连接的目的是保证管子内部密封，对于深水，所有 的密封试验，水压应该是双向的。下面主要介绍连接方式：
夹具连接的套筒 螺栓连接的法兰的横断面
一组筒夹连接装置
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三、管汇
连接器的设计： 连接器的设计： 应该主要考虑水深、连接的位置、安装方法。此外连接器的 选择和设计也受以下因素影响：
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一、概述
生产系统
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一、概述
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一、概述
水下生产系统的花费基本上不随水深变化。但 是刚性平台的花费是随着水深的增加而增加的， 因此对于深水多趋向于使用水下生产系统。但 是对于给定水深和位置，平台的费用受井口数 目的影响较小，使用平台钻井就会相对便宜。 使用移动钻井单元进行钻井增加了钻井的费用。 因此，在井口数目比较少的情况下多使用水下 生产系统。
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二、采油树
采油树的安装 油管悬挂器 主要是提供结构 支撑同时把油管钻具和环空 油管、相应的采油树和油管 的运行孔紧密地连接，当锁 定在相应位置，就把油管和 生产环空套管封闭。它也能 提供一个连续的交换方式或 者是控制电力转换、井口传 感器和其他装置。控制线到 安全阀和其他设备都在设计 范围内。
水下生产系统概述
主讲人：王玮
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主要内容
一、概述 二、采油树 三、管汇 四、跨接管 五、脐带缆 六、井口头
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一、概述
近年来，随着经济的不断发展，世界各国对于油气资源的需求越 来越大。随着陆上油气资源的日益枯竭，各个国家纷纷将目光移 向了海洋。水下生产系统以其显著的技术优势、可观的经济效益 得到各大石油公司的广泛关注和应用。 使用水下生产技术可以避免建造昂贵的海上采油平台，从而节省 大量建设投资，而且水下生产系统受灾害天气影响较小，可靠性 强，因此成为开采深水油气田的关键设施之一，在世界各地的深 水油气田开发中得到了广泛的应用。水下生产系统是经济、高效 开发边际油田、深海油田的关键技术之一，目前水下生产系统基 本部分如水下采油井口、管汇及控制系统等相关设施在国外已较 为成熟。水下增压泵在一定水深扬程范围内日趋成熟；2007年， 挪威国家石油公司水下分离器第一次商业性应用，是水下处理工 艺领域的一个重大里程碑；2011年，在挪威的Asgard油田将有可 能建成第一套商用水下湿气压缩系统。
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Vertical Tree
Horizontal Tree
二、采油树
设计载荷
在相关阶段所应用的载荷都可以影响采油树系统，比如像制造、存储、 测试、运输、安装、操作等，应该为设计制定标准。 偶然载荷应该为实际应用由风险分析确定，偶然载荷包括掉落的物体， 如渔船的锚等，突发异常的环境载荷比如地震等。
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主要内容
一、概述 二、采油树 三、管汇 四、跨接管 五、脐带缆 六、井口头
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三、管汇
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，如图所示。从管汇终端到一些大 型的结构如水下加工系统都属于管汇。因此， 有许多种类型的管汇。管汇系统和采油井是相 互独立的，采油井和海底管道通过跨接管与管 汇系统相连接。管汇系统主要由管汇主体、支 撑结构和基础组成。
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三、管汇
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组成。管汇是由管子、 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。
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三、管汇
管汇的部件： 管汇的部件：
部件主要有阀门、节流阀、与海底管道的相连的毂，安装 多相仪表模块的毂，在整个使用期内用来操纵的水压和电 线，可获得的节流阀模块，水下控制模块和多相仪表模块。
阀门： 阀门：
阀门的选择主要由应用范围决定。门阀一般应用于BOP组 件、采油树和管汇。球阀在水下使用中，从操作和价钱角 度要优于门阀。由于球阀目前使用非金属的密封和涂料， 使得球阀的应用水深更深。 门阀应用尺寸要比球阀的小，球阀的应用尺寸在10英寸或 者更大的范围。
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三、管汇
管汇系统的设计和分析 管汇系统的设计主要有钢框架的设计、连接结构的设计、连接器 的设计、起重装置、控制系统、阴极保护(CP)、管子设计等。 下面主要阐述钢框架的结构设计。 钢框架的壁厚所承受的压力用下面的公式进行计算
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二、采油树
材料和腐蚀保护：
采油树中使用的材料应满足API 17D 和 API 6A ，并且被 使用者所认可。 材料首先在市场上要有比较好的口碑，服务比较好。 材料的种类应该尽量少。 另外应该根据设备的需求使用相应的材料。 进行材料测试的环境应该尽量与实际材料应用的环境相近。 应该考虑腐蚀检测。 不同材料对在外部和内部环境的响应不同。
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一、概述
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， 水下生产系统就不像在水面处的生产系统，如 刚性平台甚至是张力腿平台（TLP）那样受到 海平面状况和水深的影响。但另一方面，水下 生产系统不能直接的进行操作，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，持续地操作就比平台式的生产 系统复杂地多。
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二、采油树
采油树的主要功能： 采油树的主要功能
把流体从井中输入到海底管道(生产型采油树)或者把水和 气注入到海底(注入型采油树) 通过控制系统指挥，阀门关闭，保证流体的输送或者注入 都能够安全地停止。 能够向井或海底管道中注入一些保护性流体(防腐剂) 如果需要可以注入流体关闭采油井。 可以释放完井时的多余压力。 在安装和生产过程中可以允许直接进入环空管或者套管。 采油树和其他井口设备的连接非常紧密。
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二、采油树
单孔采油树Mono Bore Tree 单孔采油树 单孔采油树主要使用在浅水区域， 单孔采油树和传统的双孔采油 树类似，只是单孔采油树在安 装采油树和油管悬挂器时使用 的立管系统更简单。
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二、采油树
二者区别： 1.垂直采油树的阀门垂直 地放置在油管悬挂器的顶 端，而水平采油树的水平 阀门是在出油管处。 2. 垂直采油树向下钻孔是 通过水压或者电压从采油 树的底部到油管悬挂器的 顶端。水平采油树向下钻 孔是通过油管悬挂器旁边 的辐射状的贯入器。 3.垂直采油树的油管和油 管悬挂器在采油树之前安 装，而水平采油树的油管 和油管悬挂器则在采油树 之后安装。
水平采油树的油管 悬挂器
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二、采油树
悬挂器可以是滑动的或者是心轴形式。滑动形式的悬挂器 用齿固定在油管上，由于油管的重量施加在悬挂器上，齿 和油管咬合，滑动型悬挂器拉住下部的锥体的后面，产生 向内的力。夹紧的压力随着管子的重量的增加而增加。 心轴形悬挂器通过连接最后的接头和底部悬挂的线而放置 在油管上，通过螺丝固定。
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二、采油树
采油树类型 采油树主要有两种类型：一种为传统型也称作直立型 的，另一种为水平型的，水平型的采油树从1992年以 后开始普遍应用。这两种类型的采油树都包括一个在 钻井后能牢固地附着在油井顶端井口构架中的卷线筒， 还包括由阀门组成的阀门组，阀门组主要用来在测试 和闭井时调节出井油量。此外，油嘴对出井油量也可 进行调节。水平型采油树由阀门放置的位置而得名， 除此之外，水平采油树的油管悬挂器是安装在采油树 上而不是安装在井口头上。另外，由于水平采油树的 顶端设计使防喷器（BOP）可以直接安装在采油树上。 目前，甚至已经普遍认为水平型是唯一用于海底的采 油树类型。
下面是采油树和相关元件需要考虑的载荷：
立管和ＢＯＰ载荷(Riser and BOP loads); 连接海底管道的载荷(Flowline connection loads); 清理采油树、脐带缆和海底管道的载荷; 热应力 包括捕油器，元件膨胀和管线的膨胀等; 吊装载荷(Lifting loads); 掉落的物体(Dropped objects); 压力引起的载荷– 外部和内部的.
a) 连接器的应力(connector stresses) b) 补给要求(make-up requirements) 连接器能够使衬垫变形来保证密封性 连接器内有足够的预先施加的载荷来抵消安装和操作带来的载荷; 有足够的间隙保证密封衬垫的置换. c) 测试. 主要进行水压测试，在评估连接方法时主要考虑以下因素： 密封性(Sealing reliability). 强度或者抵抗破坏的能力(Ruggedness or resistance to damage). 可恢复性(Ease of recovery). 安装造价(Installation cost). 框架管子界面制造的困难. 抵抗操作时带来的载荷(Resistance to operating loads).
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二、采油树
传统采油树安装在井 口头处，油管和油管 悬挂器比采油树先安 装。
conventional subsea tree
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二、采油树
双孔采油树Dual Bore Tree 双孔采油树 典型的双孔采油树有生产和环空孔垂直通过采油树体，生产 和环空总阀和吸入阀垂直安装在采油树上。他们这样设计 是为了在安装和操作过程中能够垂直的通过生产和环空孔。
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主要内容
一、概述 二、采油树 三、管汇 四、跨接管 五、脐带缆 六、井口头
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二、采油树
采油树(Christmas,Xmas tree )最初被称为十 字树，X型树或者圣诞树，它是位于通向油井 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。
2 St P= FET D
式中：P——设计压力； D——管子的名义外直径； S——最小的屈服应力； t——管子的壁厚； F——设计因子； E——经向连接因子； T——温度降级因子。
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三、管汇
对于塑料的管汇系统设计压力用下面的公式进 行计算：
t P = 2S × 0.32 (D − t)
式中：P——设计压力； D——管子的名义外直径； S——对于热塑形管，应力与温度相关； t——壁厚