丛式井水下生产系统钻井中心布局探讨

57卷增刊1 2016年11月
中国造船
SHIPBUILDING OF CHINA
Vol.57 Special 1
Nov. 2016
文章编号：1000-4882 (2016) S1-0031-07
丛式井水下生产系统钻井中心布局探讨
刘飞，李清平，刘伟
(中海油研究总院，北京100027)
摘 要
针对水下油气田开发方式中常见的丛式井布局形式，从丛式井钻井中心布局的设计要素、钻井中心水下 连接系统设计、水下预留接口位置这三个方面，进行了深入分析探讨，给出了丛式丼水下生产系统钻丼中心 布局的总体设计原则及水下连接系统设备选型的思路和方法。

关键词：水下生产系统；钻井中心；丛式井；水下布局；水下连接
中图分类号：TE54 文献标识码：A
0引言
水下生产系统中水下井口的位置通常由钻井工程师根据油藏靶点的位置和最优钻井轨迹来决定。

对于钻井来说，直井的钻井成本是最低的，斜度井和水平井会増加钻井长度和钻井难度，进而増加钻 井时间和成本。

但是，斜度井和水平井技术可以将若干口井集中在一个钻井中心，钻井船停留在一个 钻井中心，可以通过收放锚链这样简单的操作，实现钻井船位置的移动，完成若干口井的钻井工作，减少了钻井船长距离移动时重复抛锚的工作量。

斜度井和水平井技术日趋成熟，钻井成本逐渐降低，若干个水下井口集中布置在一个钻井中心周围，简化了管线和脐带缆的路由和连接，可以节省大量的
工程费用。

水下生产系统主要有三种井口组合方式，即卫星井、丛式井和集中式基盘[1]。

卫星井方式为单个 水下井口回接到周边依托设施；丛式井为多个水下井口（通常为3〜12 口）分散地布置在中心管汇的周 围，通过跨接管和跨接缆与中心管汇连接，如图1所示。

而集中式基盘方式则为若干个水下采油树集 成在管汇结构当中，如图2所示。

水下井口具体采用哪种组合形式，需要根据安装船舶资源、操作维
图1丛式井布局图2集中式基盘布局
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护要求、工期要求及经济比选等因素确定。

对于水下生产系统来说，通常一个卫星井或一个水下基盘
对应一个钻井中心，一个丛井式管汇对应一个钻井中心。

根据不同的钻井中心、井口数量及位置的布
置方案，计算钻完井费用和工程费用，选取最优方案。

每个水下生产系统都含有若干个钻井中心，钻井中心可以只有单个卫星井，也可以是丛式井或集
中式集盘，各钻井中心通过海底管道和脐带缆连接在一起，构成了完整的水下生产系统总体布局。

丛
式井是水下生产系统中最常见，也是最复杂和最具代表性的钻井中心水下井口组合形式，本文针对丛
式井水下生产系统钻井中心总体布局设计展开研宄。

1钻井中心总体布局的设计要素及设计原则
在确定钻井中心位置的坐标之后，对位于钻井中心的水下设施的相对位置及连接关系进行设计。

对丛式井布局的水下气田而言，位于钻井中心的设施通常包括海底管线、脐带缆、水下采油树、水下
管汇（TEMPLETE、MANIFOLD或PLEM)、水下脐带缆控制终端（SUTU)、海底管道终端（PLET)
以及连接采油树和管汇的跨接管以及连接采油树和SUTU的跨接缆等。

而对于水下油田，丛式井的钻
井中心除了上述气田的设施以外，还可能包括水下电缆和水下电力分配单元（SPDU)，如图3所示。

随着水下处理技术的发展，深水油气田的钻井中心还可能包含水下分离器、水下増压泵等设施，目前
己有少量应用。

在丛式井钻井中心布局设计中需给出每个设施的形状、大小、方位、定位坐标，以及跨接管 (Jumper)、跨接缆（Flying Leads)的长度、形态（硬管、软管)、连接形式（垂直连接、水平连接）
等。

丛式井水下生产系统钻井中心总体布局的设计原则如下：
(1) 采油树与管汇之间的距离须小于钻井船活动的半径（具体取决于钻井船的型号和水深），保
证钻井船一次抛锚就位能够覆盖该钻井中心的所有井口。

同时还应满足水下设施安装和维护的空 间要求，给水下采油树、管汇、管道终端等设施提供足够的安装空间，并为检查和维护工具提供 通道。

(2)在采油树与管汇的之间应选取合理的连接方案，如跨接管的形态（如L型、Z型、倒“U”型 等）、材质（软管或硬管）及连接形式（水平连接或垂直连接）等。

57卷增刊2刘飞，等：丛式井水下生产系统钻井中心布局探讨33
(3)位于钻井中心的海底管道、脐带缆、跨接管和跨接缆之间应尽可能避免交叉跨越。

(4)采油树与采油树之间的距离主要取决于水下防喷器的型号、采油树保护结构的大小及ROV 作业要求等。

(5)水下总体布局设计还应结合周边油藏潜力要求，合理地规划预留接口的数量和位置。

2水下连接系统设计
水连接系统是水下设施的脉络，它起到了贯通物流的作用。

该系统涉及到水下井口与管汇的连接、
管汇与管道终端的连接、脐带缆分配终端与水下井口的连接等多个方面。

在水下钻井中心总体布局设
计中，对跨接管的形状、材质、接头类型及其连接形式以及跨接缆连接等要进行充分的选型研宄，需
考虑流动安全、设备设施的安全可靠性、可操作性及经济性等多个方面。

2.1跨接管形状构造
水下跨接管是一个短管接头，它用来在两个水下组件之间运输液体产品，例如：采油树和管汇，
管汇和管汇，或管汇与管道终端（PLET)等。

跨接管有刚性跨接管、挠性跨接管两种，可采用水平或
垂直连接方式，利用潜水员协助或无潜水员操作技术来完成连接。

刚性跨接管有多种形态，M型和“倒 U”型是两种常见的跨接管形态，此外，还有水平Z型跨接管等[2]，。

图4和图5是两种典型的M型跨
接管。

图4 M型跨接管（弯管）图5 M型跨接管（肘管）
跨接管的形态由设计参数、水下设备界面和跨接管的操作模式决定。

“倒U”型跨接管结构简单、
适用于热膨胀位移小，短距离的连接。

“M”型（弯管）跨接管结构相对复杂，适用于热膨胀位移大，
长距离的连接。

“M”型肘管与“M”型弯管相比，制造简单，成本更低，适用于无清管要求、小管径情况
下的连接[3]。

2.2跨接管材质
挠性跨接管和刚性跨接光相比有抗腐蚀性好、动态性能强、安装方便等先天优势，但费用一般较
高，特别是大管径挠性跨接管与刚性跨接光相比经济性较差。

这两种跨接管的优缺点如表1所示。

表1跨接管材质比选
项目硬管软管
承压能力承压能力强。

承压能力较强。

抗腐蚀性普通管材抗腐蚀性差，合金钢成本高。

具有天然耐腐蚀性。

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表1续跨接管材质比选
项目
硬管软管适用长度
不宜太长。

适用长度较长。

保温性能采用管中管保温效果良好。

保温性好，不能承受过高的操作温度，
最高不高于130°。

动态性能动态性能较差，悬空长度受限制。

动态性能强，能承受较大的环境动荷
载以及较大的温度变化和输送压力变
化。

安装安装需要预先测量角度和相对位置
等，在岸上或者船上预制，然后吊装
安装，所需时间较长。

安装方便快捷，无需精确测量，所需 时间较短。

不受安装余量和总体布局 变化影响。

经济方面材料和加工便宜（对于碳钢管而言），
安装时间长，费用高。

材料昂贵，但安装时间短，费用低。

采办方面生产厂家充足，交货周期短。

生产厂家有限，受厂家生产能力及排
产限制，一般随批量订货，交货周期
长。

重复利用方面
不可重复利用。

可以回收并重复利用。

使用寿命较长较短，一般不超过20年。

2.3跨接管连接接头类型
跨接管末端适用的连接接头类型主要取决于是否需潜水员协助操作或无潜水员协助操作，需潜水 员协助操作的有栓结法兰、夹紧卡箍或专用机械连接器，而无潜水员协助连接的有机械或液压连接接 头。

法兰连接成本较低，但由于需要潜水员协助操作，会受到水深的限制。

采用液压连接器或机械连 接器的快速接头成本较高，且需要远程遥控机器人（
ROV )协助操作，但连接简单，可以快速锁定连
接，不受水深限制。

2.4跨接管连接形式
不论是采用潜水员法兰连接还是利用ROV 和快速接头进行连接，跨接管都有两种连接形式，即垂 直连接和水平连接，如图6和图7所示。

表2给出了这两种连接形式的比较。

图6垂直连接图7
水平连接
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表2跨接管连接形式比选
项目立式接头连接水平接头连接
连接时间短长
ROV依赖度低。

相对复杂，需部署相对复杂
安装便利性安装简便，
ROV和操作工具
API/A N SI法兰或紧固接头复杂程度和尺寸复杂，套管连接器，连接器重量达简单，
几吨重。

器连接，连接器重量相对轻。

测量和制造精度精度要求高，系统没有通过连接较低，跨接管可水平布置在要求中
器的纠偏办法。

等水平的精度，连接系统可以通过
膨胀弯的弹性形变进行调整。

相对较高，跨接管位置较高，暴露相对较低，跨接管靠近海床表面。

抛锚、渔网拖拽等风险于海床之上，抛锚、渔网拖拽风险
大。

相对高规格的动力定位船舶，带有相对低规格的动力定位船舶，甲板
安装船舶要求稳定的响应幅值算子，在最大气候空间和吊机起重能力满足跨接管
窗口和规范操作指导下工作，吊机
安装要求即可，吊机要求较低。

起重能力要求相对高。

安全性相对低较高
维修更换跨接管需要先移除采油树保可以从侧面移除跨接管，无需移动
护结构，保护结构。

安装天气要求较高较低，安装操作受到船舶运动的影
响小。

水下设备保护结构较大，受跨接管位置高影响。

较小，跨接管位置低。

通过两种形式的对比可以看出，对于水深较浅、有渔网拖拽作业的区域，若采用水平连接，可以 使用相对矮小的水下设施保护结构，减少了保护结构的投资，并且跨接管相对于海床面也较低，大大 降低了跨接管被渔网拖拽的风险。

同时，在跨接管失效时，水平连接的跨接管更换无需移动保护结构，降低了维修时间和成本。

相对于垂直连接系统，水平连接系统的主要缺点包括増加了海上作业时间，増加了复杂性和对ROV的依赖性。

对于无渔网拖拽的深水、超深水区域，垂直连接形式相对水平连接 安装简便，具有较大优势。

2.5跨接缆
跨接缆（Flying Leads)用于在水下分配单元（如SUTU、SDA等）与水下采油树上的水下控制模 块（SCM)之间传输电力、信号、液压液和化学药剂，主要有两类：液压跨接管（HFL)和电力跨接 缆（EFL)。

电力跨接采用一用一备原则。

信号通过动力电缆（电力载波）、信号缆或光纤传输。

液体 管线通常包括高压液压管线、低压液压管线和回流管。

在安装脐带跨接缆时通常利用遥控作业机器人提起跨接缆的末端，将它们连接到相应的水下设备，例如从水下脐带缆分配单元连接到水下采油树上的水下控制模块。

36中 国造 船学术论文XT
采 PLET
管线 SUTU 水下
J U M P E R 跨接管 FLS
跨接缆图8在线管汇上预留接口 图9中心管汇上预留接口
4结语
钻井中心总体布局设计是水下生产系统总体布局中的核心节点。

各水下设施间的相对位置及连接 关系可以通过钻井中心总体布局清晰的体现出来。

钻井中心总体布局设计需在投资经济的前提下使水 下设施间保持合理的安全距离和采用合适的连接形式。

管道和线缆之间应尽量避免交叉跨越，并考虑 为油气的后期开发预留接口。

在水下连接系统设计中，跨接管的材质、形态、接头类型、连接形式应当根据项目特点、作业船 舶要求及投资经济等因素充分比选，保证水下连接的可实施性、可操作性和可靠性。

3预留接口的位置
为了使新建的水下生产系统能够兼顾到周边未来的新发现，増加水下生产系统的冗余性在很多情 况下显得十分必要。

通常在水下管汇、PLEM 或水下采油树的生产导向基座（PGB )上预留接口，这
是考虑未来周边潜力油藏开发接入的常用方式。

图8所示为某链接式水下布局中某一口卫星井的钻井 中心布置图，在在线管汇上为后期接入预留了一个接口，接口形式为在线三通（In-lme Tee )
.在水下生产系统采用丛式井或集中式基盘管汇时，预留接口通常位于管汇上。

在钻井中心总体布 局设计之初应当考虑预留设施的位置，包括预留采油树、脐带缆分配终端及跨接管、跨接缆等水下连 接的位置，以降低未来接入难度，及减少对己有设施的影响。

图9所示为一个丛式井布局钻井中心布 置图，中心管汇共有6个接口，4 口为先期生产井，2 口井为后期预留（虚线表示预留设施)，在项目 前期设计中己考虑好预留接口的位置及预留水下设施的布置位置，水下采油树之间保持合理的操作维 修距离，均匀分散开，且线缆之间无交叉跨越。

水下管汇的接口总数量受到管汇尺寸和安装重量的限制。

大型水下管汇尺寸太大，可能无法通过 半潜式钻井船的月池，使安装施工传播受到限制。

一个8井槽基盘式管汇的安装重量可能会超过200t
， 管汇接口设置过多，对安装船舶的吊机能力提出较高的要求。

须限制施工资源的数量。

通常水下管汇
的接口总数量不超过12 口。

57卷增刊2刘飞，等：丛式井水下生产系统钻井中心布局探讨37参考文献
[1]王莹莹，王德国，段梦兰，等.水下生产系统四种典型布局形式的适应性研宄[J].石油机械，2012, 40(4): 59-64.
[2]Yong Bai,Qiang Bai.Subsea engineering handbook[M].USA:Elsevier,2012: 668~670.
[3]郑利军，段梦兰，刘军鹏，董衍辉.水下生产系统选型影响因素研宄[J].石油矿场机械,2012(6). Discussion on Layout Design of Cluster Wells Drilling Center
LIU Fei,LI Qingpin,LIU Wei
(CNOOC Research Institute,Beijing 100028, China)
Abstract
Cluster wells are often used in subsea oil field engineering.The layout design of cluster wells drilling center is researched in this article,including design content and principles,design of subsea connection system,and providing reservation for future subsea yout design principles of cluster wells drilling center and selection methods of subsea connection equipment are proposed.
Keywords:subsea production system;drilling center;cluster wells;subsea layout;subsea connection
作者简介
刘飞男，1984年生，工程师。

主要从事海洋工程总体设计方面工作。

李清平男，1969年生，博士，教授级高工。

主要从事水下生产技术及流动安全保障方面的工作。

刘伟男，1963年生，本科，高级工程师。

主要从事海上油气田开发过程总体设计方面的工作。