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水下生产系统1 引言1.1 范围目前深水油气田开发面临的主要挑战是，缺少一个稳定的平台用于支撑生产设施并将生产流体输送到这些设施。
而水下生产系统可以提供一种具有成本竞争力的开发方案，可减少乃至完全消除（在个别情况下）对地面生产设施的需求。
图1.1-水下生产系统提供一种高效，经济的深水油气田开发方案本研究主要是为了对水下生产系统进行概述。
论述的关键主题包括：·水下生产系统主要部件及其功能的一般说明；·水下生产设施的界面要求；·水下开发油田工程模式的考虑；·风险区域和风险管理问题的识别。
1.2 条例、规范和标准1.2.1 国际规范·ANSI B31.3《化工厂及炼油厂管道》；·API RP 2R《海上钻井隔水管接头的设计、评估和试验》；·API 5A《套管、油管和钻杆规范》；·API 5AC《套管、油管和钻杆规范》；·API 5D《钻杆规范》；·API 5L《管道规范》；·API 6A《井口和采油树设备规范》；·API 6D《管道阀门规范》；·API 8A《钻井和采油提升设备》；·API 14A《井下安全阀规范》；·API 148《井下安全阀系统设计安装与操作的推荐做法》；·API 14D《海上服务用井口地面安全阀和水下安全阀规范》；·API 16A《钻穿设备规范》；·API 17D《水下井口和采油树设备规范》；·API 17G《完井修井隔水管系统的设计和操作》；·ASME IX《焊接和钎焊资格》第二条焊接程序资格和第三条焊接操作资格；·ASME V《锅炉及压力容器规范》（第五卷无损检测）；·ASME VI I《锅炉及压力容器规范》（第八卷压力容器建造规范第1册和第2册）；·ASME/ANSI B16.34《阀门法兰、螺纹和焊接端》；·DIN 50049-EN 10 204《材料试验文件》；·DnV《修井控制系统电气要求》；·DnV《水下生产系统的安全性和可靠性》；·DnV《认证说明》第2.7-1条“吊装证书要求”（海上容器）；·DnV RPB401《阴极保护设计推荐做法》；·EN 10204《金属制品一检验文件的类型》；·FEA-M 1990《海上平台电气设备条例》；·IEC 92.101《船用电气装置》定义和一般要求；·IS0 10423《井口和采油树规范》(代替API 6A);·IS0 10432-1《井下安全阀标准》；·IS0 10433《海上服务用井口地面安全阀和水下安全阀规范》（代替AP1 14D）；·IS0 13628《石油天然气行业钻井和采油设备》；·IS0 13628-1《石油天然气行业水下生产系统一般要求和推荐做法》；·IS0 13628-2《石油天然气行业水下和海上应用挠性管系统》；·IS0 13628-3《石油天然气行业输送管道泵送系统》；·IS0 13628-4《石油天然气行业水下井口和采油树》；·IS0 13628-5《石油天然气行业水下控制系统的设计和操作》；·IS0 13628-6《石油天然气行业水下生产控制系统》；·IS0 13628-7《石油天然气行业修井/完井隔水管系统》；·IS0 13628-9《石油天然气行业遥控操作机具(ROT)维修系统》；·IS0 14313《管道阀门规范》（闸阀、旋塞阀、球阀和止回阀）（代替API 6D）；·IS0 3511《过程测量控制功能和仪表设备的符号表示法》；·IS0 898《第一部分螺栓、螺纹和螺母》；·IS0 9001《质量体系：设计/开发、生产、安装和维修的质量保证模型》；·NACE MR-01-75-94《材料要求：油田设备用耐硫化物应力裂纹的金属材料》；·NACE RP0475《注水用材料》；·NAS 1638《国家宇航标准：液压控制系统用零件的清洁度要求》；·SAE J343《SAE 100R系列液压软管和装置的试验和程序》；·SAE J517《液压软管》。
水下生产系统的分类
一、水下起重系统
水下起重系统是指在水下环境中完成车辆载荷的设备，其主要包括：水下起重机、水下吊装装置、下沉装置等等。
水下起重机又可细分为潜水艇起重机和海起重机。
潜水艇起重机主要用于海床深处作业场所，可以完成深水作业环境下的吊装、移运、收集等作业。
海起重机是在近海外环境下完成车辆载荷作业的设备。
它能够在沉船废弃物和底泥上完成任务，可在深水海洋环境中起重起吊，也可以在管道水暖过程中完成起卸作业，从而大大提高了作业效率。
水下石油生产系统是指主要适用于拓展海底油气藏开采作业及开采产品制备和转运作业的设备。
它包括海洋平台、海洋套管、液体泵、水下管线、海洋液体处理系统和水下生产设备等。
它可以用于远程探测海底油气藏，发掘新藏体和发展既有藏体，完成开采产品的采集、提炼和输送，以及维护海洋生态环境的功能。
三、水下扬尘控制系统
水下扬尘控制系统是指将粉尘安装到水下作业等离子发生器中，然后利用电磁场产生负压，将粉尘收集空气重新排出。
它可以将环境空气中的有害物质收集或混合在一起，从而使空气保持洁净，符合国家的环保标准。
四、水下交通通信系统
水下交通通信系统是指将水底安设交通及通信设施，以实现水下作业现场的交流，保证不设计材料的顺利输送的设备。
它是先进的交通和通信系统，不仅能够提高作业效率，而且还能够提供安静的环境作为海洋生物栖息地。
它有助于保护和改善海洋环境，有利于提高海洋生物的数量，进而达到长期生态资源保护的目的。
水下生产系统第一章：水下生产系统发展概述1、从浅水走向深水原因▪对能源需求的增长▪陆上及浅水资源开发已经到达成熟期，并开始减少。
▪高油价，降低开发成本▪深水技术的快速发展（深水钻井技术、水下增压和分离技术等）水深、环境条件、油气田位置和油气输送成本等综合因素决定了油田的开发方案为何采用水下生产系统？▪能将井口布置在现有平台有效钻井范围以外的地方；▪高油价，降低开发成本；▪深水技术的快速发展（深水钻井技术、水下增压和分离技术等）2、水下生产系统组成立管和海管、水下采油树、水下增压系统、水下分离系统、回注系统、水下管汇、跨接管、管道终端、连接器3、我国水下生产系统发展展望1)国外规范和成熟经验是重要参考资料2)但由于中国南海海域的特殊条件（台风频繁、较强的内波流作用、复杂海底地形、油田离岸距离远等），相关的技术不可能完全照搬，必须针对南海的独特海况与离岸距离，做出创新性的研究与设计。
3)采油树结构复杂，涉及机械、力学、密封、材料、控制、安全、钻井、海洋工程等学科。
一旦具备了水下采油树的设计、制造、安装和测试能力，就可以设计制造其他水下产品，突破国外技术封锁，自主开发深水油气田。
第二章：立管系统立管主要功能生产立管:将流体从地底油藏传输到海面浮式设施注入立管:回注气体或液体到地底油藏外输立管:将处理过的油气传输到陆上或穿梭油轮钻井立管:钻井工具通道立管类型从本身的特点可分为钢悬链线立管（SCR）、顶部张紧立管（TTR）、柔性立管（FR）、混合立管（HR）深水立管的主要挑战：立管系统的费用对水深非常敏感；立管系统的安装费用对水深也非常敏感；安装时需要具有足够能力的特殊安装船舶；对于焊接和检验质量的要求高；在立管设计中的主要考虑因素为重量和疲劳寿命。
立管的组装柔性立管和脐带缆通过陆上组装而成；SCR 通过立管安装船舶焊接作业线组装而成；TTR 通过连接法兰或连接接头组装而成。
SCR容易发生破坏的部位顶部柔性接头和底部触地点TTR顶部张紧系统形式浮筒式和张紧器式FR优点无 VIV连接和解脱方便疲劳寿命长管线在海底覆盖面积小可重复利用抗腐蚀性能好FR类型UN-BONDED PIPE和BONDED PIPE混合立管特性经济有效具有独立的浮筒对浮式平台的负载小紧凑构型–占地面积小在有限的空间内能容纳多根立管消除了单独垂直立管的相互影响无管土相互作用影响立管设计考虑因素1）立管功能要求2）海洋环境条件3）工程地质条件4）施工场地条件5）施工机具条件第三章：水下采油树采油树功能•采油——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）•安全控制——通过控制系统指挥，关闭阀门，保证流体的输送或者注入都能够安全地停止，防止水下事故发生。
水下生产系统设计认可及发证检验产品背景：随着海洋油气资源开发逐步深水化，深海油气生产主力设备水下生产系统在我国油气资源开发中应用越来越多，如流花11-1、崖城13-4、荔湾3-1、番禹35-2/1等多个油气田已经应用，应用水深也从几百米到1500米水深。
相对于传统海上生产平台的建设周期长、成本高和抵抗灾害能力弱等问题，水下生产系统逐渐成为深水油气资源开发的主流模式。
我国工信部、科技部等通过多次立项，大力支持水下生产设备的国产化研发。
在此大开发的背景下，2010年CCS针对水下生产系统正式立项，历时5年，在吸收了国际标准、我国水下生产系统应用、研制及检验先进经验的基础上，CCS《水下生产系统发证指南》正式发布，共11章，系统涵盖了水下生产系统、水下控制系统主要设备的设计、制造、测试及检验技术要求。
指南填补了国内水下生产系统、水下控制系统、水下油气生产装备发证标准依据的空白，为新研发产品类水下生产装备设计验证提供了技术依据。
客户获益：（1） 水下生产系统包括控制系统与设备符合我国主管机关（应急管理部）的相应要求；整个水下生产系统获得CCS签发的符合性证书/入级证书（根据主管机关或业主的意愿）（2） 水下生产设备、控制设备、分离设备、增压设备、计量设备、监测设备等产品获得CCS签发的相应认可、产品证书。
（3） 对于新产品，通过CCS设计认可、型式认可后，同一产品投产后，可不用再次送审图纸。
（4） 提高产品的认可度。
水下立式卡爪式连接器（图片由海洋石油工程股份有限公司友情提供）业务流程：水下生产系统设计认可及发证检验水下立式卡箍式连接器SIT现场调试（图片由海洋石油工程股份有限公司友情提供）水下立式卡箍式连接器（图片由海洋石油工程股份有限公司友情提供）设计认可、型式认可满足CCS《钢质海船入级规范》第一篇的要求，典型工程检验流程如下：工程经验：（1） 完成荔湾3-1 一期中国制造的所有水下设备的制造检验，并赴国外参加水下采油树、水下管汇、管道终端管汇、水下分配总成的检验。
水下生产系统
第一章：水下生产系统发展概述
1、从浅水走向深水
原因
▪对能源需求的增长
▪陆上及浅水资源开发已经到达成熟期，并开始减少。
▪高油价，降低开发成本
▪深水技术的快速发展（深水钻井技术、水下增压和分离技术等）
水深、环境条件、油气田位置和油气输送成本等综合因素决定了油田的开发方案
为何采用水下生产系统？
▪能将井口布置在现有平台有效钻井范围以外的地方；
▪高油价，降低开发成本；
▪深水技术的快速发展（深水钻井技术、水下增压和分离技术等）
2、水下生产系统组成
立管和海管、水下采油树、水下增压系统、水下分离系统、回注系统、水下管汇、跨接管、管道终端、连接器
3、我国水下生产系统发展展望
1)国外规范和成熟经验是重要参考资料
2)但由于中国南海海域的特殊条件（台风频繁、较强的内波流作用、复杂海底
地形、油田离岸距离远等），相关的技术不可能完全照搬，必须针对南海的独特海况与离岸距离，做出创新性的研究与设计。
3)采油树结构复杂，涉及机械、力学、密封、材料、控制、安全、钻井、海洋
工程等学科。
一旦具备了水下采油树的设计、制造、安装和测试能力，就可以设计制造其他水下产品，突破国外技术封锁，自主开发深水油气田。
第二章：立管系统
立管主要功能
➢生产立管:将流体从地底油藏传输到海面浮式设施
➢注入立管:回注气体或液体到地底油藏
➢外输立管:将处理过的油气传输到陆上或穿梭油轮
➢钻井立管:钻井工具通道
立管类型
从本身的特点可分为钢悬链线立管（SCR）、顶部张紧立管（TTR）、柔性立管（FR）、混合立管（HR）
深水立管的主要挑战：
➢立管系统的费用对水深非常敏感；
➢立管系统的安装费用对水深也非常敏感；
➢安装时需要具有足够能力的特殊安装船舶；
➢对于焊接和检验质量的要求高；
➢在立管设计中的主要考虑因素为重量和疲劳寿命。
立管的组装
➢柔性立管和脐带缆通过陆上组装而成；
➢SCR通过立管安装船舶焊接作业线组装而成；
➢TTR通过连接法兰或连接接头组装而成。
SCR容易发生破坏的部位
顶部柔性接头和底部触地点
TTR顶部张紧系统形式
浮筒式和张紧器式
FR优点
➢无VIV
➢连接和解脱方便
➢疲劳寿命长
➢管线在海底覆盖面积小
➢可重复利用
➢抗腐蚀性能好
FR类型
UN-BONDED PIPE 和BONDED PIPE
混合立管特性
➢经济有效
➢具有独立的浮筒
➢对浮式平台的负载小
➢紧凑构型–占地面积小
➢在有限的空间内能容纳多根立管
➢消除了单独垂直立管的相互影响
➢无管土相互作用影响
立管设计考虑因素
➢1）立管功能要求
➢2）海洋环境条件
➢3）工程地质条件
➢4）施工场地条件
➢5）施工机具条件
第三章：水下采油树
采油树功能
•采油——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）
•安全控制——通过控制系统指挥，关闭阀门，保证流体的输送或者注入
都能够安全地停止，防止水下事故发生。
•压力调节——调节环空压力，可以释放完井时的多余压力。
•连接功能——采油树和井口设备及跨接管连接器等连接。
•其他功能，例如用于酸化、裂化、生产测试、往井下注入化学试剂等。
水下采油树的基本类型
•立式采油树
•卧式采油树
立式和卧式采油树的区别
立式采油树的阀门是在竖直的生产通道上放置，油管悬挂器放置在井口头或者油管头内，因此要想进行提起油管修井需移开采油树。
卧式采油树是将控制生产的阀门水平放置，将油管悬挂器放置在树体内部，以此使竖直通道可以与井下连通，可以不用回收采油树而进行提起油管修井。
卧式采油树的类型
分体式采油树和整体式采油树
卧式采油树标准核心部件
➢树体
➢井口连接器
➢油管悬挂器
➢内部采油树帽
➢顶部阻塞器
➢采油树帽
➢控制模块（SCM）
➢穿越器
采油树选型依据
➢井的参数
➢控制系统选型
➢流动性
➢井口头型式
第四章：水下管汇
管汇主要作用：
1)减少浮式装置（平台）上立管的数量，以使平台所受载荷最小并节约平台空间，降低管线成本；
2)在浮式装置到达之前，可以提前安装，缩短油田建设工期；
3)优化水下设施布局。
管汇主要部件：
水下管汇系统主要包括管汇主体、清管回路模块、控制模块、保护结构、中间部分、防沉板、支撑结构等几大模块组成。
管汇按功能分类
集油管汇、分配管汇、混合管汇
管汇结构设计通常包括：
生产管线设计、结构框架设计、药剂注入管线设计
第五章：跨接管
跨接管类型
垂直跨接管：倒U、M肘管、M弯管、三维
水平跨接弯：无海底支撑、有海底支撑、三维
跨接管设计方法
壁厚设计、悬跨长度设计、形状确定、强度校核、吊装和下放分析
第六章：管道终端
管道终端结构组成：
管道终端（PLET）安装方法：
首端安装和末端安装
第七章：水下连接器
连接器系统组成：
➢连接器本体——预先连接在跨接管端部
➢毂座——预先安装在水下管汇或采油树上
➢安装工具——套在连接器本体上，用于连接器锁紧和解锁
➢其它辅助工具——包括ROV、密封件更换工具、毂座清洗工具等
连接器按连接原理分类型
卡箍式连接器和套筒式连接器
连接器按驱动方式分类型
液压式连接器和机械式连接器
第八章：潜水器技术
常见的潜水器系统大致可分为：
➢载人潜水器（HOV）
➢自治潜水器（AUV）
➢带缆无人遥控潜水器（ROV）
➢深海拖曳系统（DT）
➢水下滑翔器（Glider）
ROV的分类
观察级ROV 和工作级ROV
第九章：深水海上油气田工程开发模式
第十章：安装技术
深水设备安装工程需要考虑的主要问题分为以下几个方面：
精品
1、提升与下放系统：该问题主要考虑下放载荷的重量，提升载荷的动态响
应，提升系统的提升能力。
2、载荷控制与定位：该问题主要包括：准确定位、放置海床时的稳定性。
3、气候窗条件
水下生产系统的三种安装方法
➢传统吊装法
➢滑轮法
➢下摆法
深水立管安装方法
S-LAY、J-LAY、REEL-LAY
welcome。
