水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置技術(shù)研究

李麗娜， 張　飛， 侯　莉， 何　鑫， 李　斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

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水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置技術(shù)研究

李麗娜， 張飛， 侯莉， 何鑫， 李斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

摘要：水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置方案的選擇直接關(guān)系到整個(gè)水下開發(fā)的成本，而且對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的安裝進(jìn)度、運(yùn)行周期和可靠性有很大的影響。該文對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的布置模式、設(shè)計(jì)原則和布置考慮要素進(jìn)行了總結(jié)分析，并結(jié)合南海某示范工程對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置方案進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，為我國(guó)水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：水下生產(chǎn)系統(tǒng)；總體布置；水下控制系統(tǒng)

0引言

人類對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)，深水油氣開發(fā)已成為國(guó)內(nèi)外海洋資源開發(fā)的重點(diǎn)。水下生產(chǎn)技術(shù)是相對(duì)于水面開采技術(shù)而言的一種海上油氣田開發(fā)技術(shù)，它通過水下井口、水下生產(chǎn)設(shè)施、海底管道將采出的油、氣、水多相或單相流體回接到附近水下/水面依托設(shè)施或岸上終端油氣處理廠。水下生產(chǎn)技術(shù)已成為高效開發(fā)海上油氣田的重要技術(shù)手段之一[1]。

水下開發(fā)項(xiàng)目中，在對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置方案進(jìn)行選擇時(shí)，不僅要考慮當(dāng)前水下設(shè)備的購買成本，還要分析如何能讓水下系統(tǒng)布置最優(yōu)化，滿足臍帶纜、飛線等產(chǎn)品的布置要求，同時(shí)使整個(gè)水下系統(tǒng)的安裝維修簡(jiǎn)便省時(shí)，鉆完井和修井等費(fèi)用相對(duì)較低[1，2]。

1水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置技術(shù)

1.1水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置模式

根據(jù)具體油氣田地質(zhì)油藏特點(diǎn)和開發(fā)策略，應(yīng)用水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行海上油氣田開發(fā)已形成了多種布置模式，目前比較常見的有五種模式：(1) 單個(gè)衛(wèi)星井回接到附近水下或水面處理設(shè)施；(2) 管匯+叢式衛(wèi)星井；(3) 集中式基盤管匯；(4) 管串式；(5) 綜合開發(fā)模式[3]。

其中：?jiǎn)尉亟舆m用于小型油藏；管串式多用于中小型油藏；基盤式適用于水下井口相對(duì)集中的中小型油藏的開發(fā)；叢式管匯幾乎適用于所有的水下井口較分散的小、中、大型油藏，這種布局形式初始投資小，可提前安裝，獲得第一桶油的時(shí)間短，能夠減少管線的使用數(shù)量，優(yōu)化海底布局，且形成清管回路，后期維護(hù)的靈活性好；大型和超大型油藏一般采用綜合開發(fā)模式[2-4]。

1.2控制系統(tǒng)總體布置技術(shù)

控制系統(tǒng)布置取決于生產(chǎn)系統(tǒng)布置。水下控制系統(tǒng)主要是對(duì)安裝在采油樹、管匯和管道上的閥門和節(jié)流器進(jìn)行操作。五種基本控制系統(tǒng)包括：(1)直接液壓控制系統(tǒng)；(2)先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)；(3)順序液壓控制系統(tǒng)；(4)電液混合控制系統(tǒng)；(5)全電控制系統(tǒng)。目前水下開發(fā)采用的主要是電液混合控制系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是水下控制設(shè)備通過通信系統(tǒng)接收指令控制電磁換向閥的運(yùn)動(dòng)[5]。

2水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和布置考慮要素

2.1設(shè)計(jì)原則

水下生產(chǎn)系統(tǒng)工程方案的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮油氣田開發(fā)周期內(nèi)各階段的需要，在滿足功能和安全的同時(shí)最大限度簡(jiǎn)化水下生產(chǎn)設(shè)施，使開采周期內(nèi)的利益最大化，且在設(shè)計(jì)初期就需要考慮將來擴(kuò)大生產(chǎn)的需求；應(yīng)充分利用周邊基礎(chǔ)設(shè)施，綜合考慮水下生產(chǎn)設(shè)施與依托設(shè)施、鉆完井工程的界面，考慮好水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安裝、操作、檢測(cè)、維護(hù)、維修和廢棄期間的要求；還應(yīng)考慮漁網(wǎng)、錨區(qū)、落物、浮冰等潛在風(fēng)險(xiǎn)，敏感設(shè)備設(shè)施保護(hù)裝置和環(huán)境保護(hù)等問題。

2.2水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置考慮要素

井口分布及陸地/海上處理設(shè)施分布確定后，便可以進(jìn)行方案制定。通常需要考慮以下因素：

(1) 從儲(chǔ)量資源的角度，是否必須對(duì)每一口井進(jìn)行測(cè)試，需要與業(yè)主方進(jìn)行溝通。

(2) 如某些井有修井要求，須考慮在修井期間此井的上游是否需要全部停產(chǎn)。

(3) 典型的水下控制系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)可接受的能覆蓋其服務(wù)功能的壓力范圍。

(4) 第一個(gè)安裝的結(jié)構(gòu)物應(yīng)被設(shè)為參考點(diǎn)，供其他結(jié)構(gòu)物參考。

(5) 井口間距應(yīng)當(dāng)至少10 m。

(6) 生產(chǎn)跨接管的最大長(zhǎng)度不得超過60 m。

(7) 井口宜定位在距離管匯中心點(diǎn)名義半徑30 m的范圍內(nèi)。

(8) 鉆井中心應(yīng)該優(yōu)化，盡可能減少飛線長(zhǎng)度規(guī)格。

(9) 電飛線應(yīng)該不超過100 m，或應(yīng)符合承包商由于以太網(wǎng)通信的局限性。

(10) 臍帶纜或者飛線不應(yīng)該交叉(立管基座區(qū)域除外)。

(11) 建議跨接管“U”或“M”形設(shè)計(jì)，減少安裝和操作載荷。

(12) 應(yīng)該考慮下放區(qū)允許更換工具籃和安裝滯留錨、配重設(shè)備。

(13) 臍帶纜安裝的近似鋪設(shè)半徑：主臍帶纜20 m，注水臍帶纜10 m，且要符合承包商要求和臍帶纜的技術(shù)限制。

總之，水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置的目的是定義結(jié)構(gòu)安裝間距和誤差，確保海底管道和臍帶纜進(jìn)入有足夠空間，允許不考慮現(xiàn)有水下結(jié)構(gòu)物便可安裝管線，為EFL/HFL/FFL安裝框架提供安全著陸區(qū)，最大限度的方便跨接管和飛線的安裝和回收等。

2.3水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置方案比較要素分析

布置方案比選須從技術(shù)、HSE、施工和安裝、操作、費(fèi)用、計(jì)劃等各方面綜合考慮，最終選擇制定出最佳方案。

(1) 技術(shù)方面：包括成熟度、復(fù)雜度、開發(fā)階段/井序、后期擴(kuò)展等。

(2) 環(huán)境、健康、安全方面：包括風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、對(duì)環(huán)境影響以及安全并行操作。

(3) 施工和安裝方面：包括外輸海管施工、內(nèi)部連接海管的施工、井口連接、控制系統(tǒng)連接、水下設(shè)備設(shè)施的建造。

(4) 水下生產(chǎn)系統(tǒng)操作方面：包括高效性、靈活性、通球性。

(5) 對(duì)井口的操作方面：包括鉆井、井口維修、泥漿及切削物的處理。

(6) 費(fèi)用及計(jì)劃方面：包括設(shè)備清單及費(fèi)用、初始投資及預(yù)投資。

3中國(guó)南海某示范工程總體開發(fā)實(shí)例

3.1項(xiàng)目概述

中國(guó)南海某示范工程的相關(guān)設(shè)施包括：一個(gè)中心處理平臺(tái)(CEP)、5口生產(chǎn)井(A1、A2H、A3H、A4H、A5)、1個(gè)預(yù)留接口供將來水下生產(chǎn)系統(tǒng)擴(kuò)展接入、1套水下生產(chǎn)系統(tǒng)。其中，A1、A2H、A3H、A4H 相對(duì)較為集中，而A5井距離前四口井約9.37 km，未來二期油田鉆井中心距離A5井約7 km。井口處水深為470 m~500 m，CEP處水深約為220 m。

3.2中國(guó)南海某示范工程水下系統(tǒng)布置方案

A1、A2H、A3H、A4H井口位置比較集中，可以采用中心管匯(CM)連接各個(gè)采油樹，A5井和未來二期油田與其距離較遠(yuǎn)，且5口生產(chǎn)井及二期油田與依托設(shè)施中心處理平臺(tái)距離均較遠(yuǎn)，考慮在A5井處設(shè)置橋接管匯，預(yù)留后期開發(fā)接口。為描述方便將油田井口劃分為兩組井口群，A1、A2H、A3H、A4H為第一組井口群，A5及未來二期油田的擴(kuò)展接口為第二組井口群。

鑒于示范工程第一組井口群中心管匯需要回接四口井，同時(shí)考慮到油田的油藏特性，油管需要定期進(jìn)行清管操作。中心管匯結(jié)構(gòu)較大，設(shè)備布置緊湊，比較笨重，故設(shè)置單獨(dú)的SUTU模塊以滿足電液需求。第二組井口群橋接管匯(BM)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，尺寸較小，重量較輕，建議將SUTU模塊集成到橋接管匯。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了如下三種總布置方案：

(1) 采用管匯分別接入CEP

該方案兩組井口群分別采用海底管道和立管輸送至中心處理平臺(tái)CEP，布置方式如圖1所示。該方案第一組井口群中心管匯結(jié)構(gòu)(CM)與井口采油樹均通過跨接方式連接，為了盡量減少跨接管的規(guī)格，將中心管匯布置于井群中心。四口井的油氣匯集到中心管匯后，再通過一條海底管線輸送至中心處理平臺(tái)。第二組井口群，A5井和未來二期油田的油氣匯集到橋接管匯，再通過海底管線將其輸送至中心處理平臺(tái)。

相應(yīng)的控制系統(tǒng)布置方案：來自中心平臺(tái)的臍帶纜，鋪設(shè)至第二組井口群橋接管匯SUTU，供給A5井電液需求。同時(shí)，通過油田內(nèi)部臍帶纜，將其輸送至第一組井口群中心管匯處的SUTU，供給A1、A2H、A3H、A4H井口電液需求，且橋接管匯SUTU為未來油田留有預(yù)留接口。

(2) 叢式管匯+鏈?zhǔn)讲贾?

該方案與方案一的主要區(qū)別在于：兩組井口群不再連接中心處理平臺(tái)CEP，而是將第二組井口群的橋接管匯通過海底管道連接至第一組井口群的中心管匯，然后再通過一條海底管道連接至中心處理平臺(tái)CEP，如圖2所示。

相應(yīng)的控制系統(tǒng)布置方案：來自中心平臺(tái)的臍帶纜，鋪設(shè)至第一組井口群中心管匯處的SUTU，供給A1、A2H、A3H、A4H井口電液需求。再通過油田內(nèi)部臍帶纜，將其輸送至第二組井口群橋接管匯的SUTU，供給A5井電液需求，同時(shí)橋接管匯SUTU為未來油田留有預(yù)留接口。

圖1　布置方案一

圖2　布置方案二

(3) 叢式管匯+鏈?zhǔn)讲贾?

該方案與方案二的主要區(qū)別在于：不再將第二組井口群連接至第一組井口群的中心管匯，而是將第一組井口群的中心管匯連接至第二組井口群的橋接管匯，然后再通過海底管道和立管輸送至中心處理平臺(tái)CEP，如圖3所示。

相應(yīng)的控制系統(tǒng)布置方案：來自中心平臺(tái)的臍帶纜，鋪設(shè)至第二組井口群橋接管匯SUTU，供給A5井電液需求。再通過油田內(nèi)部臍帶纜，將其輸送至第一組井口群中心管匯處的SUTU，供給A1、A2H、A3H、A4H井口電液需求，且橋接管匯SUTU為未來油田留有預(yù)留接口。

圖3　布置方案三

3.3布置方案比選

3種方案比選情況見表1。

表1　示范工程布置方案比選

續(xù)表1　示范工程布置方案比選

通過以上標(biāo)準(zhǔn)因素的比較與分析可知：三種方案均為成熟的技術(shù)，具有相對(duì)較低的復(fù)雜度，使用跨接管和電飛頭，可通球，可滿足后期井口接入。方案一的海底管線長(zhǎng)度最長(zhǎng)，雖然結(jié)構(gòu)物較少，但需要兩根輸出海管及立管，使海管的管理工作量增加。方案二與方案三比較，方案三海管長(zhǎng)度和臍帶纜控制距離均相對(duì)較短。同時(shí)，分別對(duì)三種方案進(jìn)行了流動(dòng)保障分析和工程開發(fā)費(fèi)用估算，方案三的工程總費(fèi)用最低。因此，從風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、可通球性、控制系統(tǒng)的控制距離、工程總費(fèi)用等方面綜合比較，示范工程水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置方案推薦方案三。

4結(jié)語

該文對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的布置模式、水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和布置考慮要素進(jìn)行了總結(jié)，并結(jié)合南海某示范工程對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)布置方案的比選要素和方法進(jìn)行了研究分析。水下生產(chǎn)系統(tǒng)的總體布置設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各種因素，到底采用哪種布置方式或者哪幾種方案綜合的布置方式，都需要進(jìn)行大量的比對(duì)研究工作。

參考文獻(xiàn)

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[5]ISO 13628-6.Petroleum and Natural Gas Industries-Design and Operation of Subsea Production Systems-Part 6：Subsea Production Control Systems[S].2006.

Research of General Arrangement of Subsea Production System

LI Li-na, ZHANG Fei, HOU Li, HE Xin, LI Bin

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

Abstract：The general arrangement of subsea production system is directly related to the expenditure of the whole subsea production system development, and has great influence to the installation progress, operation cycle and reliability of subsea Production System. The layout mode, design principles and arrange consider elements of subsea production system are summarized in this paper. Some layout schemes of the subsea production system are studied combined with a demonstration project of south china sea. It provides some reference for subsea production system related research in china.

Keywords：subsea production system； general arrangement； subsea control system

中圖分類號(hào):P756

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-4500(2015)06-0025-06

作者簡(jiǎn)介：李麗娜(1983-)，女，工程師。