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油气海洋工程技术现状及发展趋势中石油勘探开发研究院2013年12月海上油气田的生产就是将海底油气藏中的原油或天然气开采出来，经过采集、油气水初步分离与加工，短期的储存，装船运输或经海管外输的过程。由于海上油气的生产是在海洋平台上或其它海上生产设施上进行，因此海上油气的生产与集输与陆地有着显著的不同。海洋石油工程建设的目的：为油气田的生产提供必要的生产设施与设备，主要有海上油气田生产设施、海底管线、海上油气田的集输与储运生产系统以及多相混输技术。按用途分类井口平台生产处理平台储油平台生活动力平台综合平台（集钻井、井口、生产处理、生活设施于一体）按结构形式分类1固定平台生产系统2浮式生产系统3水下生产系统4海上油气田的集输与储运系统5海上油气生产系统选型6海底管道及海底电缆7多相混输技术导管架平台1固定平台生产系统年度1947195519591965196719751978198819921999平台适用水深（m）6306387104144312412366344壳牌公司的Bullwinkle平台，墨西哥湾，412m。导管架平台施工方法:陆上预制；海上安装。优点：结构型式多样；适用水深增加；生产能力大；技术成熟、可靠；适用浅海和中深海；海上作业平稳安全。缺点：费用随水深增加而增加；海上安装工作量大；制造和安装周期长；当油田预测产量发生变化时，对油田开发方案进行调整的适应性受到限制。设计寿命：15-25年。1固定平台生产系统导管架平台导管架滑移下水：安装深水型导管架的一种常见方式，这种方法是把导管架的导管预先密封，再用带有下水滑道的驳船，把它运到现场。到现场后，让驳船倾斜，导管架就沿滑道下滑入水，并浮在水面上。海上打桩作业：保证入泥深度≥5m，且导管架上部露出2m。海上吊装：1艘浮吊单独安装或2艘抬吊。浮吊日费18万美元。浮拖安装：内浮拖、外浮拖。1固定平台生产系统混凝土重力式平台构造：基础底座、腿柱及上部结构优点：节省钢材；经济效果好；防腐、防火、防爆性能好；维修工作量小，费用低，使用寿命长。缺点：对地基的要求高；结构分析比较复杂；制造工艺复杂；岸边需要较深的、隐蔽条件较好的施工场地和水域；拖航时阻力大；冰区工作性能差。钢质重力式平台构造：沉箱、支撑框架和甲板。优点：体积小，自重轻，对地基承载力的要求低。缺点：耗钢材，耐腐蚀性、储油量、隔热等方面差。工作水深范围一般小于300米，除极地和冰层厚大于1米的海域，一般海域均可适用。1固定平台生产系统重力式平台完全依靠本身的重量直接稳定在海底。完全依靠本身的重量直接稳定在海底。重力式平台1固定平台生产系统世界上最大的混凝土平台是北海的“斯塔福德-B”平台，耗用混凝土13万方、钢材3.3万吨，贮油罐容量33万方，平台总重量36.7万吨，甲板面积116m×50m，总高度271m，耗资约20亿美元。人工岛人工岛是指为了在浅水区进行海上油气开发，采用沉箱结构、砂石抛填、泥沙吹填等方法建成的岛式油气生产基地。在人工岛上可以设置钻机、油气处理设备、公用设施、储罐以及卸油码头。1固定平台生产系统人工岛护坡式人工岛：由砾石筑成，砂袋或砌石护坡；沉箱式人工岛：由一个整体沉箱或多个钢或钢筋混凝土沉箱围成,中间回填砂土；优点：稳定性能好，设计简单，钻采工作的操作安全；缺点：前期成本高，只适用于近岸油田开采，应用不广泛。中国第一个人工岛是河北省沧州市黄县岸外渤海上的人工岛。该人工岛是大港油田为勘探开采海洋石油而建造的。目前钢沉箱围闭式人工岛能成功地用于26m水深。1固定平台生产系统1固定平台生产系统筒形基础平台优点：投资少见效快、施工安装方便、缩短海上作业周期、可重复利用；缺点：应用水深范围小；需要更大吨位浮吊；平台运行过程中稳定性差；施工风险大。平台安装主要依靠负压沉贯，一旦地层不能建立负压，将导致平台安装失效。筒形基础平台1固定平台生产系统筒形基础平台，是一种全新概念的平台，被海洋工程专家誉为“导管架基础工程新时代的曙光”。顺应型平台顺应型平台是指在海洋环境载荷作用下，围绕支点可发生允许范围内某一角度摆动的深水采油平台。顺应式结构是指利用拉索、张力腿、万向接头等构件，对结构物在外荷载作用下产生的六个自由度的运动加以某种限制与约束，以满足定位与运动要求的半固定式结构。1固定平台生产系统顺应型平台构造：顺应型平台是一种细长的框架结构，因细部结构的差异，形式多样，如绷绳塔平台、浮塔式平台等。特点：抗疲劳特性好、重量轻、结构简单和安装方便、费用低。发展情况：顺应型平台应用得较少。生产采用平台甲板采油树；平台可采用传统的导管架建造方法和安装方法。1固定平台生产系统1固定平台生产系统2浮式生产系统3水下生产系统4海上油气田的集输与储运系统5海上油气生产系统选型6海底管道及海底电缆7多相混输技术典型的浮式生产系统指利用改装（或专建的）半潜式钻井平台、张力腿平台、自升式平台或油轮放置采油设备、生产和处理设备以及储油设施的生产系统。2浮式生产系统浮式生产设施FPSO以油轮为主体的浮式生产设施以半潜式钻井船为主体的浮式生产设施以自升式平台为主体的浮式生产设施以张力腿平台为主体的浮式生产设施浮式生产设施最大的特点就是可实现油田的全海式开发。由于其可重复利用，因此被广泛用于早期生产、延长测试和边际油田的开发过程。目前许多大型油田也都采用浮式生产系统。2浮式生产系统2浮式生产系统2浮式生产系统2浮式生产系统以油轮为主体的浮式生产系统2浮式生产系统1固定平台生产系统2浮式生产系统3水下生产系统4海上油气田的集输与储运系统5海上油气生产系统选型6海底管道及海底电缆7多相混输技术平台完井系统一般分两种形式：1、平台在海上安装后直接在平台上钻井和完井；2、需要回接作业的预钻开发井完井。当海洋油气田确定平台位置后：用半潜式平台下放安装海底钻井底盘，然后下放安装海底套管头组（即井口头组）进行预钻井；或：用自升式平台下放安装泥线悬挂系统（即自升式平台钻井的井口头），然后进行预钻井。浮式生产平台海底井口，称为水下井口（SubseaWellheadSystems）。3水下生产系统所有海底预钻井均按地质设计钻至油气层的设计井深，按常规完成油层套管（一般为95/8”套管或7”尾管）的固井；待安装导管架并安装好平台上部所有设备后，就用平台的钻井（或修井）设备将海底套管头组或泥线悬挂系统的海底各层套管回接到平台上，进行完井。水下生产设施是深水浮式生产系统必不可少的关键系统。水下设施的控制系统放在水上设施处。水上设施多用FPSO、FSO、单点系泊、半潜式平台和张力腿平台等。水下设施和水上设施及其水下设施控制装置一起构成了一套完整的水下生产系统。3水下生产系统水下生产设施典型的水下设施由水下采油树、井内生产管柱、海底井口、海底管汇和管线及采油树与管汇的平台控制系统或水下控制系统等组成。水下设备的控制系统通过海底管缆对其进行遥控操作；主要功能是对水下的各种阀门进行遥控操作，对水下设备的各种传输数据进行监测。3水下生产系统水下采油树湿式采油树干式采油树干/湿式采油树沉箱式采油树卧式采油树干式采油树与海水隔开，可减少腐蚀，使用寿命长，成本高、维修费高、数量很少。3水下生产系统水下生产设施3水下生产系统水下采油树安装水下技术日趋成熟，已在全世界得到普遍应用。国内，位于中国南海珠江口盆地的流花11-1油田、陆丰22-1油田以及一些卫星井均采取海底完井。优点：①利于实现早期开发；②充分利用已钻探井和评价井；③油层深度较浅的油田，在平台控制范围以外海区，可用水下采油树开采并连接到平台上；④花费相对较少，尤其在井数较少和深水地区开采的情况下，投资相对其它系统节省明显，使效益不好的边际油田得以开发；⑤有些水下采油系统可以直接从海底开采油气而不需要建平台，节约资金，避免水面狂风恶浪和海冰的影响；⑥平台井位已满而需打加密井，可用水下采油树开采；⑦可以轻易而经济地打捞上来，节约平台弃置拆除所需的大量资金，有些设备还可以重复利用；⑧极端条件下，如水深超过900m及北冰洋的酷寒等条件下，水下采油一般都能获得成功。3水下生产系统3水下生产系统3水下生产系统水下管汇中心（UMC）水下管汇中心是水下生产系统的一种主要设备，功能与一座固定平台相似，可在恶劣的海域和深海区安全可靠地进行油气田开发，也可与浮式生产系统配合开发边际油田。3水下生产系统水下采油树发展趋势：继续发展廉价而可靠的湿式采油树；随着作业水深的增加，将重点发展无潜水员协助安装型湿式采油树；工作压力将超过69MPa，达103.4MPa甚至138MPa；适用水深很快突破2,000m；制造供应商主要由美国的4家公司所垄断。他们是维高公司、柯培公司、FMC公司和国家油井公司。3水下生产系统我国海底完井系统及海底采油全套设备自行设计、制造能力现状：水下完井系统的设计制造尚未形成定型产品（水下湿式采油树、干箱式采油树、沉箱式采油树、海底管汇等）；水下混输泵的设计制造尚未形成定型产品。这种混输泵设计制造技术复杂，难度大，目前我国还没有解决；海底采油配套设备尚的研制尚未形成定型产品（水下采油树、水下集油站、水下保养站、水下维修舱以及相关的检测仪器设备等）；海底油气分离设备的研制尚未形成定型产品（海底油气水分离及回注设备、油井内油水分离设备、油井内油气分离设备等）。3水下生产系统近水面完井系统：近水面完井系统（Near-SurfaceCompletion，简称NSC），由美国休斯顿基础工程公司海洋工程联想有限公司提出。近水面完井系统将水下采油树从海底移至水面下40～60m处的大型浮筒上。除了近水面的浮筒、湿式采油树和从海底井口至采油树挠性接头的钢管外，其余均与水下采油系统的主要组成相似。优点：采油树水深仅约50m，壳体受压小，可以减薄壳体降低造价；避免昂贵的深水安装费用；采用可靠的短程液—液控制系统，避免使用昂贵的电—液控制系统。近水面完井系统是海洋完井的一项新技术，国内尚缺乏对近水面完井系统用的大型浮箱、带挠性接头的钢管、软管等的自主设计制造能力。3水下生产系统1固定平台生产系统2浮式生产系统3水下生产系统4海上油气田的集输与储运系统5海上油气生产系统选型6海底管道及海底电缆7多相混输技术海上油气田的集输与储运生产系统全陆式半海半陆式全海式由于油田特征、地理位置和海洋环境的不同，在生产实践中，油气田开发的需求往往要通过不同的生产设施的组合形式来满足。全陆式：海上作业工程量少，投资省、见效快半海半陆式：适应性较强，但必须铺设海底管道全海式：费用低，适用于远离陆岸的深水低产油田、边际油田4海上油气田的集输与储运系统全陆式生产系统全陆式生产系统主要用于离岸较近的油田。以路堤（栈桥）-平台（人工岛）型式为主，原油从井口采出后直接由海底管道混输到陆上，油气分离、处理及储存全部在陆上进行，使得海上集输储运流程简化。4海上油气田的集输与储运系统半海半陆式生产系统半海半陆式生产系统适应性较强，远海近海皆可用。原油采集、分离、计量、预脱水等在海上，原油经海底管道输送到陆上进行稳定、储存、中转等。4海上油气田的集输与储运系统4海上油气田的集输与储运系统全海式生产系统适应于远海、深海油田。原油从采出到外输的所有过程全部在海上进行，包括计量、分离、脱水、除砂、稳定、储存、中转等过程。底部支撑竖向固定结构浮式生产及坐底系统海上油气生产设施示意图4海上油气田的集输与储运系统1固定平台生产系统2浮式生产系统3水下生产系统4海上油气田的集输与储运系统5海上油气生产系统选型6海底管道及海底电缆7多相混输技术海上油气生产系统的选择原则选择原则水深油田地理位置及规模海底地形浅水(200m)深水(200m)固定平台生产设施水下+浮式生产设施靠近海岸远离海岸人工岛浮式生产设施地形平坦土质坚硬海底不平土质松软混凝土重力式平台固定平台或其他形式5海上油气生产系统选型海上油气生产设施适用水深范围：固定式平台（FP）：＜450m顺应式平台（CT）：450m～900m张力腿平台（TLP）：450m～2,100m立柱式平台（SPAR）：600m～3,000m浮式生产储油