水下生产系统总体布置技术研究

李丽娜， 张　飞， 侯　莉， 何　鑫， 李　斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)



水下生产系统总体布置技术研究

李丽娜， 张飞， 侯莉， 何鑫， 李斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

摘要：水下生产系统总体布置方案的选择直接关系到整个水下开发的成本，而且对生产系统的安装进度、运行周期和可靠性有很大的影响。该文对水下生产系统的布置模式、设计原则和布置考虑要素进行了总结分析，并结合南海某示范工程对水下生产系统布置方案进行了研究和设计，为我国水下生产系统相关研究提供参考。

关键词：水下生产系统；总体布置；水下控制系统

0引言

人类对能源的需求不断增长，深水油气开发已成为国内外海洋资源开发的重点。水下生产技术是相对于水面开采技术而言的一种海上油气田开发技术，它通过水下井口、水下生产设施、海底管道将采出的油、气、水多相或单相流体回接到附近水下/水面依托设施或岸上终端油气处理厂。水下生产技术已成为高效开发海上油气田的重要技术手段之一[1]。

水下开发项目中，在对水下生产系统布置方案进行选择时，不仅要考虑当前水下设备的购买成本，还要分析如何能让水下系统布置最优化，满足脐带缆、飞线等产品的布置要求，同时使整个水下系统的安装维修简便省时，钻完井和修井等费用相对较低[1，2]。

1水下生产系统总体布置技术

1.1水下生产系统布置模式

根据具体油气田地质油藏特点和开发策略，应用水下生产系统进行海上油气田开发已形成了多种布置模式，目前比较常见的有五种模式：(1) 单个卫星井回接到附近水下或水面处理设施；(2) 管汇+丛式卫星井；(3) 集中式基盘管汇；(4) 管串式；(5) 综合开发模式[3]。

其中：单井回接适用于小型油藏；管串式多用于中小型油藏；基盘式适用于水下井口相对集中的中小型油藏的开发；丛式管汇几乎适用于所有的水下井口较分散的小、中、大型油藏，这种布局形式初始投资小，可提前安装，获得第一桶油的时间短，能够减少管线的使用数量，优化海底布局，且形成清管回路，后期维护的灵活性好；大型和超大型油藏一般采用综合开发模式[2-4]。

1.2控制系统总体布置技术

控制系统布置取决于生产系统布置。水下控制系统主要是对安装在采油树、管汇和管道上的阀门和节流器进行操作。五种基本控制系统包括：(1)直接液压控制系统；(2)先导液压控制系统；(3)顺序液压控制系统；(4)电液混合控制系统；(5)全电控制系统。目前水下开发采用的主要是电液混合控制系统，实质上是水下控制设备通过通信系统接收指令控制电磁换向阀的运动[5]。

2水下生产系统的设计原则和布置考虑要素

2.1设计原则

水下生产系统工程方案的设计应综合考虑油气田开发周期内各阶段的需要，在满足功能和安全的同时最大限度简化水下生产设施，使开采周期内的利益最大化，且在设计初期就需要考虑将来扩大生产的需求；应充分利用周边基础设施，综合考虑水下生产设施与依托设施、钻完井工程的界面，考虑好水下生产系统的安装、操作、检测、维护、维修和废弃期间的要求；还应考虑渔网、锚区、落物、浮冰等潜在风险，敏感设备设施保护装置和环境保护等问题。

2.2水下生产系统总体布置考虑要素

井口分布及陆地/海上处理设施分布确定后，便可以进行方案制定。通常需要考虑以下因素：

(1) 从储量资源的角度，是否必须对每一口井进行测试，需要与业主方进行沟通。

(2) 如某些井有修井要求，须考虑在修井期间此井的上游是否需要全部停产。

(3) 典型的水下控制系统应该有一个可接受的能覆盖其服务功能的压力范围。

(4) 第一个安装的结构物应被设为参考点，供其他结构物参考。

(5) 井口间距应当至少10 m。

(6) 生产跨接管的最大长度不得超过60 m。

(7) 井口宜定位在距离管汇中心点名义半径30 m的范围内。

(8) 钻井中心应该优化，尽可能减少飞线长度规格。

(9) 电飞线应该不超过100 m，或应符合承包商由于以太网通信的局限性。

(10) 脐带缆或者飞线不应该交叉(立管基座区域除外)。

(11) 建议跨接管“U”或“M”形设计，减少安装和操作载荷。

(12) 应该考虑下放区允许更换工具篮和安装滞留锚、配重设备。

(13) 脐带缆安装的近似铺设半径：主脐带缆20 m，注水脐带缆10 m，且要符合承包商要求和脐带缆的技术限制。

总之，水下生产系统总体布置的目的是定义结构安装间距和误差，确保海底管道和脐带缆进入有足够空间，允许不考虑现有水下结构物便可安装管线，为EFL/HFL/FFL安装框架提供安全着陆区，最大限度的方便跨接管和飞线的安装和回收等。

2.3水下生产系统布置方案比较要素分析

布置方案比选须从技术、HSE、施工和安装、操作、费用、计划等各方面综合考虑，最终选择制定出最佳方案。

(1) 技术方面：包括成熟度、复杂度、开发阶段/井序、后期扩展等。

(2) 环境、健康、安全方面：包括风险等级、对环境影响以及安全并行操作。

(3) 施工和安装方面：包括外输海管施工、内部连接海管的施工、井口连接、控制系统连接、水下设备设施的建造。

(4) 水下生产系统操作方面：包括高效性、灵活性、通球性。

(5) 对井口的操作方面：包括钻井、井口维修、泥浆及切削物的处理。

(6) 费用及计划方面：包括设备清单及费用、初始投资及预投资。

3中国南海某示范工程总体开发实例

3.1项目概述

中国南海某示范工程的相关设施包括：一个中心处理平台(CEP)、5口生产井(A1、A2H、A3H、A4H、A5)、1个预留接口供将来水下生产系统扩展接入、1套水下生产系统。其中，A1、A2H、A3H、A4H 相对较为集中，而A5井距离前四口井约9.37 km，未来二期油田钻井中心距离A5井约7 km。井口处水深为470 m~500 m，CEP处水深约为220 m。

3.2中国南海某示范工程水下系统布置方案

A1、A2H、A3H、A4H井口位置比较集中，可以采用中心管汇(CM)连接各个采油树，A5井和未来二期油田与其距离较远，且5口生产井及二期油田与依托设施中心处理平台距离均较远，考虑在A5井处设置桥接管汇，预留后期开发接口。为描述方便将油田井口划分为两组井口群，A1、A2H、A3H、A4H为第一组井口群，A5及未来二期油田的扩展接口为第二组井口群。

鉴于示范工程第一组井口群中心管汇需要回接四口井，同时考虑到油田的油藏特性，油管需要定期进行清管操作。中心管汇结构较大，设备布置紧凑，比较笨重，故设置单独的SUTU模块以满足电液需求。第二组井口群桥接管汇(BM)结构比较简单，尺寸较小，重量较轻，建议将SUTU模块集成到桥接管汇。在此基础上设计了如下三种总布置方案：

(1) 采用管汇分别接入CEP

该方案两组井口群分别采用海底管道和立管输送至中心处理平台CEP，布置方式如图1所示。该方案第一组井口群中心管汇结构(CM)与井口采油树均通过跨接方式连接，为了尽量减少跨接管的规格，将中心管汇布置于井群中心。四口井的油气汇集到中心管汇后，再通过一条海底管线输送至中心处理平台。第二组井口群，A5井和未来二期油田的油气汇集到桥接管汇，再通过海底管线将其输送至中心处理平台。

相应的控制系统布置方案：来自中心平台的脐带缆，铺设至第二组井口群桥接管汇SUTU，供给A5井电液需求。同时，通过油田内部脐带缆，将其输送至第一组井口群中心管汇处的SUTU，供给A1、A2H、A3H、A4H井口电液需求，且桥接管汇SUTU为未来油田留有预留接口。

(2) 丛式管汇+链式布置1

该方案与方案一的主要区别在于：两组井口群不再连接中心处理平台CEP，而是将第二组井口群的桥接管汇通过海底管道连接至第一组井口群的中心管汇，然后再通过一条海底管道连接至中心处理平台CEP，如图2所示。

相应的控制系统布置方案：来自中心平台的脐带缆，铺设至第一组井口群中心管汇处的SUTU，供给A1、A2H、A3H、A4H井口电液需求。再通过油田内部脐带缆，将其输送至第二组井口群桥接管汇的SUTU，供给A5井电液需求，同时桥接管汇SUTU为未来油田留有预留接口。

图1　布置方案一

图2　布置方案二

(3) 丛式管汇+链式布置2

该方案与方案二的主要区别在于：不再将第二组井口群连接至第一组井口群的中心管汇，而是将第一组井口群的中心管汇连接至第二组井口群的桥接管汇，然后再通过海底管道和立管输送至中心处理平台CEP，如图3所示。

相应的控制系统布置方案：来自中心平台的脐带缆，铺设至第二组井口群桥接管汇SUTU，供给A5井电液需求。再通过油田内部脐带缆，将其输送至第一组井口群中心管汇处的SUTU，供给A1、A2H、A3H、A4H井口电液需求，且桥接管汇SUTU为未来油田留有预留接口。

图3　布置方案三

3.3布置方案比选

3种方案比选情况见表1。

表1　示范工程布置方案比选

续表1　示范工程布置方案比选

通过以上标准因素的比较与分析可知：三种方案均为成熟的技术，具有相对较低的复杂度，使用跨接管和电飞头，可通球，可满足后期井口接入。方案一的海底管线长度最长，虽然结构物较少，但需要两根输出海管及立管，使海管的管理工作量增加。方案二与方案三比较，方案三海管长度和脐带缆控制距离均相对较短。同时，分别对三种方案进行了流动保障分析和工程开发费用估算，方案三的工程总费用最低。因此，从风险等级、可通球性、控制系统的控制距离、工程总费用等方面综合比较，示范工程水下生产系统总体布置方案推荐方案三。

4结语

该文对水下生产系统的布置模式、水下生产系统的设计原则和布置考虑要素进行了总结，并结合南海某示范工程对水下生产系统布置方案进行了设计，对布置方案的比选要素和方法进行了研究分析。水下生产系统的总体布置设计时需要综合考虑各种因素，到底采用哪种布置方式或者哪几种方案综合的布置方式，都需要进行大量的比对研究工作。

参考文献

[1]谢彬,胡茂宏.深水工程手册[M].北京：石油工业出版社，2010.

[2]ISO 13628-1.Petroleum and Natural Gas Industries-Design and Operation of Subsea Production Systems-Part 1： General Requirements and Recommendations[S].2005.

[3]胡夏琦,胡茂宏,高静坤,等.水下系统布置方案研究[J].中国造船,2012，53(6):68-73.

[4]王建文,王春升,杨思明．水下生产系统开发模式和工程方案设计[J]．中国造船,2011,52(A2):27-33.

[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

中图分类号:P756

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2015)06-0025-06

作者简介：李丽娜(1983-)，女，工程师。