海洋石油装备讲义第二章海洋采油装备与结构

海洋采油装备与结构

海上采油平台及水下采油装备

海洋采油装备与海上油气集输的方式有关。一般离岸较远的低产小油田，常将油、气分离处理后，送至油轮上运走，叫做全海式。对于离岸较远的高产油田常通过短距离海底管线将油、气集中到采油平台，分离处理后再经海底管线送至岸上进行储运，叫做半海半陆式。离岸较近的油田即可采用一井专线或多井一线直接通过海底管线将油、气混输到岸上进行分离及储运，叫做全陆式。此外，近年来在深海还发展了水下采油装备。下面分别介绍海上采油平台与水下采油装备。

一、海上采油平台

（一）海上采油方式的分类

1．浅海采油

水深在70m以内，一般采用采油平台采油。可分下列几种情况：

（l）3～5口井的采油平台 在平台上进行油气的计量，然后将油、气、水通过海底管线混输至岸上。

（2）多井（可供18口井用）的采油平台，平台上有油气分离及脱水等装置，待去气去水以后，将原油用泵通过海底管线输送到岸上。这种平台可兼供钻生产井用。

2．深海采油

水深在100m以上即需采用海底井口（水下井口），并使用一系列水下采油装备来采油，叫做水下采油法。一般在较深水中也可采用钢管在海底集油，然后再用软管连接到海上的浮动分离储油装置上。例如常用的单点系泊装置即使用高100m以上，直径约10m的圆柱型浮筒，上端与油气分离、储油装置连接，底部用软管连接海底集油管线。它既能固定于一个位置上，又能随风浪摇摆。浮筒上装有漂浮软管和尼龙系缆，还有操纵软管及系绳用的滚筒和动力转盘，通过软管用泵向油轮装油。油轮保持迎风可绕浮筒360o旋转。水面处浮筒周围有碰垫，以防船碰伤。浮筒上有直升飞机坪和供应维修用的房舍，如图2－1所示。也可在海底建立水下油罐，储存原油。油罐是一个顶部为圆弧形的圆柱体。用管道把压缩空气压入圆柱体内，将油罐拖运到装设地点，然后再利用压缩空气和一个临时补偿装置使罐从海面沉到海底。

图2－1 单点系泊装置

（二）海上采油平台的类型

海上采油平台依其制造材料分有钢质及混凝土平台，按其特点来分又有桩基式、重力式和混合式三种。

1．桩基式钢质平台

如图2－1所示，这类平台一般是从导管架的管柱腿内打桩，个别的是从固定在导管架大腿的下端外部的导桩套内打桩。这种平台工作水深最小 29m，最大161m。

图2－1 桩基式钢质采油平台

2．重力式混凝土平台

重力式平台是靠自重座在海底的，一般均用混凝土制造，个别的也有钢制的。工作水深150m以上。

这种平台需解决海底冲刷及防止滑动和倾斜等问题。可采取预先在海底铺砾石，基座四周安装铰接垫，以及底座下面装设深入土壤的钢质裙板等多种措施。这种平台如图2－2所示。

图2－2 混凝土采油平台

3．混合式平台

这种平台是用混凝土和钢材制造的平台。底座腿柱的一部分采用钢材，这样既可较好地解决基础受冲刷，底座滑动和倾斜问题，又可以缩短海上施工时间，消除桩基式和重力式的缺点。

此外，还有漂浮式混凝土采油平台正在研制，它是半潜式的，可用做漂浮储油装置，其储油能力可达6.4×104t，工作水深可达300m。

二、水下自喷井采油装备

深海采油一般采用水下采油法，目前已采用的水下自喷井采油装备有如下几种。

单井水下自喷井采油装备

单井水下采油装备主要是遥控座在海底特殊座上的单井采油树。它适用于远海深水中的单独高产井。采油树是由下部的主阀及上部的采油控制设备等组成，如图2-4所示。

固定设备

它是永久放置在海底的器具。主要包括有：

井口盘 即开始钻井时确定井位用的井口盘。

降落盘 完井时安装在井口盘上。用以封严套管头，安放工作舱。

连接器 位于套管头上面，与采油树相连。

导向架 导引降落盘座到井口盘上。

2.主阀

主阀包括有下主阀、环形通路阀和出油管线隔离阀。下主阀位于采油树下面，座在套管头上；环形通路阀是控制油管与套管间环形通路的；管线隔离阀是控制通向水面上的出油管线的。主阀放置在密封的工作舱内，密封舱通过导向架座在降落盘上。工人可以乘坐运送舱到达工作舱内进行调试主阀、吊装出油管线及电缆等项工作。主阀可在工作舱内手动控制，也可以通过电缆在水面上遥控。

采油控制设备

它主要包括有遥控的阀、液压及电传设备组成一个整体座在主阀上面。这套设备使用期限一般为两年，到期后整体进行更换，为此尽量设计成小尺寸结构以减轻重量，一般约15t重，高3m，直径2.5m，用于400m工作水深。

全部设备包括有电动设备、电信设备、液压油箱、液压阀、油泵等，用电缆与水面控制平台相通，以实现遥控。

装卸器具

它主要由三部分组成：

装卸工具 用以将采油控制设备从水面送到海底，安放在主阀上，需装有保护设施以防在下放时碰伤。

定位器具 一般不采用导向绳及潜水员作业，而是用声波定位及水下电视技术来使装卸工具及工作舱自海面船上放至海底并准备就位。

隔水管 这种隔水管实际上是一种特制的钻柱，内径101.6mm（4英寸），下端177.8mm（7英寸）开口。它的功用是通过钢丝绳来运送装卸工具；用它来下放或上提工作舱，通过海底液压连接器试压的管线，向油管中泵送油液等。隔水管在水面船上配备有升沉补偿装置。

5 工人工作及运送设备

它可将工人自水面船上运送到海底，并提供一个大气压的工作环境，使工人在舱内进行安装主阀、油管线以及电缆等项工作。

如图2-5所示，其主要组成有：

水下工作舱 它是一个压力容器，依靠声波定位法用装卸工具下放到降落盘上。整个工作舱可供应一个大气压的新鲜空气。

水下运载工具 它是将工人自水面船上送到海底工作舱的运载工具。实际上它是一个大气压强的潜水器，既具有推进动力装置又具有漂浮控制装置。它有液压或电传设备与水面船相连接。潜水时靠推进动力装置及声波定位装置准确地下放到海底工作舱的窗口上。工作完毕后，工人自工作舱进入运送舱，然后再返回到水面船上。

当需要对海底井口主阀以及采油控制设备进行维修保养时，还备有特殊设计的钟式作业舱（潜水钟）。它相当于将水下工作舱与运载工具合并在一起。目前使用它，可在水深50～150m处工作。

单井位多井水下自喷井采油站

这种采油站是在一个井位处有多口方位井的集油站，其主要组成是：

井口基盘 井口基盘一般为圆形，直径大小视井数而定。

水下作业舱 它在海底可提供一个大气压的工人操作环境。水下作业舱呈圆柱状，分上、下两端：上端为控制室，下段为维修间。控制室中有电器设备、运动测量系统等。维修间集中全部产油管线，还有单井试油用油气分离器以及自动下泵工具等。作业舱一般用后合金钢板制成，目前可用于500m水深。如图2-6所示。

井口连接装置 通过它将水下井口装置与采油管线及修经用维修管线连接起来。如图2-7所示。

水下工作系统 为了保持一定的自持能力，全套水下工作系统应包括液压电传系统、压载水泵系统、自动控制及报警系统以及运送工作人员到水下作业舱的运载工具等。

（三）多井位水下自喷井采油装置

多井位采油时，不仅每口井在水下均应有井口室，而且还有有供几口井口的水下集油站以及供各井及集油站维修用的维修舱。这些设备的特点是可用于任何工作水深，而且全部工作均可在常压下进行，不需潜水作业，并能遥控。

井口室

它可用来保护海底采油树、各种阀以及控制设备，提供常压工作条件，使之不受周围高压及盐水腐蚀的影响。井口室有两种型式：

直立式井口室 为直圆柱体，分为上、中、下三段，如图2-8所示。

上段为半球形壳体。壳体上有一个向上倾斜的引管口，输油管自井口采油树经引管口引出，电缆及液压软管则由此口引入。半球壳体上端有一个杯状接合门，用来与维修舱连接座紧，如图2-9所示。

为了将各种管束引进井口室，管束端部应装有引管接头，它可以引管口形成一个水封装置。引管接头有钢丝绳相连，可利用维修舱内绞车将管束拉进井口室，接到采油树上。一般引入井口室的管束长度应能卷成一个半径1.5m的圆环。

中段为直圆柱壳体，供安装工作用，如图2-8所示。

下段为半球形壳体，座在井口装置上，如图2-8所示。

卧式井口室 图2-10所示为卧式圆柱壳体井口室。它的工作室较大。内径约3.15米，可用于工作水深130m、210m、400m，一般采用直径50.8mm（2英寸）的油管及50.8mm（2英寸）环形通路的采油树。

井口室的安装工作应在完井后钻井浮船尚未离开时进行。在船上先将井口室与液压连接器连在一起，然后用钻杆沿导向绳下放，直至井口室下端的液压连接器的底部座到井口装置的套管头上为止。

水下集油站（集油管汇中心）

来自每口单井井口室的输油管线首先在集油站合并在一起，然后再通过一条管线，输至附近的采油平台或岸上。这样可缩短通至采油平台管线的距离，并可减少输油管的数目。

图2-11给出了一种供3口井使用的水下集油站，外形为卧式圆柱壳体，开有7个引管口，其中3个是用于3口采油井的，这3个引管口，每个均通过有50.8mm（2英寸）油管两根，还有50.8mm（2英寸）供油管与套管环形间隙气举用的管线一根以及31.8mm（1英寸

在集油站的圆柱形壳体顶部有一个杯形接合门，其作用与井口室的相同，也可用来与维修舱密接，以使工作人员进入集油站。

3.水下维修舱

它可用来为井口室及集油站提供器材、运送人员。如图2-12所示，外形为球形壳体，上下均有舱口，底部有裙板。当维修舱下放或上提时，裙板室可用以充水或卸载。球形室内始终保持一个大气压力。它可借助钢丝绳及舱内绞车，下放到井口室或集油站顶部的杯形接合门上。利用水面船上的通风设备，向维修舱内供应新鲜空气，同时，还可调节维修舱内的温度和湿度。新鲜空气的管线经舱的脐孔进入舱内，而舱内的废气则通过另一条同尺寸管线自脐孔排出。电缆线及电讯线也一起由脐孔进入舱内。脐孔中通过的还有一定数量的电线，用以传送水下不同器具的电视图象到水面船上。维修舱内还有四个照相机，一个固定在舱内，一个在裙板室内，一个再舱外观察管线的情况，还有一个轻便型的，根据需要随时取用。

维修舱内的所有作业都和陆上一样。作业完毕，工人离开工作室，观赏维修舱的下门，借助舱内的绞车，即可徐徐上升离开海底。

4.水面作业船

这种作业船是自航的，具有自持能力，其主要作用是下放和回收水下维修舱。作业船上需装设一套起重设备，包括有桅架及绞车和复滑轮系统等。同时还装有通风、供电和电视设备。

5.安装牵引管线的器具

当将各种管线引入井口室、水下集油站及水下维修舱内时，需将管线举起一定的高度及角度，现在管线装好引管接头，然后利用室内绞车自引管口拉进。目前采用的一种新型牵引器具可装入引管接头中。它具有一个浮标，浮标上有电讯线。当要安装管线时，球阀打开，浮标放出到海面上，它与转运管线驳船上的绳缆连接，绳缆则与连接好的管线端的引管接头相连。这样，浮标下沉，通过电讯可以重返海底井口或集油站，并将绳缆及管线引导到海底。当引管接头接近管口时，此牵引器具即进入引管接头中座紧。这是，被牵引的管线可借助此牵引器具前进254mm，待全部管线拉人室内后引管口锁紧，即可将此牵引器具移走，而拉进的管线则可安装在井口采油树或集油站的管汇上。

（四）新型单井位多井水下自喷井采油设备

这是近年来出现的一种成套水下采油装备，它全部座于水底适于深水工作，其保养、修理等工作均不需潜水员，可用遥控，必要时可载人到海底作业。其主要组成如下：

（1）大型管式海底基盘 如图2-13所示，它是用来放置所有水下采油装置的，可将输油管线与油井相连。施工时，需先将设备安装调试好，再用水面作业将其下放到海底，整个重量可达400t。基盘设有压载舱，可用泵排水充气或充水排气。

（2）水下井口装置 采油树由普通主阀、与集油站连接用的液压连接器等组成。为了能使泵送工具入井，采用88.9mm（英寸）油管，并配备有液压控制的水下安全阀。采油树等水下井口装置由钻井浮船在完井后自船上下放到海底。

（3）集油站 所有管线均汇集到集油站，共有高低压大口径输油管线两条，压力达22MPa；试井及泵送工具用管线两条，压力达35MPa；气举或配气用管线一条，压力达10MPa。一个井位有3口方向井时，集油站呈正方形，井更多时则需增长为长方形。当液压系统失灵时，有能关闭全部阀门的安全装置。图2-14即为集油站的部分管汇情况。

（4）控制系统 采用液压控制。油泵及其装备全部安装再撬座上。油箱中油压略高于海水压力，以防海水污染。油泵采用电驱动，电缆时潜水的。使用气体储能器，储存足够气量供各阀使用。当能源发生事故时，储能器可维持7天，以待维修。

（5）泵和分离装置 如图2-15所示，油井的原油进入油气分离器，将气分离后，再进入多级离心泵，用泵将原油输送到水面上，也可用节流阀将部分油送回分离器，以保持一定液面。

（6）隔水管 它是水面与海底间的一个通道。一般隔水管中有动力电缆、通讯电缆、液压管线等通过。

（7）水下保养站 系无人管理的装置，如图2-16所示。它座在轨道上，围绕着集油站、控制系统及泵和分离装置。当水面发出讯号时，可自海底放出浮标，于是水下保养站即可借助浮标漂浮起来，当下放时可借助沉垫压载而放入海底，座在轨道上。当许人操作时，通过遥控，水下保养站即可以漂浮起来，然后再在人下入海底。整个水下保养站的重量约8.5t（在空气中），目前可适用于140m的水深。

图2-17为单井位多井水下采油装置的总体布置图。去气原油从海底送到船上，再运送到岸上，也可以送到大型采油平台上。

第二节 海洋采油的井下作业器具

海洋采油的井下作业包括完井或修井时的注水泥，日常修井时的清蜡、射孔、冲砂、酸化，以及水力活塞泵法采油时的换泵等。下面将这些作业使用的与陆上不同的特殊器具，分别进行介绍。

一、注水泥用特殊器具

海洋注水泥器具可分为两大类：一种是装在平台上面的水泥头，它不同于陆上固井用的水泥头；另一种是安放再海底井口的水泥头。前者称为常规型，后者称为特殊型。

（一）常规型注水泥器具

海上平台或钻井浮船上进行各种注水泥作业的全套水下注水泥器具的组成如图2-18所示。

1.特点

常规型注水泥器具与陆上的不同点是：

（1）水泥头简单、轻便，安放在平台上，仅用于提供液流通道下及下放撞击器与橡皮球等。

（2）上、下水塞均安装再水下套管悬挂器下面的套管中。

2.水下器具结构

水下器具部分的详细结构如图2-19、2-20、2-21所示。它主要由三大部分组成：

（1）管体 为水下固井器具的体部，上端通过大小头与钻杆接头相接，下端通过接箍与套管悬挂器相连（图2-18）。

（2）上木塞总成 包括上木塞（TP）和上木塞支持器，见图2-19。

（3）下木塞总成 包括下木塞（BP）和下木塞支持器。

如图2-19所示，上木塞支持器包括一对径向相对的壳体2a，它们分别焊接在管体的窗口2b上，其焊口为2c，并在相对着侧壁2d间形成腔室2e，腔室内装有支撑架2f，支承架主要是由支承臂2g组成，支承臂的上端用销钉2h穿过椭圆形槽铰接在侧壁之间，并用丝堵2j在壳体上定位（参看图2-18）。各支承臂的下端有一个剪切销2k，将支承架固定在第一个位置上，并用丝堵2m定位。支承臂2g有一个向内弯的体部和端部。图2-19表示上木塞支持器处在第一个位置，此时支承臂通过其他体部和端部托住了上木塞。

上木塞的中间是一个用可钻性较好的材料做成的管状体，其中心有开孔或通道，再体部的外面压铸有弹性体，弹性体的外圆柱面上沿轴向分布有适量的盘状体，而在弹性体的上部是一个碗状体，其底部与体部上端的斜面相配合。另外，再弹性体的下部形成一个密封法兰与管状体的下平面配合。

下木塞及支持器的结构基本上与上木塞及其支持器相同。

图2-20为下木塞的横截面剖视图，即沿图2-19中的A-A面的剖视图。

图2-21为改进后的上木塞总成的结构，其特点是用矛形结构代替圆球。

（二）特殊型注水泥器具

图2-22是在钻井浮船上采用旋转水泥头的水下注射器具进行注水泥操作的示意图。由图可见，注水泥时，旋转水泥头装在海底防喷器组和隔水管之间，而隔水管通过其上下两端的球形接头3和5分别接到伸缩管和旋转水泥头上。伸缩管是有钢绳张紧器支持在船上，以补偿船的运动。

图2-23即为上述旋转水泥头的剖视图。它主要由四部分组成。

（1）固定部分 包括下部凸缘的外壳和上盖，分别和防喷器及隔水管相连接。

（2）旋转部分 主要是装在外壳内部的可转动的芯子，其内部构成为液压定位系统的液缸。

（3）承接部分 主要是装在上述两部分之间的主推力轴承，通过轴承，旋转水泥头的芯子可以相对外壳转动并将负荷传给外壳。

（4）液压定位系统 主要包括有两部分：

1）液压销闩机构 包括活塞、活塞杆、凸轮以及它们与芯子之间的密封件。在凸轮的上下边缘各有一个小锥体与下入工具的槽的斜面配合。在注水泥作业时，上面的锥面可与下入工具形成密封。

2）液压系统 包括进出口管线12、14和防止液体流入井筒的密封件5、21，隔绝进出口的密封件11和隔离轴承润滑通道的密封件10，以及液体储能器13、15。

旋转水泥头的开动前，液压锁闩机构处于收缩位置，这时下入工具的槽再凸轮的下面。然后开动液压系统，液体就由进口管线进入液缸，并推动活塞使凸轮从凹槽伸出，与下入工具接触。再下入工具上提时，其上的槽刚一越过凸轮，在液压作用下，凸轮会迅速地伸入此槽中，随后下放整个管柱，使其全部重量通过液压锁闩机构座到水泥头外壳上，并可与其一起再水泥头中相对于外壳旋转。而外壳上的负荷则可通过防喷器组向下传到海底井口上 。这样既可实现再注水泥的同时，转动或上下活动注水泥部位的套管柱的目的，从而使水泥浆更有效地从井下环形空间替出钻井液，以减少或避免水泥穿槽，保证固井质量，确保海上注水泥能获得一次成功。

当注水泥作业结束以后，稍微上提下入工具以解除作用在水泥头上的重量，液体则由通道18进入活塞右面的液缸中，由于储能器13的作用可使液压锁闩机构迅速地从槽中缩回到原来的位置。液压锁闩机构缩回后，即可慢慢地下放整个管柱，知道套管悬挂器座到海底井口上。

二、海洋修井用特殊机具

（一）水下井口的修井方法

水下井口的修井方法，一般可分为两大类：

1.将水下井口变成水上井口的修井法

通常是从水面把隔水管、导管等接到水下采油树上，也有的用沉箱沉入海底，并用单向阀或水泥塞堵住井口，拆除套管头后，将管子接到出油管，再从沉箱内引出到水面以下，这样既可把水下井口延伸到水面以上，用一般陆上修井机进行修井。

2.通过出油管线修井法

这种方法是采用一种特殊的修井工具，将出油管线下到水下井口以进行各种修井作业。修井工具可以靠自重或用钢丝绳下入，也可用液压输送；起出时，可用绳索打捞工具，也可用反循环泵送，采用泵送起下的修井工具称为泵送工具，这时除了出油管线外，还必须装有第二条管线通至集油站。

（二）海上修井机

1.普通平台修井机

这类修井机的全套机组采取撬装、积木式的集成组合方案。它适合于完井25口以上大型海上固定采油平台。还能进行注水泥、试井、酸化、塑料固结等作业。

这种修井机，有的用重型驳船整体运载，有的分成几个大机组或单机用直升飞机等运载；还有的外形像一个龙门起重机，天车可在天车梁上移动以适应不同井位，称为龙门式平台修井机。

2.与辅助船配合使用的修井机

按照设备的布置方案，可分为：

（1）部分设备装在辅助船上的修井机 对于各种小型采油平台（完井16口以下的），一艘只能放置小型修井机。如常将约294kW的小型液压修井机放在平台上，而将约294kW的两台柴油机及其所驱动的两台约147kW变量泵和另一台约272kW的泵放在辅助船上。

（2）全部放在辅助船上的绳索修井机 这套系统，目前至少可用于水深100m的海底油井的维修。它采用了一个标准的防喷管，因而可将一艘陆上的绳索修井技术直接引用到海上修井作业中，但仍需潜水员协助进行水下井口的某些连接工作。

撬装的绳索修井机主要由绳索绞车、作业绞车、桅杆、液压控制台、卧式运动补偿器和工作平台等六部分组成。从每台绞车引出的绳索穿过两个水平的滑轮，其中一个是装在活动的支架上，所以相对于井口的运动不会通过绳索传出去，穿绳的情况，如图2-24所示。

与上述修井机配套使用的水下修井器具具有海底防喷管装置、液压管线、活动盘根以及导向绳和绳索工具等，如图2-25所示。

3.修井

对于那些近海不带平台的卫星井或平台很小的单井，因无法安装一般的修井机，常采用具有自航能力的修井船。常用的修井船，有下列几种：

（1）装有液压升降装置的自升式修井船 全套作业设备是由液压升降装置、三滚筒绞车组和高压泵系统三部分组成。甲板上的全部作业设备都采用液压传动。其立面图及甲板平面布置，如图2-26所示。

（2）装有软管修井机的修井船 安装在修井船上，可对水深75m、水下完井的油井进行修井。装在船上的修井设备主要由软管卷筒、升沉补偿系统和绳索作业绞车三部分组成，如图2-27所示，修井船采用动力定位。

由图2-27可见，升沉补偿系统主要是通过补偿钢丝绳来保持软管的拉力，时软管隔水管的顶端再风浪较大时也相当稳定。

由于船的水平运动和海流的作用，软管往往形成一条直线，特别是在其上下两端。为此，再这两点上各装一个大曲率半径的导向罩，以控制绳索工具和软管内表面之间的间隙。

（三）泵送工具

泵送工具一般可以完成海上油井的各种日常维护工作和冲砂、酸化、射孔、塑料人工井壁以及生产井段的挤压作业（挤油、挤水泥等）。再钻井平台移开井位后，还可进行某些完井作业。

1.地面设备

主要由三部分组成：

（1）泵 水马力一般约为110kW。

（2）管汇和仪表滑撬 包括一个控制油流的阀箱，一个和井口上一样的可变油嘴，一个回压调节器及必要的仪表。

（3）防喷管 起作用是使工具能在压力下进入油井，一般采用卧式，如图2-28所示。

2.完井设备

泵送修井工具用的井口装置如图2-29所示，通过阀门弯管，接通出油管。弯管在相交处与油管中心线相切。

这套井口装置装上堵塞后，可适用于泵送修井作业，而拆除堵塞后，也可适用于一般垂直起下的修井作业。

在采用泵送工具修井时，工具可通过井口装置上两条弯曲半径不小于1.5m的出油管线，泵入井下或返回水面，这两条管线在接近井底的地方相通，因而可循环液压介质。

3.修井工具

包括维修、清蜡、射孔、冲砂、地层封堵用的工具和测试井底压力的井底压力计等。其中维修工具常由起下工具和震击工具等组成。起下工具可以通过远距离操作和另一个泵送部件连接或脱开。例如图2-30就是通过起下工具泵送井下油嘴的情况。作业时，装有油嘴泵送系统，下到接受器的筒体内的V形盘根上，然后剪断销子，起下工具即可脱开。

4.水下控制设备

它主要包括有安全阀、固定阀以及循环控制阀等。循环控制阀用于双层完井、三根管柱的泵送工具系统中。图2-31所示为一种用于双层完井两根管柱的循环控制阀。

三、海洋抽油用水力活塞泵装置

目前海上抽油设备，应用较多的是水力活塞泵装置，特别是再水下完井的抽油井，采用自由安装式水力活塞泵后，操作不受井斜影响，起下泵方便可靠，地面动力泵组等机动性能好。

整套水力活塞泵装置除与陆上相同外，为了保证海上工作的安全可靠，需增设防火和报警系统，以防止动力液泄漏引起的爆炸和火灾，还应注意防止对海水的污染等等。

（一）换泵方法

海上油井用水力活塞泵的关键问题时要有一套适合于海上条件的换泵装置；对浅水油井，可用潜水器、潜水罩或使用潜水船来换泵；深水油井有以下两种办法：

（1）利用小船或驳船再高出井口的水面上工作。而井口装置应允许井下泵能在海底井口和水面之间移动。

（2）利用专门设备，从远离海底井口的岸上的控制台或海上平台通过海底出油管线将井下泵从水平管线送到垂直的油管柱中去。

（二）液压换泵装置

1.这种装置如图2-32和2-33所示，它主要是由一个接在浮筒（图2-33）上的管头和一个装在套管头中的外面抛光管所组成。抛光管的长度等于水深。所以整个装置伸开时，其管头可露在水面上。动力液管和出油管固定连接在井口上，而不受管头上下运动的影响。

2.弯曲式井口装置

该装置时一根具有短弯曲半径的大口径钢管，如图2-34所示。管子内部有一根软管，软管内径略大于泵的外径。当泵通过软管时，它可变直。只需小压力差就可使泵通过。再软管外面和钢管之间充满液体，而且其压力是平衡的。

除上述两种液压换泵装置外，还有其他形式多种换泵装置。

第三节 海上采油早期生产系统

一、概述

（一）基本概念

什么叫早期生产？勘探过程中，探井出现工业油气流后，对生产设施及全面开采方案，从技术上及经纪上，尚未能合理选定时，为了尽早获取油气，回收资金，并进一步积累勘探及开发等方面的的数据资料，而在短期内先使一口井或一小块油区局部投入生产的开采油气的方法即叫做早期生产。

早期生产再陆上油田已早有应用。例如我国的大庆油田，早在1960年发现工业油流之后，立即再萨尔图开辟了一小块试验区，进行早期生产。

当然，海上早期生产系统，由于油井在水下，油气处理在海上，与陆地有海水相隔，因而给采油、储油、集输、油气水处理等带来了一定的困难，而且生产设施及装备也较为复杂，所以再海洋石油钻采装备与结构课程中专门研究海上采油早期生产系统还是很有必要的。

（二）海上采用早期生产系统的组成

1.采油系统

针对油井位于水下，油气处理在海上的特点，采油系统应包括有：

（1）井口装置和采油树 用以安装固定下入油井的套管及油管，并控制出油。

（2）出油管、控制系统和采油立管 控制及输送油气至生产平台。

（3）生产平台或浮船 进行油气计量、处理及储存，它是整个生产系统的主体。

2.集输系统

集中多个油井的油气，进行计量及处理并输送到陆上。一般可包括有：

（1）输油管线；

（2）储油设备；

（3）输油船舶及系泊系统。

（三）对早期采油生产系统的基本要求

（1）尽早生产油气，加快经济回收，提高资金利用率。

（2）不仅早期还应在油田整个生产期间各个阶段称为油田生产能力的组成部分。

（四）采油早期生产系统的优点

（1）建设速度快、周期短、成本低。

（2）建设资金流通快、利用率高。

（3）损害油层程度最低。

（4）便于利用探井积累资料，搜索工程技术经验，为今后全面开发生产的决策奠定基础。

（5）便于利用原有设备，根据需要扩大生产规模。

（6）灵活机动，便于适应不同条件和需要，反复使用。

（7）便于以低成本开发油田的边缘地区及孤立的小油田。

（五）海上采油早期生产系统的类型

（1）固定式早期生产系统 生产系统的主体生产平台采用固定式平台，如自升式平台，井口小平台与自升式平台联合等多种型式。

（六）海上早期生产系统选型的原则

（1）油田的位置及海况 海上油田的位置影响早期生产系统的建造、运输和安装的投资。水深、风、浪、冰等海况也直接影响着早期生产系统的选型，特别是我国南海的台风、渤海的冰情，更应在选型时充分关注。

（2）油田的地质条件 油田的地质条件如可采储量、单井日产量等均直接影响这选型。一般来说可采储量少，单井日产量低的油田适于采用浮式早期生产系统。

（3）原油性质和处理量 这些因素直接影响着油气水处理设备及单点系泊系统的选型。

（4）海底地质情况 海底地质情况影响海底井口基盘、采油树、海底采油控制系统等的安装，选型时应予注意。

（5）系泊系统情况 浮式早期生产系统的单点系泊设施以及系泊油轮的选型，均应根据系泊系统的要求来选定。

二、早期生产系统的采油装备

（一）井口装置及采油树

根据完井方式的不同，有以下两种型式：

1．海底完井型式

采用水下井口装置，使用海底采油树及海底管汇；但随海底井位布置的不同，装备也不同。

（1）卫星井 从海底各个井位单独钻井，出油后通过出油管线、管汇、隔水立管将油送到浮式采油平台上。

（2）丛式井 海底安放多井海底井口基盘，向目的层钻定向井，出油后自多井通过管汇与隔水立管系统相连。

2.水下完井型式

使用回接隔水管与水上采油树。

由于海底完井法可以减少平台建造数量及钻井数目；使油田在短期内获益，且易于确定油田的延伸范围、估算油田的采油寿命，因此早期生产系统多采用海底完井法。

（二）控制系统

海底完井目前广泛采用的控制系统有下列三种型式：

（1）直接液压控制 装备有液压油箱、液压阀、油泵等，可与水面控制站相通，以实现遥控。

（2）电液控制 海底采用电驱动的液压设备，并有电缆与水面控制站相通，借助电实现遥控。

（3）多路电液控制 可实现多条电路的遥控。所有采油树的阀及安全阀均为防事故式的，并采用手动或自动关井等保护措施。

（三）出油管采油立管

出油管采油立管时水下井口装置与生产平台之间的连结系统。

1.采油立管的选择

选用采油立管的尺寸、厚度等应考虑下列因素：

（1）油藏的特点、预计产量及井数；

（2）海底井口装置等设备的类型和数量；

（3）注水、注气的需要情况；

（4）全套早期生产系统的类型。

2.采油立管的类型

（1）单井采油立管 只适用于一口油井。

（2）多井采油立管 适用于多口卫星井或丛式井。多口井的原油首先汇集到海底立管管汇，然后再通过一组管道将立管管汇与浮动采油设备连结起来。目前多井采油立管已可用于水深75m。

不论单井或多井采油立管均应符合海况、环境及水深的要求；而且采油立管上均应安装快速接头，以便遇到紧急情况时快速卸开，将各种可移动的设备立即撤走。

三、早期生产系统的主体部分

早期生产系统的主体部分主要是指油气水处理及储存原油用的生产储油设备等。早期生产系统的类型常常取决于其主体部分的型式。今将早期生产系统的主体部分的各类型特点分述如下：

（一）固定式早期生产系统

这种早期生产系统的特点是在建造与安装平台的同时，利用海底基盘预先钻井。这样待平台建造安装完毕后，即可将已钻完油井的井口与平台上生产装置连接起来，进行早期生产，从而大大缩减投产的周期。按制造固定平台材料的不同，可将其分为两类：

（1）钢制导管架固定平台 这种固定平台的建造费用高；现场安装时间长；不能重复使用，且受水深限制，但其稳定性强，对海况、环境均不敏感。

（2）混凝土固定平台 这种固定平台的优点时稳定性较钢制导管架更好，且现场安装时间短，水下结构的维护费用低；但其特点是建造周期长，建造费用高，同样受到水深的限制，而且不易拆除。

2.自升式平台型式的早期生产系统

这种早期生产系统的特点是在自升式平台上装备油气处理及储油设备，采用固定平台的标准设备和立管系统，分离后的原油通过单点系泊装船外运，天然气烧掉。建造和安装生产、储油设备可与利用自升式平台钻井同时进行，从而缩短了投产时间。一般利用自升式钻井平台改装的较多，也可建造适用于钻井及早期生产的特制自升式平台。综观这种早期生产系统的优缺点如下：

（1）优点 稳定性强，可以利用固定平台的标准设备，便于改装，建造周期短，海上安装费用低，运移性强，特别适用于开发期短的边际油田和小油田。

（2）缺点 桩腿受到海底条件的限制；工作水深有限；平台甲板的空间有局限性；改装新增设备受限制；承载能力及供电能力也均受到限制。

3.井口小平台与自升式平台组合的早期生产系统

这种早期生产系统的特点是可以兼顾钻井和修井，并可同时进行采油生产，因为它是由以下三部分组成：

（1）井口小平台 它是一个窄小的永久性钢制平台，上面只安装供钻井用的设备。将井口装置、水上采油树通过隔水导管加以连结固定。

（2）悬臂式自升式钻井平台利用它的悬臂可以与小平台连结，进行钻井；而且在一端钻完几口井之后，还可以移到另一端钻井。这样它不仅几乎可以不停顿地钻井，而且还可以用于修井作业。钻井完毕，可以撤走。

（3）自升式储油平台 上面装设油气水处理及储油设备，可以进行油气水分离，并建有生活间。当油田开发完后，可移运到其它油田使用。

总之，这种早期生产系统的主要优点是稳定性强，有利于钻井、采油、修井同时进行，整个系统都能重复使用。但由于工作水深受限制，建造费用高，故只能适用于浅海水域的边际油田和小油田。

（二）浮式早期生产系统

浮式早期生产系统的主体部分的基本型式是浮动的，故其移运性强，可以在岸上组装和试运转，造价低，对水深不敏感，特别适用于深海水域的边际油田和小油田的早期生产。下面介绍几种常用的类型：

1.半潜式平台早期生产系统

采用这种生产系统，原油自井口出来后的流程是：

水下井口→出油管→海底管汇→隔水立管→半潜式平台甲板上的油气水分离装置→中央立管→海底管线→水下软管→单点系泊系统→浮动软管→油轮。

使用半潜式平台早期生产系统的优缺点如下：

优点 采用锚链系泊不需做风标运动，立管系统简化；稳定性能良好，适应恶劣海况；适合多井开发；兼具钻井、修井能力；生产、维修费用低，可以加快油井开发。特别是不仅可以专门建造，而且可以利用现有设备进行改造。

缺点 建造或改装的施工周期长，成本也较高。特别是改装的半潜式平台由于甲板空间有限，承载能力低，限制了增装的设备数量，原油储存能力很小。

总之，由于半潜式平台早期生产系统的优点突出，因而是目前世界上一、广泛应用的一种。

2.张力腿平台早期生产系统

这种早期生产系统是将半潜式平台改成张力腿平台，如图2-35所示，因而是半潜式平台的一种演变型式。它将半潜式平台用的锚链系统取代为垂直钢缆与海底的锚连结的锚泊系统，因而可较半潜式平台增加工作水深，且水深增加时只需加长系泊腿，故建造费用增加很少，一般当水深超过150m以上时，张力腿平台的造价即可低于固定平台。再加上它在海上的安装费用低，安装周期短，又具有便于拆迁等优点，故目前已开始在深海水域应用。

3.船形早期生产系统

这种生产系统可分为两种类型。

（1）驳船型 驳船可以钢制或用水泥制成，一般常用刚性臂系统系泊。驳船甲板上可以充分利用空间，因而具有很大的储存原油的能力，而且易于改装，建造费用较低；但其最大的缺点是对风、浪、流敏感，是浮式早期生产中运动特性最差的一种，因而目前应用很少。

（2）油轮型浮式生产、储存和装卸系统（FPSO）

这种型式是将集油计量、油气水处理、储油、装卸运输等四种功能综合在一个油轮上实现。在一条改装或专门建造的船的甲板上，安装有油气水处理及储油设备以及生活设施，浮船由多点或单点锚泊系统系泊，船上有油龙头（旋转伸缩接头）与输油立管相连，因而可综合实现计量、生产、储油、输油等多项功能。由于这种型式可以通过改装超级油轮实现，故在很短时间内以较低费用改造完成，而且储油能力大，设备利用率高，输出原油成本低，因而具有很大的优越性。但是因其稳定性不然半潜式平台，而且油轮必须做风标运动，给立管系统带来了复杂性，而且不能进行修井作业，故目前此种早期生产系统不如半潜式平台早期生产系统应用广泛。

综观上述，固定式早期生产系统适用于浅海；浮式早期生产系统适用于深水。目前不少国家正在研制其它多种早期生产系统，研究的发展趋向主要是解决进一步缩短建造周期以及在紧急情况下可以迅速脱离井位的快速离合等问题。

四、我国海上采油早期生产系统的几个问题

（一）类型的选择问题

鉴于目前在我国渤海、南海等海域已探明的一些油田，大多为面积较小，日产量较低，可开采储量也不太大的油田，因而要使这些油田具有开采价值，必须要选用一种投资省、安全可靠，而且机动灵活的浮式生产系统，从而一次投资可自几个油田回收。这样的浮式早期生产系统应具有以下几个特点：

具有多种用途，既能用于边际油田的开发，又能用于早期生产，也能用于长期采用作业。

对不同的油田，不同的环境条件具有较广泛的适用性，能够用于多种不同油田的开发。

工程投资费用低，操作费用低，回收投资容易。

机动灵活，搬迁容易，搬迁费用低，装备重复利用率高。

工程设施简单、可靠，操作简单。

建造周期短，大部分设施可由国产供应。

（二）主体部分的方案选择问题

现在从我国海上油田的实际情况出发，提出的方案有：

1.井口平台与单点系泊组合的浮式生产系统

（1）组成 主要由三部分组成，如图2-36所示。

1)带单点的井口平台 平台上的采油树与海底基盘之间直接由立管相接。井口平台的上部安装有主轴承及旋转头等单点系泊系统，并有软管可将原油送至生产储油轮。

2）生产储油轮 甲板上装设有原有处理及公用和生活设施，处理后的油可储存在油轮的舱室里。

3）运输油轮 靠近生产储油轮，随时将油运往岸上。

（2）优点 主要优点是：

1）工程投资省。

2）单体技术成熟。

3）装备的重复利用率高。

4）生产储油轮解脱、重新连接容易。

5）不需海底管线，不存在堵管、清管问题，系统停产后再启动容易。

（3）存在问题 主要需要进一步研究解决的问题是：修井作业的妥善安排问题；井口系泊平台的基础结构型式的合理选择问题；储油轮与单点间的防碰撞及通道问题；井口平台上设备的合理布置问题。

2.井口平台与自升式平台组合的浮式生产系统

（1）组成 如图2-37所示，由以下四部分组成：

井口平台 主要装设水上采油树，有原油管线通往自升式平台。

自升式平台 甲板上装设原油处理及生活设施，处理后原油通过栈桥的管线，送往水下储油驳船；甲板上有储油臂可用以卸油到运输油轮上。

水下储油驳船 沉放在自升式平台旁边，具有两个浮力柱体，与井口平台在同一直线上，和自升式平台的栈桥连接，用做确保起浮下潜作业时的温性以及油管和加热管的通道。驳船四角可打四根浅桩以提高抗滑能力。

运输油轮 与自升式平台靠近，以便输油到岸上。

（2）优点 主要优点是：可设歌曲单点系泊用的各种设施，工程投资省；可对现有钻井用自升式平台改装，充分利用闲置设备；搬迁方便，系统机动灵活，装备重复利用率高；可利用自升式平台修井，作业方便；可直接用自升式平台进行试采，便于长时间试油作业；适用于较浅的水域作业。

（3）存在问题 主要有：水下储油驳船空油舱的巨大浮力的压载问题；水下驳船的下沉、起浮作业及其浮力柱的抗环境载荷问题；运输油轮的系泊与卸油技术问题；以及自升式平台的甲板布置改进等问题。

3.多点系泊的生产储油轮的生产系统

（1）组成 这种方案如图2-39所示，它与通常的单点系泊系统不同，主要有三部分组成：

井口平台或水下平台 若采用井口平台则用浮漂软管与生产储油轮相通；若采用水下井口则用海底软管将原油输送到生产储油轮上进行处理。

多点系泊的生产储油轮 多点系泊一般只适用于吨位较小的船舶，因此适用于日产量不高的小油田。而且因为用多根锚链固定，故适用于强风和强流的方向恒定，且风向与流向一致的海域。

运输油轮 旁靠在生产储油轮旁，定期送走原油。

（2）优点 主要是：搬迁容易，机动性能好，适合长时间试油，早期生产或边际油田开发；工程投资低；装备重复利用率高。

（3）存在问题 主要有：多点系泊系统的抗风浪能力、系泊力大小的确定、运输油轮的系泊型式、以及系泊设备的选型问题；井口至生产储油轮间原油输送方式的选择问题；原油在管线中的保温问题，以及水下井口的制造、安装、施工、维修问题等。