海洋石油开采工程 第二章 海上油气田生产与集输

第二章海上油气田生产与集输第一节

海上油气田生产与集输

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。一、海上油气田生产的特点1、海上生产设施应适应恶劣的海况和海洋环境的要求2、满足安全生产的要求3、海上生产应满足海洋环境保护的要求4、平台上的设备更紧凑、自动化程度更高5、要有可靠、完善的生产生活供应系统6、独立的发电／配电系统7、可靠的通讯系统是海上生产和安全的保证

一、海上油气田生产的特点1、油气的开采和汇集2、油气处理系统3、水处理系统二、海上油气集输系统三、海上油气田生产辅助系统（1）安全系统；（2）中央控制系统；（3）发电／配电系统；（4）仪表风／工厂风系统；（5）柴油、海水和淡水系统；（6）供热系统；（7）空调与通风系统；（8）起重设备；（9）生活住房系统；（10）排放系统；（11）放空系统；（12）通信系统；（13）化学药剂系统。按运动方式，可分为固定式与移动式两大类

海洋平台的分类群柱式桩基式腿柱式海洋平台固定式移动式桩式重力式浮式坐底式顺应式船式半潜式坐底式自升式独立腿式沉垫式牵索塔式张力腿式第二节海洋石油生产设备

一、海上平台的主要性能要求

按使用功能分类，海水石油平台可划分为：海上钻探、海上油和气开采、海上油和气集输和海上服务四类。（一）海上钻探钻探平台主要用来安装钻探设备，进行钻探活动，故必须有相应的甲板面积和载重量。这类平台在钻探工作时尽可能减少其位移，以限制平台的钻探设备（如钻管等）的受力和变形，保证正常的钻探工作。根据操作情况，这种位移在垂向应不大于±1.5m，水平方向应不大于水深的6%，平台的纵横倾角应不大于3度。因为一口油井约需钻1～4个月，所以这类平台，在早期油田开发中，以移动式较为有利，可以便于经常迁移。这类平台有半潜式、自升式和船舶式等。但在大规模油田的开发中，也有用固定式平台作为多井钻井平台，随之作为开采平台使用的。（二）海上油气开采平台开采平台主要用来开采油、气和对油、气进行初步处理（如油气、油水分离）的，它必须成为多口生产井和油气处理设施的基础。故必须有相应的甲板面积和载重量，但对位移限制则没有钻探平台那么严格。由于这类平台固定在一个定位点的使用时间较长，一般多使用固定式的，如导管架平台或重力式平台，在浅水区，固定式平台也较经济。但在深水区，或在早期生产中，则以使用移动式平台较为经济。（三）海上油、气集输平台开采平台生产的油、气，可以自己储存一部分，大量的则需另用储油平台贮存，并由此平台通过固定的管线或穿梭油轮向陆上输送。这在同一地区同时有若干个开采平台时显得尤其必要。从安全的观点看，开采平台和贮存平台分开更有好处。（四）海上服务平台海上服务可包括多方面的内容，如海上居住平台，海上起重平台，以及打桩、铺管作业等。工作人员长期生活在海上，条件恶劣，工作紧张，故居住条件应能保证船员的充分休息，例如能保证摇晃小，振动小，振动频率低等，还应能保证船员的充分安全，对防火，救生等应符合有关规范的要求。对浅水和多井的作业区，居住平台可用固定式的，但在深水区，则多用半潜式的。其他如起重、打桩、铺管等作业平台，对海洋环境的运动响应也都有一定的要求必须给予满足。图1－1水深和钻井平台的形式选择图1－2水深和采油平台的形式选择二、海上钻井平台海上钻井平台是指在海上钻井时的工作场所。就其作业特点来说，可分为固定式与浮动式两种。前者作业时固定于海底；后者作业时漂浮于海面，随海水浮动。（一）海上钻井平台的类型、性能及选择

1．海上钻井平台的类型与性能海上钻井平台按照能否移动来划分，可分为两大类。

1）固定式：固定钻井平台。固定于海底后，即不能再移动。

2）移动式：包括自升式钻井平台、坐底式钻井平台、半潜式钻井平台和钻井浮船。作业完成后，它们可以通过拖航或自航，移运至其它地点。在表2－1中列出了移动式钻井平台的性能参数，各类钻井平台的结构及其对比情况如图2－3则所示。

图1－3各类钻井平台对比图表1－1各类移动式钻井平台的性能钻井平台

海洋钻井的目的足为了了解海底地质构造及矿物储藏情况，这项工作通常是由钻井平台来完成的。各种不同平台的特点

海上钻井的设备相当复杂，包括井架(又称钻塔)、提升设备、转动系统、泥浆循环系统、动力系统、井口系统、井控系统、水下钻井设备的控制操作系统、运动补偿系统等。因为海上钻井要受到风、浪、流的影响，所以比陆上钻井要复杂得多。

1、坐底式钻井平台

坐底式钻井平台是早期在浅水区域作业的一种移动式钻井平台。平台分本体与下体，由若干立柱连接平台本体与下体，平台上设置钻井设备、工作场所、储藏与生活舱室等。钻井前在下体中灌入压载水使之沉底，下体在坐底时支承平台的全部重量，而此时平台本体仍需高出水面，不受波浪冲击。在移动时，将下体排水上浮，提供平台所需的全部浮力。如属自航者，动力装置都安装在下体中。坐底式的工作水深比较小，愈深则所需的立柱愈长，结构愈重，而且立柱在拖航时升起太高，容易产生事故。由于坐底式平台的工作水深不能调节，已日渐趋于淘汰。

2、自升式钻井平台

自升式钻井平台是由一个上层平台和数个能够升降的桩腿所组成的海上平台。这些可升降的柱腿能将平台升到海面以上一定高度，支撑整个平台在海上进行钻井作业。这种平台既要满足拖航移位时的浮性、稳性方面的要求，又要满足作业时着底稳性和强度的要求，以及升降平台和升降桩腿的要求。

由于自升式平台可适用于不同海底土壤条件和较大的水深范围，移位灵活方便，便于建造，因而得到了广泛的应用。目前，在海上移动式钻井平台中它仍占绝大多数。

3、半潜式钻井平台

半潜式钻井平台，又称立柱稳定式钻井平台。它是大部分浮体沉没于水中的一种移动式钻井平台，它从坐底式钻井平台演变而来，由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。此外，在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接，在下体间的连接支撑一般都设在下体的上方，这样，当平台移位时，可使它位于水线之上，以减小阻力；平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，供钻井工作用。平台本体高出水面一定高度，以免波浪的冲击。下体或浮箱提供主要浮力，沉没于水下以减小波浪的扰动力。平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线面的剖面，主柱与主柱之间相隔适当距离，以保证平台的稳性，所以又有立柱稳定式之称。

4、钻井船

钻井船是设有钻井设备，能在水面上钻井和移位的船，也属于移动式(船式)钻井装置。较早的钻井船是用驳船、矿砂船、油船、供应船等改装的，现在已有专为钻井设计的专用船。目前，已有半潜、坐底、自升、双体、多体等类型。钻井船在钻井装置中机动性最好，但钻井性能却比较差。钻井船与半潜式钻井平台一样，钻井时浮在水面。井架一般都设在船的中部，以减小船体摇荡对钻井工作的影响，且多数具有自航能力。钻井船在波浪中的垂荡要比半潜式平台大，有时要被迫停钻，增加停工时间，所以更需采用垂荡补偿器来缓和垂荡运动。钻井船适于深水作业，但需要适当的动力定位设施。钻井船适用于波高小、风速低的海区。它可以在600m水深的海底上进行探查，掌握海底油、气层的位置、特性、规模、贮量，提供生产能力等。

1．固定钻井平台固定平台是借助导管架固定在海底的一个高出水面的建筑物，上面铺设甲板，作为平台，用以放置钻井机械及设备。其类型有：（1）按导管架的结构型式分，有直桩式、直桩－斜桩式、联结式三种，如图2－4所示。图2－4固定平台的结构型式（二）各类钻井平台的结构及特点

（2）按桩柱制造材料分，有木桩、钢桩、混凝土桩三种。混凝土桩一般预制好后，再在海上打桩。目前多用钢管桩即在空心钢管中浇注混凝土的结构。（3）按打桩用的设施分，有带桩架、不带桩架两种，如图2－5所示。前者通过打桩架打桩，打桩后，打桩架即作为导管架的组成部分。后者需在驳船运送来的甲板上打桩，打桩后留下甲板固定好，驳船即离开，此法应用广泛。图2－5带桩架与不带桩架的固定平台（4）按钻井设备布置分，有带辅助船、不带辅助船两种。前者将钻杆、套管、泥浆材料库、水泥库等器材存放在辅助船上，因而平台面积可缩小至15×30m2。后者需加大平台面积至16×40m2，或采用多层式结构，分层布置设备，但因高度增加，稳定性差。固定平台的优点是：

1）稳定性好。

2）海面气象条件对钻井工作影响小。其缺点是：

l）不能移运。

2）造价高，适用水深有限，它的成本随水深而急剧增加。固定钻井平台一般应用于有价值的油田，且适用水深在20m以内。完井后可做采油平台用。

2．坐底式钻井平台坐底式钻井平台是一种具有沉垫（浮箱），并借助沉垫可坐于海底，漂浮海面则可拖航的移动式平台。如图2－6所示，其上为工作台，下为沉垫（浮箱），中连支撑管柱，总高度大于工作水深。我国自行设计与建造的“胜利一号”坐底式钻井平台如图2－7所示。图1－6坐底式钻井平台图1－7坐底式钻井平台其结构组成有：（1）沉垫（浮箱）利用充水排气及排水充气的沉浮原理来控制沉垫沉降或上升。钻井时，沉垫中注水，因而可坐于海底。完井后，沉垫排水充气，构成浮箱，因而平台升起，即可拖航。沉垫（浮箱）有船舱型及浮筒型两种。（2）工作平台用于安放机械设备。有正方形、长方形、三角形三种型式，与中间支柱焊接相连。一边有开口，以便于完井后移运；另一边安置吊梯或起重机，以便从辅助船上搬运器材。（3）支柱一般采用金属桁架结构，与平台及沉垫相连接，它的高度随工作水深而定，约为20～30m。若在四个角柱处增添大直径的钢瓶或浮筒，则其适用水深可略增，稳定性也可提高，升降速度也可加快。坐底式（沉垫式）钻井平台的优点是：钻井时固定牢靠；完井后移运灵活。其缺点是：工作平台高度恒定，不能调节；工作平台面积不宜过大，否则不易拖运；工作水深较浅。

3.自升式（桩腿式）钻井平台自升式（桩腿式）钻井平台是一种具有自行升降的数根桩腿，并借助桩腿稳定于海底的移动式平台。如图2－8所示。其结构组成有：（1）桩腿按其结构来分，有圆柱及桁架两种。按其升降方式来分，又有气动、液压、齿轮齿条传动三种。管柱桩腿采用气动或液压方式升降，而桁架桩腿则采用齿轮齿条传动方式。桩腿长度视水深而定，一般为75～125m。图1－8自升式钻井平台（2）工作平台本身就是一个驳船甲板，用以安放机械设备。钻井时，桩腿下降，支在海底，平台高出海面，以便进行作业。完井后，先将平台降至海面，再拔起桩腿，于是驳船漂浮于海面，以便拖运。自升式钻井平台的优点是：对水深适应性强，稳定性好；但缺点是不适于在更深的海域工作。

图1－9钻井浮船

4．钻井浮船钻井浮船是利用改装的普通轮船或专门设计的船作为工作平台，如图2－9所示。它的船体可以是一个或者两个。前者必须在海底完井，否则船移动时会撞坏井口装置，后者则可在海面上完井。钻井浮船的船体一般用钢材制成，也可用钢筋混凝土制成。后者节约金属且耐腐蚀，但需用预应力钢筋混凝土构件，以保证其强度、抗冲击和抗震能力。钻井浮船到达井位后，要抛锚固定。作业时特别是遇到风浪时，钻井浮船船身产生上下升沉及前后左右摇摆，因此，在钻井浮船上，应合理布置机械设备，增设升沉补偿装置、减摇罐，及采用自动动力定位系统等多种措施来保持船体稳定。钻井浮船的优点是：移运灵活，停泊简单；适用水深大，最大可达5000m。其缺点是：稳定性差；受海上气象条件的影响大。

5．半潜式钻井平台半潜式钻井平台与坐底式钻井平台相似。在浅水区，沉垫坐于海底，可作为坐底式钻井平台使用，而在30～200m深水区，平台处于漂浮状态，相当于钻井浮船，如图2－10所示。图1－10半潜式钻井平台其结构组成包括：（1）沉垫（浮箱）常制成船形，内有供沉降用的压载舱。沉垫的横截面为矩形或梯形。前者压载水舱对称，易于控制排、灌水；后者能适应钻井船上载荷的不均匀性，拖运时阻力较小，迎浪性能好。

（2）船体可用钢材或钢筋混凝土制成。应有缺口或做成V形，以便于完井后拖运时不受水下井口装置的阻碍。半潜式钻井平台的优点是：稳定性较钻井浮船好。当沉垫中注水后，可使整个装置下部有20～30m浸没在水中，再加上用锚链固定，故虽处于漂浮状态，但仍比钻井浮船稳定；另外它移运灵活。完井后，沉垫排水，形成浮箱，使整个装置升起，至吃水仅7～8m时，即可自航或拖航。因而，它兼有坐底式钻井平台及钻井浮船的优点。总之，由于半潜式钻井平台既能满足水深多变的要求，又能较好地解决稳定性及移运性问题，因此，它比其它钻井平台更有发展前途。现在作业于我国海域的半潜式钻井平台如图2－11所示。图1－11半潜式钻井平台（长度单位：米）（三）海上钻井平台的选择钻井平台的选择一般应根据海域的水深来考虑，即：

l）水浅、油田已探明或已进入开发阶段，宜选用固定式钻井平台。

2）水深在20～30m间，风浪不大，海底平坦而柔软，且无冲刷海流，可采用坐底式钻井平台。

3）水深虽在30m以内，但浪高大于3m的时间仅占一年内的十分之一以下时：对勘探井，宜选用带辅助船的自升式钻井平台。对生产井，可选用固定钻井平台加辅助船。风浪更大时，因辅助船抗风浪能力差，故宜选用自给（不带辅助船）的自升式钻井平台。

4）水深超过30m，但在60m以内，风浪较大时：

对生产井，选用固定钻井平台加辅助船。对勘探井，选用自给式的液压自升式钻井平台。

5）水深超过60m，可选用半潜式钻井平台或钻井浮船。钻井浮船适用水深更大，可达600m。

6）海上特殊作业如安装平台、吊装重型设备等，宜用自升式钻井平台。因钻井浮船受海上气象条件影响大。

7）钢筋混凝土钻井平台因强度低，且不易安装设备和移动位置，故不主张用于钻井作业。三、海上采油平台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。（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就是用高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2－12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1－12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2－13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1－13桩基式钢质采油平台

导管架式平台桩基式平台用钢桩固定于海底。钢桩穿过导管打入海底，并由若干根导管组合成导管架。导管架先在陆地预制好后，拖运到海上安装就位，然后顺着导管打桩，桩是打一节接一节的，最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆，使桩与导管连成一体固定于海底。这种施工方式，使海上工作量减少。平台设于导管架的顶部，高于作业区的波高，具体高度须视当地的海况而定，一般大约高出4-5m，这样可避免波浪的冲击。桩基式平台的整体结构刚性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加，所以在深水中的经济性较差。

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2－14所示。图1－14混凝土采油平台

重力式采油平台它一般都是钢筋混凝土结构，作为采油、贮存和处理用的大型多用途平台，它由底部的大贮油罐、单根或多根立柱、平台甲板和组装模块等部分组成，规模较大的，可开采几十口井，贮油十几万吨，平台的总重量可高达数十万吨。各类平台，根据作业要求，配备相应的采油，处理及生活等设施。

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。

4、张力腿式平台

张力腿式平台是利用绷紧状态下的锚索链产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台或生产平台。一般来说，半潜式平台的锚泊定位系统，都是利用锚索的悬垂曲线的位能变化来吸收平台在波浪中动能的变化。悬垂曲线链的特征之一是链的下端必须与水底相切，以保证锚柄不会从水底抬起，这样就可保证锚的抓力。张力腿式平台也是采用锚泊定位的，但与一般半潜式平台不同，其所用锚索是绷紧成直线的，不是且悬垂曲线的，钢索的下端与水底不是相切的，而是几乎垂直的。用的锚是桩锚（即打入水底的桩作为锚用），或重力式锚（重块）等，不是一般容易起动的转爪锚。张力腿式平台的重力小于浮力，所相差的力可依靠锚索向下的拉力来补偿，且此拉力应大于波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。

5、牵索塔式平台

牵索塔式平台是一瘦长的桁架结构，其下端依靠重力基座坐落于海底或是依靠支柱加以支撑，其上端支承作业甲板。桁架的四周用钢索、重块、锚链和锚所组成的锚泊系统加以牵紧，使它能保持直立状态。由于这种平台是由锚泊系统牵紧的，它在小风浪时仅发生微幅摆动；风浪大时，由于桁架结构摆动幅度大，会把重块拉得离开海底，从而要吸收掉风浪的一部分能量，因此平台仍可维持在许可范围内摆动。这种平台结构简单，构件尺寸小，故所受到的风、浪、流的作用力也小。这种平台能适用于300～600m水深的海域。但若水深超过600米，则由于要提高桁架的抗弯能力，建造时所耗用的材料会大大增加，经济上不一定合算。

赵东平台辽河试采一号型长：44m型宽：22m型深：3m自持力：20天储油能力：1300m3定员：16人最大作业水深8.5m辽河试采二号型长：60m型宽：24m型深：2.5m自持力：20天储油能力：1300m3定员：14人最大作业水深9.5m港海一号钻井平台型长：66m型宽：36m型深：4m吃水：1.5m最大作业水深8m我国第一艘超浅吃水平台,也是国内外唯一能进入渤海湾西部海图水深0～2.5m极浅海地区的可移动海洋自升式钻井平台。

简易石油平台第三节生产支承结构(1)自升式支承结构—

平台可租用，日租金很具竞争性；—

拆迁清理费用低，可恢复为钻井平台；—

井和立管有传统型式；—

工作水深与上部设施重量受限；—

无储油能力；—

疲劳问题使使用期短。(2)半潜式支承结构—

运动小，可用于恶劣环境；—

对刚性和柔性立管适应性好；—

拆迁清理费用低，可恢复为钻井平台；—

工作水深70-100米，井数4-10口；—

排水量与稳定性对重量敏感，承载受限；—

储油能力有限；—

需海底管线或单点系泊系统。(3)油轮型支承结构油轮型支承结构的特点—

储油能力强、载重大；—

生产油轮给穿梭油轮装油容易；—

能在百年一遇的恶劣情况不间断生产；—

工作水深50-150米；—

系泊系统必须和立管系统结合在一起；—系泊油轮要经受大的运动。(4)驳船式支承结构—

甲板与载重能力大，足以安装处理设备；—

有储油能力；—

易改装、价格便宜；—

工作水深30-150米，井数〈8—

要求较好的环境条件；—

无钻井/修井能力；—

需系泊系统。(5)张力腿平台支承结构张力腿平台支承结构的特点—

不产生垂直运动，水平运动小；—

深水域更经济（一般大于150米）；—

有效承载大，有修井能力；—

上层建筑与上部结构可在船厂制造(6)牵索塔（绷绳塔）支承结构牵索塔（绷绳塔）支承结构特点—

比传统平台更便宜；—

易于制造；—

技术上未得到足够证实；—

有效在载荷受限；—

无储油能力。各种生产支承结构的性能选择边际油田生产支承结构类型的影响因素7.其它设施

--计量站（分离器，脱水器，计量装置）

--集油站（分析，计量，泵送，控制）

--储油基地

--装油平台

--生活平台

--烽火平台

--注气（水）站海洋集油和储油设施第四节立管将水下终端与水面或水面以上设备连接起来的一根（组）管子，与管内流体流向无关。—

钻井/修井立管；—

绳索立管；—

生产立管；—

产品外输/销售立管立管(1)生产立管包括与流体从海底流到生产设备有关的所有部件。—

立管下端的连接组件；—

立管上端的流体排出口；张紧装置；—

立管连接组件试验墩、立管试验设备等(2)立管束全部管子、受力构件、浮力圈、导向喇叭口、单根管线张紧器、铰接接头、伸缩接头—

整体性立管束；—

非整体性立管束；—

混合型立管束(3)生产立管装置的管线—

生产立管

—

气举立管—

环空监测管线

—

外输立管—

维修立管

—

天然气外输立管—

液压控制管线

—立管接头—

立管试验墩(4)柔性立管

柔性立管(-):组成—

柔性立管—

快速连接/解脱接头；—

弯曲限制器；—

锚顶装置；—