水下生產(chǎn)系統(tǒng)

1、1水下生產(chǎn)系統(tǒng)概述主講人：王瑋2主要內(nèi)容一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭3一、概述n近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，世界各國對于油氣資源的需求越來越大。隨著陸上油氣資源的日益枯竭，各個國家紛紛將目光移向了海洋。水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其顯著的技術(shù)優(yōu)勢、可觀的經(jīng)濟效益得到各大石油公司的廣泛關(guān)注和應(yīng)用。n使用水下生產(chǎn)技術(shù)可以避免建造昂貴的海上采油平臺，從而節(jié)省大量建設(shè)投資，而且水下生產(chǎn)系統(tǒng)受災(zāi)害天氣影響較小，可靠性強，因此成為開采深水油氣田的關(guān)鍵設(shè)施之一，在世界各地的深水油氣田開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。水下生產(chǎn)系統(tǒng)是經(jīng)濟、高效開發(fā)邊際油田、深海油田的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)基本部分如

2、水下采油井口、管匯及控制系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)施在國外已較為成熟。水下增壓泵在一定水深揚程范圍內(nèi)日趨成熟；2007年，挪威國家石油公司水下分離器第一次商業(yè)性應(yīng)用，是水下處理工藝領(lǐng)域的一個重大里程碑；2011年，在挪威的Asgard油田將有可能建成第一套商用水下濕氣壓縮系統(tǒng)。4一、概述n從1961年第一口水下井口在美國應(yīng)用以來，隨著各種新技術(shù)的應(yīng)用，水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用水深越來越深，到目前為止，已投產(chǎn)最深采油樹達到2714m（美國墨西哥灣 Independence Hub凝析氣田，2007年7月投產(chǎn)）；回接距離最長的氣田回接距離達到143公里（挪威北海Snhvit一期，水深250-345m，2007年8月21

3、日天然氣上岸）。目前國外對于3000m水深以內(nèi)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計、建造、安裝技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且已在西非、墨西哥灣、北海等海域經(jīng)過了大量工程項目的實踐檢驗。n中國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和使用石油和天然氣的國家。歷史上記載，中國帶領(lǐng)世界開始從技術(shù)上進行天然氣和食鹽的探索。但是我國深水油氣田開發(fā)起步較晚，目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)在應(yīng)用方面缺乏經(jīng)驗，這一現(xiàn)狀影響了我國深海油氣資源的開發(fā)。開展水下生產(chǎn)技術(shù)的研究對我國適應(yīng)未來深水油氣田的經(jīng)濟開發(fā)是十分及時和必要的。5一、概述n水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括油井、井口頭、采油樹、接入出油管系統(tǒng)和控制油井的操縱設(shè)備。在水下的系統(tǒng)中，井口頭和采油樹都在海底。因此，水下生產(chǎn)系統(tǒng)就不像在水

4、面處的生產(chǎn)系統(tǒng)，如剛性平臺甚至是張力腿平臺（TLP）那樣受到海平面狀況和水深的影響。但另一方面，水下生產(chǎn)系統(tǒng)不能直接的進行操作，如鉆井，必須通過移動的鉆井單元進行，操控也必須通過臍帶纜遠程控制，持續(xù)地操作就比平臺式的生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜地多。6一、概述生產(chǎn)系統(tǒng) 7一、概述8一、概述n水下生產(chǎn)系統(tǒng)的花費基本上不隨水深變化。但是剛性平臺的花費是隨著水深的增加而增加的，因此對于深水多趨向于使用水下生產(chǎn)系統(tǒng)。但是對于給定水深和位置，平臺的費用受井口數(shù)目的影響較小，使用平臺鉆井就會相對便宜。使用移動鉆井單元進行鉆井增加了鉆井的費用。因此，在井口數(shù)目比較少的情況下多使用水下生產(chǎn)系統(tǒng)。 9主要內(nèi)容一、概述二、采油樹

5、三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭10二、采油樹n采油樹(Christmas,Xmas tree )最初被稱為十字樹，X型樹或者圣誕樹，它是位于通向油井頂端開口處的一個組件，它包括用來測量和維修的閥門，安全系統(tǒng)和一系列監(jiān)視器械。它連接了來自井下的生產(chǎn)管道和出油管同時作為油井頂端和外部環(huán)境隔絕開的重要屏障。采油樹包括許多可以用來調(diào)節(jié)或阻止所產(chǎn)原油蒸汽、天然氣和液體從井內(nèi)涌出的閥門。采油樹是通過海底管道連接到生產(chǎn)管匯系統(tǒng)。11二、采油樹采油樹的主要功能采油樹的主要功能：n把流體從井中輸入到海底管道(生產(chǎn)型采油樹)或者把水和氣注入到海底(注入型采油樹)n通過控制系統(tǒng)指揮，閥門關(guān)閉，保證流體的輸送

6、或者注入都能夠安全地停止。n能夠向井或海底管道中注入一些保護性流體(防腐劑)n如果需要可以注入流體關(guān)閉采油井。n可以釋放完井時的多余壓力。n在安裝和生產(chǎn)過程中可以允許直接進入環(huán)空管或者套管。n采油樹和其他井口設(shè)備的連接非常緊密。12二、采油樹n采油樹類型n采油樹主要有兩種類型：一種為傳統(tǒng)型也稱作直立型的，另一種為水平型的，水平型的采油樹從1992年以后開始普遍應(yīng)用。這兩種類型的采油樹都包括一個在鉆井后能牢固地附著在油井頂端井口構(gòu)架中的卷線筒，還包括由閥門組成的閥門組，閥門組主要用來在測試和閉井時調(diào)節(jié)出井油量。此外，油嘴對出井油量也可進行調(diào)節(jié)。水平型采油樹由閥門放置的位置而得名，除此之外，水平采

7、油樹的油管懸掛器是安裝在采油樹上而不是安裝在井口頭上。另外，由于水平采油樹的頂端設(shè)計使防噴器（BOP）可以直接安裝在采油樹上。目前，甚至已經(jīng)普遍認(rèn)為水平型是唯一用于海底的采油樹類型。13二、采油樹n傳統(tǒng)采油樹安裝在井口頭處，油管和油管懸掛器比采油樹先安裝。conventional subsea tree14二、采油樹n雙孔采油樹雙孔采油樹Dual Bore Tree典型的雙孔采油樹有生產(chǎn)和環(huán)空孔垂直通過采油樹體，生產(chǎn)和環(huán)空總閥和吸入閥垂直安裝在采油樹上。他們這樣設(shè)計是為了在安裝和操作過程中能夠垂直的通過生產(chǎn)和環(huán)空孔。15二、采油樹n單孔采油樹單孔采油樹Mono Bore Tree單孔采油樹主要

8、使用在淺水區(qū)域，單孔采油樹和傳統(tǒng)的雙孔采油樹類似，只是單孔采油樹在安裝采油樹和油管懸掛器時使用的立管系統(tǒng)更簡單。16二、采油樹Vertical Tree Horizontal Tree 二者區(qū)別：1.垂直采油樹的閥門垂直地放置在油管懸掛器的頂端，而水平采油樹的水平閥門是在出油管處。2. 垂直采油樹向下鉆孔是通過水壓或者電壓從采油樹的底部到油管懸掛器的頂端。水平采油樹向下鉆孔是通過油管懸掛器旁邊的輻射狀的貫入器。3.垂直采油樹的油管和油管懸掛器在采油樹之前安裝，而水平采油樹的油管和油管懸掛器則在采油樹之后安裝。17二、采油樹設(shè)計載荷n在相關(guān)階段所應(yīng)用的載荷都可以影響采油樹系統(tǒng)，比如像制造、存儲、

9、測試、運輸、安裝、操作等，應(yīng)該為設(shè)計制定標(biāo)準(zhǔn)。n偶然載荷應(yīng)該為實際應(yīng)用由風(fēng)險分析確定，偶然載荷包括掉落的物體，如漁船的錨等，突發(fā)異常的環(huán)境載荷比如地震等。下面是采油樹和相關(guān)元件需要考慮的載荷：n立管和載荷(Riser and BOP loads);n連接海底管道的載荷(Flowline connection loads);n清理采油樹、臍帶纜和海底管道的載荷;n熱應(yīng)力 包括捕油器，元件膨脹和管線的膨脹等;n吊裝載荷(Lifting loads);n掉落的物體(Dropped objects);n壓力引起的載荷 外部和內(nèi)部的.18二、采油樹材料和腐蝕保護：n采油樹中使用的材料應(yīng)滿足API 17D

10、 和 API 6A ，并且被使用者所認(rèn)可。n材料首先在市場上要有比較好的口碑，服務(wù)比較好。n材料的種類應(yīng)該盡量少。n另外應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的需求使用相應(yīng)的材料。n進行材料測試的環(huán)境應(yīng)該盡量與實際材料應(yīng)用的環(huán)境相近。n應(yīng)該考慮腐蝕檢測。n不同材料對在外部和內(nèi)部環(huán)境的響應(yīng)不同。19二、采油樹采油樹的安裝n油管懸掛器 主要是提供結(jié)構(gòu)支撐同時把油管鉆具和環(huán)空油管、相應(yīng)的采油樹和油管的運行孔緊密地連接，當(dāng)鎖定在相應(yīng)位置，就把油管和生產(chǎn)環(huán)空套管封閉。它也能提供一個連續(xù)的交換方式或者是控制電力轉(zhuǎn)換、井口傳感器和其他裝置。控制線到安全閥和其他設(shè)備都在設(shè)計范圍內(nèi)。水平采油樹的油管懸掛器20二、采油樹n懸掛器可以是滑動

11、的或者是心軸形式。滑動形式的懸掛器用齒固定在油管上，由于油管的重量施加在懸掛器上，齒和油管咬合，滑動型懸掛器拉住下部的錐體的后面，產(chǎn)生向內(nèi)的力。夾緊的壓力隨著管子的重量的增加而增加。n心軸形懸掛器通過連接最后的接頭和底部懸掛的線而放置在油管上，通過螺絲固定。21二、采油樹采油樹的連接裝置：n主要是用來連接采油樹和井口頭，同時也把采油樹和井口頭進行定位。把采油樹的底端通過連接器與井口頭連接內(nèi)部結(jié)構(gòu)22二、采油樹n采油樹的設(shè)計采油樹的設(shè)計n在進行采油樹的設(shè)計時需要考慮采油樹所承載的工作壓力、采油樹所采用的材料、泄露問題、采油樹所承受的外載荷等問題。n采油樹在服務(wù)期內(nèi)的溫度范圍是在2 C到120 C

12、之間，在這個溫度范圍內(nèi)的采油樹都可以正常使用。超過這個溫度范圍，采油樹就要重新進行設(shè)計。23主要內(nèi)容一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭24三、管匯n管匯系統(tǒng)的組成管匯系統(tǒng)的組成n水下生產(chǎn)系統(tǒng)的管匯由管子和閥門組成，用來分配、控制管理石油和天然氣的流動。管匯安裝在海底井群之間，主要是把油或氣集合起來輸送到井口，如圖所示。從管匯終端到一些大型的結(jié)構(gòu)如水下加工系統(tǒng)都屬于管匯。因此，有許多種類型的管匯。管匯系統(tǒng)和采油井是相互獨立的，采油井和海底管道通過跨接管與管匯系統(tǒng)相連接。管匯系統(tǒng)主要由管匯主體、支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)組成。25三、管匯1、密封或連接立管系統(tǒng)2、產(chǎn)油線3、注水線4、油井

13、測試線5、連接注水線6、連接采油樹7、連接采油樹8、清管閥26三、管匯管匯的形式27三、管匯管匯系統(tǒng)的主要功能：管匯系統(tǒng)的主要功能：n為生產(chǎn)管道、海底管道和油井之間提供一個界面；n將產(chǎn)品都集合起來運輸出去：從各個獨立的分油井中將流體都集中起來，再把產(chǎn)出的油運輸出去，同時注入氣體，化學(xué)物質(zhì)；n分配電和水壓系統(tǒng)；n支持翼型管匯樞紐、管道樞紐和臍帶管樞紐；n支持和保護所有的管道和閥門系統(tǒng)；n在安裝和恢復(fù)過程中為管匯模塊提供一個支撐點；n在ROV(遠程作業(yè)機器人)操作過程中，給ROV提供一個支撐平臺。28三、管匯n管匯和油井在結(jié)構(gòu)上是完全獨立的，油井和出油管道通過跨接管與管匯相連，管匯系統(tǒng)由管匯、管匯

14、支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)組成。管匯是由管子、閥門、控制模塊、流動儀表等組成。管匯支撐結(jié)構(gòu)是管匯和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的交界部分。29三、管匯管匯的部件：管匯的部件：n部件主要有閥門、節(jié)流閥、與海底管道的相連的轂，安裝多相儀表模塊的轂，在整個使用期內(nèi)用來操縱的水壓和電線，可獲得的節(jié)流閥模塊，水下控制模塊和多相儀表模塊。閥門：閥門：n閥門的選擇主要由應(yīng)用范圍決定。門閥一般應(yīng)用于BOP組件、采油樹和管匯。球閥在水下使用中，從操作和價錢角度要優(yōu)于門閥。由于球閥目前使用非金屬的密封和涂料，使得球閥的應(yīng)用水深更深。n門閥應(yīng)用尺寸要比球閥的小，球閥的應(yīng)用尺寸在10英寸或者更大的范圍。30三、管匯管匯系統(tǒng)的設(shè)計和分析管匯系統(tǒng)的

15、設(shè)計和分析n管匯系統(tǒng)的設(shè)計主要有鋼框架的設(shè)計、連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計、連接器的設(shè)計、起重裝置、控制系統(tǒng)、陰極保護(CP)、管子設(shè)計等。下面主要闡述鋼框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。n鋼框架的壁厚所承受的壓力用下面的公式進行計算FETDStP2式中：P設(shè)計壓力；D管子的名義外直徑；S最小的屈服應(yīng)力；t管子的壁厚；F設(shè)計因子；E經(jīng)向連接因子；T溫度降級因子。31三、管匯n對于塑料的管匯系統(tǒng)設(shè)計壓力用下面的公式進行計算：32. 0)(2tDtSP 式中：P設(shè)計壓力； D管子的名義外直徑； S對于熱塑形管，應(yīng)力與溫度相關(guān)； t壁厚通過壓力對管子的壓力的計算，就可以對管匯系統(tǒng)的鋼框架進行設(shè)計。32三、管匯螺栓連接的法蘭的橫斷面

16、主要的連接的目的是保證管子內(nèi)部密封，對于深水，所有的密封試驗，水壓應(yīng)該是雙向的。下面主要介紹連接方式：夾具連接的套筒一組筒夾連接裝置33三、管匯連接器的設(shè)計：連接器的設(shè)計：應(yīng)該主要考慮水深、連接的位置、安裝方法。此外連接器的選擇和設(shè)計也受以下因素影響：a) 連接器的應(yīng)力(connector stresses)b) 補給要求(make-up requirements)n連接器能夠使襯墊變形來保證密封性n連接器內(nèi)有足夠的預(yù)先施加的載荷來抵消安裝和操作帶來的載荷;n有足夠的間隙保證密封襯墊的置換.c) 測試.n主要進行水壓測試，在評估連接方法時主要考慮以下因素：n密封性(Sealing reliab

17、ility).n強度或者抵抗破壞的能力(Ruggedness or resistance to damage).n可恢復(fù)性(Ease of recovery).n安裝造價(Installation cost).n框架管子界面制造的困難.n 抵抗操作時帶來的載荷(Resistance to operating loads).34三、管匯清管系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下要求：n清管系統(tǒng)應(yīng)該能夠進行水下安裝和使用索具吊裝。n清管系統(tǒng)的管子應(yīng)該與管匯系統(tǒng)的主管標(biāo)準(zhǔn)一致。n清管系統(tǒng)應(yīng)該有一個管子的門閥允許清管通過，這個閥門經(jīng)過水壓測試。n清管循環(huán)使用的管子的材料和尺寸與海底管道的主管一致。n清管循環(huán)應(yīng)該有至少是普通

18、管子直徑的5倍的彎曲半徑。n清管循環(huán)應(yīng)該安裝在生產(chǎn)管匯的轂盤的內(nèi)部。 n暴露的清管循環(huán)元件在無特別說明的情況下應(yīng)該涂上環(huán)氧涂層。35三、管匯 Manifold Pigging Loop 清管循環(huán)(Pigging loop)在設(shè)計時應(yīng)考慮以下因素：1管子尺寸；2 彎曲半徑；3 內(nèi)部突起；4 閥門種類；5 清管的引擎和接收器6 清管位置的確定36三、管匯管匯的管子系統(tǒng)Manifold Piping System. 管匯中管子的設(shè)計主要依據(jù)DNV OS-F101 / ASME 31.8 在進行管子的應(yīng)力分析時主要進行以下幾方面的計算：內(nèi)部壓力；水壓測試；熱載荷；操作時的跨接管載荷；海底管道和跨接管連

19、接時載荷；井和跨接管連接的載荷；防止內(nèi)部腐蝕的制作防腐材料的載荷；管子承受的所有預(yù)期、撓曲、振動等載荷；環(huán)境載荷；外部腐蝕37三、管匯在工作狀態(tài)下的管子中的應(yīng)力分布 38三、管匯管子和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計管子和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計n水下生產(chǎn)系統(tǒng)所用的基礎(chǔ)是底板基礎(chǔ)、裙式基礎(chǔ)或者吸入樁，他們的選擇是依據(jù)土壤的條件決定。通常樁是用來錨固鉆井或者生產(chǎn)單元。底板基礎(chǔ)取決于管匯系統(tǒng)和與之相連的元件(比如跨接管)的重量。裙式基礎(chǔ)嵌入海底比底板基礎(chǔ)深的多，用來抵抗水平載荷和一部分垂直載荷。三種基礎(chǔ)的不同長徑比39三、管匯通常認(rèn)為吸入樁是深水中的主要基礎(chǔ)形式。選擇吸入樁主要是因為以下幾點優(yōu)勢：n能在海底固定位置，這在密集

20、的水下發(fā)展很重要；n簡單的安裝步驟，不需要進行載荷測試；n對于水深或者是安裝方式?jīng)]有特別的要求；n吸力錨作用要比浮錨的作用更精確。n在20世紀(jì)80年代初第一個吸力錨被應(yīng)用以來，由于它的制作成本低、安裝所需時間短而廣泛地應(yīng)用于深水。吸力錨是一個柱狀的單元，底部是開口的，頂部帶有閥門。它主要是通過把樁內(nèi)部的水抽出去獲得向下的壓力來進行安裝，向下的壓力用來作為抵抗土壤的力。首先，吸力錨通過自重沉入土中。第二步，額外的向下深入的力來源于把吸力錨內(nèi)部的水抽出去的反作用力。當(dāng)?shù)竭_底部時，閥門關(guān)閉目的是增加拔拉阻力。吸力樁適用于純砂或者是很軟的粘土，這些正好通常出現(xiàn)在深水區(qū)域。40三、管匯典型的吸力樁 安裝

21、過程中力的作用 吸力樁的形式和安裝機理41三、管匯吸力樁的設(shè)計包括最初的樁的尺寸和最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要包括以下幾個方面：n基本設(shè)計：設(shè)計參數(shù)，載荷和設(shè)計準(zhǔn)則n設(shè)計原理和標(biāo)準(zhǔn)：找到適合的標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的安全系數(shù).n巖土設(shè)計：選擇土壤的斷面，巖土參數(shù)。 n樁的承載力和尺寸：計算土壤阻力，在樁的尺寸下的承載力。 n安裝：安裝分析。 n響應(yīng)分析：確定在設(shè)計載荷下的吸力樁的響應(yīng)分析。42三、管匯標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)：nAPI RP 2SK: 浮式結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析。nAPI RP 2A-LRFD:設(shè)計建造海上固定式平臺。nAPI RP 2A-WSD:設(shè)計建造海上固定式平臺。 nAISC Manual of Steel

22、Construction - LRFD; 1st Edition.nAPI Bulletin 2U: 柱狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計 nAPI Bulletin 2V: 平板結(jié)構(gòu)的設(shè)計.nUSS Steel Design Manual, Brokenbrough and Johnson, January 1981.nDNV, “Rules for Classification of Fixed Offshore Installations”, 1995. nDNV-RP-B401, Recommended Practice - Cathodic Protection DesignnDNV-RP-E303

23、 Geotechnical Design and Installation of Suction Anchors in Clay.43三、管匯設(shè)計載荷設(shè)計載荷n永久載荷如結(jié)構(gòu)自重n活荷載如安裝過程中產(chǎn)生的n環(huán)境載荷如波浪和流載荷n偶然載荷如掉落的物體，漁船的沖擊等土工設(shè)計參數(shù)，主要考慮以下幾方面：土工設(shè)計參數(shù)，主要考慮以下幾方面：n土壤的指標(biāo)，n 原地應(yīng)力和應(yīng)力歷史，n不排水抗剪強度(Undrained shear strength), n排干特性(Drained characteristics)，n固結(jié)特性(Consolidation characteristics),n界面強度和觸變性(I

24、nterface strength and thixotropy).44三、管匯Manifold Installation from A Crane Barge 通過起重機船安裝管匯管匯系統(tǒng)的安裝：需要仔細(xì)的計劃和合作。在操作過程中主要需要工作船、起重機船或者浮式鉆井船，聲或者電的定位設(shè)備。45三、管匯nInstallation of Sheave Manifold 通過滑輪安裝管匯 46三、管匯Transportation vessel Hangoff 懸垂的方法安裝管匯系統(tǒng)47三、管匯脫離Overboarding 懸垂運動Pendulous Motion The manifold has

25、dimensions: 16.5m (L) x 8.5m (W) x 5.2m (H), with weight in air of 280 tons at water depth of 1900m. 48主要內(nèi)容一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭49四、跨接管n跨接管的形式跨接管的形式n在水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中，跨接管是一個短的管狀連接元件，主要用來在兩個元件（如采油樹和管匯、管匯和管匯等）之間輸送流體。除了輸送流體外，跨接管也可用來向油井注入水和氣。n典型的跨接管在管子的兩頭分別有一個終端連接器，如果管子是剛性的，跨接管叫做剛性跨接管，如果管子是柔性的就叫做柔性跨接管。剛

26、性跨接管主要有“M”和“U”兩種形式，如下圖所示。50四、跨接管“M”型 (彎曲)有效的防止渦激振動和熱膨脹現(xiàn)象的發(fā)生“M” 型 (彎管接頭) 倒“U” 型51四、跨接管n在海底各個元件之間的跨接管基本上是剛性管，它們通常水平地放置在海底。當(dāng)水下的硬件設(shè)備都安裝完畢，各個元件之間的距離就確定下來。這時就可以精確地制造跨接管。n另外，柔性跨接管主要由兩個終端接頭以及接頭之間的柔性管組成。柔性管主要用于在兩個水下生產(chǎn)系統(tǒng)的元件之間輸送石油和天然氣，另外柔性管也用于分離船體的剛性隔離管和FPSO的隔離管。52四、跨接管n剛性跨接管的主要元件：剛性跨接管的主要元件：預(yù)先彎曲的鋼管兩個連接組件，并且?guī)в?/p>

27、完整的可回收的作動器。兩個連接器的接收器,跨接管的測量工具,制造和測試的支撐架和吊裝工具 運輸支架 測試設(shè)備絕緣 (if required),抑制渦激振動的裝置 (if required)53四、跨接管柔性跨接管54四、跨接管n柔性跨接管的主要元件：柔性跨接管的主要元件：不銹鋼的內(nèi)骨架，用來抵抗外部的壓力熱塑性內(nèi)鞘用來密封流體 螺旋形的環(huán)繞鋼絲用來抵抗內(nèi)部的壓力軸向的保護鋼絲用來增強拉伸載荷外部的聚酯鞘，用來抵抗外部環(huán)境外部的不銹鋼骨架外部的附加的保護55四、跨接管n柔性跨接管的優(yōu)點：柔性跨接管的優(yōu)點： 靈活防腐耐高溫靜動態(tài)條件均可使用很好的疲勞設(shè)計壽命可清管抗坍塌性能好長度方向的規(guī)格非常簡單

28、n缺點：缺點：就是柔性跨接管很貴，同時對于內(nèi)壓很高的管子來說直徑比較小。56四、跨接管Vertical Tie-in assisted by V-CAT Vertical Tie-in Systems 垂直連接系統(tǒng)57四、跨接管Tie-in Connector Horizontal Tie-in Systems 水平連接系統(tǒng)58四、跨接管在設(shè)計剛性跨接管時，需要考慮以下幾點：在設(shè)計剛性跨接管時，需要考慮以下幾點：q通過安裝船安裝跨接管系統(tǒng)；q按照標(biāo)準(zhǔn)安裝跨接管；q從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)跨接管元件獨立地安裝；q分析系統(tǒng)的所有元件的可靠性，使系統(tǒng)的失效降到最小。在設(shè)計剛性跨接管的元件時，應(yīng)考慮以下方面：在設(shè)計

29、剛性跨接管的元件時，應(yīng)考慮以下方面：q在組裝、安裝和維護時選擇的材料應(yīng)該降低磨損和密封性的損傷q通過安全、造價和可靠性分析所有的元件q相同設(shè)計的跨接管的元件可互換q整個系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)化元件q所有的元件的設(shè)計操作都應(yīng)該在深水中進行59四、跨接管安裝的軟著陸系統(tǒng)應(yīng)該給出最小的沖擊載荷，軟著陸系統(tǒng)應(yīng)該具備以下條件：n和連接器是一個整體；n當(dāng)把跨接管放置在連接器上應(yīng)該能夠吸收一部分沖擊載荷； n在密封表面和跨接管已經(jīng)放在連接器的整體結(jié)構(gòu)之間保持分離。n支撐跨接管的重量，當(dāng)連接器已經(jīng)放入相應(yīng)的轂盤時分離跨接管與船體的運動。n軟著陸系統(tǒng)應(yīng)該把連接器和相應(yīng)的轂盤放到相對的位置，然后把他們安裝起來。 n能夠使跨

30、接管的任意一端升起或者降低。60四、跨接管n跨接管的設(shè)計和分析，設(shè)計載荷：跨接管的設(shè)計和分析，設(shè)計載荷： 制造、組裝和測試載荷.運輸載荷安裝跨接管系統(tǒng)在展開過程中假定內(nèi)部裝滿水靜水壓力和水壓測試載荷現(xiàn)場制作和測量的容限.熱和壓力載荷包括熱和壓力循環(huán).波浪和流載荷.海底管線的操作載荷. ROV 沖擊載荷.沉降載荷 Subsidence loads 61四、跨接管n跨接管曲線的穩(wěn)定性分析n側(cè)向穩(wěn)定性分析關(guān)系：Rmin = 最小穩(wěn)定半徑 (m)SF = 1.5 (抵抗滑動的安全系數(shù))DAF = 1.0 (動力放大系數(shù))TR = 彎曲時最大殘余應(yīng)力 (kN)= 跨接管與海底接觸的側(cè)向摩擦系數(shù)Ws =跨

31、接管的水下的重量(kN/m)跨接管側(cè)向彎曲穩(wěn)定性分析結(jié)果能夠用來：設(shè)計跨接管在海底的構(gòu)型估計安裝過程中的反作用力62四、跨接管柔性管的分析步驟1.材料選擇主要根據(jù)功能和內(nèi)部環(huán)境要求2.橫截面設(shè)計主要根據(jù)功能要求、設(shè)計準(zhǔn)則和局部的柔性分析3.系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計主要根據(jù)載荷情況和設(shè)計準(zhǔn)則進行整體的靜態(tài)分析4.詳細(xì)的服務(wù)壽命設(shè)計主要是端頭的設(shè)計，彎曲限流器、腐蝕保護等5.安裝安裝系統(tǒng)的選擇(船、設(shè)備、方法等)整體和局部的安裝分析63四、跨接管第一步：將跨接管置于底部 第二步：得到所需安裝形式柔性跨接管的安裝64四、跨接管第三步：連接到第一個端頭第三步：連接到第一個端頭第四步：連接到第二個端頭第四步：連接到

32、第二個端頭65主要內(nèi)容一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭66五、臍帶纜n臍帶纜臍帶纜(umbilicals)最著名的臍帶纜制造商是Nexans、DUCO、 Oceaneering Multiflex和Kvaerner Oil Products，圖就是一個臍帶纜的橫截面。 67五、臍帶纜在進行臍帶纜可行性分析時主要包括以下幾方面：在進行臍帶纜可行性分析時主要包括以下幾方面：n截面的設(shè)計和尺寸;n分析極端響應(yīng)，彎曲剛度尺寸、立管的干擾;n確定臍帶纜的方位角、偏移角、鋪放線路;n安裝順序和方法n詳細(xì)說明每一部分的報價;n臍帶纜的輸送計劃 臍帶纜的可行性研究包括每一部分不銹鋼管的

33、尺寸，拉伸角度等，可行性分析的最后是干擾分析，確保臍帶纜在極端的波浪和流載荷下，不被鄰近的立管、錨線或者結(jié)構(gòu)干擾破壞?？尚行苑治鲎钪饕木褪谴_定臍帶纜的橫截面設(shè)計、通過干擾分析確定的方位角和極端響應(yīng)分析的偏移角。68五、臍帶纜水下控制系統(tǒng)便于閥門和節(jié)流口對水下完井和管匯的操作，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要有5種類型的控制系統(tǒng)，分別是：n直接液壓控制Direct hydraulic;是5種控制系統(tǒng)中最簡單的形式，并且含有的元件最少。n導(dǎo)向液壓控制Piloted hydraulic;n順序液壓控制Sequential hydraulic;n電液壓控制Electro hydraulic;n多路電液壓控制Mul

34、tiplex electro hydraulic69五、臍帶纜n在臍帶纜設(shè)計中最主要考慮疲勞問題。在有些設(shè)計問題中需要重復(fù)考慮彎曲剛度，另外在疲勞設(shè)計中，主要考慮渦機振動(vortex-induced vibrations)和渦致運動(vortex-induced vessel motions)所帶來的疲勞破壞。通常設(shè)計是由臍帶纜供應(yīng)商進行，但是一些石油公司也要求第三方對設(shè)計進行校核。設(shè)計和設(shè)計校核包括完整的動力學(xué)分析，如極限響應(yīng)，渦機振動和渦致運動所帶來的疲勞，波浪載荷和安裝等。 70五、臍帶纜n臍帶纜的疲勞破壞主要是軸向力、彎曲和摩擦力三種形式的應(yīng)力作用的結(jié)果。n軸向力n彎曲力nwhere

35、, SDT:拉伸偏移量 standard deviation of tension;n A : 臍帶纜的鋼橫截面面積n E : Youngs Modulus;n R : 管子的外直徑n SDk : 曲率的偏移量standard deviation of curvature.摩擦應(yīng)力主要由滑動摩擦和彎曲摩擦力組成。 F = min (FS,FB) ASDTA/22kBSDRE2271五、臍帶纜tCFSAFkLFBSDRE2PLtubeLCLREIRTF342sinsin : 摩擦系數(shù),FC : 螺旋管之間的接觸面積, At : 臍帶纜中的主管的橫截面面積 RL: 管子的放置半徑 T : 名義拉伸

36、力: 管子放置角度, EItube : 每個管子的彎曲剛度LP : 管子的螺距/2.72五、臍帶纜n對于大型或者超大型臍帶纜，在安裝時需要大的安裝船，但是對于飛頭和其它元件，小的安裝船就可以進行安裝7。n臍帶纜是由一組電纜組成，通過上部設(shè)備連接水下設(shè)備，目前最深的臍帶纜是安裝在殼牌公司Na Kika 項目中，使用水深達到2316m，還有一些臍帶纜，如Thunder Horse臍帶纜使用水深為1880m，還有Atlantis臍帶纜使用水深為2134m。在設(shè)計和分析超深水臍帶纜最重要的就是正確地模擬臍帶纜的應(yīng)力和應(yīng)變，以及摩擦效應(yīng)。n以前管子的疲勞測試需要滿足臍帶纜疲勞分析時的S-N曲線，現(xiàn)在廠家

37、所使用制造臍帶纜金屬管的金屬的性能已經(jīng)足夠滿足，因此現(xiàn)在已經(jīng)不需要進行管子的疲勞測試。Zerbst等8，通過斷裂力學(xué)的方法確定了臍帶纜的管子預(yù)先帶有損傷的殘余壽命。主要從以下兩個方面進行分析：1.確定不能引起管子失效的最大裂紋尺寸。2. 假設(shè)在最大裂紋尺寸存在的條件下，原件的殘余壽命。73主要內(nèi)容一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭74六、井口頭n井口頭井口頭(Wellhead)概述概述1作為套管裝置和其他鉆井壓力控制元件的支撐基座2作為一個接收器，為套管懸掛器組件密封在井口頭處成為被動的壓力保護系統(tǒng)。3具有復(fù)雜的金屬之間的密封技術(shù)和機理4套管懸掛器的密封失效會允許壓力施加

38、到次外層的套管和與之相密封的井口頭。Subsea Wellhead Assembly75六、井口頭n設(shè)計時需要的參數(shù)：設(shè)計時需要的參數(shù)：1井口頭的孔的尺寸2井口頭所受的壓力比3整個井口頭的載荷容量q總的套管的重量 +防噴器( BOP)的壓力測試的載荷4井口頭和接頭的彎曲能力5載荷傳遞到管子的效率6套管懸掛器的流動區(qū)域7穿過套管懸掛器的粒子的尺寸 8所有的金屬之間的環(huán)空密封設(shè)計9多余的密封面積76六、井口頭77六、井口頭細(xì)長線(slimline)井口頭系統(tǒng)細(xì)長線井口頭：通常井口的尺寸小于16-3/4”主要目標(biāo)：1降低整個井的造價2消除20”的套管3使鉆井立管降到14”4降低鉆具尺寸78六、井口頭細(xì)長井口頭系統(tǒng)的目標(biāo)：降低整個井的造價：降低整個井的造價：鉆泥土、水泥、齒片套管的用鋼量：傳導(dǎo)器、井口頭等減少鉆井時間使用輕的、低造價的立管、BOP等。降低鉆具的造價：降低鉆具的造價：延