海洋石油裝備講義第二章海洋采油裝備與結構

海洋采油裝備與結構

海上采油平臺及水下采油裝備

海洋采油裝備與海上油氣集輸的方式有關。一般離岸較遠的低產小油田，常將油、氣分離處理后，送至油輪上運走，叫做全海式。對于離岸較遠的高產油田常通過短距離海底管線將油、氣集中到采油平臺，分離處理后再經海底管線送至岸上進行儲運，叫做半海半陸式。離岸較近的油田即可采用一井專線或多井一線直接通過海底管線將油、氣混輸到岸上進行分離及儲運，叫做全陸式。此外，近年來在深海還發展了水下采油裝備。下面分別介紹海上采油平臺與水下采油裝備。

一、海上采油平臺

（一）海上采油方式的分類

1．淺海采油

水深在70m以內，一般采用采油平臺采油?？煞窒铝袔追N情況：

（l）3～5口井的采油平臺 在平臺上進行油氣的計量，然后將油、氣、水通過海底管線混輸至岸上。

（2）多井（可供18口井用）的采油平臺，平臺上有油氣分離及脫水等裝置，待去氣去水以后，將原油用泵通過海底管線輸送到岸上。這種平臺可兼供鉆生產井用。

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裝備來采油，叫做水下采油法。一般在較深水中也可采用鋼管在海底集油，然后再用軟管連接到海上的浮動分離儲油裝置上。例如常用的單點系泊裝置即使用高100m以上，直徑約10m的圓柱型浮筒，上端與油氣分離、儲油裝置連接，底部用軟管連接海底集油管線。它既能固定于一個位置上，又能隨風浪搖擺。浮筒上裝有漂浮軟管和尼龍系纜，還有操縱軟管及系繩用的滾筒和動力轉盤，通過軟管用泵向油輪裝油。油輪保持迎風可繞浮筒360o旋轉。水面處浮筒周圍有碰墊，以防船碰傷。浮筒上有直升飛機坪和供應維修用的房舍，如圖2－1所示。也可在海底建立水下油罐，儲存原油。油罐是一個頂部為圓弧形的圓柱體。用管道把壓縮空氣壓入圓柱體內，將油罐拖運到裝設地點，然后再利用壓縮空氣和一個臨時補償裝置使罐從海面沉到海底。

圖2－1 單點系泊裝置

（二）海上采油平臺的類型

海上采油平臺依其制造材料分有鋼質及混凝土平臺，按其特點來分又有樁基式、重力式和混合式三種。

1．樁基式鋼質平臺

如圖2－1所示，這類平臺一般是從導管架的管柱腿內打樁，個別的是從固定在導管架大腿的下端外部的導樁套內打樁。這種平臺工作水深最小 29m，最大161m。

圖2－1 樁基式鋼質采油平臺

2．重力式混凝土平臺

重力式平臺是靠自重座在海底的，一般均用混凝土制造，個別的也有鋼制的。工作水深150m以上。

這種平臺需解決海底沖刷及防止滑動和傾斜等問題?？刹扇☆A先在海底鋪礫石，基座四周安裝鉸接墊，以及底座下面裝設深入土壤的鋼質裙板等多種措施。這種平臺如圖2－2所示。

圖2－2 混凝土采油平臺

3．混合式平臺

這種平臺是用混凝土和鋼材制造的平臺。底座腿柱的一部分采用鋼材，這樣既可較好地解決基礎受沖刷，底座滑動和傾斜問題，又可以縮短海上施工時間，消除樁基式和重力式的缺點。

此外，還有漂浮式混凝土采油平臺正在研制，它是半潛式的，可用做漂浮儲油裝置，其儲油能力可達6.4×104t，工作水深可達300m。

二、水下自噴井采油裝備

深海采油一般采用水下采油法，目前已采用的水下自噴井采油裝備有如下幾種。

單井水下自噴井采油裝備

單井水下采油裝備主要是遙控座在海底特殊座上的單井采油樹。它適用于遠海深水中的單獨高產井。采油樹是由下部的主閥及上部的采油控制設備等組成，如圖2-4所示。

固定設備

它是永久放置在海底的器具。主要包括有：

井口盤 即開始鉆井時確定井位用的井口盤。

降落盤 完井時安裝在井口盤上。用以封嚴套管頭，安放工作艙。

連接器 位于套管頭上面，與采油樹相連。

導向架 導引降落盤座到井口盤上。

2.主閥

主閥包括有下主閥、環形通路閥和出油管線隔離閥。下主閥位于采油樹下面，座在套管頭上；環形通路閥是控制油管與套管間環形通路的；管線隔離閥是控制通向水面上的出油管線的。主閥放置在密封的工作艙內，密封艙通過導向架座在降落盤上。工人可以乘坐運送艙到達工作艙內進行調試主閥、吊裝出油管線及電纜等項工作。主閥可在工作艙內手動控制，也可以通過電纜在水面上遙控。

采油控制設備

它主要包括有遙控的閥、液壓及電傳設備組成一個整體座在主閥上面。這套設備使用期限一般為兩年，到期后整體進行更換，為此盡量設計成小尺寸結構以減輕重量，一般約15t重，高3m，直徑2.5m，用于400m工作水深。

全部設備包括有電動設備、電信設備、液壓油箱、液壓閥、油泵等，用電纜與水面控制平臺相通，以實現遙控。

裝卸器具

它主要由三部分組成：

裝卸工具 用以將采油控制設備從水面送到海底，安放在主閥上，需裝有保護設施以防在下放時碰傷。

定位器具 一般不采用導向繩及潛水員作業，而是用聲波定位及水下電視技術來使裝卸工具及工作艙自海面船上放至海底并準備就位。

隔水管 這種隔水管實際上是一種特制的鉆柱，內徑101.6mm（4英寸），下端177.8mm（7英寸）開口。它的功用是通過鋼絲繩來運送裝卸工具；用它來下放或上提工作艙，通過海底液壓連接器試壓的管線，向油管中泵送油液等。隔水管在水面船上配備有升沉補償裝置。

5 工人工作及運送設備

它可將工人自水面船上運送到海底，并提供一個大氣壓的工作環境，使工人在艙內進行安裝主閥、油管線以及電纜等項工作。

如圖2-5所示，其主要組成有：

水下工作艙 它是一個壓力容器，依靠聲波定位法用裝卸工具下放到降落盤上。整個工作艙可供應一個大氣壓的新鮮空氣。

水下運載工具 它是將工人自水面船上送到海底工作艙的運載工具。實際上它是一個大氣壓強的潛水器，既具有推進動力裝置又具有漂浮控制裝置。它有液壓或電傳設備與水面船相連接。潛水時靠推進動力裝置及聲波定位裝置準確地下放到海底工作艙的窗口上。工作完畢后，工人自工作艙進入運送艙，然后再返回到水面船上。

當需要對海底井口主閥以及采油控制設備進行維修保養時，還備有特殊設計的鐘式作業艙（潛水鐘）。它相當于將水下工作艙與運載工具合并在一起。目前使用它，可在水深50～150m處工作。

單井位多井水下自噴井采油站

這種采油站是在一個井位處有多口方位井的集油站，其主要組成是：

井口基盤 井口基盤一般為圓形，直徑大小視井數而定。

水下作業艙 它在海底可提供一個大氣壓的工人操作環境。水下作業艙呈圓柱狀，分上、下兩端：上端為控制室，下段為維修間?？刂剖抑杏须娖髟O備、運動測量系統等。維修間集中全部產油管線，還有單井試油用油氣分離器以及自動下泵工具等。作業艙一般用后合金鋼板制成，目前可用于500m水深。如圖2-6所示。

井口連接裝置 通過它將水下井口裝置與采油管線及修經用維修管線連接起來。如圖2-7所示。

水下工作系統 為了保持一定的自持能力，全套水下工作系統應包括液壓電傳系統、壓載水泵系統、自動控制及報警系統以及運送工作人員到水下作業艙的運載工具等。

（三）多井位水下自噴井采油裝置

多井位采油時，不僅每口井在水下均應有井口室，而且還有有供幾口井口的水下集油站以及供各井及集油站維修用的維修艙。這些設備的特點是可用于任何工作水深，而且全部工作均可在常壓下進行，不需潛水作業，并能遙控。

井口室

它可用來保護海底采油樹、各種閥以及控制設備，提供常壓工作條件，使之不受周圍高壓及鹽水腐蝕的影響。井口室有兩種型式：

直立式井口室 為直圓柱體，分為上、中、下三段，如圖2-8所示。

上段為半球形殼體。殼體上有一個向上傾斜的引管口，輸油管自井口采油樹經引管口引出，電纜及液壓軟管則由此口引入。半球殼體上端有一個杯狀接合門，用來與維修艙連接座緊，如圖2-9所示。

為了將各種管束引進井口室，管束端部應裝有引管接頭，它可以引管口形成一個水封裝置。引管接頭有鋼絲繩相連，可利用維修艙內絞車將管束拉進井口室，接到采油樹上。一般引入井口室的管束長度應能卷成一個半徑1.5m的圓環。

中段為直圓柱殼體，供安裝工作用，如圖2-8所示。

下段為半球形殼體，座在井口裝置上，如圖2-8所示。

臥式井口室 圖2-10所示為臥式圓柱殼體井口室。它的工作室較大。內徑約3.15米，可用于工作水深130m、210m、400m，一般采用直徑50.8mm（2英寸）的油管及50.8mm（2英寸）環形通路的采油樹。

井口室的安裝工作應在完井后鉆井浮船尚未離開時進行。在船上先將井口室與液壓連接器連在一起，然后用鉆桿沿導向繩下放，直至井口室下端的液壓連接器的底部座到井口裝置的套管頭上為止。

水下集油站（集油管匯中心）

來自每口單井井口室的輸油管線首先在集油站合并在一起，然后再通過一條管線，輸至附近的采油平臺或岸上。這樣可縮短通至采油平臺管線的距離，并可減少輸油管的數目。

圖2-11給出了一種供3口井使用的水下集油站，外形為臥式圓柱殼體，開有7個引管口，其中3個是用于3口采油井的，這3個引管口，每個均通過有50.8mm（2英寸）油管兩根，還有50.8mm（2英寸）供油管與套管環形間隙氣舉用的管線一根以及31.8mm（1英寸

在集油站的圓柱形殼體頂部有一個杯形接合門，其作用與井口室的相同，也可用來與維修艙密接，以使工作人員進入集油站。

3.水下維修艙

它可用來為井口室及集油站提供器材、運送人員。如圖2-12所示，外形為球形殼體，上下均有艙口，底部有裙板。當維修艙下放或上提時，裙板室可用以充水或卸載。球形室內始終保持一個大氣壓力。它可借助鋼絲繩及艙內絞車，下放到井口室或集油站頂部的杯形接合門上。利用水面船上的通風設備，向維修艙內供應新鮮空氣，同時，還可調節維修艙內的溫度和濕度。新鮮空氣的管線經艙的臍孔進入艙內，而艙內的廢氣則通過另一條同尺寸管線自臍孔排出。電纜線及電訊線也一起由臍孔進入艙內。臍孔中通過的還有一定數量的電線，用以傳送水下不同器具的電視圖象到水面船上。維修艙內還有四個照相機，一個固定在艙內，一個在裙板室內，一個再艙外觀察管線的情況，還有一個輕便型的，根據需要隨時取用。

維修艙內的所有作業都和陸上一樣。作業完畢，工人離開工作室，觀賞維修艙的下門，借助艙內的絞車，即可徐徐上升離開海底。

4.水面作業船

這種作業船是自航的，具有自持能力，其主要作用是下放和回收水下維修艙。作業船上需裝設一套起重設備，包括有桅架及絞車和復滑輪系統等。同時還裝有通風、供電和電視設備。

5.安裝牽引管線的器具

當將各種管線引入井口室、水下集油站及水下維修艙內時，需將管線舉起一定的高度及角度，現在管線裝好引管接頭，然后利用室內絞車自引管口拉進。目前采用的一種新型牽引器具可裝入引管接頭中。它具有一個浮標，浮標上有電訊線。當要安裝管線時，球閥打開，浮標放出到海面上，它與轉運管線駁船上的繩纜連接，繩纜則與連接好的管線端的引管接頭相連。這樣，浮標下沉，通過電訊可以重返海底井口或集油站，并將繩纜及管線引導到海底。當引管接頭接近管口時，此牽引器具即進入引管接頭中座緊。這是，被牽引的管線可借助此牽引器具前進254mm，待全部管線拉人室內后引管口鎖緊，即可將此牽引器具移走，而拉進的管線則可安裝在井口采油樹或集油站的管匯上。

（四）新型單井位多井水下自噴井采油設備

這是近年來出現的一種成套水下采油裝備，它全部座于水底適于深水工作，其保養、修理等工作均不需潛水員，可用遙控，必要時可載人到海底作業。其主要組成如下：

（1）大型管式海底基盤 如圖2-13所示，它是用來放置所有水下采油裝置的，可將輸油管線與油井相連。施工時，需先將設備安裝調試好，再用水面作業將其下放到海底，整個重量可達400t?；P設有壓載艙，可用泵排水充氣或充水排氣。

（2）水下井口裝置 采油樹由普通主閥、與集油站連接用的液壓連接器等組成。為了能使泵送工具入井，采用88.9mm（英寸）油管，并配備有液壓控制的水下安全閥。采油樹等水下井口裝置由鉆井浮船在完井后自船上下放到海底。

（3）集油站 所有管線均匯集到集油站，共有高低壓大口徑輸油管線兩條，壓力達22MPa；試井及泵送工具用管線兩條，壓力達35MPa；氣舉或配氣用管線一條，壓力達10MPa。一個井位有3口方向井時，集油站呈正方形，井更多時則需增長為長方形。當液壓系統失靈時，有能關閉全部閥門的安全裝置。圖2-14即為集油站的部分管匯情況。

（4）控制系統 采用液壓控制。油泵及其裝備全部安裝再撬座上。油箱中油壓略高于海水壓力，以防海水污染。油泵采用電驅動，電纜時潛水的。使用氣體儲能器，儲存足夠氣量供各閥使用。當能源發生事故時，儲能器可維持7天，以待維修。

（5）泵和分離裝置 如圖2-15所示，油井的原油進入油氣分離器，將氣分離后，再進入多級離心泵，用泵將原油輸送到水面上，也可用節流閥將部分油送回分離器，以保持一定液面。

（6）隔水管 它是水面與海底間的一個通道。一般隔水管中有動力電纜、通訊電纜、液壓管線等通過。

（7）水下保養站 系無人管理的裝置，如圖2-16所示。它座在軌道上，圍繞著集油站、控制系統及泵和分離裝置。當水面發出訊號時，可自海底放出浮標，于是水下保養站即可借助浮標漂浮起來，當下放時可借助沉墊壓載而放入海底，座在軌道上。當許人操作時，通過遙控，水下保養站即可以漂浮起來，然后再在人下入海底。整個水下保養站的重量約8.5t（在空氣中），目前可適用于140m的水深。

圖2-17為單井位多井水下采油裝置的總體布置圖。去氣原油從海底送到船上，再運送到岸上，也可以送到大型采油平臺上。

第二節 海洋采油的井下作業器具

海洋采油的井下作業包括完井或修井時的注水泥，日常修井時的清蠟、射孔、沖砂、酸化，以及水力活塞泵法采油時的換泵等。下面將這些作業使用的與陸上不同的特殊器具，分別進行介紹。

一、注水泥用特殊器具

海洋注水泥器具可分為兩大類：一種是裝在平臺上面的水泥頭，它不同于陸上固井用的水泥頭；另一種是安放再海底井口的水泥頭。前者稱為常規型，后者稱為特殊型。

（一）常規型注水泥器具

海上平臺或鉆井浮船上進行各種注水泥作業的全套水下注水泥器具的組成如圖2-18所示。

1.特點

常規型注水泥器具與陸上的不同點是：

（1）水泥頭簡單、輕便，安放在平臺上，僅用于提供液流通道下及下放撞擊器與橡皮球等。

（2）上、下水塞均安裝再水下套管懸掛器下面的套管中。

2.水下器具結構

水下器具部分的詳細結構如圖2-19、2-20、2-21所示。它主要由三大部分組成：

（1）管體 為水下固井器具的體部，上端通過大小頭與鉆桿接頭相接，下端通過接箍與套管懸掛器相連（圖2-18）。

（2）上木塞總成 包括上木塞（TP）和上木塞支持器，見圖2-19。

（3）下木塞總成 包括下木塞（BP）和下木塞支持器。

如圖2-19所示，上木塞支持器包括一對徑向相對的殼體2a，它們分別焊接在管體的窗口2b上，其焊口為2c，并在相對著側壁2d間形成腔室2e，腔室內裝有支撐架2f，支承架主要是由支承臂2g組成，支承臂的上端用銷釘2h穿過橢圓形槽鉸接在側壁之間，并用絲堵2j在殼體上定位（參看圖2-18）。各支承臂的下端有一個剪切銷2k，將支承架固定在第一個位置上，并用絲堵2m定位。支承臂2g有一個向內彎的體部和端部。圖2-19表示上木塞支持器處在第一個位置，此時支承臂通過其他體部和端部托住了上木塞。

上木塞的中間是一個用可鉆性較好的材料做成的管狀體，其中心有開孔或通道，再體部的外面壓鑄有彈性體，彈性體的外圓柱面上沿軸向分布有適量的盤狀體，而在彈性體的上部是一個碗狀體，其底部與體部上端的斜面相配合。另外，再彈性體的下部形成一個密封法蘭與管狀體的下平面配合。

下木塞及支持器的結構基本上與上木塞及其支持器相同。

圖2-20為下木塞的橫截面剖視圖，即沿圖2-19中的A-A面的剖視圖。

圖2-21為改進后的上木塞總成的結構，其特點是用矛形結構代替圓球。

（二）特殊型注水泥器具

圖2-22是在鉆井浮船上采用旋轉水泥頭的水下注射器具進行注水泥操作的示意圖。由圖可見，注水泥時，旋轉水泥頭裝在海底防噴器組和隔水管之間，而隔水管通過其上下兩端的球形接頭3和5分別接到伸縮管和旋轉水泥頭上。伸縮管是有鋼繩張緊器支持在船上，以補償船的運動。

圖2-23即為上述旋轉水泥頭的剖視圖。它主要由四部分組成。

（1）固定部分 包括下部凸緣的外殼和上蓋，分別和防噴器及隔水管相連接。

（2）旋轉部分 主要是裝在外殼內部的可轉動的芯子，其內部構成為液壓定位系統的液缸。

（3）承接部分 主要是裝在上述兩部分之間的主推力軸承，通過軸承，旋轉水泥頭的芯子可以相對外殼轉動并將負荷傳給外殼。

（4）液壓定位系統 主要包括有兩部分：

1）液壓銷閂機構 包括活塞、活塞桿、凸輪以及它們與芯子之間的密封件。在凸輪的上下邊緣各有一個小錐體與下入工具的槽的斜面配合。在注水泥作業時，上面的錐面可與下入工具形成密封。

2）液壓系統 包括進出口管線12、14和防止液體流入井筒的密封件5、21，隔絕進出口的密封件11和隔離軸承潤滑通道的密封件10，以及液體儲能器13、15。

旋轉水泥頭的開動前，液壓鎖閂機構處于收縮位置，這時下入工具的槽再凸輪的下面。然后開動液壓系統，液體就由進口管線進入液缸，并推動活塞使凸輪從凹槽伸出，與下入工具接觸。再下入工具上提時，其上的槽剛一越過凸輪，在液壓作用下，凸輪會迅速地伸入此槽中，隨后下放整個管柱，使其全部重量通過液壓鎖閂機構座到水泥頭外殼上，并可與其一起再水泥頭中相對于外殼旋轉。而外殼上的負荷則可通過防噴器組向下傳到海底井口上 。這樣既可實現再注水泥的同時，轉動或上下活動注水泥部位的套管柱的目的，從而使水泥漿更有效地從井下環形空間替出鉆井液，以減少或避免水泥穿槽，保證固井質量，確保海上注水泥能獲得一次成功。

當注水泥作業結束以后，稍微上提下入工具以解除作用在水泥頭上的重量，液體則由通道18進入活塞右面的液缸中，由于儲能器13的作用可使液壓鎖閂機構迅速地從槽中縮回到原來的位置。液壓鎖閂機構縮回后，即可慢慢地下放整個管柱，知道套管懸掛器座到海底井口上。

二、海洋修井用特殊機具

（一）水下井口的修井方法

水下井口的修井方法，一般可分為兩大類：

1.將水下井口變成水上井口的修井法

通常是從水面把隔水管、導管等接到水下采油樹上，也有的用沉箱沉入海底，并用單向閥或水泥塞堵住井口，拆除套管頭后，將管子接到出油管，再從沉箱內引出到水面以下，這樣既可把水下井口延伸到水面以上，用一般陸上修井機進行修井。

2.通過出油管線修井法

這種方法是采用一種特殊的修井工具，將出油管線下到水下井口以進行各種修井作業。修井工具可以靠自重或用鋼絲繩下入，也可用液壓輸送；起出時，可用繩索打撈工具，也可用反循環泵送，采用泵送起下的修井工具稱為泵送工具，這時除了出油管線外，還必須裝有第二條管線通至集油站。

（二）海上修井機

1.普通平臺修井機

這類修井機的全套機組采取撬裝、積木式的集成組合方案。它適合于完井25口以上大型海上固定采油平臺。還能進行注水泥、試井、酸化、塑料固結等作業。

這種修井機，有的用重型駁船整體運載，有的分成幾個大機組或單機用直升飛機等運載；還有的外形像一個龍門起重機，天車可在天車梁上移動以適應不同井位，稱為龍門式平臺修井機。

2.與輔助船配合使用的修井機

按照設備的布置方案，可分為：

（1）部分設備裝在輔助船上的修井機 對于各種小型采油平臺（完井16口以下的），一艘只能放置小型修井機。如常將約294kW的小型液壓修井機放在平臺上，而將約294kW的兩臺柴油機及其所驅動的兩臺約147kW變量泵和另一臺約272kW的泵放在輔助船上。

（2）全部放在輔助船上的繩索修井機 這套系統，目前至少可用于水深100m的海底油井的維修。它采用了一個標準的防噴管，因而可將一艘陸上的繩索修井技術直接引用到海上修井作業中，但仍需潛水員協助進行水下井口的某些連接工作。

撬裝的繩索修井機主要由繩索絞車、作業絞車、桅桿、液壓控制臺、臥式運動補償器和工作平臺等六部分組成。從每臺絞車引出的繩索穿過兩個水平的滑輪，其中一個是裝在活動的支架上，所以相對于井口的運動不會通過繩索傳出去，穿繩的情況，如圖2-24所示。

與上述修井機配套使用的水下修井器具具有海底防噴管裝置、液壓管線、活動盤根以及導向繩和繩索工具等，如圖2-25所示。

3.修井

對于那些近海不帶平臺的衛星井或平臺很小的單井，因無法安裝一般的修井機，常采用具有自航能力的修井船。常用的修井船，有下列幾種：

（1）裝有液壓升降裝置的自升式修井船 全套作業設備是由液壓升降裝置、三滾筒絞車組和高壓泵系統三部分組成。甲板上的全部作業設備都采用液壓傳動。其立面圖及甲板平面布置，如圖2-26所示。

（2）裝有軟管修井機的修井船 安裝在修井船上，可對水深75m、水下完井的油井進行修井。裝在船上的修井設備主要由軟管卷筒、升沉補償系統和繩索作業絞車三部分組成，如圖2-27所示，修井船采用動力定位。

由圖2-27可見，升沉補償系統主要是通過補償鋼絲繩來保持軟管的拉力，時軟管隔水管的頂端再風浪較大時也相當穩定。

由于船的水平運動和海流的作用，軟管往往形成一條直線，特別是在其上下兩端。為此，再這兩點上各裝一個大曲率半徑的導向罩，以控制繩索工具和軟管內表面之間的間隙。

（三）泵送工具

泵送工具一般可以完成海上油井的各種日常維護工作和沖砂、酸化、射孔、塑料人工井壁以及生產井段的擠壓作業（擠油、擠水泥等）。再鉆井平臺移開井位后，還可進行某些完井作業。

1.地面設備

主要由三部分組成：

（1）泵 水馬力一般約為110kW。

（2）管匯和儀表滑撬 包括一個控制油流的閥箱，一個和井口上一樣的可變油嘴，一個回壓調節器及必要的儀表。

（3）防噴管 起作用是使工具能在壓力下進入油井，一般采用臥式，如圖2-28所示。

2.完井設備

泵送修井工具用的井口裝置如圖2-29所示，通過閥門彎管，接通出油管。彎管在相交處與油管中心線相切。

這套井口裝置裝上堵塞后，可適用于泵送修井作業，而拆除堵塞后，也可適用于一般垂直起下的修井作業。

在采用泵送工具修井時，工具可通過井口裝置上兩條彎曲半徑不小于1.5m的出油管線，泵入井下或返回水面，這兩條管線在接近井底的地方相通，因而可循環液壓介質。

3.修井工具

包括維修、清蠟、射孔、沖砂、地層封堵用的工具和測試井底壓力的井底壓力計等。其中維修工具常由起下工具和震擊工具等組成。起下工具可以通過遠距離操作和另一個泵送部件連接或脫開。例如圖2-30就是通過起下工具泵送井下油嘴的情況。作業時，裝有油嘴泵送系統，下到接受器的筒體內的V形盤根上，然后剪斷銷子，起下工具即可脫開。

4.水下控制設備

它主要包括有安全閥、固定閥以及循環控制閥等。循環控制閥用于雙層完井、三根管柱的泵送工具系統中。圖2-31所示為一種用于雙層完井兩根管柱的循環控制閥。

三、海洋抽油用水力活塞泵裝置

目前海上抽油設備，應用較多的是水力活塞泵裝置，特別是再水下完井的抽油井，采用自由安裝式水力活塞泵后，操作不受井斜影響，起下泵方便可靠，地面動力泵組等機動性能好。

整套水力活塞泵裝置除與陸上相同外，為了保證海上工作的安全可靠，需增設防火和報警系統，以防止動力液泄漏引起的爆炸和火災，還應注意防止對海水的污染等等。

（一）換泵方法

海上油井用水力活塞泵的關鍵問題時要有一套適合于海上條件的換泵裝置；對淺水油井，可用潛水器、潛水罩或使用潛水船來換泵；深水油井有以下兩種辦法：

（1）利用小船或駁船再高出井口的水面上工作。而井口裝置應允許井下泵能在海底井口和水面之間移動。

（2）利用專門設備，從遠離海底井口的岸上的控制臺或海上平臺通過海底出油管線將井下泵從水平管線送到垂直的油管柱中去。

（二）液壓換泵裝置

1.這種裝置如圖2-32和2-33所示，它主要是由一個接在浮筒（圖2-33）上的管頭和一個裝在套管頭中的外面拋光管所組成。拋光管的長度等于水深。所以整個裝置伸開時，其管頭可露在水面上。動力液管和出油管固定連接在井口上，而不受管頭上下運動的影響。

2.彎曲式井口裝置

該裝置時一根具有短彎曲半徑的大口徑鋼管，如圖2-34所示。管子內部有一根軟管，軟管內徑略大于泵的外徑。當泵通過軟管時，它可變直。只需小壓力差就可使泵通過。再軟管外面和鋼管之間充滿液體，而且其壓力是平衡的。

除上述兩種液壓換泵裝置外，還有其他形式多種換泵裝置。

第三節 海上采油早期生產系統

一、概述

（一）基本概念

什么叫早期生產？勘探過程中，探井出現工業油氣流后，對生產設施及全面開采方案，從技術上及經紀上，尚未能合理選定時，為了盡早獲取油氣，回收資金，并進一步積累勘探及開發等方面的的數據資料，而在短期內先使一口井或一小塊油區局部投入生產的開采油氣的方法即叫做早期生產。

早期生產再陸上油田已早有應用。例如我國的大慶油田，早在1960年發現工業油流之后，立即再薩爾圖開辟了一小塊試驗區，進行早期生產。

當然，海上早期生產系統，由于油井在水下，油氣處理在海上，與陸地有海水相隔，因而給采油、儲油、集輸、油氣水處理等帶來了一定的困難，而且生產設施及裝備也較為復雜，所以再海洋石油鉆采裝備與結構課程中專門研究海上采油早期生產系統還是很有必要的。

（二）海上采用早期生產系統的組成

1.采油系統

針對油井位于水下，油氣處理在海上的特點，采油系統應包括有：

（1）井口裝置和采油樹 用以安裝固定下入油井的套管及油管，并控制出油。

（2）出油管、控制系統和采油立管 控制及輸送油氣至生產平臺。

（3）生產平臺或浮船 進行油氣計量、處理及儲存，它是整個生產系統的主體。

2.集輸系統

集中多個油井的油氣，進行計量及處理并輸送到陸上。一般可包括有：

（1）輸油管線；

（2）儲油設備；

（3）輸油船舶及系泊系統。

（三）對早期采油生產系統的基本要求

（1）盡早生產油氣，加快經濟回收，提高資金利用率。

（2）不僅早期還應在油田整個生產期間各個階段稱為油田生產能力的組成部分。

（四）采油早期生產系統的優點

（1）建設速度快、周期短、成本低。

（2）建設資金流通快、利用率高。

（3）損害油層程度最低。

（4）便于利用探井積累資料，搜索工程技術經驗，為今后全面開發生產的決策奠定基礎。

（5）便于利用原有設備，根據需要擴大生產規模。

（6）靈活機動，便于適應不同條件和需要，反復使用。

（7）便于以低成本開發油田的邊緣地區及孤立的小油田。

（五）海上采油早期生產系統的類型

（1）固定式早期生產系統 生產系統的主體生產平臺采用固定式平臺，如自升式平臺，井口小平臺與自升式平臺聯合等多種型式。

（六）海上早期生產系統選型的原則

（1）油田的位置及海況 海上油田的位置影響早期生產系統的建造、運輸和安裝的投資。水深、風、浪、冰等海況也直接影響著早期生產系統的選型，特別是我國南海的臺風、渤海的冰情，更應在選型時充分關注。

（2）油田的地質條件 油田的地質條件如可采儲量、單井日產量等均直接影響這選型。一般來說可采儲量少，單井日產量低的油田適于采用浮式早期生產系統。

（3）原油性質和處理量 這些因素直接影響著油氣水處理設備及單點系泊系統的選型。

（4）海底地質情況 海底地質情況影響海底井口基盤、采油樹、海底采油控制系統等的安裝，選型時應予注意。

（5）系泊系統情況 浮式早期生產系統的單點系泊設施以及系泊油輪的選型，均應根據系泊系統的要求來選定。

二、早期生產系統的采油裝備

（一）井口裝置及采油樹

根據完井方式的不同，有以下兩種型式：

1．海底完井型式

采用水下井口裝置，使用海底采油樹及海底管匯；但隨海底井位布置的不同，裝備也不同。

（1）衛星井 從海底各個井位單獨鉆井，出油后通過出油管線、管匯、隔水立管將油送到浮式采油平臺上。

（2）叢式井 海底安放多井海底井口基盤，向目的層鉆定向井，出油后自多井通過管匯與隔水立管系統相連。

2.水下完井型式

使用回接隔水管與水上采油樹。

由于海底完井法可以減少平臺建造數量及鉆井數目；使油田在短期內獲益，且易于確定油田的延伸范圍、估算油田的采油壽命，因此早期生產系統多采用海底完井法。

（二）控制系統

海底完井目前廣泛采用的控制系統有下列三種型式：

（1）直接液壓控制 裝備有液壓油箱、液壓閥、油泵等，可與水面控制站相通，以實現遙控。

（2）電液控制 海底采用電驅動的液壓設備，并有電纜與水面控制站相通，借助電實現遙控。

（3）多路電液控制 可實現多條電路的遙控。所有采油樹的閥及安全閥均為防事故式的，并采用手動或自動關井等保護措施。

（三）出油管采油立管

出油管采油立管時水下井口裝置與生產平臺之間的連結系統。

1.采油立管的選擇

選用采油立管的尺寸、厚度等應考慮下列因素：

（1）油藏的特點、預計產量及井數；

（2）海底井口裝置等設備的類型和數量；

（3）注水、注氣的需要情況；

（4）全套早期生產系統的類型。

2.采油立管的類型

（1）單井采油立管 只適用于一口油井。

（2）多井采油立管 適用于多口衛星井或叢式井。多口井的原油首先匯集到海底立管管匯，然后再通過一組管道將立管管匯與浮動采油設備連結起來。目前多井采油立管已可用于水深75m。

不論單井或多井采油立管均應符合海況、環境及水深的要求；而且采油立管上均應安裝快速接頭，以便遇到緊急情況時快速卸開，將各種可移動的設備立即撤走。

三、早期生產系統的主體部分

早期生產系統的主體部分主要是指油氣水處理及儲存原油用的生產儲油設備等。早期生產系統的類型常常取決于其主體部分的型式。今將早期生產系統的主體部分的各類型特點分述如下：

（一）固定式早期生產系統

這種早期生產系統的特點是在建造與安裝平臺的同時，利用海底基盤預先鉆井。這樣待平臺建造安裝完畢后，即可將已鉆完油井的井口與平臺上生產裝置連接起來，進行早期生產，從而大大縮減投產的周期。按制造固定平臺材料的不同，可將其分為兩類：

（1）鋼制導管架固定平臺 這種固定平臺的建造費用高；現場安裝時間長；不能重復使用，且受水深限制，但其穩定性強，對海況、環境均不敏感。

（2）混凝土固定平臺 這種固定平臺的優點時穩定性較鋼制導管架更好，且現場安裝時間短，水下結構的維護費用低；但其特點是建造周期長，建造費用高，同樣受到水深的限制，而且不易拆除。

2.自升式平臺型式的早期生產系統

這種早期生產系統的特點是在自升式平臺上裝備油氣處理及儲油設備，采用固定平臺的標準設備和立管系統，分離后的原油通過單點系泊裝船外運，天然氣燒掉。建造和安裝生產、儲油設備可與利用自升式平臺鉆井同時進行，從而縮短了投產時間。一般利用自升式鉆井平臺改裝的較多，也可建造適用于鉆井及早期生產的特制自升式平臺。綜觀這種早期生產系統的優缺點如下：

（1）優點 穩定性強，可以利用固定平臺的標準設備，便于改裝，建造周期短，海上安裝費用低，運移性強，特別適用于開發期短的邊際油田和小油田。

（2）缺點 樁腿受到海底條件的限制；工作水深有限；平臺甲板的空間有局限性；改裝新增設備受限制；承載能力及供電能力也均受到限制。

3.井口小平臺與自升式平臺組合的早期生產系統

這種早期生產系統的特點是可以兼顧鉆井和修井，并可同時進行采油生產，因為它是由以下三部分組成：

（1）井口小平臺 它是一個窄小的永久性鋼制平臺，上面只安裝供鉆井用的設備。將井口裝置、水上采油樹通過隔水導管加以連結固定。

（2）懸臂式自升式鉆井平臺利用它的懸臂可以與小平臺連結，進行鉆井；而且在一端鉆完幾口井之后，還可以移到另一端鉆井。這樣它不僅幾乎可以不停頓地鉆井，而且還可以用于修井作業。鉆井完畢，可以撤走。

（3）自升式儲油平臺 上面裝設油氣水處理及儲油設備，可以進行油氣水分離，并建有生活間。當油田開發完后，可移運到其它油田使用。

總之，這種早期生產系統的主要優點是穩定性強，有利于鉆井、采油、修井同時進行，整個系統都能重復使用。但由于工作水深受限制，建造費用高，故只能適用于淺海水域的邊際油田和小油田。

（二）浮式早期生產系統

浮式早期生產系統的主體部分的基本型式是浮動的，故其移運性強，可以在岸上組裝和試運轉，造價低，對水深不敏感，特別適用于深海水域的邊際油田和小油田的早期生產。下面介紹幾種常用的類型：

1.半潛式平臺早期生產系統

采用這種生產系統，原油自井口出來后的流程是：

水下井口→出油管→海底管匯→隔水立管→半潛式平臺甲板上的油氣水分離裝置→中央立管→海底管線→水下軟管→單點系泊系統→浮動軟管→油輪。

使用半潛式平臺早期生產系統的優缺點如下：

優點 采用錨鏈系泊不需做風標運動，立管系統簡化；穩定性能良好，適應惡劣海況；適合多井開發；兼具鉆井、修井能力；生產、維修費用低，可以加快油井開發。特別是不僅可以專門建造，而且可以利用現有設備進行改造。

缺點 建造或改裝的施工周期長，成本也較高。特別是改裝的半潛式平臺由于甲板空間有限，承載能力低，限制了增裝的設備數量，原油儲存能力很小。

總之，由于半潛式平臺早期生產系統的優點突出，因而是目前世界上一、廣泛應用的一種。

2.張力腿平臺早期生產系統

這種早期生產系統是將半潛式平臺改成張力腿平臺，如圖2-35所示，因而是半潛式平臺的一種演變型式。它將半潛式平臺用的錨鏈系統取代為垂直鋼纜與海底的錨連結的錨泊系統，因而可較半潛式平臺增加工作水深，且水深增加時只需加長系泊腿，故建造費用增加很少，一般當水深超過150m以上時，張力腿平臺的造價即可低于固定平臺。再加上它在海上的安裝費用低，安裝周期短，又具有便于拆遷等優點，故目前已開始在深海水域應用。

3.船形早期生產系統

這種生產系統可分為兩種類型。

（1）駁船型 駁船可以鋼制或用水泥制成，一般常用剛性臂系統系泊。駁船甲板上可以充分利用空間，因而具有很大的儲存原油的能力，而且易于改裝，建造費用較低；但其最大的缺點是對風、浪、流敏感，是浮式早期生產中運動特性最差的一種，因而目前應用很少。

（2）油輪型浮式生產、儲存和裝卸系統（FPSO）

這種型式是將集油計量、油氣水處理、儲油、裝卸運輸等四種功能綜合在一個油輪上實現。在一條改裝或專門建造的船的甲板上，安裝有油氣水處理及儲油設備以及生活設施，浮船由多點或單點錨泊系統系泊，船上有油龍頭（旋轉伸縮接頭）與輸油立管相連，因而可綜合實現計量、生產、儲油、輸油等多項功能。由于這種型式可以通過改裝超級油輪實現，故在很短時間內以較低費用改造完成，而且儲油能力大，設備利用率高，輸出原油成本低，因而具有很大的優越性。但是因其穩定性不然半潛式平臺，而且油輪必須做風標運動，給立管系統帶來了復雜性，而且不能進行修井作業，故目前此種早期生產系統不如半潛式平臺早期生產系統應用廣泛。

綜觀上述，固定式早期生產系統適用于淺海；浮式早期生產系統適用于深水。目前不少國家正在研制其它多種早期生產系統，研究的發展趨向主要是解決進一步縮短建造周期以及在緊急情況下可以迅速脫離井位的快速離合等問題。

四、我國海上采油早期生產系統的幾個問題

（一）類型的選擇問題

鑒于目前在我國渤海、南海等海域已探明的一些油田，大多為面積較小，日產量較低，可開采儲量也不太大的油田，因而要使這些油田具有開采價值，必須要選用一種投資省、安全可靠，而且機動靈活的浮式生產系統，從而一次投資可自幾個油田回收。這樣的浮式早期生產系統應具有以下幾個特點：

具有多種用途，既能用于邊際油田的開發，又能用于早期生產，也能用于長期采用作業。

對不同的油田，不同的環境條件具有較廣泛的適用性，能夠用于多種不同油田的開發。

工程投資費用低，操作費用低，回收投資容易。

機動靈活，搬遷容易，搬遷費用低，裝備重復利用率高。

工程設施簡單、可靠，操作簡單。

建造周期短，大部分設施可由國產供應。

（二）主體部分的方案選擇問題

現在從我國海上油田的實際情況出發，提出的方案有：

1.井口平臺與單點系泊組合的浮式生產系統

（1）組成 主要由三部分組成，如圖2-36所示。

1)帶單點的井口平臺 平臺上的采油樹與海底基盤之間直接由立管相接。井口平臺的上部安裝有主軸承及旋轉頭等單點系泊系統，并有軟管可將原油送至生產儲油輪。

2）生產儲油輪 甲板上裝設有原有處理及公用和生活設施，處理后的油可儲存在油輪的艙室里。

3）運輸油輪 靠近生產儲油輪，隨時將油運往岸上。

（2）優點 主要優點是：

1）工程投資省。

2）單體技術成熟。

3）裝備的重復利用率高。

4）生產儲油輪解脫、重新連接容易。

5）不需海底管線，不存在堵管、清管問題，系統停產后再啟動容易。

（3）存在問題 主要需要進一步研究解決的問題是：修井作業的妥善安排問題；井口系泊平臺的基礎結構型式的合理選擇問題；儲油輪與單點間的防碰撞及通道問題；井口平臺上設備的合理布置問題。

2.井口平臺與自升式平臺組合的浮式生產系統

（1）組成 如圖2-37所示，由以下四部分組成：

井口平臺 主要裝設水上采油樹，有原油管線通往自升式平臺。

自升式平臺 甲板上裝設原油處理及生活設施，處理后原油通過棧橋的管線，送往水下儲油駁船；甲板上有儲油臂可用以卸油到運輸油輪上。

水下儲油駁船 沉放在自升式平臺旁邊，具有兩個浮力柱體，與井口平臺在同一直線上，和自升式平臺的棧橋連接，用做確保起浮下潛作業時的溫性以及油管和加熱管的通道。駁船四角可打四根淺樁以提高抗滑能力。

運輸油輪 與自升式平臺靠近，以便輸油到岸上。

（2）優點 主要優點是：可設歌曲單點系泊用的各種設施，工程投資??；可對現有鉆井用自升式平臺改裝，充分利用閑置設備；搬遷方便，系統機動靈活，裝備重復利用率高；可利用自升式平臺修井，作業方便；可直接用自升式平臺進行試采，便于長時間試油作業；適用于較淺的水域作業。

（3）存在問題 主要有：水下儲油駁船空油艙的巨大浮力的壓載問題；水下駁船的下沉、起浮作業及其浮力柱的抗環境載荷問題；運輸油輪的系泊與卸油技術問題；以及自升式平臺的甲板布置改進等問題。

3.多點系泊的生產儲油輪的生產系統

（1）組成 這種方案如圖2-39所示，它與通常的單點系泊系統不同，主要有三部分組成：

井口平臺或水下平臺 若采用井口平臺則用浮漂軟管與生產儲油輪相通；若采用水下井口則用海底軟管將原油輸送到生產儲油輪上進行處理。

多點系泊的生產儲油輪 多點系泊一般只適用于噸位較小的船舶，因此適用于日產量不高的小油田。而且因為用多根錨鏈固定，故適用于強風和強流的方向恒定，且風向與流向一致的海域。

運輸油輪 旁靠在生產儲油輪旁，定期送走原油。

（2）優點 主要是：搬遷容易，機動性能好，適合長時間試油，早期生產或邊際油田開發；工程投資低；裝備重復利用率高。

（3）存在問題 主要有：多點系泊系統的抗風浪能力、系泊力大小的確定、運輸油輪的系泊型式、以及系泊設備的選型問題；井口至生產儲油輪間原油輸送方式的選擇問題；原油在管線中的保溫問題，以及水下井口的制造、安裝、施工、維修問題等。