CN102434129B

CN102434129B - 一种超深水海洋油气工程开发系统

Info

Publication number: CN102434129B
Application number: CN201110439619.9A
Authority: CN
Inventors: 黄一; 甄兴伟; 张崎; 刘刚; 李红霞
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-12-24
Filing date: 2011-12-24
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2031-12-24
Also published as: CN102434129A

Abstract

本发明公开了一种超深水海洋油气工程开发系统及其安装方法，所述的系统包括水面浮式生产装置、立管支撑浮筒、水中采油设备、上部柔性跨接管、下部刚性立管以及海底井口装置；水中采油设备安装在立管支撑浮筒上；海底的油气资源通过海底井口装置、下部刚性立管、立管支撑浮筒、水中采油设备、上部柔性跨接管，最终到达水面浮式生产装置。由于本发明由立管支撑浮筒支撑水中立管及采油设备的巨大重量，减少了水面浮式生产装置所需承担的动载荷，从而降低了对水面浮式生产装置的设计要求；由于水中采油设备安装在立管支撑浮筒上，可采用中深海域的水面浮式生产装置和采油装备来进行超深海的油气开采工作，极大地降低了投资成本，方便了安装和维修。

Description

一种超深水海洋油气工程开发系统

技术领域

本发明涉及一种海洋油气开发技术，特别是一种超深水海洋油气工程开发系统及其安装方法。

背景技术

随着陆地、近海与中深海域油气资源的逐渐枯竭，为了满足人类对石油资源的巨大需求，当下深海(500～1500m)与超深海(1500m以上)油气田开发是世界石油工业的主要增长点。

目前世界上典型的深水海洋油气工程开发模式为“水面生产装置+立管系统+海底生产系统”，其中水面生产装置包括浮式结构和上部的油气处理系统。立管系统作为连接水面部分及水下生产系统的唯一结构，是海上油气田开发的重要组成部分。

目前，传统的深海油气开发水面生产装置主要有张力腿平台(TLP)、半潜式平台(SEMI-FPS)等。

在超深海巨大水深和高压的环境中，水中立管长度和重量自然急剧增加。然而，现有的主流技术将巨大的水中立管载荷由水面生产装置承担。故而随着工作水深的增加，对水面生产装置和水中立管系统的技术要求越来越高。

基于以上问题，目前TLP平台的限制工作水深为1500m左右，半潜式平台的限制工作水深在3000m左右，且这些应用于深海的传统的水面生产装置的建造成本、运营成本和维护成本高昂。

此外，传统的海上油气田开发作业需在所有设施就位后才可进行，这严重拖延了作业工期，降低生产作业效率，从而增加了油田开发的成本。

此外，超深海环境条件通常都很恶劣，除了水深的问题外，还有诸如飓风和台风的影响，传统的各类浮式生产装置均无预防台风和飓风的有效技术。

基于上述问题的存在，在超深海环境下，传统的海上油气田开发工程装备和工程模式的安全性、环保性、可行性和经济适用性均无法满足要求。

发明内容

为解决现有技术在超深海环境中遇到的上述问题，本发明要提出一种超深水海洋油气工程开发系统及其安装方法，以提升现有水面浮式生产装置的工作能力，可以安全、经济和有效地应对3000m以上水深的超深海环境的各项挑战。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种超深水海洋油气工程开发系统，包括水面浮式生产装置、立管支撑浮筒、水中采油设备、上部柔性跨接管、下部刚性立管以及海底井口装置；所述的水中采油设备安装在立管支撑浮筒上；

所述的立管支撑浮筒位于海面下H1处，通过张力缆绳系泊在海床上以约束立管支撑浮筒在水中的运动；立管支撑浮筒上部设置有井口头，井口头的下端有立管通道；下部刚性立管的上端通过立管通道连接到立管支撑浮筒上部的井口头、其下端与海底井口装置连接；立管支撑浮筒上部的管线中转装置与上部柔性跨接管的下端相连接，上部柔性跨接管的上端连接至水面的浮式生产装置；海底的油气资源通过海底井口装置、下部刚性立管、立管支撑浮筒、水中采油设备、上部柔性跨接管，最终到达水面浮式生产装置，从而进行海洋油气资源的开发工作；所述的H1为200-350m。

本发明所述的立管支撑浮筒采用中央柱结构，中央柱边缘连接三根矩形截面悬臂浮筒，它们在平面上的夹角为120°，形成辐射状，矩形截面悬臂浮筒末端采用中性浮力的桁架结构。

本发明所述的立管支撑浮筒的上部安装有三个井口头。

一种超深水海洋油气工程开发系统的安装方法，包括以下步骤：

A、预备工作

将桩基、海底井口装置安装在海床上；拖曳立管支撑浮筒到达目标海域；

B、立管支撑浮筒的安装

B1、安装驳船利用吊装缆绳将立管支撑浮筒吊入到海面下H1处；

B2、安装驳船对立管支撑浮筒进行系泊定位安装，使得张力缆绳与桩基连接；

B3、将立管支撑浮筒用三根张力缆绳系泊在位于海床的桩基上；

C、下部刚性立管的安装

C1、水面浮式生产装置运行到达海上目标作业区，水面浮式生产装置利用下入管柱完成下部刚性立管与海底井口装置的对接；

C2、水面浮式生产装置通过向立管支撑浮筒中注入氮气，上浮，完成与下部刚性立管的连接，并张紧下部刚性立管；

D、水中采油设备的安装

水中采油设备在位于立管支撑浮筒上部的导向设备的辅助下，下放安装在立管支撑浮筒上部的井口头处；

E、上部柔性跨接管连接立管支撑浮筒与水面浮式生产装置

借由水下远程控制机器人的辅助，完成上部柔性跨接管对管线中转装置的连接。

本发明步骤C1所述的下部刚性立管与海底井口装置的对接方法包括以下步骤：

C11、在立管支撑浮筒上部的井口头处安装临时导向基座，以使得下部刚性立管准确通过立管支撑浮筒上的井口头；

C12、在位于海床上的海底井口装置设置有导向喇叭口，便于下部刚性立管的下端与海底井口装置的准确对接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明由立管支撑浮筒支撑水中立管的巨大重量，减少了水面浮式生产装置所需承担的动载荷，从而降低了对水面浮式生产装置的设计要求，也就可采用中深海域的水面浮式生产装置及相关的油气开采装备来进行超深海的油气开采工作，极大地降低了投资成本。

2、本发明的立管支撑浮筒采用张力缆绳系泊在海床上，减小浮筒的运动幅度，同时保护下部刚性立管。

3、本发明的立管支撑浮筒可在水面生产设施就位前安装，可缩短安装工期，从而降低生产成本。

4、由于本发明使用上部柔性跨接管连接立管支撑浮筒与水面浮式生产装置，故对水面浮式生产装置运动引起的下部刚性立管疲劳不敏感。

5、本发明在遇到紧急危险情况时，上部柔性跨接管可与位于水中立管支撑浮筒的管线中转装置迅速断开，从而形成海面与海中设备的断开状态，提升整体油气开采系统的安全系数。

6、本发明将原本位于海床上的采油设备，安装到位于海面下200-350m的立管支撑浮筒上，从而使得相关的安装与维修作业水深由海面下3000m变为在海面下200-350m的立管支撑浮筒上的作业，故而相关技术难度与成本降低，而安全性都得到极大提升。因此本发明可适应3000米以上的海洋油气田开发。

附图说明

本发明共有附图2张，其中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的立管支撑浮筒的俯视图。

图中：2、桁架结构，3、井口头，5、采油设备，7、张力缆绳，8、桩基，10、立管支撑浮筒，11、中央柱结构，12、悬臂浮筒，15、水面浮式生产装置，16、海面，17、海床，20、上部柔性跨接管，21、远程控制机器人，22、管线中转装置，25、下部刚性立管，28、海底井口装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

如图1所示，一种超深水海洋油气工程开发系统，主要包括水面浮式生产装置15、立管支撑浮筒10、张力系泊装置、上部柔性跨接管20、下部刚性立管25，采油设备5以及海底井口装置28。

所述的采油设备5安装在立管支撑浮筒10上。

所述的立管支撑浮筒10位于水面16下H1处，以避开海面下的紊流区，使得立管支撑浮筒10几乎不受近海面处的风、浪、流影响，保持良好的在位性能。

如图1-2所示，所述的立管支撑浮筒10采用中央柱结构11和与中央柱结构11边缘连接三根矩形截面悬臂浮筒12的组合结构形式，三根矩形截面悬臂浮筒12在平面上的夹角为120°，形成辐射状，悬臂浮筒12的末端采用中性浮力的桁架结构2，使得立管支撑浮筒10在水中满足预设计浮力的情况下，来降低立管支撑浮筒10的重量，从而简化立管支撑浮筒10的建造工艺难度，降低生产成本。

如图1所示，所述的立管支撑浮筒10由三根张力缆绳7固定在位于海床17的桩基8上，从而减小立管支撑浮筒10的运动幅度，同时张力缆绳7可承受立管支撑浮筒10或海底井口压力可能给下部刚性立管25带来的过张紧力，防止下部刚性立管25被拉断。

特别地，如图1所示，立管支撑浮筒10的上部安装有三个井口头3，可以将原本位于海床17上的采油设备5安装在立管支撑浮筒10的上部，即三个井口头3上分别安装三个近海面采油设备5，这极大降低了对采油生产系统的硬件要求以及安装和维修技术难度，从而降低成本。

所述的下部刚性立管25一端连接海底井口装置28，另一端与立管支撑浮筒10连接。

所述的上部柔性跨接管20一端连接水中立管支撑浮筒10上的管线中转装置22，另一端与水面的浮式生产装置15连接。

所述的远程控制机器人21，在海面下H1处工作处待命，进行必要的监控以及辅助安装工作。

海底的油气资源最终通过海底井口装置28、下部刚性立管25、水中立管支撑浮筒10、采油设备5和上部柔性跨接管20最终到达水面浮式生产装置15，从而进行海上油气田的开发与工程运营。

A、预备工作：拖曳立管支撑浮筒10到目标海域，桩基8、海底井口装置28已提前在海床17上安装完毕；

B、在水面浮式生产装置15未到达前开始的安装工作：

1、安装驳船利用吊装缆绳将立管支撑浮筒10吊入到海面16下H1处；

2、安装驳船对立管支撑浮筒10进行系泊定位安装，使得张力缆绳7与桩基8连接；

3、立管支撑浮筒10由三根张力缆绳7系泊在位于海床17的桩基8上。

C、在水面浮式生产装置到达海上目标作业区开始的安装工作：

1、水面浮式生产装置15利用下入管柱完成下部刚性立管25与海底井口装置28的对接；

特别说明的是：(1)立管支撑浮筒10上部的井口头3处安装有临时导向基座(图中未展示)，以使得下部刚性立管25准确通过立管支撑浮筒10上的井口头3；(2)位于海床17上的海底井口装置28，设置有导向喇叭口(图中未展示)，便于下部刚性立管25的下端与海底井口装置28的准确对接。

2、水面浮式生产装置通过向立管支撑浮筒10中注入氮气，上浮，完成与下部刚性立管25的连接，并张紧下部刚性立管25；

3、采油设备5在井口头3处的临时导向基座的辅助下，下放安装在立管支撑浮筒10上部的井口头3处；

4、借由水下远程控制机器人21的辅助，完成立管支撑浮筒10上部的管线及上部柔性跨接管20对管线中转装置22的连接。

特别地，在超深水海洋油气田开发中，当台风或飓风袭来时，上部柔性跨接管20可与位于水中的立管支撑浮筒10的管线中转装置22迅速断开，从而形成海面与海中设备的断开状态，进而水面浮式生产装置15迅速避险，以防止开发油田由于遭受台风或飓风袭击而引发巨大的人员伤亡和财产损失。

Claims

1.一种超深水海洋油气工程开发系统，其特征在于：包括水面浮式生产装置（15）、立管支撑浮筒（10）、水中采油设备（5）、上部柔性跨接管（20）、下部刚性立管（25）以及海底井口装置（28）；所述的水中采油设备（5）安装在立管支撑浮筒（10）上；

所述的立管支撑浮筒（10）位于海面（16）下H1处，通过张力缆绳（7）系泊在海床（17）上以约束立管支撑浮筒（10）在水中的运动；立管支撑浮筒（10）上部设置有井口头（3），井口头（3）的下端有立管通道；下部刚性立管（25）的上端通过立管通道连接到立管支撑浮筒（10）上部的井口头（3）、其下端与海底井口装置（28）连接；立管支撑浮筒（10）上部的管线中转装置（22）与上部柔性跨接管（20）的下端相连接，上部柔性跨接管（20）的上端连接至水面的浮式生产装置；海底的油气资源通过海底井口装置（28）、下部刚性立管（25）、立管支撑浮筒（10）、水中采油设备（5）、上部柔性跨接管（20），最终到达水面浮式生产装置（15），从而进行海洋油气资源的开发工作；所述的H1为200-350m。

2.根据权利要求1所述的一种超深水海洋油气工程开发系统，其特征在于：所述的立管支撑浮筒（10）采用中央柱结构（11），中央柱边缘连接三根矩形截面悬臂浮筒（12）,它们在平面上的夹角为120°,形成辐射状，矩形截面悬臂浮筒（12）末端采用中性浮力的桁架结构（2）。