CN103244080A - 一种超深水浮筒式海洋油气开发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超深水浮筒式海洋油气开发系统，包括海上外输浮筒、穿梭油轮、海中浮筒及系泊立管系统，所述外输浮筒包括空气压缩机、管缆控制绞车和绞车；所述系泊立管系统包括系泊系统和立管；所述系泊系统包括海中浮筒上面的系缆和海中浮筒下面的张力腿；所述系缆上端与外输浮筒上的绞车连接，系缆下端与海中浮筒的上部连接。本发明与浮式生产储油系统相比外输浮筒没有储油及油气处理装置，体积小、重量小，所受风浪流的作用力远小于庞大的浮式生产储油系统，在百年一遇的极限海况下，不必避风撤离。

Description

一种超深水浮筒式海洋油气开发系统

技术领域

本发明涉及一种海洋油气田开发系统，特别是一种适合超深水海洋油气田的开发，属于深海油气开发领域。

背景技术

目前，世界已探明的海洋石油储量80%以上都集中在水深500m之内，然而世界海洋面积的70%以上都是3000m～6000m之间的，大量的海域面积还有待探明。此外，除世界少数海域，大部分地区的近海油气资源已经日渐枯竭，向深海发展已经成为必然趋势。

利用现有的海洋工程装备和深海油气开发技术，人类油气资源开发的极限水深在3000m～3500m之间，并且投入的开发成本巨大。另外，由于超深水海域环境条件恶劣（如台风、海啸、地震等），导致油气开采活动风险和成本剧增。随着向更深海域油气资源开采步伐的迈进，现有的装备和技术遇到如下瓶颈：

1、由于超深水海域海面风、浪、流环境条件恶劣，加上现有的浮式结构物水线面面积和受风面积过大，导致浮体运动响应巨大、作业人员舒适感较差、对系泊系统或动力定位系统提出更高的要求。

2、随着水深的不断增加，系泊系统的系缆长度和重量也急剧增加，其作用于浮式结构物上的向下拖拽力也越来越大，对浮式结构物的可变载荷提出更高的要求。

3、随着浮式结构物运动响应的急剧增大，系缆动张力随之增加。如果将聚合材料应用于系泊系统中，由于其材料和力学性能非常复杂，从而导致在动张力和疲劳分析时，不得不采用较大的安全系数。

4、现有海上浮式结构物上油水置换模块储油罐内外压差大，需考虑结构整体耐压问题，对结构强度要求高，且模块造价随水深增加不断升高。

5、现有技术要求防喷器等采油设备安装在海底，在海底的采油设备要求具有耐高压、耐低温的特点，所以对技术要求高、造价高。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明提出一种适用于超深水海洋油气开发系统，达到有益效果，并且经济、可靠。

为实现上述发明目的，本发明的超深水浮筒式海洋油气开发系统可采用如下技术方案：

一种超深水浮筒式海洋油气开发系统，包括海上外输浮筒、穿梭油轮、海中浮筒及系泊立管系统，所述外输浮筒包括空气压缩机、管缆控制绞车和绞车；所述系泊立管系统包括系泊系统和立管；所述系泊系统包括海中浮筒上面的系缆和海中浮筒下面的张力腿；所述系缆上端与外输浮筒上的绞车连接，系缆下端与海中浮筒的上部连接；所述张力腿上端与海中浮筒的下部连接，张力腿下端与海床上的锚连接，并且系缆和张力腿上都设有用电线连接到海中浮筒的控制模块的拉力传感器；所述立管包括上部隔水管和下部回接管；所述隔水管上端与外输浮筒相连，隔水管下端与安装在海中浮筒井口头上的防喷器相连；所述回接管上端通过海中浮筒浮体的隔水管通道与安装在海中浮筒的井口头相连，回接管下端与海床的水下井口装置连接。

作为优选，系缆和张力腿采用重量小、造价低的聚酯纤维材料，系缆部分系泊形式为张紧式，张力腿系泊形式为张力腿式。

作为优选，所述拉力传感器通过电线将张力值传回海中浮筒的控制模块，与预设规定值作比较，当超出张力设定范围，利用浮力调节装置，调节海中浮筒的浮力，控制系缆和张力腿的张力。

作为优选，还包括浮力调节装置，所述浮力调节装置包括空气压缩机、管缆、进气阀、排气阀、拉力传感器和灌/排水阀；所述空气压缩机安装在海上外输浮筒上，空气压缩机通过管缆将气体送至海中浮筒内，来调节海中浮筒在海中的浮力大小。

有益效果：与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、本发明与浮式生产储油系统相比外输浮筒没有储油的作用，体积小，所受风浪流的作用力远小于庞大的浮式生产储油系统，在百年一遇的极限海况下，不必避风撤离，甚至在储油能力足够的前提下，不必关井停产；再加上将储油设备放在离海平面200m～300m的地方，此处没有风的作用，浪和流也几乎为零，最大限度的降低了风、浪、流等环境因素带来的影响。

2、本发明中的浮力调节装置及海中浮筒上的控制模块，当拉力传感器检测到系缆和张力腿的张力超过预设范围，控制模块发出信号，调整海中浮筒浮力大小，从而将系缆和张力腿张力控制在合理的、缓慢变化的范围之内，避免了张力急剧增加或疲劳损伤等情况的发生，最大程度上降低了纤维系缆复杂的材料和力学性能对系泊系统带来的不利影响，所以系缆可以采用重量小、造价低的聚酯纤维。

3、本发明由于采用重量小、造价低的聚酯纤维系缆，极大降低了系泊系统对外输浮筒的拖拽力，并且海中浮筒承担了大部分立管的重量，从而降低了对于外输浮筒可变载荷的要求；与此同时，低廉的系缆和更短的系缆长度，也极大降低了系泊系统的造价，提高超深水采油系统的经济效益。

4、海中浮筒和油水置换模块内外压差相比于浮式生产储油系统更小，对装置的耐压性能、结构强度要求更低，且整体造价不会随着水深的增加而增加。

5、本发明将海底采油设施如防喷器等安装在海中浮筒上，压力降低、温度升高，相比较安装在海底降低了对采油设备的设计要求和技术难度，进而极大降低了建造、安装和维修成本，实现了浅水设备在深海勘探开发中的应用。油气处理与存储的位置在海中浮筒内，海上浮体只有一个外输浮筒，水线面小、受风面积小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1所示，本发明公开一种超深水浮筒式海洋油气开发系统，包括海上外输浮筒2、穿梭油轮30、海中浮筒9及系泊立管系统，所述外输浮筒2包括空气压缩机3、管缆控制绞车5和绞车4；所述系泊立管系统包括系泊系统和立管；所述系泊系统包括海中浮筒9上面的系缆8和海中浮筒9下面的张力腿17；所述系缆8上端与外输浮筒2上的绞车4连接，系缆8下端与海中浮筒9的上部连接；所述张力腿17上端与海中浮筒9的下部连接，张力腿17下端与海床22上的锚20连接，并且系缆8和张力腿17上都设有用电线连接到海中浮筒9的控制模块的拉力传感器；所述立管包括上部隔水管11和下部回接管18；所述隔水管11上端与外输浮筒2相连，隔水管11下端与安装在海中浮筒9井口头上的防喷器15相连；所述回接管18上端通过海中浮筒浮体的隔水管通道与安装在海中浮筒9的井口头相连，回接管18下端与海床22的水下井口装置21连接。

本实施例中，系缆8和张力腿17采用重量小、造价低的聚酯纤维材料，系缆8部分系泊形式为张紧式，张力腿17系泊形式为张力腿式。所述拉力传感器通过电线将张力值传回海中浮筒9的控制模块，与预设规定值作比较，当超出张力设定范围，利用浮力调节装置，调节海中浮筒9的浮力，控制系缆8和张力腿17的张力。还包括浮力调节装置，所述浮力调节装置包括空气压缩机3、管缆13、进气阀12、排气阀16、拉力传感器和灌/排水阀27；所述空气压缩机3安装在海上外输浮筒2上，空气压缩机3通过管缆13将气体送至海中浮筒9内，来调节海中浮筒9在海中的浮力大小。

本发明与浮式生产储油系统相比外输浮筒9没有储油和油气处理装置，体积小、重量轻，所受风、浪、流的作用力远小于庞大的浮式生产储油系统，在百年一遇的极限海况下，不必避风撤离，甚至在储油能力足够的前提下，不必关井停产；再加上将储油设备放在离海平面200m～300m的地方，此处没有风的作用，浪、流也几乎为零，最大限度的降低了风浪流等环境因素带来的影响。

本发明中的浮力调节装置及海中浮筒9上的控制模块，当拉力传感器检测到系缆8和张力腿17的张力超过预设范围，控制模块发出信号，调整海中浮筒9浮力大小，从而将系缆8和张力腿17张力控制在合理的、缓慢变化的范围之内，避免了张力急剧增加或疲劳损伤等情况的发生，最大程度上降低了纤维系缆8复杂的材料和力学性能对系泊系统的影响，所以系缆8可以采用重量小、造价低的聚酯纤维。

本发明由于采用重量小、造价低的聚酯纤维系缆，极大降低了系泊系统对外输浮筒2的拖拽力，再加上海中浮筒2的存在，承担了大部分立管的重量，从而降低了对于外输浮筒2可变载荷的要求；与此同时，低廉的系缆8和更短的系缆8长度，也极大降低了系泊系统的造价，提高超深水采油系统的经济效益。

海中浮筒9中的油水置换模块14内外压差相比于浮式生产储油系统更小，对装置的耐压性能、结构强度要求低，且整体造价不会随着水深的增加而增加。

本发明将海底采油设施如防喷器15等安装在海中浮筒9上，压力降低、温度升高，相比较安装在海底降低了对采油设备的设计要求和技术难度，进而极大降低了建造、安装和维修成本，实现了浅水设备在深海勘探开发中的应用。油气处理与存储的位置在海中浮筒9内，海上浮体只有一个外输浮筒2，水线面小、受风面积小。

为了便于说明，将电线分为第一电线7和第二电线10，将拉力传感器分为第一拉力传感器6和第二拉力传感器19。

本发明的超深水浮筒式海洋油气开发系统，海上油气从海床22进入水下井口装置21，然后通过回接管18接入到海中浮筒9中，经过油水置换模块14处理后，储存在储油模块25中，积累到一定量后通过防喷器15经过隔水管11进入外输浮筒2，最后输入到穿梭油轮30中。

所述外输浮筒2通过系缆8与海中浮筒9相连，系缆8一端与外输浮筒2的绞车4连接，另一端连接到海中浮筒9上。系缆8上安装有第一拉力传感器6，将系缆8的具体张力值通过第一电线7传给海中浮筒9的控制模块。所述张力腿17下端与海床22上的海底锚20连接，上端连接于海中浮筒9上；张力腿17上装有第二拉力传感器19，将张力腿17中的具体张力值通过第二电线10传给海中浮筒9的控制模块。

所述空气压缩机3将空气通过管缆13传到海中浮筒9中，所述管缆13一端与外输浮筒2的管缆控制绞车5连接，另一端与海中浮筒9的进气阀12连接，海中浮筒9中的空气可以通过排气阀16排出。

本发明中，控制模块与第一拉力传感器6、第二拉力传感器19配合进行工作的原理如下：

根据浮式结构物系泊系统的规范，在控制模块中设定控制程序，分别对应系缆8和张力腿17设定一个合理张力区间，其中系缆8对应最小张力为A、最大张力为B；张力腿17对应最小张力为C、最大张力为D；第一拉力传感器6传回的实时张力与A和B对比，第二拉力传感器19传回的实时张力与C和D对比。

采油或输油作业前，海中浮筒9提供的浮力与自身的重力和张力腿17的重力、回接管18的重力相抵消。此时储油模块25里面为真空，提供浮力；浮力调节模块26盛满海水。

所述储油模块25和浮力调节模块26在采油或输油作业时保持动态平衡，具体方式，如下所述：

采油过程：随着储油模块25存储的油气越来越多，海中浮筒9重力与浮力不平衡，此时第二拉力传感器19传回的张力值变小，将具体值与C和D对比；第一拉力传感器6传回的张力值增大，将具体值与A和B对比；如果第二拉力传感器19传回的实时张力值小于C，或者第一拉力传感器6传回的实时张力大于B，海中浮筒9中的控制模块发出指令，打开进气阀12，空气压缩机3通过管缆13向海中浮筒9输入空气，同时打开灌/排水阀27将浮力调节模块26中的水排出，海中浮筒9浮力增大，遏制系缆8中张力的增大和张力腿17中张力减小的趋势，使系统趋于安全稳定、达到动态平衡。

输油过程：当储油模块25油气存储到一定量时，穿梭油轮30到达油田区域，开始进行油气外输工作。此时海中浮筒9中油气不断减少，导致第二拉力传感器19传回的张力值增大，将具体值与C和D对比；第一拉力传感器6传回的张力值减小，将具体值与A和B对比；如果第一拉力传感器6传回的实时张力值小于A，或者第二拉力传感器19传回的实时张力大于D，海中浮筒9中的控制模块发出指令，海中浮筒9上的排气阀16打开、灌/排水阀27打开，排出气体灌入海水，海中浮筒9浮力减小，从而遏制系缆8中张力的减小和张力腿17中张力增大的趋势，使系统趋于安全、达到动态平衡。海中浮筒9不仅要承担储油及油气处理任务，还负责给张力腿17、回接管18提供浮力。

综上所述，本发明将储油模块25和防喷器15等设在海平面1下的200m～300m处，海平面1上只有小水线面外输浮筒2，最大程度上降低了风、浪、流等环境因素对采油系统的影响；本发明的浮力调节装置，使张力腿17和系缆8上的张力值平稳变化，从而最大程度减小了纤维系缆复杂的材料及力学性能造成的疲劳等因素对系统的影响。由此可见，本发明具有安全可靠、稳定性好、经济价值高、可操作性强等优点。

Claims (3)

1.一种超深水浮筒式海洋油气开发系统，包括海上外输浮筒（2）、穿梭油轮（30）、海中浮筒（9）及系泊立管系统，所述外输浮筒（2）包括空气压缩机（3）、管缆控制绞车（5）和绞车（4）；所述系泊立管系统包括系泊系统和立管；所述系泊系统包括海中浮筒(9)上面的系缆(8)和海中浮筒(9)下面的张力腿（17）；所述系缆（8）上端与外输浮筒（2）上的绞车（4）连接，系缆（8）下端与海中浮筒（9）的上部连接；所述张力腿（17）上端与海中浮筒（9）的下部连接，张力腿（17）下端与海床(22)上的锚（20）连接，并且系缆（8）和张力腿（17）上都设有用电线连接到海中浮筒（9）的控制模块的拉力传感器；所述立管包括上部隔水管（11）和下部回接管（18）；所述隔水管（11）上端与外输浮筒（2）相连，隔水管（11）下端与安装在海中浮筒（9）井口头上的防喷器（15）相连；所述回接管（18）上端通过海中浮筒的隔水管通道与安装在海中浮筒（9）的井口头相连，回接管（18）下端与海床（22）的水下井口装置（21）连接。

2.根据权利要求1所述的超深水浮筒式海洋油气开发系统，其特征在于：系缆（8）和张力腿（17）采用重量小、造价低的聚酯纤维材料，系缆部分系泊形式为张紧式，张力腿（17）系泊形式为张力腿式。

3.根据权利要求1所述的超深水浮筒式海洋油气开发系统，其特征在于：还包括浮力调节装置，所述浮力调节装置包括空气压缩机（3）、管缆（13）、进气阀（12）、排气阀（16）、拉力传感器和灌/排水阀（27）；所述空气压缩机（3）安装在海上外输浮筒（2）上，空气压缩机（3）通过管缆（13）将气体送至海中浮筒（9）内，来调节海中浮筒（9）在海中的浮力大小。

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