水下生产系统研究现状和发展趋势

近几十年来，水下生产系统因其具有巨大的潜力而越来越引起操作者和业主的注意。在水下分离和水下气体压缩技术方面，随着水下增压泵送技术的成功应用，大量科技研发工作也随之开展起来。这表明在未来几年里水下生产技术将成为最重要的研究领域。阐明了水下生产技术的优点以及具备技术和经济可行性的水下生产技术；在此基础上，着重论述了水下分离系统的应用。

2000m超深水水下分离器泄漏油气扩散特性研究

深水水下分离器服役过程中由于腐蚀、地质灾害和环境高压作用,存在失效泄漏风险。针对2 000 m超深水水下分离器可能存在的失效泄漏问题,基于计算流体动力学CFD方法,建立分离器失效泄漏后果数值仿真分析模型,对分离器泄漏场景进行模拟与分析,研究2 000 m水深条件下分离器泄漏油气扩散规律,并考虑不同泄漏位置对油气扩散行为的影响。结果表明:水下分离器泄漏包括压力扩散和自由扩散两个阶段,压力扩散阶段历时极短,自由扩散阶段耗时较长;泄漏口位置对泄漏结果有较为明显的影响,分离器上部泄漏,油气全部溢出,分离器中下部泄漏,大部分油气保留于分离器内部,最终形成分明的油气水界面;分离器内部压力随时间迅速上升,t=0.25 s左右接近于20MPa,后期在20 MPa左右呈极微小波动,泄漏速率随分离器内部压力增大迅速减小,达到最低点之后,呈微小波动状变化。

海洋油气水下处理系统研究现状和发展趋势

介绍了当今世界上已经投入使用或正在试验开发的油气水下处理技术,包括水下多相混输技术、水下海水分离技术、水下气体分离技术及水下多相分离技术,阐述了水下处理系统的种类和应用现状。在深入分析海洋油气田不同开发时期水下处理系统开发模式的基础上,总结了多相混输系统、海水分离回注系统和油气水三相分离系统等3种典型的水下处理系统设计开发流程。最后对国内海洋油气水下处理系统的研究开发提出了建议。

基于分析设计直接法的水下分离器结构总体塑性变形校核

借助欧盟压力容器标准EN13445-3分析设计直接法,研究水下分离器结构总体塑性变形,建立水下分离器数值模型,采用高压试验的方法对数值模型计算精度进行分析。结果表明:建立的水下分离器数值模型计算结果与试验结果平均误差不超过5%,具有较高的计算精度;水下分离器结构整体塑性能够通过校核,且具有一定的安全余量。

青岛小净距海底隧道爆破振动响应研究

介绍青岛胶州湾海底隧道的工程概况和邻近隧道爆破控制的研究现状。由位于断层破碎带f3-1中的典型断面ZK5+607的几何参数和地质资料构建三维尺寸为215m×86.1m×60m的数值计算模型,对后行隧道上台阶掏槽眼的爆破效应进行分析。采用国际上常用的计算模式模拟爆破荷载,根据FLAC3D动态计算的特点,将爆破荷载以等效应力的方式加载于模拟炮孔之上。以控制点振速峰值和塑性区体积为标准对施工方案进行优选,分析认为施工中应尽量减小各掌子面纵向间距、严格控制掘进进尺和装药不耦合系数、施作中空孔。用优选的方案进行研究并得出结论:爆破施工对海底隧道岩石覆盖层的影响范围在15m之内;施工洞和服务洞的围岩振动影响较大,且爆破工作面前方的爆破振动强度大于后方,在其影响范围内应注意加强监控量测并推迟二次衬砌的施作;施工洞拱部、先行洞迎爆面边墙是爆破振速峰值最大的部位,施工洞拱部出现了应力集中现象和拉应力区,施工中应加强支护。

深水分离器结构非线性屈曲分析

建立了深水分离器结构的实体数值模型,分析了分离器结构的多阶屈曲模态,并在此基础上,引入材料非线性本构关系和几何大变形理论,深入研究了结构非线性屈曲特性,其结果可为深水分离器结构设计和校核提供参考。

模块化水下多相分离系统实验平台建设

深海水下多相分离系统的开发应用是提高海洋油气勘探开发效率的有效举措。为促进我国水下分离系统优化和创新性研究,该文对传统油水分离装置进行模块化升级,建立了多相分离系统综合实验教学平台。该系统包含多种分离器,且能对各分离器的内部构件进行合理选取,模块化设计灵活多变,可根据生产实际优化组合分离器,并实现数值模拟及可视化实验。该系统可培养学生自主设计和科研创新能力,对生产实际具有较强的指导意义。

海洋油气开发中的水下生产系统(二)——海底处理技术

对油气井产出物进行海底处理是研制开发水下生产系统的核心问题,而海底多相流的增压泵送和分离则是海底处理技术中的基石。螺旋-轴流式和双螺杆式多相泵是2种最主要的海底多相流泵,目前至少有3家公司的产品达到了商业化运行阶段。与海底处理技术密切相关的气-液分离技术主要包括G—SepTM紧凑型旋流脱气器、垂直环空分离和泵送系统、超音速气-液分离器等,液-液分离技术则在常规重力沉降分离的基础上出现了静电聚结强化型重力沉降分离和管式分离器。我国应尽快围绕海底油-水分离技术所涉及的一些实质性问题开展相关研究。

超深水水下分离器嵌入式接管马鞍形焊缝应力集中系数分布规律研究

针对超深水水下分离器接管焊缝应力集中问题,考虑深水高外压载荷工况,引入子模型技术,提出了嵌入式接管焊接结构分析方法,基于路径映射技术研究了水下分离器样机马鞍形焊缝焊趾处的应力集中系数分布规律,并分析了切割孔半径、焊趾倾角和焊趾过渡圆弧半径等3个几何参数对马鞍形焊缝焊趾应力集中系数分布的影响,结果表明:水下分离器样机不同接管焊趾应力集中系数分布不同,接管位置对焊趾应力集中系数分布没有影响;切割孔半径决定焊趾应力集中系数分布形式,减小焊趾倾角,增加焊趾过渡圆弧半径能够改善焊趾处的应力集中,但焊趾过渡圆弧半径作用有限。以所研究的水下分离器样机为对象,设计了高压舱实验,制定了测点贴片方案,捕捉到了接管焊趾处应力集中系数分布特征点,而且数值分析结果与实验结果吻合较好,表明本文构建的数值模型具有较高精度,可为嵌入式接管结构设计提供参考。

水下生产系统发展现状和研究热点

针对传统海上生产平台存在建设周期长、成本高和抵抗灾害能力弱等问题,水下生产系统逐渐成为深水油气资源开发的主流模式。本文总结了水下生产系统的发展历程及其国内外发展现状,归纳了全液压式、电液复合式和全电式水下生产系统的特点,包括其工作原理及组成部分的变化,总结了其优点和不足。讨论了目前的研究热点,含有水下分离技术、水下电力输送技术和水下多相增压技术等。研究表明:电液复合式水下生产系统应用最为广泛,而全电式水下生产系统成为未来的发展趋势。

超深水水下分离器摆锤法下放风险分析

针对我国摆锤法下放安装风险分析研究空白的现状,基于工作安全分析与作业条件危险性评估法对水下分离器下放过程进行风险分析,考虑重力、海流力、浮力、阻力等多种复杂载荷,依据摆锤法下放步骤,分析水下分离器摆锤法下放过程受力情况,建立水下分离器下放过程受力关系。分析摆动过程中缆绳动张力随下放深度变化情况,为风险分析提出的有关水下分离器所受浮力、安装绳的动张力等参数的确定提供理论依据。最终建立水下分离器摆锤法下放风险评估体系,为我国摆锤安装法的工程应用提供技术支持与安全保障。

世界石油工业海底油气水分离技术现状与展望

采用海底油水分离系统不仅能够减轻立管压力、降低举升动力消耗、解决高含水问题,而且能降低井口背压、进而可以提高采收率。目前世界海底油气水分离技术主要有举升分离、常规重力分离、卧式重力分离、静电聚结强化型重力分离、管式分离、气-液旋流分离和超音速气-液分离技术等。在参考大量文献的基础上,重点介绍了这些分离技术原理和设备,以及各种技术设备在海洋石油上的应用实例。根据这些油气水分离技术在各个油田的应用情况,总结出目前海底油气水分离技术存在的问题,并展望其未来的发展趋势,为中国海洋石油的水下生产技术提供支持。

2000m超深水水下分离器承压结构强度分析

以2 000 m超深水卧式重力分离器承压结构为研究对象,依据分离器危险工况建立了参数化精细模型,探讨了分离器强度校核方法。在静力分析确定分离器局部危险位置的基础上,在危险位置对总体应力进行分析并参照压力容器相关标准的相应限制对各当量应力进行校核,计算了分离器的结构强度;分析了手孔壁厚、接管壁厚及支座形式等结构因素对分离器整体强度的影响。分析结果表明,增大手孔及接管厚度将会减小手孔及接管处应力,但对分离器其余部分应力基本无影响;当支座采用倾斜支撑形式时会产生巨大应力导致支座破坏,但塑性流动基本不会影响筒体应力场,支座形式对筒体强度基本无影响,设计分离器支座时应优先选用竖直支撑形式。

基于极限承载能力分析的超深水水下分离器承压结构壁厚设计方法

基于结构极限承载能力分析法,以3 000 m超深水重力式水下分离器为研究对象,根据ASMEVIII-I基本公式计算结构初始壁厚,借助有限元软件建立了超深水水下分离器整体模型,开展了基于5%最大主应变准则的极限承载能力校核和双非线性稳定性极限承载能力校核,并在此基础上提出递归循环算法优化壁厚,最终构建了超深水水下分离器承压结构壁厚设计方法。根据最优壁厚制造了超深水水下分离器试验样机,开展了高压舱压溃试验,结果表明:本文所建立的超深水水下分离器整体模型具有较高精度,塑性极限分析和稳定性分析结果与试验结果的相对误差分别为13.11%、8.80%;本文所构建的超深水水下分离器承压结构壁厚设计方法充分利用了材料的极限承载能力,在保证结构高耐压和高可靠性的基础上,相比弹性应力分类法提高承载能力44.4%,并有效减小设计壁厚达20%。

陵水17-2气田深水水下生产系统工程设计关键技术

陵水17-2气田位于琼东南盆地深水陆坡区,其水下生产系统设计面临大高差、大跨距、海底低温等带来的井位分散、远距离油气水多相混输系统中水合物防控、液塞控制、水下远程通信和供电以及安全运行等挑战。本文通过对7口探井转开发井的可行性分析,确定了气田的井位布置方案,并确定了水下4井式从式双管管汇的水下生产系统应用模式;开展了从油藏-井筒-水下井口-海管的流动安全保障分析,确定了海管及立管的最大气速,使海管及立管的内径比常规设计小了一个等级,并基于不同抑制剂浓度下水合物生产相平衡曲线,制定了水合物的防控策略;通过对深水远程通信及供电分析,论证了采用电力载波通信和常规低压交流供电方式的可行性;针对深水长距离回接立管中存在较多可燃物可能导致事故升级的问题,提出了将水下隔离阀位置设置在平台浮箱上,降低了事故风险及工程投资;此外还探索了应对气田开发后期井口产水量高问题的水下气液分离与增压技术。本文相关成果为陵水17-2气田的成功开发提供了技术支持,也为推动深水水下生产系统的工程应用和技术的深入研究、助力中国深水油气田自主开发提供了参考。

海上油气田水下生产系统的应用与发展

海洋油气开发中的水下生产系统以其适用性强、效率高、经济性能好等诸多优势,成为适用于深水或超深水油气开发的关键技术之一。此文在阐述水下生产系统发展历程的基础上,介绍了世界范围内典型的水下生产系统,分析了实施水下生产系统存在的部分问题,对我国水下生产系统的发展提出建议,旨在推动我国自主研发水下生产系统的进程。

微流体技术在深水油气开发气液分离中的应用

在深水油气田开发过程中,CO2含量是估测天然气质量的重要参数,需用传感器对其进行测量;然而,天然气还包含有水和油等其他的成分,即需要在多相混合的情况下确定CO2的浓度。而传统的测量方法无法保证测量结果的实时性;因此,设计了特殊的微流体通道系统,可使其利用微流体管道的表面张力效应对气相和液相进行分离。CO2对红外光的吸收可被用于在线测量,可采用光学传感器对分离后的CO2浓度进行检测。

深水多相分离技术研究进展

近年来,深水多相分离技术及相应的紧凑型分离设备得到了快速发展。分析了深水多相分离技术发展所面临的关键问题;详细介绍了目前国外实际投入运营的7套水下分离系统,并阐述了重力式分离器、GLCC分离器、VASPS分离器及管式分离器的结构及工作原理。针对我国深水多相分离技术现状提出了相关建议。

深水油田水下处理技术装置及发展趋势

进入21世纪深水油田勘探开发逐渐成为热点,我国深水开发起步较晚,在技术和装备上与国际石油巨头相比存在很大差距。深水油田开发中的前沿技术——水下处理技术具有可增加产量、改善水下管输流动状态、消除上部设施处理量瓶颈、减少投资、安全环保等优势,水下处理现包括气液分离、油水分离、水下工厂等技术与装置,指出建立水下工厂综合处理系统将是未来的发展方向。

超深水水下分离器承压性能数值分析与试验研究

以中国自主设计制造的2 000 m超深水水下分离器为研究对象,基于图算法和一致缺陷模态法分析分离器样机极限承载能力;建立包含嵌入式接管子模型的水下分离器精细数值模型,研究马鞍形焊缝应力分布规律;设计高压舱试验验证水下分离器样机的物理承压能力,并对比分析高压舱试验数据和数值计算结果。研究表明:水下分离器样机失稳模式为塑性失稳,下放工况应该主要评估其结构强度;接管马鞍形焊缝的鞍点和冠点以及N1接管焊缝的角度φ为45°和135°位置为应力特征点;试验样机在高压舱试验过程中整体应力水平处于线弹性变形阶段,能够满足2 000 m水深的承压强度要求,模拟结果和试验结果吻合较好。