海上油氣田井口設(shè)備設(shè)計(jì)分析

張羽臣, 馬成龍, 龔 寧

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司， 天津 300452)

?

海上油氣田井口設(shè)備設(shè)計(jì)分析

張羽臣, 馬成龍, 龔 寧

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司， 天津 300452)

該文從海上油氣田井產(chǎn)物流的提升、輸送、處理，以及流程的控制、安全保護(hù)等需求出發(fā)，結(jié)合海洋工況的特點(diǎn)，以工藝、儀控、配管等專(zhuān)業(yè)作為切入點(diǎn)，說(shuō)明了油氣田地面工程設(shè)施如何從設(shè)計(jì)角度滿(mǎn)足鉆完井及生產(chǎn)需求，并結(jié)合已投產(chǎn)油氣田生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)階段提出建議，從而更好地滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求。

井口設(shè)備；井口控制；海上油氣田

0 引言

在海上油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，井口設(shè)備上承地質(zhì)油藏、鉆采等專(zhuān)業(yè)，把海上油氣資源從地下幾千米深層開(kāi)采出來(lái)；下接地面工程專(zhuān)業(yè)，將井產(chǎn)物流輸送至工藝流程進(jìn)行分離、換熱等處理，處于油田開(kāi)發(fā)的核心樞紐地位，其重要性不言而喻。如果由于井口設(shè)施故障造成停產(chǎn)，將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，受制于海洋環(huán)境下油氣開(kāi)采的行業(yè)特殊性，空間狹小、設(shè)施復(fù)雜，一旦出現(xiàn)安全事故，現(xiàn)場(chǎng)救援、人員撤離、善后處理等工作都很困難。隨著近年來(lái)人們對(duì)海洋環(huán)境、生態(tài)、污染等問(wèn)題的重視，這就對(duì)海上油氣田開(kāi)發(fā)提出了更高的要求，井口設(shè)施必須保證人員安全、作業(yè)安全、設(shè)施安全。

在地層能量不足的油田，一般通過(guò)電潛泵將井產(chǎn)物流舉升至井口，再經(jīng)過(guò)管匯進(jìn)入工藝處理流程，進(jìn)行必要的分離、換熱等處理后，外輸至浮式生產(chǎn)裝置或陸上原油終端。在生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證安全性和可靠性，通過(guò)井口控制盤(pán)設(shè)備對(duì)井上井下安全閥進(jìn)行控制，使其根據(jù)需求執(zhí)行開(kāi)啟和關(guān)閉操作。關(guān)井的時(shí)候，為了防止井筒結(jié)蠟及凝固，需要通過(guò)壓井作業(yè)進(jìn)行防凝處理，同時(shí)，為了降低井筒結(jié)垢、析蠟等風(fēng)險(xiǎn)，需要往井筒內(nèi)注入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)藥劑。以下從設(shè)計(jì)角度針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行具體分析，進(jìn)一步闡明井口設(shè)備的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)思路。

1 設(shè)計(jì)原則確認(rèn)

作為海洋平臺(tái)上油氣處理流程的重要設(shè)施，井口設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮各方面的需求和制約，以完備、全面的整體設(shè)計(jì)理念來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。主要從以下幾個(gè)方面考慮：

1.1 滿(mǎn)足國(guó)家法律和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家法律法規(guī)對(duì)井口設(shè)備的要求主要體現(xiàn)在環(huán)境、安全、健康等方面的強(qiáng)制性規(guī)定，在進(jìn)行井口設(shè)備設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要滿(mǎn)足國(guó)家及油田所在地地方政府的各級(jí)環(huán)境法規(guī)、安全法規(guī)。隨著近年來(lái)社會(huì)各界對(duì)環(huán)保和安全工作越來(lái)越重視，在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中也給予這些方面更多的關(guān)注，如進(jìn)行完備的地質(zhì)溢油風(fēng)險(xiǎn)分析，按照法律法規(guī)的要求制定并執(zhí)行水處理流程的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)等[1]。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是指井口設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該遵守的國(guó)際通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在流程保護(hù)、參數(shù)確認(rèn)、控制方式實(shí)現(xiàn)、管線及設(shè)備布置、計(jì)量設(shè)備選型、腐蝕余量確認(rèn)等方面，遵循API(美國(guó)石油學(xué)會(huì))、NEC(國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì))、ASME(美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì))、ANSI(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì))等規(guī)范的要求。

1.2 功能完備

井口設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足井產(chǎn)物流從采油樹(shù)至外輸設(shè)施的整個(gè)流程的處理需求，包括油水井物流輸送、注水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、壓力保護(hù)、管匯設(shè)計(jì)、壓井設(shè)計(jì)、化學(xué)藥劑注入、井口控制盤(pán)設(shè)計(jì)等，滿(mǎn)足工藝處理、總體布置、系統(tǒng)控制等方面的需求。

1.3 安全可靠

為保證平臺(tái)生產(chǎn)的安全性，井口設(shè)備設(shè)計(jì)選型過(guò)程中必須充分考慮設(shè)備原理和形式以適應(yīng)海洋工況，在材料選擇上滿(mǎn)足流程及環(huán)境腐蝕需求，如根據(jù)工藝流程流量、溫度、壓力、壓降等需求選擇匹配的測(cè)量設(shè)施，根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性選擇合適的管線、閥門(mén)、儀表的材質(zhì)。同時(shí)，在流程設(shè)計(jì)中采用過(guò)程控制系統(tǒng)和安全泄放設(shè)施作為流程控制的兩級(jí)保護(hù)，設(shè)置緊急關(guān)斷系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)作為應(yīng)急設(shè)施處理突發(fā)工況，并配備必要的消防設(shè)施[2]。

1.4 結(jié)構(gòu)緊湊

由于平臺(tái)空間狹小，設(shè)施布置復(fù)雜，在平臺(tái)管線和設(shè)備布置過(guò)程中，需全面考慮操作維護(hù)、人員逃生等方面的需求，合理布置平臺(tái)設(shè)施，做到簡(jiǎn)單、可靠、便捷、美觀[3]。

2 井口設(shè)備設(shè)計(jì)分析

2.1 工藝流程設(shè)計(jì)

對(duì)井口平臺(tái)生產(chǎn)井而言，井產(chǎn)物流通過(guò)油管被電潛泵舉升到井口，從采油樹(shù)油嘴流出后就正式進(jìn)入地面處理流程。來(lái)自單井的物流經(jīng)生產(chǎn)、測(cè)試管匯收集與分流，注入必要的化學(xué)藥劑后，有序地進(jìn)入下游流程，經(jīng)過(guò)計(jì)量設(shè)備(多相流量計(jì)，測(cè)試分離器)、換熱設(shè)備(加熱器或冷卻器)，由海管或棧橋管道輸送至中心處理平臺(tái)。井口平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)有全壓設(shè)計(jì)和非全壓設(shè)計(jì)兩種方式。如采用全壓設(shè)計(jì)，則從井口物流至平臺(tái)外輸?shù)恼麄€(gè)處理流程的設(shè)計(jì)壓力均需按照關(guān)井壓力設(shè)計(jì)；如采用非全壓設(shè)計(jì)，在管匯后設(shè)置關(guān)斷閥，關(guān)斷閥之后的流程不必承受設(shè)計(jì)壓力，可以適當(dāng)降低設(shè)備成本，但需在管路上設(shè)置安全閥，需考慮極端工況下流程壓力泄放將對(duì)整個(gè)火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模產(chǎn)生影響。

油田注水水源一般采用中心處理平臺(tái)處理合格后的生產(chǎn)水，注入防垢劑、殺菌劑后，進(jìn)入注水管匯進(jìn)行分流，分別注入各個(gè)注水井。每口井均需設(shè)置專(zhuān)用的注水流量計(jì)，測(cè)量單井注水量。當(dāng)注水水量不足時(shí)，需在井口平臺(tái)上打水源井補(bǔ)充水量，水源井水經(jīng)過(guò)除沙、脫氣等處理后，進(jìn)入中心平臺(tái)水處理系統(tǒng)處理合格并用于平臺(tái)注水。

為了防止井筒套壓過(guò)高而使動(dòng)液面下降，電潛泵抽空，同時(shí)也防止井控失效并危害井口安全，在油管四通出口處設(shè)置釋放管線，配置放氣閥，當(dāng)套壓達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)放氣閥起跳，將管線內(nèi)介質(zhì)排放至工藝流程，以保護(hù)井筒內(nèi)部設(shè)施。

工藝流程在生產(chǎn)/測(cè)試管匯出口，加熱器/換熱器入口，海管入口等重要設(shè)施節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置關(guān)斷閥，一旦測(cè)量?jī)x表檢測(cè)到流程溫壓等參數(shù)異常，即向控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，關(guān)斷相應(yīng)的閥門(mén)，對(duì)流程進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，在管匯、測(cè)試分離器等設(shè)施處設(shè)置安全閥，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，將流程內(nèi)積聚的壓力通過(guò)火炬系統(tǒng)釋放，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)施與人員的目的[4]。

在進(jìn)行井口區(qū)管線布置時(shí)，需遵循以下幾個(gè)原則：(1)由于管線布置往往受限于采油樹(shù)二層臺(tái)下空間，因此需對(duì)管線進(jìn)行二維平面規(guī)劃，合理做好空間分配；(2)考慮接口連接的可行性，為后續(xù)改造預(yù)留空間；(3)考慮地層結(jié)構(gòu)變化帶給采油樹(shù)的附加位移，利用管線的走向和彈簧支架等措施對(duì)采油樹(shù)位移進(jìn)行吸收；(4)井口區(qū)需為后續(xù)檢驗(yàn)、維修預(yù)留操作空間。根據(jù)上述原則考慮井口區(qū)總體設(shè)計(jì)方案，達(dá)到易于操作、便于檢修的效果。

2.2 井口控制盤(pán)設(shè)計(jì)

為了保證生產(chǎn)，設(shè)置采油樹(shù)井上安全閥、井下安全閥、套筒放氣閥等設(shè)施來(lái)保證井筒安全，通過(guò)監(jiān)測(cè)每口井的管線壓力參數(shù)，并與平臺(tái)應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，一旦確認(rèn)發(fā)生意外情況，在井口控制盤(pán)的驅(qū)動(dòng)下順序關(guān)停井口設(shè)施，達(dá)到隔離井筒危險(xiǎn)源的目的。

井口控制盤(pán)一般由公用模塊和單井模塊組成。公用模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有井的集中控制，并指示盤(pán)內(nèi)公用系統(tǒng)的狀態(tài)，向外輸出報(bào)警信息；單井模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)單井的控制和指示，并輸出單井設(shè)施(如井上安全閥，井下安全閥)的狀態(tài)和報(bào)警信息。井口管線壓力高低信號(hào)、易熔塞回路低壓信號(hào)、ESD手動(dòng)按鈕和中控系統(tǒng)的ESD信號(hào)均可觸發(fā)井口控制盤(pán)的關(guān)斷。為了使下一次開(kāi)井易于操作，要求關(guān)井時(shí)先關(guān)閉井上安全閥，再關(guān)閉井下安全閥，開(kāi)井時(shí)反之，此順序由井口控制盤(pán)內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)[5]。

2.3 壓井設(shè)計(jì)

在關(guān)井狀態(tài)下，井筒內(nèi)溫度會(huì)逐漸降低到環(huán)境及地層溫度，近井口地帶有發(fā)生凝管的可能性，因此在關(guān)井狀態(tài)下，需要采取防凝措施。常規(guī)防凝方案為擠柴油防凝，通過(guò)從井口注入柴油將油管中原油擠至凝固點(diǎn)位置以下，從而防止凝管現(xiàn)象發(fā)生。為了減少柴油用量，降低生產(chǎn)操作成本，也可使用擠生產(chǎn)水加柴油的防凝方法，關(guān)井前擠生產(chǎn)水替換井筒內(nèi)全部流體，然后將柴油擠入井下安全閥以下，保護(hù)井下安全閥。

不管采用何種防凝方式，壓井泵都必不可少，將來(lái)自柴油日用罐的柴油經(jīng)過(guò)活塞式壓井泵增壓并輸送至井口，通過(guò)管線連接至采油樹(shù)翼閥，當(dāng)執(zhí)行壓井作業(yè)時(shí)，將柴油經(jīng)過(guò)環(huán)空擠入井筒內(nèi)部。

如采用生產(chǎn)水加柴油防凝，所需的生產(chǎn)水一般引自注水系統(tǒng)。從注水系統(tǒng)上設(shè)置一路分支至井口，通過(guò)工藝流程措施將注入水處理為合格的防凝注入壓力后，再通過(guò)采油樹(shù)注入井筒。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需關(guān)注注水水溫是否和防凝需求相匹配。

2.4 化學(xué)藥劑注入設(shè)計(jì)

對(duì)于井筒而言，由于油品性質(zhì)等影響因素，可能存在結(jié)蠟風(fēng)險(xiǎn)，因此需要向井筒注入防蠟劑、清蠟劑。其注入方式為采用液控管線擠注清防蠟藥劑，將管線放置到泵吸入口處，使化學(xué)藥劑通過(guò)電泵進(jìn)入油管，利用電泵將化學(xué)藥劑與地層產(chǎn)出液均勻混合，達(dá)到防蠟的目的。

由于注水水源與地層水質(zhì)存在不一致，為了進(jìn)一步防范出垢風(fēng)險(xiǎn)，需要在油田注入水中加入防垢劑。在油田設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般在中心處理平臺(tái)水處理系統(tǒng)的斜板除油器設(shè)備的入口處加入，以保證所有處理合格的生產(chǎn)水均含有一定濃度的防垢劑，滿(mǎn)足地層注入需求。

同時(shí)，為滿(mǎn)足處理需求，保證處理效果，在主工藝流程管匯處，還會(huì)加入消泡劑、破乳劑、防腐劑、防垢劑等藥劑。

為滿(mǎn)足上述化學(xué)藥劑注入需求，在平臺(tái)上需設(shè)置化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)，包括化學(xué)藥劑罐、攪拌器、加熱器、化學(xué)藥劑泵等設(shè)施，并設(shè)置相應(yīng)的計(jì)量?jī)x表，監(jiān)測(cè)藥劑注入的流量。

3 建議

在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于鉆完井設(shè)計(jì)、采油工藝設(shè)計(jì)、地面工程設(shè)計(jì)分屬不同的部門(mén)，導(dǎo)致部分參數(shù)存在溝通不夠深入的情況，建議在后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，就以下問(wèn)題進(jìn)一步溝通確認(rèn)：

(1) 關(guān)井壓力一般由鉆完井專(zhuān)業(yè)提供，而工程專(zhuān)業(yè)如果考慮全壓設(shè)計(jì)的話，所有流程設(shè)施的設(shè)計(jì)壓力均按照此壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)，建議與鉆完井進(jìn)一步溝通關(guān)井壓力的實(shí)際值和設(shè)計(jì)余量之間的關(guān)系，兩個(gè)專(zhuān)業(yè)共同確認(rèn)經(jīng)濟(jì)合理、保障安全的關(guān)井壓力值。

(2) 由于鉆完井專(zhuān)業(yè)采油樹(shù)法蘭按照API 6A標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，而工程配管一般執(zhí)行ASME B16.5標(biāo)準(zhǔn)，建議鉆完井與工程在設(shè)計(jì)采辦過(guò)程中進(jìn)一步溝通，采用相同的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，避免實(shí)際安裝過(guò)程中出現(xiàn)法蘭不匹配的情況，重新采辦會(huì)造成極大的投資浪費(fèi)。

(3) 采油工藝專(zhuān)業(yè)為了清蠟需求，需要一定溫度的熱水注入井筒，目前一般采用移動(dòng)加熱車(chē)的形式，后期操作維護(hù)成本較高。建議工程設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中，利用平臺(tái)公用系統(tǒng)為清蠟作業(yè)提供熱水水源，降低操作成本。

各專(zhuān)業(yè)需就上述問(wèn)題充分考慮彼此的需求，最大程度的協(xié)同解決，確認(rèn)更加合理有效的工程方案，解決油田開(kāi)發(fā)進(jìn)程中的實(shí)際問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

該文從井口設(shè)施設(shè)計(jì)過(guò)程中需要具體考慮的問(wèn)題出發(fā)，介紹了海上油氣田井口設(shè)計(jì)的方法和思路。在下一步工作中，除了進(jìn)一步完善常規(guī)設(shè)計(jì)工作外，對(duì)提及的與鉆完井、采油工藝專(zhuān)業(yè)之間的技術(shù)交流應(yīng)更加深入地開(kāi)展，進(jìn)一步降低開(kāi)發(fā)成本，增強(qiáng)生產(chǎn)便利性，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)一體化提供更大支持。

[1] 全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì).中華人民共和國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法[S].2000.

[2] 中華人民共和國(guó)經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).海上固定平臺(tái)安全規(guī)則[S].2000.

[3] 孫娟，張永澤.海洋鉆機(jī)模塊井口壓力管匯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析[J].石油機(jī)械,2004,32(A1):29-31..

[4] 陸德民,張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[4] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì). 海洋石油工程電氣、儀控、通訊設(shè)計(jì)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2007.

The Design Analyze of Wellhead Equipment for Offshore Oil Field

ZHANG Yu-chen， MA Cheng-long, GONG Ning

(CNOOC China Limited, Tianjin Branch，Tianjin 300452, China)

This article from the offshore oil & gas well production lifting and transporting, processing, and process control and safety protection requirements, combined with the characteristics of the marine conditions, by process and instrument control, piping and other professional as the breakthrough point, explains the oil-gas field surface engineering facilities can meet the drilling and production requirements from the point of view of design, and combined with the emergence of the oil and gas production has been put into operation in question, puts forward suggestion on the design stage, so as to better meet the field requirements.

wellhead equipment; wellhead control; offshore oil field

2014-12-22

張羽臣(1981-)，男，工程師。

1001-4500(2015)03-0016-04

TE35

A