水下生产系统连接器及其关键技术
唐洋;张中根;易典学;刘佩松;安家伟
【摘要】水下生产系统是深水油田和边际油田开发的一种主流模式.水下生产系统连接器是水下生产系统中将海底井口、采油树系统、管汇系统及水下控制系统进行连接的装置,因而其是构建完整水下生产系统的关键装置之一.为了进一步推进水下生产系统连接器的国产化进程,在调研其国内外研究现状的基础上,对卡爪式、卡箍式以及螺栓法兰3大主要连接器的结构特点和功能原理进行了简要概述,并对其特性进行了比较分析;同时,通过分析3类连接器的典型产品,总结了相关产品技术上所具有的共性,并揭示相关技术的发展趋势;最后,结合以上分析,总结了水下生产系统连接器的定位对中、锁紧和密封等关键技术,并明确了研发的难点所在.通过对现有水下生产系统各类连接器及其关键技术进行分析,可为突破其技术难点,实现其国产化提供建议和明确方向.
【期刊名称】《西南石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2019(041)003
【总页数】9页(P160-168)
【关键词】水下生产系统;连接器;定位对中;锁紧;密封
【作者】唐洋;张中根;易典学;刘佩松;安家伟
【作者单位】西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500
【正文语种】中文
【中图分类】TE953
引言
随着中国对深水油气资源勘探步伐逐步加快，将大量进行深水水下油气集输作业。水下生产系统可以避免建造昂贵的海上采油平台，节省建设投资，且可靠性高，因此，水下生产系统结合固定式平台、浮式生产平台等设施组成的海上油田开发形式将得到广泛应用。水下生产系统的核心装备和技术被美国、挪威、巴西等国家掌握，并广泛地应用于北海、西非、巴西、爱尔兰等深水油气田，积累了大量经验。与国外相比，中国主要集中在300 m以内的浅海，水下生产系统相关装备和技术还落
后于国外先进水平[1]。
典型的水下生产系统由水下控制系统、水下采油树、水下井口、脐带缆、水下管汇以及跨接管等组成。水下生产系统连接器是实现水下设备、装置及其控制系统等过程串接的“纽扣”，是保障水下生产系统可靠性、系统性和安全性的关键结点[2]。因此，水下生产系统连接器相关技术是海洋油气资源勘探开发的一项核心技术。从20世纪60年代开始，世界各海洋大国加快了水下工程技术的研发速度，水下生
产系统连接器得到迅猛发展。国外的几大主要石油装备制造商FMC、Oil States
以及Cameron等经过多年技术攻关，已经拥有种类多样的水下生产系统连接器产品，且拥有在不同作业环境下实际运用的丰富经验，但其仅提供服务不出售产品，长期对外实行技术封锁。
中国在海洋油气开采方面起步较晚，相关生产设备长期依赖国外公司提供，耗资巨大。仅中国第一个深水气田LW3-1项目所需的水下生产系统连接器数量就超过
88套，全部由Cameron公司提供[3]。到21世纪初，随着中国加大对海洋油气
装备研发的投入，以哈尔滨工程大学、中国石油大学和中海油研究总院为代表的一批科研院所，对水下生产系统连接器开展了大量研究设计工作，并取得了一定的研究成果。但是对用于深水油气集输的水下生产系统，尤其是水下生产系统连接器，中国尚未完全掌握其核心技术，也未形成具有竞争力的核心产品。在当前中国大力发展深水油气资源勘探开发的背景下，深入了解、掌握水下生产系统连接器结构、功能和特性；梳理水下生产系统连接器关键技术及当前技术难点和问题，旨在为下一步的技术突破和国产化研究提供指导及方向。
1 水下生产系统连接器的类别及其特性
1.1 水下生产系统连接器类别
水下生产系统连接器大致可以分为3类：卡爪式连接器，卡箍式连接器以及螺栓
法兰式连接器，其各自在结构、功能、原理上有较大区别[4]。
（1）卡爪式连接器
卡爪式连接器是垂直连接和超深水连接的主要类型，其结构如图1所示。卡爪式
连接器主要通过特殊设计制造的卡爪周向均匀地抓合在管端毂座上，再由驱动环驱动其锁紧上、下毂座，在上毂座、密封圈和下毂座间形成有效密封，实现管线连接。图1 卡爪式连接器Fig.1 A collet connector
（2）卡箍式连接器
卡箍式连接器常用于水平连接，其主要由上法兰连接体和下法兰连接体两部分组成，主体部分位于上法兰连接体内，其结构如图2所示。
图2 卡箍式连接器主体部分示意图Fig.2 The main part of clamp connector schematic
卡箍式连接器主要通过锁紧螺栓提供预紧力，使卡箍爪和对接管线的凹槽啮合锁紧，从而使密封圈变形、被压入公端芯轴外表面，实现密封连接。
（3）螺栓法兰式连接器
螺栓法兰式连接器主要用于浅水连接，其结构如图3所示。螺栓法兰式连接器直
接通过锁紧螺栓提供预紧力，当用于浅水时一般由潜水员操作螺栓进行对中锁紧，但当水深超过650 m的极限潜水深度时，需通过复杂的连接系统对中连接，其深
水连接技术仅被少数石油设备供应商掌握。
图3 螺栓法兰式连接器Fig.3 A bolt flange connector
1.2 水下生产系统连接器特性分析
螺栓法兰式连接器最早用于陆地连接，标准化程度高，设计制造较易，是浅水连接的最佳选择。但对于深水连接，其对中复杂、可靠性不高等劣势逐渐凸显。卡箍式连接器借鉴了螺栓法兰式采用螺栓提供预紧力，同时采用瓣式结构和卡箍爪设计，减少螺栓的数量，使连接对中相对容易，结构更加紧凑，但其螺栓连接导致的对中困难、可靠性差的问题依然存在。
为了满足深水作业快速连接的需要，卡爪式连接器在卡箍式连接器的基础上重新设计了卡箍爪，同时采用驱动环代替锁紧螺栓，使其可靠性增加，且其多带有导向机构，对中误差容忍度高，连接速度更快。但目前卡爪式连接器卡爪结构复杂，标准化程度低是其面临的主要问题。为了下一步水下生产系统连接器的相关研究，表1对3种主要连接器的特性进行了比较分析，为其设计选型提供参考[5-9]。
表1 水下生产系统连接器特性分析Tab.1 Analysis of connector characteristics of subsea production system______类别
________________________________________________________________________________ __________________________________________优点_缺点_区别螺栓法兰式连接器（1）应用范围广，技术成熟；（2）标准化程度高，设计制造容易，成本低；（3）安
装过程可视化程度高。（1）定位对中要求精度高，安装与拆卸相对困难；（2）
螺纹易松动，可靠性差；（3）深水螺栓法兰式连接器体积庞大，技术复杂。螺栓直接提供轴向密封力。卡箍式连接器（1）结构紧凑，总体成本低；（2）功能多
样，适用范围广，既可用于跨接管又可用于海底电缆的连接；（3）对连接工具要求低。（1）定位对中误差忍受度低，安装效率低；（2）不易直接远程控制解锁；（3）所用螺栓少，但松动对连接器性能影响大。（1）卡箍爪和螺栓提供密封力；（2）瓣式结构。卡爪式连接器（1）对中误差容忍度高，连接快速，安装效率高；（2）可靠性高；（3）ROV 操作
____________________________________________________友好，可用安装工具多。（1）设计和加工困难，成本高；（2）结构复杂，维修更换困难；（3）水平连接易导
致卡爪松动，密封性差；_______________________________（1）无螺栓连接；（2）一般不适用于标准法兰端口连接。__________
2 水下生产系统连接器典型产品分析
目前，世界范围内拥有水下生产系统连接器成熟产品且掌握核心技术的公司主要有美国的FMC、Cameron和Oil States以及挪威的AkerSolutions等，中国尚无
相关公司。通过分析3类主要连接器的典型产品，阐述相关产品技术上具有的共性，揭示相关技术的发展趋势，为其国产化设计提供指导。
2.1 卡爪式连接器典型产品分析
在众多卡爪式连接器供应商中，FMC的技术极为先进，其代表产品KC-4型连接
器具有毂座结构简单、力矩平衡指细长、驱动环和卡爪配合良好、自锁效果好等优点。同时KC-4型连接器采用的KX透镜密封圈[10]，为FMC公司为深水连接而
设计的专用密封圈，其最高设计压力103.4 MPa，最大应用水深3 000 m。该密
封圈形状可变，制造公差和对中误差能得到有效补偿，同时其采用的密封面不同区设计，使得在主密封区损坏后提供了后备密封能力[11-12]。
除FMC公司外，卡爪式连接器典型产品还有Cameron公司的立式可回收卡爪连接器以及Oil States公司的Hydro Tech连接器，如图4、图5所示。Cameron
公司该型卡爪式连接器用途广，对中误差容忍度高，但重量大，对遥控潜水器
（Remote Operated Vehicle，ROV）的要求很高。Oil States公司的Hydro Tech连接器，可容纳7°的倾角误差，安装更为容易，同时在配套ROV全程协助下，仅30 min就可完成连接，但装置整体结构复杂，加工制造成本较高[13-14]。图4 Cameron公司立式可回收卡爪连接器Fig.4 Vertical retrievable collet connector
图5 Hydro Tech连接器Fig.5 Hydro Tech connector
通过上述典型产品分析，相关产品具有以下共性[15]：（1）密封连接效果好。国
外产品普遍采用自紧式金属密封，同时针对不同的作业环境对标准透镜密封圈进行了专用优化设计，密封效果得到较大提升。（2）对中连接速度快。国外产品普遍具有较好对中性能，这主要得益于其成熟的结构设计以及先进的ROV控制技术。2.2 卡箍式连接器典型产品分析
FMC公司是最早研制卡箍式连接器的公司之一，图6为该公司早期的一款典型卡
箍式连接器，该连接器采用两瓣式卡箍结构，采用双螺栓提供径向密封力，相比当时主流连接器大大减少了螺栓的数量，安装更快速方便。与FMC公司产品结构不同，VECTOR公司卡箍式连接器则采用三瓣式结构，如图7所示。VECTOR公司
该型连接器采用一根紧固螺栓连接，结构简单且连接迅速可靠，同时其采用的双球面密封圈，具有质量轻、密封效果好等特点[16-17]。
通过上述产品的分析可知，三瓣式卡箍结构设计由于建模容易、安装方便、受力均匀等优点，使其得到更为广泛的应用。其次，为实现快速连接，目前普遍采用一根锁紧螺栓锁紧，且对锁紧螺栓的锁紧方式均进行了不同程度的优化，使其更易操作，这是卡箍式连接器的必然发展趋势。
图6 FMC公司典型卡箍式连接器Fig.6 FMC typical clamp connector
图7 VECTOR公司典型卡箍式连接器Fig.7 VECTOR typical clamp connector 2.3 螺栓法兰式连接器典型产品分析
为了适应深水连接的需要，Acergy公司和Sonsub公司于20世纪90年代分别研发了针对深水的螺栓法兰连接系统MATIS和BRUTUS。MATIS系统和BRUTUS
系统功能上无太大区别，均能实现对孔、插入螺栓、拧紧螺母、预紧螺栓和放置密封垫圈等功能，且各功能模块均安装在一个框架内。同时深水法兰自动连接机具上均安装有浮力材料，且能通过ROV进行信息交换和动力传输，方便水下操作。上述连接器由于采用工业标准件，具有连接可靠、费用低、采购周期短等特点[16]。但是整套系统复杂，连接速度慢，对中要求高。
通过对典型产品的分析可知，相关产品具有以下共性[18]：
（1）模块化设计；
（2）工具库采用三瓣式开合结构；
（3）法兰连接螺栓采用双头螺柱；
（4）螺栓预紧采用液压螺栓拉伸器完成；
（5）机具上安装浮力材料；
（6）通过ROV和机具连接，可进行动力传递和信息交换，辅助作业。
3 水下生产系统连接器研发关键技术及难点
近年来，为了适应深水油气勘探的需要，中国在水下生产系统连接器方面的设计研究取得较大进步，形成了一系列有关水下生产系统连接器结构设计的关键技术方案。通过总结中国现有关键技术，结合国外典型产品的分析，对水下生产系统连接器结构设计难点及其发展趋势进行分析概述。
3.1 定位对中技术
连接器的精准定位对中是其实现可靠连接和锁紧的前提，以下是目前3种常见的
定位对中结构类型，如图8所示。
类型1：端面斜切弧形坡口结构，如图8a所示，连接器壳体的下端面呈弧形坡口状，和对接体的凹形坡口相配合，实现导向和对准。该结构优点：（1）结构简单；
（2）加工成本低。缺点：（1）需严格控制对接管柱下放速度；（2）存在接触死点。
类型2：喇叭敞口结构，如图8b所示，连接器壳体下端面呈喇叭敞口状，可自行旋入对接体腔体内。该结构优点：（1）导向性好；（2）结构简单。缺点：（1）壳体与下部喇叭口连接处易损坏；（2）壳体整体周向尺寸大。
类型3：内嵌导向机构，如图8c所示，在连接器壳体内嵌导向环，通过导向环下
方的锥形面进行定位对中。该结构优点：（1）连接器整体结构紧凑；（2）定位
准确可靠。缺点：（1）结构复杂；（2）导向环和壳体连接处易损坏。
图8 常见的定位对中结构类型Fig.8 The structural types of orientation and centring
除上述外，对于特殊场合常需要双重定位结构，如图9所示，该连接器采用了喇
叭敞口定位结构和榫槽结构配合双重定位，大幅提高定位的准确性，但同时也使定位对中操作难度倍增。定位对中机构要求易于操作，且对对中误差有一定补偿能力，相对而言类型1、2更符合要求，但其对中精度较低，对于特殊场合不适宜，具体运用视连接头所需对中精度而定。
图9 一种采用复合定位对中结构的连接器Fig.9 A connector using composite positioning alignment structure
3.2 锁紧技术
连接器锁紧结构的可靠性和稳定性对连接器的整体性能至关重要，尤其对于卡爪式连接器。目前卡爪式连接器的卡爪结构大致分为两种，见图10。
类型1：如图10a所示，当管线连接时，驱动环作用于卡爪外侧，驱使卡爪锁紧
对接管线；当管线脱离时，驱动环上移，卡爪解锁，然后上提连接器上端，卡爪逐渐张开，连接管线脱离。该结构优点：卡爪结构简单，配合面少；缺点：不易解锁，卡爪和对接管线易自锁。
类型2：如图10b所示，当管线连接时，驱动环作用于卡爪外侧，卡爪锁紧对接
管线；当对接管线脱离时，在驱动环上移，作用于卡爪顶端，从而使卡爪逐渐张开。该结构优点：易于锁紧和解锁；缺点：卡爪结构复杂，配合面多，加工较难。
图10 常见卡爪结构类型Fig.10 Typical claw structure
卡爪式连接器锁紧机构的设计是其设计过程中最困难的部分，直接决定着连接器能否实现其功能，在连接器锁紧机构结构设计时需要注意以下问题[19]：
（1）卡爪运动路径须唯一且无干涉；
（2）卡爪和驱动环的强度须满足要求；
（3）上下毂座间的密封须达到要求；
（4）锁紧机构包含多个动结构，各零件之间要易于装配。
3.3 二次锁紧技术
连接器处于复杂的海底环境中，二次锁紧机构的应用可有效防止连接器在偶然载荷的作用下发生松动，是其工作安全可靠的重要保障。现有二次锁紧机构分为以下两类：
类型1：弹簧预紧机构，如图11所示，预紧弹簧一端作用于驱动环上，另一端固定，连接器锁紧连接后，处于压缩状态的弹簧能防止驱动环的偶然移动。该机构优点：结构简单，无需额外操作；缺点：（1）解锁较困难；（2）弹簧易失效，可
靠性差。
图11 弹簧预紧机构Fig.11 Spring pretightening mechanism
类型2：螺栓预紧机构，如图12所示，在连接器连接后，ROV操作水平转杆，动力通过齿轮传递到垂直转杆，进而带动预紧螺栓顶紧驱动环；当管线脱离时，ROV操作垂直转杆与预紧螺栓连接，使预紧螺栓和驱动环分离。该机构优点：可
靠性高；缺点：（1）操作复杂，解锁困难；（2）各零件间配合精度要求高。
图12 螺栓预紧机构Fig.12 Bolt pretightening mechanism
二次锁紧机构的设计应用对于深水油气作业十分关键，如何同时兼顾其工作的可靠性和操作的简便性是其目前面临的主要问题。国外连接器由于ROV控制技术先进多采用类型2锁紧方式，中国由于设计水深较浅对二次锁紧要求低多采用类型1，目前而言两种方式各有优势，宜根据实际情况选用。
3.4 密封技术
水下生产系统连接器良好的密封性是其设计时的首要考虑因素。目前水下生产系统连接器普遍采用的密封方式有以下几种[20-22],如图13所示。
类型1：金属透镜垫密封，如图13a所示，透镜垫与管道接触时，初始状态为一
环线，通过施加预紧力，使得环形线接触变为环形带状接触，实现密封。该方式优点：（1）有效压力区小；（2）接触应力高，易实现高压密封；（3）透镜垫球面和锥形密封面配合，可使接触应力相对均匀的分布；（4）对中自位性好。缺点：（1）当介质温度剧变时，轴向补偿能力差，易泄漏；（2）接触面光洁度要求高，密封圈易损坏。
类型2：O型圈密封，如图13b所示，利用O型圈极好的弹性变形能力，在较小的预紧力作用便可达到较好的密封要求。该方式优点：（1）尺寸和沟槽已标准化，互换性强；（2）耐高温，使用温度范围广；（3）能自封，密封可靠性高。缺点：（1）密封比压小；（2）对中要求高。
图13 常用密封方式Fig.13 Typical sealing methods
除上述外，还有复合式密封结构，例如由金属透镜垫和O型密封圈组合形成的复
合密封，如图14所示。此种结构综合了上述两种密封方式的优点，既有较好的对中性，又具有温度补偿能力和自紧性，但其结构复杂，且对材料有更高要求。随着油气勘探走向深水，复合密封结构将得到广泛应用，其结构的标准化以及选用更合适的密封材料将是提高连接器密封性能的关键。
图14 复合密封结构Fig.14 Composite sealing structure
4 结语
从21世纪初以来，以哈尔滨工程大学为代表的一批科研单位对水下生产系统连接器进行了大量深入研究，初步实现了水下生产系统连接器主要关键技术的国产化设计。在此背景下，借鉴国外成熟产品设计思路，分析现有水下生产系统连接器及其关键技术，不断完善优化连接器结构，最终设计出成熟的水下生产系统连接器产品，是当前急需进行的工作。
（1）卡爪式连接器是目前较为理想的深水生产系统连接器类型，但其卡爪结构复杂的问题尚待解决。同时国外卡爪式连接器连接迅速的原因之一是其ROV控制技术的成熟，连接器国产化的最终应用需要有与其相关设备的国产化应用作为支撑，否则将很难获得市场。
（2）国外主要设备供应商的相关产品往往具有优异的密封性能，且能承受较高的压力和水深，这和国外新型密封材料的发展息息相关。
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科技成果——M系列深海通用水密电连接器 技术开发单位中国电子科技集团公司第二十三研究所 技术简介 国外的金属外壳系列的深水水密连接器已形成各行业领域工程化应用的稳定产业。从80年代起国内连接器生产厂家陆续从国外厂家引进了符合美军标和俄罗斯标准的系列连接器生产线，这些生产线主要以生产航空用多芯连接器为主。我国近年来研制开发的水下连接器，大多工作在500m水深，只有少数工作在1000m水深，与国外先进水平仍存在相当大的差距。水密连接器的发展趋势是朝着耐高水压、接触件高密集度、光电混合、重量轻、使用方便的方向发展。 比较我们与国外产品的差距主要还是存在于涉及的水下深度方面，以及批量生产的工艺和能力。因此，随着水下通讯、勘探系统的发展，对可深水长期使用连接器的需求将越来越大，急需在这方面进行设计、工艺技术的研制，以及加工能力的提升。本课题，立足深海大洋的开发，解决深海通用型系列连接器的国产化、工程化应用问题，增强我国的国际竞争力。为深潜器、水下机器人等深海通用设备提供稳定可靠的动力传输、信号采集及良好的水密性能。 为突破深海水密电缆接插件工程化技术，提高产品的可靠性、稳定性，形成多种不同规格水密电缆接插件产品。解决深海水密连接器设计、加工、封装、测试和验证等关键技术；形成掌握水密连接器研发关键技术、具备快速研发同类产品能力的人才梯队；建立完善的质量保证体系，建立齐套、完备、能有效指导产品研发的文件资料体系；
形成货架产品；实现多用户应用，满足产品的持续稳定供货要求。 该项目水密连接器由插头和法兰插座组成，水密插头与电缆连接后可直接暴露在海水里，插座为穿墙式一端直接接触海水，另一端则通过设备面板入舱内，经过头座的插合后完成舱内外输送信号、电源的作用。在水下工作期间必须能够保持电气性能的正常，以及机械连接的可靠。而且一旦与电缆连接的插头组件发生失效，连接器头座之间必须保证密封的可靠性，从而确保内部设备的安全性，更不能让外界高水压的海水通过连接器进入设备舱内。 该项目以理论计算与实际产品设计相结合，攻克工艺难关为重点，充分利用积累的研究成果,对各种密封结构进行研究和试验。对现有密封机理进行理论研究并进行系列试验，利用ANSOFT分析软件和Solidworks设计软件，科学高效地对连接器内部的密封结构设计进行优化和完善，建立理论模型，并进行系统分析。研制出能承受高水压作用的结构形式，完成能够在深海7000米长期使用的，5个壳体号10个典型品种的标准化水密连接器的整体设计。 技术指标 5个外壳号，芯数2至220芯； 绝缘电阻：≥5000MΩ（500V）； 接触电阻：＜0.01Ω； 耐电压：1500VAC/2300VAC； 工作水深：1000米-7000米； 机械寿命：500次；
水下井口装置 自1947年美国首次提出水下井口概念以来，水下生产技术不断发展并逐步应用于(超)深水领域。水下井口和采油树作为水下生产系统的关键设备，其深水安全作业和现场应用技术的尤为重要。水下井口和采油装备作为海底油气输送通道中的关键节点，其主要功能是有效控制来自海底井口的工作压力，保证海底油气按照设定的流速和流量输送到海底油气集输处理系统，并最终输送到采油平台及海岸线上。 海洋水下井口、采油装备仅是整个水下生产系统中的单元产品，1套水下生产系统可以包含多个水下井口、采油装备，1套水下井口和采油装备一般只对应1个海底油井。通常水下生产系统的工作流程为:安装在海床上的各个水下井口和水下采油树采出的井液通过水下管汇输送到水下管汇中心，水下管汇中心完成对各井井液的单井计量、汇集和增压，然后通过海底管线输送到浮式生产系统上进行处理和储运。水上控制系统通过水下管汇中心对水下井口进行控制、关断、注水、注气、注化学药剂以及维护作业。 一套完整的水下井口和采油装备主要由水下井口、水下采油树和中间连接器（也称水下连接器）这3种相互独立并具有不同功能的设备构成，水下井口装置与套管连接，安放在井口上部的海床上，水下采油树通过中间连接器与水下井口装置连接在一起工作。 水下井口装置通常分为2大类:一是被安装于海底的湿式井口装置;二是被安装于生产平台上的干式井口装置。井口装置总是处在采油树之下，水下井口装置安装在海床上，而平台井口装置通常安装在低于平台甲板的位置。 水下井口装置主要有分散式和集中式2种形式。分散式水下井口装置一般适合于作业海域海流流向沿深度分布比较一致并相对稳定的工况，水下井口之间可以通过柔性管线相连或与总管汇相连，也可直接与油轮连接。其优点是对井口表层套管的定位精度要求低，其不足是水下井口之间的软管和特种液压接头的成本及安装费用较高，海流方向不稳定时易使软管缠绕，造成软管和接头部位损坏，单井修井会影响其它井生产，施工安装时对海况要求高、时间长。集中式水下井口装置适用于各种海流条件，井口导向底座之间采用刚性跨接管相连成一个整体，对井口和表层套管定位精度要求高。其优点是:刚性跨接管接头成本远低于柔性软管和液压接头，只相当于软管的撼单井修井作业不影响其他井正常生产，相对独立的软管可以单独安装和回收，且移动范围小，不会发生软管的摩擦和缠绕，刚性跨接管的测量、安装和回收作业可以与其他作业同时进行，且不需要动用其他船只，能在较恶劣的海况下正常作业。 FMC公司的水下井口有UWDII和UWD15两种形式，其差别是额定压力不同UWDII 的额定压力为70 MPa，UWD15的额定压力较高，为105MPa目前UWD15使用最普遍，这一系统仅需4种工具就可以安装。 水下井口装置主要包括套管、套管头、井口套、套管悬挂器和密封总成等。套管和套管头通过焊接或通过套管短节搭接。水下井口装置由多层套管按照一定的连接方式组成，最外层套管通常为φ762mm(30英寸)套管头，其主要功能是承受内层各套管的重力、防止反转(设计有各种槽口)、承受套管柱载荷（设计有台阶)以及密封口等。井口套为水下井口装置的主体，通常φ476mm井口套为水下井口套的标准尺寸，不仅能够用卡箍或圆形销与己有的井口连接器配合，而且其底部预留的对接焊口可与用户需要的加厚壁厚相匹配。另外，井口套中间部位设计有开口锁定环、防反转锁销和底部反馈环等，用于套管头的可靠锁定，防止井口套与φ762 mm(30英寸)套管头相对转动及钻井液返回等。套管悬挂器用于悬挂内层各套管，其尺寸比较多。其中φ340、244和178mm，3种尺寸套管悬挂器使用最普遍。密封总成用于封闭套管与套管之间的环空，其结构有金属对金属密封及橡胶环形密封等多种形式。
FPSO发展及关键技术初探 一、FPSO概述及市场分析 FPSO（Floating Production Storage and Offloading）浮式生产储油卸油船，它兼有生产、储油和卸油功能，油气生产装置系统复杂程度和价格远远高出同吨位油船，FPSO装置作为海洋油气开发系统的组成部分，一般与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整的生产系统，是目前海洋工程船舶中的高技术产品。
FPSO是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原 油产品的储存和运输，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地。与其他形式石油生产平台相比，FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大，以及可转移、重复使用的优点，广泛适合于远离海 岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，目前，已成为海上油气田开发的主流生产方式。 FPSO始于20世纪70年代中期。它具有两个特点：一是体型庞大，船体一般从5～30万吨，一艘30万吨的FPSO甲板面积相当于3个足球场。二是功能较多，FPSO集合了各种油田设施，对油气水实施分离处理和原油储存，故被称为"海上工厂"、"油田心脏"。FPSO主要由船体、负责油气生产处理的上部模块和水下单点系泊系统三部分组成，一般适用于20～2000米不同水深和各种环境的海况，通过固定式单点或悬链式单点系泊系统固定在海上，可随风、浪和水流的作用进行360度全方位的自由旋转，规避风浪带来的破坏力。 近几年来FPSO规模急剧扩大，根据Fearnley Offshore的统计，以FPSO开始生产的时间为准，2006年全球新增现役FPSO数量10艘，其中8艘改装FPSO；2007年新增15艘（9艘改装FPSO）；2008年新增13艘（9艘改装）；2009年新增FPSO26艘（21艘改装FPSO）。根据MUSTANG的统计，截至2010年8月，FPSO现役数量为186艘，其中，新建FPSO数量占36%，改造FPSO数量占比为64%。在接下来的两年内还将有20艘FPSO投入使用。从地区分布来看，至2010年统计的FPSO中，现在正在服役生产的FPSO，分布较多的国家有巴西、中国、英国、澳大利亚、尼日利亚、安哥拉等国，在其范围内运营的FPSO数量分别为37、17、17、16、15、14艘。在未来的订单中，主要集中于巴西、中国、尼日利亚和安哥拉等国。
水下生产系统连接器及其关键技术 唐洋;张中根;易典学;刘佩松;安家伟 【摘要】水下生产系统是深水油田和边际油田开发的一种主流模式.水下生产系统连接器是水下生产系统中将海底井口、采油树系统、管汇系统及水下控制系统进行连接的装置,因而其是构建完整水下生产系统的关键装置之一.为了进一步推进水下生产系统连接器的国产化进程,在调研其国内外研究现状的基础上,对卡爪式、卡箍式以及螺栓法兰3大主要连接器的结构特点和功能原理进行了简要概述,并对其特性进行了比较分析;同时,通过分析3类连接器的典型产品,总结了相关产品技术上所具有的共性,并揭示相关技术的发展趋势;最后,结合以上分析,总结了水下生产系统连接器的定位对中、锁紧和密封等关键技术,并明确了研发的难点所在.通过对现有水下生产系统各类连接器及其关键技术进行分析,可为突破其技术难点,实现其国产化提供建议和明确方向. 【期刊名称】《西南石油大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2019(041)003 【总页数】9页(P160-168) 【关键词】水下生产系统;连接器;定位对中;锁紧;密封 【作者】唐洋;张中根;易典学;刘佩松;安家伟 【作者单位】西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500
【正文语种】中文 【中图分类】TE953 引言 随着中国对深水油气资源勘探步伐逐步加快，将大量进行深水水下油气集输作业。水下生产系统可以避免建造昂贵的海上采油平台，节省建设投资，且可靠性高，因此，水下生产系统结合固定式平台、浮式生产平台等设施组成的海上油田开发形式将得到广泛应用。水下生产系统的核心装备和技术被美国、挪威、巴西等国家掌握，并广泛地应用于北海、西非、巴西、爱尔兰等深水油气田，积累了大量经验。与国外相比，中国主要集中在300 m以内的浅海，水下生产系统相关装备和技术还落 后于国外先进水平[1]。 典型的水下生产系统由水下控制系统、水下采油树、水下井口、脐带缆、水下管汇以及跨接管等组成。水下生产系统连接器是实现水下设备、装置及其控制系统等过程串接的“纽扣”，是保障水下生产系统可靠性、系统性和安全性的关键结点[2]。因此，水下生产系统连接器相关技术是海洋油气资源勘探开发的一项核心技术。从20世纪60年代开始，世界各海洋大国加快了水下工程技术的研发速度，水下生 产系统连接器得到迅猛发展。国外的几大主要石油装备制造商FMC、Oil States 以及Cameron等经过多年技术攻关，已经拥有种类多样的水下生产系统连接器产品，且拥有在不同作业环境下实际运用的丰富经验，但其仅提供服务不出售产品，长期对外实行技术封锁。 中国在海洋油气开采方面起步较晚，相关生产设备长期依赖国外公司提供，耗资巨大。仅中国第一个深水气田LW3-1项目所需的水下生产系统连接器数量就超过 88套，全部由Cameron公司提供[3]。到21世纪初，随着中国加大对海洋油气
ｌ水下采油系统介绍 水下采油系统是将全部或部分油气集输装备置于海底的水下生产系统。该系统主要包括：水下采油树、水下底盘、水下管汇、跨接管、海洋立管、脐带缆等设备。水下采油系统的出现，解决了在深水中使用固定式平台而使成本急剧上升的问题；水下采油系统多与浮式生产系统配合工作。在水下系统中，井口头和采油树都在海底；因此，水下生产系统就不会像在水上的生产系统（如刚性平台）那样受到海面风浪流和水深的影响。但另一方面，水下生产系统不能直接进行操作，操控也必须通过脐带缆远程控制，持续地操作显然比平台式生产系统复杂得多。水下生产系统的费用基本上随水深变化而变化，而刚性平台的费用是随着水深的增加而增加的；因此，对于深水区域，多趋向于使用水下生产系统。图ｌ为简单的水下采油系统，该系统的工作原理为：油气从水下井口上的采油树采出，经海底管线送到水下管汇进行计量、收集、初步处理，再通过海洋立管输送，然后被运往岸上做进一步处理。 １．１水下采油树 采油树最初被称为十字树、ｘ型树或者圣诞树。它是位于通向油井顶端开口处的一个组件，它包括用来测量和维修的阀门、安全系统和一系列监视器械。它连接了来自井下的生产管道和出油管；同时，作为油井顶端￣ｕＪ，ｔ－部环境隔绝开的重要屏障。采油树还包括：许多可以用来调节或阻止所产原油蒸汽、天然气和液体从井内涌出的阀门；采油树是通过海底管线连接到生产管汇系统的。水下采油树的诞生使低成本地开发深水油气田成为可能。 １．２水下管汇 水下管汇主要用来分配、控制管理石油和天然气的流动。水下管汇安装在海底井群之间，主要是将数口油井的油气集巾起来，再通过一条输油管线混合油流，送到最近的采油平台或岸上基地做进一步处理，它可以减少海底管线的长度（见图３）。管汇终端包括一些大型的结构（如：水下加工系统）都属于水下管汇；因此，水下管汇类型有许多种。 水下管汇和油井在结构上是完全独立的，油井和出油管道通过跨接管与管汇相连。水下管汇由管汇、管汇支撑结构、基础结构和保护盖三部分组成。 １管汇。管汇由管线、阀门、控制模块、流动仪表等组成。管汇中心的管线
深水水下生产技术发展现状与展望 李清平;朱海山;李新仲 【摘要】水下生产系统经历了由潜没式水下井口、半干半湿式水下井口到湿式水下井口的发展历程,形成水下井口、水下采油树、水下管汇、水下远程控制系统等在内的功能配套的水下生产系统.截至2014年年底,已有约6400口井采用水下完井、320多个水下油气田运行在世界各大海域,水下生产技术已成为深水油气田开发的核心技术.自1996年我国南海流花11-1油田国内第一次应用水下生产技术进行油气田开发以来,相继建成了陆丰22-1、惠州32-5/26-1N、崖城13-4、荔湾3-1等10个水下油气田,并实现水下管端件等设施国产化.本文简要回顾了国内外水下生产技术的研究进展,提出了我国深水水下生产技术的发展思路. 【期刊名称】《中国工程科学》 【年(卷),期】2016(018)002 【总页数】9页(P76-84) 【关键词】水下井口;水下生产系统;国产化 【作者】李清平;朱海山;李新仲 【作者单位】中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028 【正文语种】中文 【中图分类】F426
DOI 10.15302/J-SSCAE-2016.02.011 水下生产技术是经济高效开发边际油田、深海油田的关键技术之一。随着海上油气田开发深度的不断增加，该项技术以其显著的技术优势、可观的经济效益得到各石油公司的广泛关注。自1947年美国第一次提出水下井口的概念以来，随着各种新技术的应用，水下生产系统经历了由浅海→中深水域（100～500 m）→深水（500～1 500 m）→超深水（1 500～3 000 m）、由有潜水作业→无潜水作业的不断发展和完善的过程。20世纪50年代以“水下干式舱”技术为核心，60年代早期湿式无潜水员多井口系统得到发展，1975年位于英国北海、水深75 m的阿格油田采用一艘半潜式生产平台（SEMI–FPS）和水下生产系统进行开发，意味着水下生产技术由单纯的水下完井系统向水下油气生产系统的转变。 进入20世纪80年代后，水下关键设备如海底丛式井口，干式、湿式采油树，多井管汇，海底计量装置等得到开发，水下增压、水下油气处理等创新技术逐步进入现场试验和工业化应用阶段，水下遥控作业机器人作业水深达4 000 m[1]，水下油气田开发模式日益丰富，应用水深、水下油气田回接距离的记录快速刷新。截至2014年年底，全世界已有500多个油气田应用水下技术，水下完井数达6 400多口[1]，从水深几米到数千米、从海上大型油气田到边际油气田，从北海、墨西哥湾到巴西乃至我国南海东部海域都有许多成功的案例。当前应用水下生产系统开发的油气田水深记录为墨西哥湾Peidido项目，最大水深2 943 m；同时应用全水下生产系统开发油气田并通过143 km的海底多相输送管道直接回接到陆上终端已在挪威斯诺黑气田成为现实[1]。水下生产系统正在成为经济高效地开发深水油气田和海上边际油气田的重要技术手段之一。 我国海洋石油总公司自成立之初，就十分重视及时掌握国外海洋石油开发的各项新技术的应用成果。随着海洋石油开发的目标由渤海等浅水海域转向东海、特别是南海的中深水域，水下生产技术应用的重要性日益显现。1996年我国通过对外合作
水下生产设施紧固件防腐技术 钱思成 【摘要】The method of sacriifcial anodes combined with protective coating is commonly used for the corrosion control of offshore steel structures. However, the fasteners such as bolt, articulated and locking parts may not be protected by sacriifcial anodes because of the larger connection resistance. And the fasteners may be easily corrosive by crevice corrosion and the coating may be easily destroyed by operation or installation. Aimed at the above problem, this article brief introduced and contrasted several corrosion control method for the fasteners and provide a recommended corrosion control coating.%目前针对海水浸没环境下的钢结构防腐主要采用牺牲阳极和防腐涂层联合保护的防腐方案，但对于很多水下生产设施上的螺栓螺母、铰接机构、锁定机构等紧固件来说，通常采用机械连接方式，与主结构之间的电阻较大，牺牲阳极无法对其进行很好的阴极保护作用，且这些紧固件之间和紧固件与主结构之间多存在一定空隙，极易发生缝隙腐蚀，同时由于紧固件的安装过程需要与施工工具进行硬接触，常规涂层又很容易破损，导致涂层的防腐效果降低。本文主要针对上述紧固件防腐可能出现的问题，对水下生产设施上的紧固件防腐方法进行分析和比较，并最终给出推荐的紧固件防腐方案。 【期刊名称】《全面腐蚀控制》 【年(卷),期】2016(030)006 【总页数】4页(P10-13)
连接器生产工艺流程 连接器是一种用于连接和传递信号或电力的设备，广泛应用于电子设备、通信系统、汽车电子等领域。连接器的生产工艺流程主要包括模具制造、注塑、插针生产、组装和测试等环节。 首先是模具制造。连接器的生产需要根据设计图纸制作模具。模具主要是用来制造连接器外壳的铸造工具，一般采用金属材料（如铝合金）制作。制模的过程包括设计、车铣刨、电火花腐蚀、钳工和磨削等工序。模具制造的质量决定了最终连接器的外观和尺寸精度。 注塑是连接器生产的关键环节之一。注塑工艺是将熔融的塑料材料注入到模具中，通过冷却凝固成型，制作连接器外壳和部件。注塑工艺流程主要包括材料配比、塑料熔化和注塑成型等步骤。注塑机具有恒温控制和压力调节等功能，确保塑料材料的质量和产品的稳定性。 插针生产是连接器生产的重要环节之一。插针是连接器的核心组成部分，用于传输信号或电力。插针生产需要选用合适的材料（如铜、磷青铜）并进行切削、冲压和抛光等加工工艺。插针生产的工艺流程主要包括材料选型、冲压成型、热处理和抛光等步骤，确保插针的尺寸精度和表面光洁度。 组装是连接器生产的关键环节之一。组装工艺主要包括连接器外壳安装、导线连接和焊接等步骤。组装过程中需要严格按照工艺要求进行操作，确保连接器的内部结构和电气性能符合设计要求。
最后是测试。测试是连接器生产的最后环节，用来检测连接器的质量和性能。测试工艺主要包括外观检查、电阻测试、接触力测试、耐压测试和防水性能测试等。测试的目的是确保连接器的可靠性和稳定性，提高连接器的质量和可信度。 总之，连接器的生产工艺流程涉及模具制造、注塑、插针生产、组装和测试等环节。通过科学的工艺流程和严格的质量控制，可以生产出高质量和可靠性能的连接器产品。
水下插拔式电连接器设计及接触体分析 刘培林;贾鹏;苏锋;王刚;黄长兴 【摘要】水下插拔连接器在水下设备中起到关键性的连接作用,最重要的是其具有即时通断的功能,大大提高了设备系统的机动性、安全性和适应性.通过分析水下插拔式电连接器的工作原理和结构组成,针对电连接器的关键部分接触体进行力学模型建立及分析,确定接触压力与接触弹片结构参数之间的函数关系式,并对接触弹片强度校核,同时利用UG与ANSYS Workbench联合仿真对接触体的插合与分离过程进行数值模拟,分析不同结构参数对接触弹片应力的影响,为高可靠性的电连接器接触件的设计提供方法和依据. 【期刊名称】《机械工程师》 【年(卷),期】2018(000)012 【总页数】8页(P62-68,73) 【关键词】电连接器;接触体;接触特性;数值模拟 【作者】刘培林;贾鹏;苏锋;王刚;黄长兴 【作者单位】海洋石油工程股份有限公司,天津300451;哈尔滨工程大学机电工程学院,哈尔滨150001;海洋石油工程股份有限公司,天津300451;哈尔滨工程大学机电工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学机电工程学院,哈尔滨150001 【正文语种】中文 【中图分类】TH137
0 引言 作为深海油气开发的关键技术，水下生产控制系统对整个水下生产至关重要，而安装在水下采油树上的水下控制模块（SCM）相当于水下生产控制系统的“大脑”，它控制和监测水下生产设备[1-5]。水下电连接器作为连接水下控制模块和水下设 备的中间桥梁，安装在水下对接盘上，连接上下盘，作为信号以及电能传输的媒介，在水下生产系统中越来越受到重视。水下插拔连接器与传统水密连接器存在很大差异，无论是在机理原理、结构设计以及工作性能上，都与传统水密连接器有着较大的改变。其中电连接器内部采用多对接触件实现连接功能，且任何一对出现接触失效影响整个系统的可靠性[6]。 本文根据海洋工作环境对电连接器的基本功能和性能指标要求，对其整体结构进行设计，然后设计了电连接器的动密封结构、插合分离次序结构和压力补偿结构，并对接触体进行了数值模拟和分析。 因为全电式水下生产系统需要克服恶劣的水下环境并长时间工作，所以作为全电式水下生产系统的重要连接器件，电连接器在保证完备功能的前提下，同时还应当满足水下生产系统的各项功能要求以满足水下生产装备的高可靠性要求。因此，针对水下复杂环境研制的动密封水下插拔式电连接器所必要功能要求如下： 1）密封要求。水下插拔式电连接器工作在海洋深水环境中，为了防止海水进入电连接器内部对电针部分造成腐蚀破坏，既要考虑电连接器对海水的密封，又要考虑对压力补偿装置绝缘油液的密封，还要考虑密封件的安装便捷性。2）抗腐蚀要求。水下插拔式电连接器直接暴露在海水中，为保证其能够承受海水的腐蚀性，选择抗腐蚀或者已经受过防腐处理的材料，在设计时留有必要腐蚀余量。3）压力补偿要求。水下插拔式电连接器工作在500 m水深海底，存在压力平衡的问题。当电连 接器在水下进行插拔时，必须保证其能够安全可靠地配合或分离，为了补偿接触部
南海深水FPSO单点系泊系统设计关键技术研究 李达;白雪平;王文祥;易丛;李刚;贾鲁生;李书兆 【摘要】从我国南海环境条件出发,确定了适合深水FPSO的系泊系统方案和锚桩基础形式,基于流花油田群的物流输送、供电、控制需求,提出了符合油田和海域实际的转塔结构技术思路,设计了复杂的管缆系统,并开展了系泊系统和立管系统的干涉影响分析.研究表明,在南海400m左右的水深,聚酯缆系泊系统在经济性上并无明显的优势,且可能带来更复杂的操作维护,选择水中钢缆方案对于400 m左右水深更为经济;吸力锚是可以较好适应南海深水区域的锚基础形式,应逐步积累并完全掌握深水吸力锚设计和海上安装技术能力;深水与常规浅水的立管设计有很大不同,表现在构型复杂、潜在干涉问题较为突出,须予以重点关注;南海深水单点系泊系统的上部结构更为复杂,且对单点系泊系统投资具有决定作用,如何选择适宜的单点系泊系统,需要逐步完善技术储备.本文研究成果对于我国南海深水油气田开发技术研究具有一定的借鉴意义. 【期刊名称】《中国海上油气》 【年(卷),期】2018(030)004 【总页数】7页(P196-202) 【关键词】南海;深水区;FPSO;单点系泊;系统设计;关键技术;流花油田群 【作者】李达;白雪平;王文祥;易丛;李刚;贾鲁生;李书兆 【作者单位】中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院
有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028;中海油研究总院有限责任公司北京 100028【正文语种】中文 【中图分类】P742 随着南海深水油气田的勘探和开发，原浅水油气田开发工程模式受到了挑战。对不便依托的油田开发，FPSO作为油气水处理、储存和外输中心是必要的开发工程设施。相比浅水海域的FPSO，深水FPSO呈现不同的技术特点。通常在超过300 m水深的海域建立导管架平台的难度非常大，建设深水浮式生产平台成本又较为 高昂，采用水下生产系统开采，并直接回接到FPSO是一种普遍的油田开发模式。这种开发模式在巴西和西非深水海域应用最为普遍，我国南海流花16-2／20-2／21-2油田群也是采用这一开发模式（图1）。 图1 流花油田群总体开发示意图Fig.1 General layout of Liuhua oilfields 流花16-2／20-2／21-2油田群位于我国南海珠江口盆地，油田群作业水深为388～434 m，FPSO位置水深为420 m，油田群预计在2020—2022年分批投产。该油田群3个油田的水下生产系统回接到一艘15万吨级FPSO进行开发，所有井口物流都需要通过单点再传输到FPSO上处理、储存和外输，通过单点传输 电力向新建的水下井口提供动力，通过单点传输信号控制水下生产系统和注入化学药剂。 流花16-2油田新建8口井的水下生产系统，新建FPSO与水下生产系统之间布置有2条直径254.0 mm海底管道、3条海底电缆和1条脐带缆。流花20-2油田新建2个5口井的水下生产系统，新建FPSO与水下生产系统之间布置有2条直径355.6 mm海底管道、3条海底电缆和1条脐带缆。流花21-2油田新建8口井的
深水油气井测试海底控制系统及其关键设备 深水油气井测试海底控制系统是指利用海底设备对沉积在海底的油气井进行控制和监 控的系统。该系统包括海底控制单元、控制泵、液压连接器、海底着陆头等设备，通过这 些设备可以实现对井口的控制和监控。海底控制系统的主要功能包括控制井口阀门的开关、调节井口的流量、检测井口的压力和温度、监控井口的状态等。深水油气井测试海底控制 系统的设计和运行要求严格，一旦出现问题可能造成油气泄漏、井口火灾等严重事故。 1. 海底控制单元 海底控制单元是深水油气井测试海底控制系统的核心设备，其作用是对井口进行远程 控制和监控。海底控制单元通常由控制系统、电源系统、通信系统和监控系统组成。控制 系统可以对井口阀门、流量控制器、压力调节器等设备进行远程操作，电源系统为海底控 制单元提供电力，通信系统用于与地面控制中心进行通讯，监控系统可以实时监测井口的 状态和参数。海底控制单元通常采用双机热备份设计，以提高稳定性和可靠性。在设计海 底控制单元时，需要考虑海水对设备的侵蚀、高压高温环境下设备的耐久性以及设备的维 护和维修难度等因素。 2. 控制泵 控制泵是深水油气井测试海底控制系统中的另一个重要设备，其作用是为井口提供液 压动力。控制泵通常由液压泵、液压马达、阀门等组成，可以提供高压高流液压力，以满 足井口阀门等设备的远程控制和操作。在设计控制泵时，需要考虑其工作环境的复杂性和 海水对设备的侵蚀等因素，选择高性能的材料和密封件，以保证设备的稳定和可靠性。 3. 液压连接器 4. 海底着陆头 海底着陆头是深水油气井测试海底控制系统中用于连接井口设备和海底管道的关键设备，其作用是对井口设备进行固定和密封。海底着陆头通常由连接接头、密封件、阀门等 组成，需要具备良好的密封性和耐海水侵蚀特性。在设计海底着陆头时，需要考虑其操作 方式的便利性、密封性和可靠性等因素，以保证海底着陆头能够稳定连接和密封井口设 备。 1. 智能化 随着信息技术和传感技术的不断发展，深水油气井测试海底控制系统将向智能化方向 发展。未来的海底控制单元将具备自主诊断和维护功能，可以进行远程监控和故障诊断， 减少人工干预，提高设备的稳定性和可靠性。 2. 高效化
渤海水下生产系统方案选择、防护方案 的设计与安装 摘要：根据目前已探明储量，渤海敏感区存在大量的油气资源，因为不能建设水上导管架设施，导致数以亿计的油气资源难以开采，为了盘活渤海敏感区的油气资源，经济安全的实现油气资源的开采，保障国家石油安全，亟待对泥面上的水下生产系统的方案选择、防护方案的设计原则，方案比选及安装方案展开研究，本文针对渤海敏感区的开发项目展开研究，得到适用于渤海敏感区的开发模式，保障防护设施的设计及安装的经济性，促进敏感区油气资源的开发。 关键词：渤海敏感区、水下生产系统、开发方案、防护设施、安装方案 中图分类号：U661.43 文献标识码：A Design and installation of protection scheme for production system of Bohai mud surface under water DONG De-long, TANG Pi-xin,YANG xu,LI shu-zhao,HOU guang-xin (CNOOC Research Institute, Engineering research and Design Institute, Beijing 100029) Abstract: According to the proved reserves, there are a large number of oil and gas resources in the sensitive area of Bohai Sea. Because of the inability to build the jacket facilities on water, it is difficult to exploit hundreds of millions of oil and gas resources. In order to revitalize the oil and gas resources in the sensitive area of Bohai Sea, realize the exploitation of oil and gas resources economically and safely, and ensure the national oil security, it is urgent to design and implement the protection scheme of the underwater
水下生产系统 第一章：水下生产系统发展概述 1、从浅水走向深水 原因 ▪对能源需求的增长 ▪陆上及浅水资源开发已经到达成熟期，并开始减少。 ▪高油价，降低开发成本 ▪深水技术的快速发展（深水钻井技术、水下增压和分离技术等） 水深、环境条件、油气田位置和油气输送成本等综合因素决定了油田的开发方案 为何采用水下生产系统？ ▪能将井口布置在现有平台有效钻井范围以外的地方； ▪高油价，降低开发成本； ▪深水技术的快速发展（深水钻井技术、水下增压和分离技术等） 2、水下生产系统组成 立管和海管、水下采油树、水下增压系统、水下分离系统、回注系统、水下管汇、跨接管、管道终端、连接器 3、我国水下生产系统发展展望 1)国外规范和成熟经验是重要参考资料 2)但由于中国南海海域的特殊条件（台风频繁、较强的内波流作用、复杂海底 地形、油田离岸距离远等），相关的技术不可能完全照搬，必须针对南海的独特海况与离岸距离，做出创新性的研究与设计。 3)采油树结构复杂，涉及机械、力学、密封、材料、控制、安全、钻井、海洋 工程等学科。一旦具备了水下采油树的设计、制造、安装和测试能力，就可以设计制造其他水下产品，突破国外技术封锁，自主开发深水油气田。 第二章：立管系统 立管主要功能 ➢生产立管:将流体从地底油藏传输到海面浮式设施 ➢注入立管:回注气体或液体到地底油藏 ➢外输立管:将处理过的油气传输到陆上或穿梭油轮 ➢钻井立管:钻井工具通道
立管类型 从本身的特点可分为钢悬链线立管（SCR）、顶部张紧立管（TTR）、柔性立管（FR）、混合立管（HR） 深水立管的主要挑战： ➢立管系统的费用对水深非常敏感； ➢立管系统的安装费用对水深也非常敏感； ➢安装时需要具有足够能力的特殊安装船舶； ➢对于焊接和检验质量的要求高； ➢在立管设计中的主要考虑因素为重量和疲劳寿命。 立管的组装 ➢柔性立管和脐带缆通过陆上组装而成； ➢SCR通过立管安装船舶焊接作业线组装而成； ➢TTR通过连接法兰或连接接头组装而成。 SCR容易发生破坏的部位 顶部柔性接头和底部触地点 TTR顶部张紧系统形式 浮筒式和张紧器式 FR优点 ➢无VIV ➢连接和解脱方便 ➢疲劳寿命长 ➢管线在海底覆盖面积小 ➢可重复利用 ➢抗腐蚀性能好 FR类型 UN-BONDED PIPE 和BONDED PIPE 混合立管特性 ➢经济有效 ➢具有独立的浮筒 ➢对浮式平台的负载小 ➢紧凑构型–占地面积小 ➢在有限的空间内能容纳多根立管 ➢消除了单独垂直立管的相互影响 ➢无管土相互作用影响 立管设计考虑因素
基于故障树的水下连接器可靠性分析 佚名 【期刊名称】《中国船检》 【年(卷),期】2015(000)012 【总页数】3页(P85-87) 【正文语种】中文 随着深海石油的开发，水下生产系统（包括水下采油树、水下管汇、水下连接器等生产工具）在海洋石油开发中将得到越来越广泛的应用。水下连接器作为水下生产系统中的一个重要设备，其功能为实现水下生产设施之间的安全、可靠连接。如水下采油树与跨接管，水下管汇与跨接管，跨接管与PLET之间的连接。水下连接器长期置于海底，受到各种载荷和环境因素的作用。由于水下连接器的更换需要专门的船只，更换费用非常昂贵，应尽量避免在工作寿命内出现置换。因为其长期受海底环境及载荷作用，因此对水下连接器的可靠性分析是一个必须的过程。 常用的可靠性分析方法有FMEA、故障树法、马尔可夫法等。国内外学者利用这 些方法对水下生产系统的可靠性及故障分析开展了很多研究工作。史建东和弓大为以H-4型水下连接器现场使用中出现的故障现象为例，通过对H-4型水下连接器的结构原理进行分析，寻找连接器在现场使用时发生脱不开的故障的原因，并提出了预防的措施。赵红等人采用FMEA法分析了影响深水防喷器控制系统可靠性的 潜在危险因素以及薄弱环节。Frank利用可靠性分析工具来提高水下系统的可靠性，采用FMECA法分析执行机构，采用故障树法分析控制阀，采用可靠性框图法分析
液压动力单元。Lee等人采用可靠性框图的方法对水下生产系统进行定量分析。薛鲁宁等人采用马尔可夫法对水下防喷器的可靠性进行研究。Caroline等人基于 API RP 17N分析水下生产系统的可靠性和可用性来改善项目的整体设计。 本文在分析水下连接器失效模式及失效原因的基础上采用故障树法对水下连接器驱动环的可靠性进行定性分析。寻找影响水下连接器驱动环可靠性的关键因素，为其设计和使用提供参考依据。 水下连接器驱动环故障树模型的建立 在事故定性与定量分析方法方面，故障树分析（FTA），是一种公认的推导事故与引导因素间关系，同时能进行定性与定量分析的评估技术。FTA具有可在事故未 发生前加以评量事故发生的可能性，以改善和提高安全性的优点。过去30年来，FTA在国外经历广泛的应用而证明其实用性甚高。根据以下步骤建立水下连接器 驱动环的故障树模型： 1）广泛收集并分析系统及其故障的有关资料。包括系统的设计资料、试验资料、使用维护资料、用户信息等。深入了解、熟悉，同时调查分析对象以往发生过的事故及事故类型。水下生产系统设备的可靠性数据，可通过查阅相关的数据库和手册得到，如OREDA。 2）选择顶事件。顶事件的选取，根据分析目的的不同，分别选取对系统技术性能、经济性、可靠性和安全性影响显著的故障事件。本文选择驱动环失效为顶事件。3）建造故障树。故障树是一种特殊的倒立树状因果关系逻辑图。用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各事件之间的因果关系。对于复杂系统，建树时应按照系统层次逐级展开，利用故障树专用的事件和逻辑门符号将故障树事件之间逻辑推理关系表达出来。逻辑门的输入事件是输出事件的“因”，逻辑门的输出事件是输入事件的“果”。因此，建立水下连接器驱动环的故障树模型如图1所示。 图1 水下连接器驱动环故障树模型
水下生产系统测试技术综述 梁稷;姚宝恒;曲有杰;段立志;石锦坤 【摘要】Subsea production system plays the most important role in the deep sea oilfield. Thus, the tests on it are espelially important. Making reasonable testing requirements and excellent testing methods are essential to ensure the test results can reach the testing target. This paper compares the testing technologies of subsea production systems in China and oversea by referring to the standards and codes. It also briefly introduces the testing purposes, major testing contents, testing methods and requirements of existing test methods including factory acceptance test, system integration test, site acceptance test, commissioning, etc. The present work helps to have a better understanding of testing technology for subsea production system.%水下生产系统是深水油田最为核心的组成部分,其测试工作尤其重要,制定合理的测试要求和测试方法是确保测试工作能够达到预期测试目的的基本条件.通过对比国内外水下生产系统测试技术水平的差距,参照现行的技术标准,并借鉴国外现有的测试技术,分别介绍了单元测试(SUT)、工厂接收测试(FAT)、系统集成测试(SIT)、现场接收测试(SRT)以及调试(commissioning)等水下生产系统测试环节的测试目的、主要测试内容以及测试方法和要求,有助于深入理解水下生产系统测试技术. 【期刊名称】《中国测试》 【年(卷),期】2012(038)001 【总页数】3页(P38-40)
水下跨接管制造测试国产化关键技术及展望∗ 郭兴伟;肖德明;肖易萍;刘继颖;石艳芳 【摘要】水下跨接管作为构建完整水下生产系统必不可缺的重要部分，通常可用于水下采油树、水下管汇类(CM/PLEM/ILM)、管线终端(PLET)、立管基座和输油管线等之间的连接，在水下生产系统中有着极为广泛的应用。水下跨接管根据其管线材料可分为刚性跨接管和柔性跨接管。通过对各类跨接管特点的介绍以及水下刚性跨接管制造测试关键技术的论述，分析了水下跨接管国产化的现状，对推进我国水下跨接管、水下连接器的国产化进程有一定的借鉴意义。%Subsea flowline jumper is as an important part to establishing a whole subsea production system,and usually used as a connection between subsea trees,manifolds(CM/PLEM/ILM),PLETs,Risers and pipelines etc.It has a very wide range of application in the subsea production system.According to the pipeline material of jumper,it includes rigid jumper and flexible jumper.Based on the introduction of classification and characteristics of the jumper and discussion of the key technologies for manufacturing and testing of rigid jumper,analyze the localization situation and prospect of jumper, which has some reference to promote localization of subsea jumper and connector. 【期刊名称】《新技术新工艺》 【年(卷),期】2015(000)010 【总页数】4页(P43-46)