采油樹的案例
水下采油樹關鍵技術
一、發(fā)展現狀
1、國外市場格局
國際上，水下采油樹的關鍵技術和九成以上的市場被美國的FMC、Cameron、GE、挪威Aker Solutions等廠商所壟斷，水下采油樹的設計研發(fā)已經成熟。
從國外采油樹發(fā)展現狀可以看出，采油樹結構形式模塊化，控制系統(tǒng)智能化，制造一體化，測試集成化，正成為采油樹的發(fā)展趨勢。采油樹安裝工具所適合的管徑尺寸范圍在變大，即同一種安裝工具通過接頭改變下放更多部件；采油樹的結構變得更為簡單，材料耐腐蝕性變得更好，經濟性變得更優(yōu)；采油樹下放安裝工具變得更為簡單，下放安裝測試的速度變得更快；采油樹的密封性能變得更可靠，密封件的壽命變得更長，更換密封件變得更便捷；采油樹向著智能化、自主運行方向發(fā)展；采油樹可適應水深更深、介質成分更復雜的環(huán)境；采油樹能適應高溫高壓的使用工況。
2、國內市場格局
在國內，由于國外公司技術壟斷和專利保護等原因，加之水下采油樹的研究工作本身就是一個跨學科的系統(tǒng)化工程，我國在水下采油樹的產品研發(fā)方面尚處于起步階段。國內涉足水下采油樹的公司有寶雞石油機械廠、上海神開、江蘇金石、重慶前衛(wèi)及江鉆股份等公司。其中寶雞石油機械廠和上海神開都尚在樣機試驗階段，還沒有商業(yè)化的生產。
2010年，江蘇金石集團與美國Argus公司在中國市場推出了國內首個AZ-10型中心孔式水下采油樹，該水下采油樹屬于單孔立式采油樹，水下采油樹的重量不到25噸，需要5件安裝工具，整體組合簡單，體積小，可靠性、靈活性高，安裝簡捷。AZ-10水下采油樹應用于邊際油田氣田的小型井口。AZ-10型中心孔式水下采油樹的設計參數符合API 6A、17D以及NACE MR0175設計規(guī)范。
展開 采油樹詳解
采油樹概念
采油樹是自噴井和機采井等用來開采石油的井口裝置。它是油氣井最上部的控制和調節(jié)油氣生產的主要設備，采油樹由閥門、異徑接頭、油嘴及管路配件組成，是一種用于控制生產，并為鋼絲、電纜、連續(xù)油管等修井作業(yè)提供條件的裝置。
采油樹的作用
(1)連接井下各層套管，密封各層套管環(huán)形空間，承掛套管部分重量。
(2)懸掛油管及下井工具，承托井內全部油管柱的重量，密封油管、套管間的環(huán)形空間。
(3)控制和調節(jié)油井的生產。
(4)保證各項井下作業(yè)施工，便于壓井作業(yè)、起下作業(yè)等措施施工和進行測壓、清蠟等日常生產管理。
(5)錄取油壓、套壓資料。
采油樹分類
采油樹按結構形式，可分為分體式和整體式兩種。分體式是由一些閥門等獨立部件組裝而成。
△分體式采油樹
整體式是將主閥、安全閥、清蠟閥和翼閥等制成一個整體部件，閥與閥之間的距離較小，既省空間又耐高壓，特別適用于海上平臺的油氣井。
△整體式采油樹
按生產井類別和完井生產方式，可分為自噴井、電潛泵井、氣舉井、螺桿泵井和注水井、氣井的采油樹等。
△各式采油樹
單管和雙管之分
1． 單油管采油樹
單油管采油樹安裝在單油管完井的井口裝置上，除了有分體式和整體式之外,它還有單翼和雙翼之分。根據井的種類或油井生產方式的差別，可用閥門及短節(jié)組合成不同形式的單油管采油樹，而其連接方式可以是法蘭式、螺紋式或卡箍式。
△單管采油樹
2．雙油管采油樹
雙油管采油樹安裝在雙油管完井的井口裝置上，用于兩個油層同時而又獨立開采的生產控制。雙油管完井是在同—個生產套管中下入兩根平行油管柱(長油管柱和短油管柱)或兩根同心油管柱，通過雙管封隔器和單管封隔器對兩個油(或氣)層段進行分隔。
展開 深水水下采油樹下放鉆桿受力簡析
深水水下采油樹在下放安裝作業(yè)過程中，鉆桿管串上部連接在鉆井船/鉆井平臺上，下部通過采油樹下放工具連接到水下采油樹上，鉆桿管串不僅受到海流、波浪等外部環(huán)境載荷的影響和鉆井船運動的影響，還受到鉆桿管串自重和采油樹及其下放工具的較大重力載荷(經調研采油樹及其工具重約 30t-70t)，且隨著作業(yè)水深的增加，鉆桿和采油樹及工具的重力作用對下放作業(yè)的限制程度隨之增加。 深水水下采油樹下放安裝作業(yè)主要分為四個階段，如下圖 所示：一是水下采油樹通過月池后，尚未進入水中，此時下放管串僅受自身重力作用；二是采油樹入水后，經過飛濺區(qū)，下放管串受自身重力與波浪海流共同作用，由于深水水下采油樹由于尺寸(一般為 50ft×50ft×50ft 左右)較大，致使其受波浪力載荷較大，易導致采油樹傾覆；三是采油樹從下入到一定水深直至下入到井口上方(約 50ft 處)，該階段下放管串受到波浪、海流作用和自身重力作用；四是采油樹經導向安裝后坐放于水下井口上方，采油樹不僅受波浪、海流作用和自身重力作用，此時鉆井船/鉆井平臺的運動對下放管串的作用不可忽略。
力學模型建立
為便于進行鉆桿管串的力學分析，對鉆桿管串進行如下假設：
(1)鉆桿材料滿足材料的連續(xù)性、均勻性、各向同性和構件的小變形條件；
(2)同時由于鉆桿承受縱向拉載和橫向彎曲載荷，可將鉆桿管串作為梁進行處理；
(3)假設變形較小，符合小變形梁理論條件。
(4)假設平臺、鉆桿運動、波浪和海流方向都位于相同平面內。
深水水下采油樹在下放作業(yè)過程中，如下圖所示，下放管串上部固定在鉆井平臺/鉆井船上可視為固定端，下部連接水下采油樹及其下放工具懸掛在海水中可視為自由端，下放管串在海水中受海流、波浪作用和整個管串的濕重(即沒水重量)。
展開 預測性數字化雙胞胎在石油和天然氣行業(yè)中的應用：技術用例和示例
由于海底采油樹內部可能形成水合物并因而影響作業(yè)，海底采油樹通常都有隔熱設計，確保熱性能滿足設計準則并將風險降至最低。
工程師們現在可以使用計算流體力學 (CFD) 來設計和驗證海底采油樹的系統(tǒng)性能。這些仿真復雜而耗時，但卻是獲得詳細系統(tǒng)設計正確信息必不可少的。本次網絡研討會還將演示如何使用降階模型來實時預測形成水合物的風險并迅速應對危險情況。
主講人:
Rikesh Mistry
工程顧問, Norton Straw
瑞克什·米斯特里 (Rikesh Mistry) 是 Norton Straw 公司的工程顧問，工作經驗豐富，涉獵多個行業(yè)，如石油和天然氣、食品加工和電力。他利用商用計算流體力學和有限元分析代碼深刻洞察工程問題，提出了多個解決方案。他特別喜歡開發(fā)工作流和各種方法來以簡化而準確的方式從仿真建模中生成寶貴的數據，為將來的設計選擇提供信息依據。瑞克什目前正參與多個客戶的數字化雙胞胎開發(fā)和應用工作，他對數字化時代的數據和工程之間的關系抱有濃厚的興趣。
以下為視頻部分截取
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展開 
水下生產系統(tǒng)布局方式
水下井口的叢式井組合方式通常為3-8口水下井口分散地布置在中心管匯的周圍，采油樹和管匯之間通過跨接管連接。此外，叢式井管匯可以使用單根臍帶纜進行控制和藥劑分配，臍帶纜水下終端集成可以布置在叢式井管匯的周邊，也可以集成在叢井式管匯當中。管匯的井槽數越多，尺寸越大，重量越大。
3、集中式基盤：基盤是一個用于引導鉆井或其他設備的海底結構物。可支撐管匯、立管、井口、鉆井和完井設備，還有管道連接設備的結構框架。叢式井也可以通過基盤來布置，典型的集中式基盤是將幾個水下采油樹、水下管匯及臍帶纜終端集成在基盤結構當中。
4、鏈接式：鏈接式油井含有兩個或更多水下衛(wèi)星井、叢式井管匯或集中式基盤管匯，通過海底管道和臍帶纜連接在一起。通常，借助于在線三通（inline-tree）、在線管匯、跨接管、跨接纜等連接設施中，通過一根或若干根流動管線將各個獨立的水下鉆井中心鏈接在一起，形成一種鏈式或回路結構，各井口的產出物經流動管線，直接增壓或者分離后增壓，然后泵送至妝平臺。這種布局允許在中心平臺發(fā)射或者接收清管球，進行循環(huán)清管操作。但主管線內部尺寸不宜太大，否則管線的鋪設難度大、造價高。
展開 ANSYS：模塊化井口設計
WEFIC 提供全線的井口和采油樹技術
井口位于石油或天然氣井的表面，可充當懸掛點與加壓密封口，便于在油氣井生命周期的不同階段將鉆柱、套管線和生產油管下降到鉆孔中。兩種設備可連接到井口頂部，以用于控制表面壓力：即鉆井過程中的防噴器以及鉆井結束后的采油樹（用于控制井流量的閥門、配件和四通）。井口的內孔包含臺肩，其上面的套管與油管懸掛器可用于懸掛套管柱和生產油管。盡管這些臺肩可以防止套管和油管懸掛器向下移動，但還是需要一個機械裝置來抵抗向下鉆進的壓力，否則壓力會迫使套管和油管懸掛器上移，其有可能損壞井口并導致密封泄漏，從而降低保壓壓力。解決此問題的最常用方法是使用鎖緊螺釘來固定懸掛器。這種方法需要相當長的安裝時間，因為需要安裝和擰緊大量鎖緊螺釘。
新加坡 WEFIC Ocean Technologies Pte. Ltd. (WEFIC) 致力于為油田工程行業(yè)提供高科技石油設備與技術服務。該公司的模塊化井口(MW-I), 同時適用于陸上與海上應用，通過采用鎖環(huán)徑向擴展，直至安裝在井口的凹槽中，進而縮短安裝時間。借助井口、立管和防噴器操作的工具可以實施安裝。這樣可以顯著縮短安裝時間，從而降低鉆井費用。采用該公司之前的構建測試法，設計新型井口的鎖環(huán)將需要創(chuàng)建并測試2~3個原型，而每個原型大概需要兩個月的時間。工程師估計，如果采用這種方法設計鎖環(huán)大概需要六個月的時間。為了設計新井口的鎖環(huán)，該公司采用 ANSYS Mechanical 在短短10周內就完成了非常接近成品的設計，只需要在原型階段進行最終的調整即可，這樣可以顯著加快產品上市進程。
展開 仿真慢、迭代難？Altair 雙神器顛覆傳統(tǒng)工作流，讓設計效率飛起來
? 極復雜裝配
3,000+零部件的海底采油樹，兩天內完成從幾何導入到結果輸出。
? 幾何難簡化模型
點陣結構直接基于幾何計算，無需網格處理。
? 多行業(yè)落地案例
車身、底盤、塑料件、設備支架、壓力容器、起重機、消費電子機箱、航空航天機翼/無人機等，均驗證了其高精度與高效率的表現出色。
SimSolid 在底盤上的應用
SimSolid 在通用設備上的應用
SimSolid 在電子電器等行業(yè)應用
SimSolid 在航空航天無人機等應用
在快速結構分析與多輪迭代中，SimSolid 能夠顯著縮短前處理和計算時間，讓設計團隊在極短周期內驗證更多方案。而在研發(fā)流程中，除了快速驗證，還需要在同一平臺中支持更多設計探索、優(yōu)化及多工藝仿真——這正是 Inspire 所能發(fā)揮的優(yōu)勢。
3.Inspire：創(chuàng)新設計與優(yōu)化平臺
Inspire 是集成度高、對設計師友好的創(chuàng)新優(yōu)化平臺，集成多種求解器與主流優(yōu)化方法（包含拓撲優(yōu)化、點陣優(yōu)化等），能夠在設計早期生成更優(yōu)的概念方案。
其流程包括：
多體動力學分析提取載荷；
基準模型性能分析；
拓撲優(yōu)化生成輕量高效結構；
PolyNURBS 包覆生成可制造幾何；
性能復核與工藝仿真（如 3D 打印）。
Inspire 在優(yōu)化過程中可加入制造約束，避免生成無法落地的設計；一鍵高質量幾何包覆功能讓優(yōu)化結果可直接進入生產環(huán)節(jié)。此外，其增材制造模塊集成了點陣結構建模、參數化控制、結構/流體性能驗證，以及金屬粉末床熔融、粘結劑燒結等工藝仿真，能在打印前預測變形與缺陷。
展開 行業(yè)熱點丨一分鐘出結果！讓創(chuàng)新設計飛起來
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點陣結構直接基于幾何計算，無需網格處理。
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在快速結構分析與多輪迭代中，SimSolid 能夠顯著縮短前處理和計算時間，讓設計團隊在極短周期內驗證更多方案。而在研發(fā)流程中，除了快速驗證，還需要在同一平臺中支持更多設計探索、優(yōu)化及多工藝仿真——這正是 Inspire 所能發(fā)揮的優(yōu)勢。
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其流程包括：
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拓撲優(yōu)化生成輕量高效結構；
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Inspire 在優(yōu)化過程中可加入制造約束，避免生成無法落地的設計；一鍵高質量幾何包覆功能讓優(yōu)化結果可直接進入生產環(huán)節(jié)。此外，其增材制造模塊集成了點陣結構建模、參數化控制、結構/流體性能驗證，以及金屬粉末床熔融、粘結劑燒結等工藝仿真，能在打印前預測變形與缺陷。
展開 海工裝備制造進入大國行列 創(chuàng)新點燃新引擎
對此，司志強表示，由于我國海工配套企業(yè)自主創(chuàng)新能力較弱，產品可靠性無法達到要求，因此關鍵配套設備或是無法生產或者一直不被船東認可，能夠滿足深海和超深海作業(yè)需要，且具有較高附加值的關鍵配套部件基本被國外供應商壟斷，如水下采油樹、DP定位系統(tǒng)、鉆井包等。
太重濱海海工裝備分公司總經理孫文進也認為，全球海洋工程裝備市場已經形成了"歐美設計、亞洲制造"的格局，國內企業(yè)在自主研發(fā)、設計等關鍵領域仍處于落后位置，國內企業(yè)尚未進入到海工裝備產業(yè)鏈的上游位置。此外，營銷理念不足，缺乏整體競爭實力等，都是我們在海工裝備制造方面的"軟肋"。
整合行業(yè)資源實現海工產業(yè)全面升級
事實上，我國海工裝備制造行業(yè)，要想在全球市場中真正實現主導甚至引領，需要在國家的系統(tǒng)部署下，整合行業(yè)資源，增強系統(tǒng)性、基礎性、關鍵共性工程技術的創(chuàng)新。
"為在新一輪海工科技創(chuàng)新中心搶占先機，全行業(yè)要依托國家政策，協同海工全部資源，將我國海工產業(yè)從價值鏈低端向價值鏈高端進行全面轉型升級和跨越式發(fā)展。"趙志堅說，針對海工創(chuàng)新方面，2015年工業(yè)和信息化部等各部委聯合印發(fā)《制造業(yè)創(chuàng)新中心建設工程實施指南（2016-2020年）》和《關于完善制造業(yè)創(chuàng)新體系，推進制造業(yè)創(chuàng)新中心建設的指導意見》、《制造業(yè)創(chuàng)新中心建設工程實施指南（2016-2020年）》等文件，推動組織實施制造業(yè)創(chuàng)新中心建設工程，并將海洋工程作為22個國家級創(chuàng)新中心全面啟動。
而趙志堅提到此類創(chuàng)新中心就在不久前變?yōu)榱爽F實。2018年9月20日，上海海洋工程裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心（以下簡稱創(chuàng)新中心）成立。
據記者了解，上海海洋工程裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心是集聚了我國海洋工程領域從設計研發(fā)、總裝制造、關鍵配套、核心用戶、專業(yè)院校、行業(yè)服務機構等全產業(yè)鏈的骨干成員單位。
展開 石油勘探開發(fā)全流程
1、原油生產流道
油層—近井地帶—射孔彈道—井眼內部—人工舉升裝置—油管—井口—采油樹—地面管線—計量站—油氣分離器—輸油管網
2、常用的采油方法
1）自噴采油法：
利用油層本身的彈性能量使地層原油噴到地面的方法稱為自噴采油法。自噴采油主要依靠溶解在原油中的氣體隨壓力的降低分享出來而發(fā)生的膨脹。在整個生產系統(tǒng)中，原油依靠油層所提供的壓能克服重力及流動阻力自行流動，不需要人為補充能量，因此自噴采油是最簡單、最方便、最經濟的采油方法。
2）人工舉升
人為地向油井井底增補能量，將油藏中的石油舉升至井口的方法是人工舉升采油法。隨著采出石油總量的不斷增加，油層壓力日益降低；注水開發(fā)的油田，油井產水百分比逐漸增大，使流體的比重增加，這兩種情況都使油井自噴能力逐步減弱。為提高產量，需采取人工舉升法采油（又稱機械采油），是油田開采的主要方式，特別在油田開發(fā)后期，有泵抽采油法和氣舉采油法兩種。在陸地油田常用抽油機，海上多用電潛泵，像一些出砂井或稠油井多用螺桿泵，此外常用的還有射流泵、氣舉、柱塞泵等等；
3、油氣井增產工藝
油氣井增產工藝是提高油井（包括氣井）生產能力和注水井吸水能力的技術措施，常用的有水力壓裂及酸化處理法，此外還有井下爆炸、溶劑處
理等。
1）水力壓裂工藝
水力壓裂是以超過地層吸收能力的大排量向井內注入粘度較高的壓裂液,使井底壓力提高,將地層壓裂。隨著壓裂液的不斷注入，裂縫向地層深處
延伸。壓裂液中要帶有一定數量的支撐劑(主要是砂子)，以防止停泵后裂縫閉合。充填了支撐劑的裂縫，改變了地層中油、氣的滲流方式，增加
了滲流面積，減少了流動阻力，使油井的產量成倍增加。最近全球石油行業(yè)很熱門的“頁巖氣”就是利益于水力壓裂技術的快速發(fā)展！
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