水下采油樹下放工藝分析

王現鋒， 王良杰， 張成富， 沈瓊， 王若璇， 張磊

（中海油能源發展工程技術公司 鉆采工程研究所，天津 300452）

0 引言

水下采油樹主要有四種形式：干式、濕式、干/濕式和嵌入式。目前應用較為廣泛的主要是水下濕式采油樹和水下干式采油樹，無論從經濟性還是技術性考慮，在我國南海深水采油都應采用水下濕式采油樹［1］。水下濕式采油樹根據生產主閥、生產翼閥和井下安全閥的安裝位置的不同可分為立式采油樹和臥式采油樹。水下濕式采油樹安裝在水下井口頭上方時，下部通過采油樹連接器固定在高壓井口頭上，其下放工藝非常繁瑣，受力異常復雜；目前國內對水下采油樹系統研究較少。對于深海鉆井問題，目前國內研究的主要是深水鉆井隔水管的有限元力學特性分析［2］，和深水鉆井的水下井口的穩定性分析［3］。為了保證水下采油樹實際下放過程的可靠性與精確性，有必要進行水下采油樹的下放工藝研究及受力分析。

圖1 水下采油樹示意圖

1 水下濕式采油樹下放工藝分析

1.1 水下濕式采油樹結構對比分析

目前國際市場上應用廣泛的水下采油樹的制造商主要有Cooper Cameron（美國）、GE Oil&Gas Vetco Gray（美國）、FMC Technologies（美國 ）、Dril-Quip （ 美 國 ）、Aker Solutions（挪威）等。各公司設計的常規水下濕式采油樹主要由導向架、導向柱、采油樹本體、采油樹帽和油管掛以及ROV和各種閥門等組成［4］。目前常用的改進型的采油樹不再使用導向柱，下放過程就不必再使用鎖鏈，因此可以避免下放過程中由于水深過深導致鎖鏈絞在一起。

目前常用的水下濕式采油樹的示意圖如圖1所示。

通過對比分析上述采油樹結構示意圖和參考國外的成熟的水下采油樹產品，可得出水下采油樹結構對比如表1。

表1 水下采油樹的結構對比表

1.2 立式采油樹和臥式采油樹下放工藝對比

水下采油樹下放前，控制系統需要對各種閥門進行復雜的壓力測試，以防止泄漏，下放到海底部時，采油樹連接器密封連接到井口頭，需要ROV復雜的控制操作保證采油樹的正常工作。簡單來說，常規水下臥式采油樹系統完全下放分為三步：采油樹的下放、油管掛的下放和采油樹帽的下放。實際操作過程中油管掛和采油樹帽是同時下放。

圖2 水下采油樹下放系統組成

在實際的下放過程中，采油樹利用鉆柱下放，首先利用防噴器處理系統，從甲板上提升采油樹，移動到井口上方；鉆柱下方連接雙臂導向架的中心短節，短節下方裝配采油樹下放工具；通過鉆盤，雙臂導向架定位的采油樹下放工具插入裝配到采油樹，下放采油樹穿過受濺帶，到達20 m水深，使用ROV進行采油樹各種閥門和管線的操作，使得采油樹能夠正常工作。緩慢下放采油樹直到大約到井口頭上方3 m，記錄鉆柱和采油樹的重量，利用ROV進行采油樹功能測試，最終將采油樹緩慢下放到井口頭上，直到采油樹連接器完全座落在井口頭上。放下套管的總量以證實連接器完全插入，確保連接器已經被鎖緊，ROV功能測試確保采油樹正常的工作。水下采油樹下放到井口頭上方時的結構模型如圖2所示。

參考FMC和Vetco公司的立式采油樹和臥式采油樹結構對比以及下放過程，得到水下濕式采油樹在完井過程中的下放工藝對比，如表2所示。

由表2可得，立式采油樹和臥式采油樹下放過程中的主要區別為：

表2 立式采油樹和臥式采油樹的下放工藝對比

1）BOP的下放和回收的區別。下放臥式采油樹時在初鉆井后就要下放BOP。與下放立式采油樹相比，下放臥式采油樹需要增加一次BOP的下放和回收。

2）油管掛的下放順序和安裝位置不同。立式采油樹在下放之前需要先將油管掛下放安裝固定在井口頭上，而臥式采油樹在下放采油樹后將油管掛坐落于水下臥式采油樹本體內部的肩部。

3）采油樹帽的下放順序不同。立式采油樹其采油樹帽主要作為非承壓采油樹帽，最后下放。而臥式采油樹其采油樹帽分為內部采油樹帽和外部采油樹帽（防腐帽）。內部采油樹帽作為承壓件，下入采油樹后才能提起防噴器。

2 下放過程的受力分析

深水環境下水下采油樹下放過程受力復雜，主要受到鉆柱和水下采油樹下放工具的重力及作用于鉆柱上部的波浪力和作用于采油樹的海流力等力的作用。參考目前應用廣泛的臥式采油樹的下放過程，進行下放過程的受力分析。

圖3 采油樹下放軸向受力圖

2.1 水下采油樹下放過程的軸向受力分析

水下采油樹下放過程中，鉆柱軸向受力為鉆柱自身的重力和采油樹下放工具及采油樹的重力之和，將其可簡化為集中載荷P和自重作用下的等直桿，如圖3所示。

鉆柱伸長為

式中：E為鉆柱用鋼彈性模量；L為鉆柱長度；γ為鉆柱單位體積的重量；A為鉆柱截面面積。垂直方向的力為P+γL=P+P1，其中P為水下采油樹的重力和浮力之和。

2.2 影響水下采油樹下放的海洋環境因素

1）波浪力。波浪對鉆柱的作用載荷屬于小尺度單獨直立樁柱上作用的波浪力［5］。由莫里森（Morison）方程得鉆柱單位長度波浪力為

式中：fr為鉆柱單位長度上承受的波浪力；ρ為海水密度，kg/m3；CD為阻力系數，取值范圍 0.3～1.2；D 為鉆柱直徑，mm；v為海浪運動在鉆柱處產生的垂直于鉆柱的水質點的速度，m/s，CM為慣性力系數，取值范圍 0.93～2.3為海浪運動在鉆柱處產生的垂直于鉆柱的水質點的加速度。

2）海流力。單位長度上的海流力為

圖4 水下采油樹坐落于井口頭示意圖

式中：vc為海流的速度，m/s。

海流的流速隨海水深度而變化［6］：

式中，ut為水面的潮流速度，m/s。

當波流共同作用時，以修改形式的莫里森（Morison）方程計算作用于鉆柱上波流聯合作用力［7］為

2.3 水下采油樹下放各個階段受力分析

假設水下采油樹下放到1 000 m水深的井口頭上，在下放過程中，水下采油樹主要分為三個階段：

1）水下采油樹穿過浪花飛濺區到20m左右的水深，部署ROV工作狀態，到達離井口頭上方3m左右的水深，進行采油樹功能測試。在此狀態，水平方向主要受到作用在鉆柱上的波浪力和海流力，豎直方向主要受到重力作用。

當采油樹懸掛于井口頭上方3 m時，可將鉆柱看做為懸臂梁，不考慮作用于采油樹及采油樹下放工具上的波浪和海流力，可得鉆柱的撓度方程為

作用于水下采油樹及下放工具上的波浪力由費勞德-可雷洛夫力和繞射力組成：

式中：FK為費勞德-可雷洛夫力為繞射力，K=CH-1，CH=1.5。其中：ρ為海水密度，V 為采油樹的體積，vc為波速，L為水深，k為波數，α為波壓強與水平軸線間的夾角，θ=kx-ωt。

2）水下采油樹坐落在井口頭上時，水平方向受到波浪力和海流力，以及采油樹連接器對采油樹的橫向反力；軸向方向采油樹受到鉆柱的重力和井口頭臺肩的支撐力作用。坐落在井口頭上的采油樹系統受力示意圖如圖4所示。

在鉆柱上取微元段，通過受力平衡并結合反力和彎矩之間的微分關系可以得到水下采油樹坐落在井口上的鉆柱的撓曲微分方程：

式中：R（x）為采油樹連接器的內徑，m；F（x）為軸向力，kN；g（x，y）為單位面積上采油樹連接器的反作用力，kPa；m（x）為單位長度上的外載荷，kN；EI（x）為鉆柱的抗彎剛度，kN·m2。

3 結論

1）對水下立式采油樹和臥式采油樹進行了結構分析與下放工藝對比分析，明確了兩種水下采油樹的結構區別特性，理清了兩種水下采油樹下放工藝的不同，其區別主要體現在油管掛系統安裝位置及BOP的下放時間上。

2）對水下采油樹下放過程進行了受力分析，著重對臥式水下采油樹的下放過程進行了定性的受力分析，得出了不同階段水下采油樹的受力狀態方程，為水下采油樹的安全、精確下放提供了一定理論基礎。

［1］ 方華燦.對我國深海油田開發工程中幾個問題的淺見［J］.中國海洋平臺，2006，21（3）：1-8.

［2］ 李中，楊進，曹式敬，等.深海水域鉆井隔水管力學特性分析［J］.石油鉆采工藝，2007，29（1）：19-21.

［3］ 蘇堪華，管志川，蘇義腦.深水鉆井水下井口力學穩定性分析［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：1-4.

［4］ Voss R，Moore T.Subsea Tree Installation，Lessons Learned on a West Africa Development OTC 15371，2003.

［5］ 方華燦.海洋石油鉆采裝備與結構［M］.北京：石油工業出版社，1990.

［6］ 威爾遜．海洋結構動力學［M］．楊國金，郭毅，唐欽滿，等，譯．北京：石油工業出版社，1991．

［7］ 暢元江.深水鉆井隔水管設計方法及其應用研究［D］.東營：石油大學（華東），2006：33-34.