深水水下采油樹系統的選型方案研究

王 宇，張俊斌，蔣世全，劉永峰，郝希寧

(1. 中海油研究總院，北京 100028; 2.中海石油有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067)

深水水下采油樹系統的選型方案研究

王 宇1，張俊斌2，蔣世全1，劉永峰2，郝希寧1

(1. 中海油研究總院，北京 100028; 2.中海石油有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067)

水下采油樹系統正確選型對降低深水油氣開發項目的綜合成本至關重要。在充分分析調研的基礎之上，歸納出一套深水水下采油樹系統的選型方法：總結水下采油樹、油管掛和樹帽的結構形式特點及其適用范圍，并分析井口連接器、水下閥門、水下監控設備等關鍵部件的選型考慮因素和配置要求，給出材料等級、壓力等級、溫度等級、產品規范等級、性能要求等級等關鍵工作條件參數的確定方法，并總結出水下生產控制系統和安裝及修井控制系統的適用范圍。

水下采油樹；選型；油管掛；生產控制系統；安裝及修井控制系統

0 引 言

水下采油樹系統是水下生產系統核心設備，主要包括水下采油樹、油管掛和水下生產控制系統三部分，其主要功能是對生產的油氣或注入儲層的水/氣進行流量控制，并和水下井口系統系統一起構成井下產層與環境之間的壓力屏障。

水下采油樹系統的正確選型對于油氣田的初期成本和整個壽命期的運行維護成本有重要影響，石油公司和水下采油樹供應商都十分重視。石油公司側重于不同結構類型的采油樹對油氣田全壽命周期的成本影響，如1998年由5家美國石油公司和礦產管理局組成的工業聯合研究項目(JIP)進行了水下生產系統全壽命期成本模型的組成要素分析[1]；2002年FMC Technologies公司進行了各類水下采油樹在油氣田全壽命周期中的各階段的成本對比案例分析[2]；2013年Cameron公司開發出一套采油樹選型工具軟件“Tree Selector Tool”，該軟件能夠根據經濟性、性能特性和預期風險，提供采油樹的50多個功能和性能要求[3]。

另外，水下井口采油樹的設計制造標準規范API Spec 17D給出了水下采油樹的工作條件(壓力等級、溫度等級、材料等級)和產品規范等級的類別，并提供了水下采油樹選型的數據表[4]。

在充分調研分析的基礎之上，本文歸納總結出一套深水水下采油樹系統的選型方法，為深水水下采油樹的選型提供參考。

1 水下采油樹系統的類型選擇

1.1 選擇原則

水下采油樹系統類型的選擇原則如下：(1)綜合考慮開發油氣田的修井頻率、開發成本、油氣田水深、人工舉升方案、完井管柱尺寸大小和完井難易程度等因素選擇水下采油樹類型；(2)安全可靠，便于完井修井作業，使用功能及壽命滿足油氣田開發要求；(3)與安裝平臺能力相匹配，考慮鉆井防噴器組、吊機能力、甲板的空間與負載能力、月池空間等。

1.2 水下采油樹的結構類型選擇

可供選擇的有兩種結構類型的水下采油樹：立式采油樹和臥式采油樹。

1.2.1結構類型及特點

如圖1所示，臥式采油樹的主閥位于垂直通道的水平側，油管掛坐掛于樹本體內部。立式采油樹的主閥位于采油樹的垂直通道內部，油管掛通常坐掛于高壓井口頭內部。兩種采油樹的不同結構決定了各自的優勢與局限[5]，且具有互補的特性，具體如表1所示。

圖1 兩種水下采油樹的結構示意圖Fig.1 Structural diagram of subsea Christmas trees

優 勢局 限臥式樹(1)側鉆8-1/2英寸(1英寸=2.54cm)和6英寸井眼或修井起出生產管柱等后續作業不用回收采油樹,節約修井和再完井時間與成本;(2)油管掛安裝于采油樹本體內,坐掛位置和密封面已知;導向筒安裝在樹體內部,容易定向和坐掛密封;(3)滿足井下電潛泵完井對大通徑的要求;(4)不同供應商的采油樹和井口頭接口簡單。(1)如回收發生故障的采油樹(小概率事件),需要先回收生產管柱;(2)樹頂部安裝水下防噴器進行完井作業時,井口承受更大的彎矩載荷(井口穩定性與疲勞壽命)。立式樹(1)2套閘閥作為垂直通道的2道壓力屏障,比臥式樹在現場安裝的內樹帽/堵塞器更可靠;(2)鋼絲及連續油管等干預作業用輕型修井船進行,不需要鉆井防噴器組;(3)可直接回收故障的采油樹(小概率事件),無需起出生產管柱。(1)修井起出生產管柱,必須先回收采油樹;(2)需在防噴器組內部(阻流壓井管線的出口或井口連接器)安裝定位銷釘或定位套筒;(3)油管掛與高壓井口頭的界面很關鍵:下生產管柱前,需下鉆打鉛印確認油管掛的坐掛位置;如不兼容,需額外安裝油管頭(TubingSpool)。

1.2.2水下采油樹應用概述

兩種采油樹具有優勢互補的特性，同時由于作業者對某種采油樹的安裝工藝和工具的熟練程度引起的選擇偏好，通常一種結構類型的水下采油樹在某一海域的應用占有優勢，但兩種類型的采油樹在全球范圍內的應用總量大致相當[5]。

我國從1996年開始在南海油氣田應用水下生產系統[6-9]，由于儲層底水充足等原因，且后期有修井與側鉆需求，9個油氣田全部采用水下臥式采油樹，應用最大水深達1457m，具體如表2所示。

表2 中國南海水下采油樹的應用統計

1.3 油管掛的類型選擇

1.3.1選擇考慮因素

選擇油管掛時主要考慮如下因素：(1)油管掛的結構類型、工作條件(壓力等級、材料等級、溫度等級等)應與水下采油樹匹配；油管掛的外徑與鉆井隔水管和防噴器組的內徑相匹配；(2)油管掛的本體滿足井下管線穿越孔數量以及環空通道的要求；(3)油管掛的通徑尺寸(3-1/2、4、5、7英寸等)滿足配產的要求，且滿足下入油管掛堵塞器和其他井下工具的要求；(4)若選用立式采油樹，應提前考慮油管掛的定位方式，需要在防噴器內部(阻流壓井管線的出口或井口連接器內部)安裝油管掛的定位機構。

1.3.2油管掛的結構類型

臥式樹的油管掛分為單堵塞器的油管掛和雙堵塞器的加長型油管掛。單堵塞器的油管掛通過在側出油口上方的單堵塞器與頂部的內樹帽構成垂直通道的兩道壓力屏障。為了徹底避免由于碎屑可能集聚在油管掛頂部使內樹帽安裝不到位的風險，新設計的加長型油管掛不需要安裝內樹帽，而通過在油管掛側出油口上方安裝兩個堵塞器構成垂直通道的兩道壓力屏障。

立式樹的油管掛分為同心單通道油管掛和偏心雙通道油管掛兩種結構形式。單通道油管掛需要在臍帶纜或服務管線中提供進入環空的通道。

1.4 樹帽的類型選擇

1.4.1承壓樹帽

樹帽安裝前的水下采油樹只有一道壓力屏障時，選擇承壓樹帽作為另一道壓力屏障。(1)承壓內樹帽：鎖緊在采油樹本體內部的油管掛正上方。(2)承壓外樹帽：鎖緊在采油樹本體的芯軸頂部，保護金屬密封面及垂直井筒不遭受損傷。井下電潛泵完井時，提供動力電纜的穿越通道。井下雙電潛泵完井時，還可提供電泵切換開關的安裝位置。

1.4.2非承壓樹帽

樹帽安裝前的水下采油樹已有兩道壓力屏障時，可選擇非承壓的外部樹帽，防止采油樹本體的芯軸頂部密封面及垂直井筒遭受沖蝕、海生物及外部機械載荷的損傷。

1.5 采油樹的井口連接器

采油樹的井口連接器應與連接的高壓井口頭的剖面(心軸式H4mandrel type和轂式Clamp hub type)、通徑(13-5/8、16-3/4、18-3/4英寸等)、壓力等級(69.0MPa和103.5MPa等)相匹配。

如果采油樹的井口連接器與高壓井口頭不相匹配，例如不同制造商的高壓井口頭和采油樹之間的剖面不匹配，或者由于高壓井口頭內部密封面損壞等原因導致不能安裝立式采油樹的油管掛，則需要在采油樹井口連接器下端額外安裝油管頭。

1.6 閥門

1.6.1閥門配置要求

閥門配置要求如下[4]。

(1) 臥式采油樹主閥/翼閥要求：應有1個或多個生產主閥和環空主閥，且其中至少有1個主閥是失效自動關斷閥；應至少有1個生產翼閥和環空翼閥。

(2) 立式采油樹主閥/翼閥要求：垂直的生產通道和環空通道應有1個或多個主閥，且至少有1個主閥是失效自動關斷閥；生產側出口應至少有1個生產翼閥；如僅有1個環空主閥，則應至少有1個環空翼閥。

1.6.2閥門通徑

水下閥門(閘板閥)的通徑如表3所示[10]。除了滿足流量要求外，垂直通道的閥門通徑還應允許堵塞器和其余鋼絲的工具通過。常用的生產閥門通徑為5-1/8英寸或4-1/16英寸，環空閥門通徑為2-1/16英寸。

圖2 水下采油樹閥門配置示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical subsea tree valve configuration

額定工作壓力/MPa通徑尺寸/英寸34.569.0103.52-1/161-13/161-13/162-9/162-1/162-1/163-1/82-9/162-9/164-1/163-1/163-1/165-1/84-1/164-1/167-1/165-1/85-1/897-1/16—

1.7 水下監測與控制設備

水下控制模塊、節流閥、流量計、地層砂探測器等應設計成便于水下機器人(ROV)在水下回收與更換。

壓力/溫度傳感器位于水下采油樹的生產通道、環空通道及節流閥的上、下游；流量計(可選)用于單井計量，位于節流閥上游；地層砂及沖蝕探測器(可選，采氣樹通常需要配置)監測地層出砂量以及對出油管線的沖蝕程度，位于節流閥下游的出游管線最易遭受沖蝕的位置；另外，根據需要還可能配置泄漏檢測系統和高完整性壓力保護系統等[11]。

1.8 其他保護裝置

位于漁網拖拽和落物沖擊破壞風險區域時，應設計防落物、防拖拽保護裝置[11]。根據相關規范可確定不同落物在不同水深條件下對海底生產設施的沖擊破壞程度。

2 工作條件及等級選擇

下面總結美國石油學會(API)標準API Spec 17D[4]和API Spec 6A[10]中有關水下采油樹的工作條件(壓力等級、溫度等級、材料等級)、產品規范等級、性能要求等級的選擇方法，并部分給出水下采油樹工作條件的選擇實例。

2.1 壓力等級

壓力等級指承壓與控壓設備的額定工作壓力，即設備的最大設計內部壓力值，有3個額定工作壓力值：34.5 MPa(5 000 psi)、69.0 MPa(10 000 psi)和103.5 MPa(15 000 psi)。

壓力等級不應低于最大地層壓力及后續作業的最大壓力值。水下采油樹壓力等級的選擇實例見表4。

表4 水下采油樹壓力等級選擇實例

2.2 溫度等級

溫度等級指設備可以承受的溫度范圍，最低溫度是設備承受的最低環境溫度，最高溫度是設備接觸流體的最高溫度。采油樹有10個溫度等級，見表5[10]，其中等級X、Y是超高溫度等級，必須注意超高溫度降低了材料的屈服強度。API Spec 17D推薦的溫度等級選擇如下：(1)閘閥和節流閥的驅動器溫度范圍至少為2～66 ℃；(2)水下采油樹總成的溫度等級至少為V級；(3)有沖擊韌性要求的承壓件和控壓件材料(PSL 3、PSL 3G)的溫度等級至少為U級；(4)需考慮氣流經過節流閥產生的焦耳-湯普森低溫冷卻效應對節流閥閥體和相關下游設備的影響，相關設備要求做低溫度性能鑒定試驗或材料的低溫沖擊試驗。

表5 溫度等級

2.3 材料等級

通常根據地層腐蝕性介質的含量選擇井口裝置和采油樹承壓件、控壓件部件的材料等級，其中H2S和CO2分壓是材料等級選擇的主要影響因素。API標準給出CO2分壓及流體腐蝕程度與材料等級的選擇關系，如表6所示[4,10]，但沒有直接給出如何根據H2S分壓選擇材料等級。鑒于ISO 15156-2要求用于H2S分壓值大于0.05 psia(0.34 kPa絕對壓力)的環境必需選用抗硫化物應力開裂的碳鋼和低合金鋼[12]，因此，綜合考慮H2S分壓和CO2分壓選擇材料等級的推薦做法如下：H2S分壓小于0.05 psia(0.34 kPa)的一般環境，根據CO2分壓值的大小，在AA、BB、CC等級中選擇；H2S分壓大于等于0.05 psia(0.34 kPa)的酸性環境，根據CO2分壓值，在DD、EE、FF、HH等級中選擇，并標注最大允許的H2S分壓，例如“FF-1.5”代表FF級材料的最大允許H2S分壓為1.5 psia，如無H2S分壓限制，標注“NL”。

結合中國南海近年開發的水下油氣田的水下采油樹的材料等級實例，出于安全與可靠性考慮，水下采油樹部件的材料等級優先選擇如下：(1)金屬密封面以及與井內流體接觸的生產通道濕接觸面宜選擇HH等級材料(通常在基材為碳鋼或低合金鋼的表面堆焊耐腐蝕鎳基合金INCONEL 625)；(2)可能和井內流體接觸的環空通道，宜選擇EE或FF等級材料；(3)化學藥劑注入閥宜選擇HH等級材料。

表6 材料等級與材料要求

2.4 產品規范等級

產品規范等級(PSL)定義井口裝置與采油樹的承壓件和控壓件的技術與質量控制要求，即對零件的材料及制造工藝(機械性能、化學元素成分、冷加工與熱處理工藝、無損檢測等)、工廠驗收測試(FAT)、質控文檔等提出技術質量要求。API-6A中規定PSL包含1、2、3、3G、4五個等級，等級越高，對應的技術質量要求越高。用于氣井的井口采油樹設備要求為PSL 3G，要求做氣密性測試。水下設備的PSL決策流程如圖3所示[4]。

2.5 性能要求

水下采油樹的部件要求達到API Spec 6A 規定的性能要求等級PR2。通過PR2要求的性能鑒定測試以及模擬設計水深處的外部高壓測試，鑒定部件所具有的代表性設計、尺寸/公差、制造工藝、材質，證明產品的操作性能滿足設計運行壽命和運行條件的要求。如果產品設計在配合、型式、功能或材料方面有任何更改，制造商應將對產品性能產生影響的相應更改形成文件。實質性更改是指在預期運行條件下影響產品性能的更改，會影響產品或預期使用性能的對以前鑒定的構型或材料選擇的任何更改。有實質性更改的設計應視為一種新設計，要求重新測試。設計的實質性更改應予以記錄，制造商應有充分理由證明是否需要重新性能鑒定測試，包括配合、型式、功能或材料方面的更改。

另外，需要第三方檢驗機構見證性能鑒定測試，并出具測試合格報告或證書證明達到相應的性能要求等級。必要時，根據買方要求，制造商提供額外的鑒定測試。

圖3 水下設備PSL決策流程圖Fig .3 PSL decision tree for subsea equipment

3 控制系統的類型選擇

水下采油樹的控制系統包括生產控制系統和安裝及修井控制系統(IWOCS)。正常生產時由生產控制系統對整個水下采油樹進行控制和監測。水下采油樹安裝及修井期間，用IWOCS安裝、回收及控制水下采油樹和油管掛。

3.1 生產控制系統的類型選擇

選擇考慮因素包括：(1)穩定可靠，經濟性好；(2)滿足與控制平臺的回接距離和響應時間的要求[13]；(3)滿足數據傳輸和監控的要求。

目前可供選擇的幾種生產控制系統如表7所示。

表7 生產控制系統類型選擇

3.2 安裝及修井控制系統的選擇

選擇考慮因素包括：(1)應滿足水下采油樹系統及井下工具的安裝控制與監測功能要求；(2)與安裝平臺相匹配，如吊機能力、甲板空間和荷載能力、電源和氣源接口等；(3)綜合考慮系統購置與系統租用的經濟性[14]。

現有兩類安裝及修井控制系統：液壓控制和電液復合控制。其各自適用的水深如表8所示。

表8 安裝及修井控制系統的類型選擇

4 結 語

臥式和立式這兩種結構形式的水下采油樹各有優勢，通常一種結構型式的水下采油樹在某一海域的應用占有優勢。需進一步針對具體項目特點進行量化分析，進行各類水下采油樹在油氣田全壽命周期中的各階段的成本對比案例的分析研究。通過系統梳理采油樹的設計制造規范API Spec 17D和API Spec 6A，歸納總結了水下采油樹的工作條件(壓力等級、溫度等級、材料等級)、產品規范等級、性能要求等級的選擇方法，并給出水下采油樹部分工作條件的選擇實例，可為深水水下采油樹的選型提供參考。

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SelectionStudyofDeepwaterSubseaChristmasTreeSystem

WANG Yu1, ZHANG Jun-bin2, JIANG Shi-quan1, LIU Yong-feng2, HAO Xi-ning1

(1.CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China; 2.CNOOC Shenzhen Ltd., Shenzhen, Guangdong 518067, China)

Correct selection of subsea Christmas tree system is essential for reducing the cost of deepwater oil and gas development project. Based on extensive investigation and review, we systematically summarize the practical selection method for subsea Christmas tree system. Firstly, the characteristics of subsea Christmas tree, tubing hanger and tree cap are summarized. Secondly, the key selection issues and configuration requirements of tree wellhead connector, subsea valves and subsea monitoring and surveillance instruments are analyzed. Thirdly, the decision methods of material classes, pressure ratings, temperature classifications, product specification levels and performance requirement levels are given. Finally, the application scope of subsea production control systems and installation and workover control systems is described.

subsea Christmas tree; selection; tubing hanger; production control system; installation and workover control system

2016-03-26

國家科技重大專項(2011ZX05026-001，2016ZX05028-001)

王宇(1982—)，男，博士，主要從事深水鉆完井和水下井口采油樹方面的研究。

TE931

A

2095-7297(2016)02-0085-08