基于海試的水下立式采油樹安裝測試技術研究

肖仕紅，沙喆，梁政

（1.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500；2.西南石油大學石油天然氣裝備教育部重點實驗室，四川成都610500）

基于海試的水下立式采油樹安裝測試技術研究

肖仕紅1，2，沙喆1，2，梁政1，2

（1.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500；2.西南石油大學石油天然氣裝備教育部重點實驗室，四川成都610500）

為促進水下立式采油樹國產化進程，以水下立式采油樹樣機海試安裝測試關鍵技術為重點展開研究。基于水下立式采油樹的結構特點、下放安裝方式和測試方法，結合國內外研究現狀和現有相關行業標準，提出適用于水下立式采油樹海試的安裝測試流程；設計無防噴器、無隔水管的新安裝測試方案，并制定海試作業操作流程，闡述具體的安裝測試方法。該新方案可簡化安裝測試過程，節約海試成本，可專門服務于海試安裝測試，為國內水下立式采油樹以及相關水下生產設備的海試作業提供參考。

安裝測試技術；水下立式采油樹；海試作業；密封測試

0 引言

隨著全球能源需求的不斷增加，陸上油氣資源已遠遠不能滿足需求，海洋油氣勘探開發已成為我國實現能源可持續發展的戰略重點[1]。水下采油樹是海洋油氣水下生產系統中的關鍵設備，國外從20世紀60年代就開始了水下采油樹的研制，且水下采油樹的安裝測試技術也趨于成熟。我國近年來才開始研究水下采油樹的相關技術，其測試技術研究主要集中在陸上測試和淺水測試，尚未見水下采油樹海試的相關報道。海試是水下采油樹研發過程不可逾越的組成部分，其目的在于測試海況環境下安裝后的密封面密封性或接頭的連通性和密封性，測試非固定作業及浪流作用下安裝的可行性，測試浪流作用下水下機器人（ROV）的可操作性以及測試閥和執行器在海況下功能，是驗證樣機性能的必要程序。

國外早在20世紀70年代就進行了水下生產系統的海試。Exxon公司在墨西哥灣約51m水深下對所研發的水下生產系統進行了海試（見圖1），采用鉆井立管安裝，并對管線連接以及采油樹功能進行了測試。AGIP石油公司、Chevron公司等公司聯合研制的水下生產系統在挪威西海岸進行了海試，主要針對采油樹管線的連接進行了測試，整個安裝過程采用無潛水操作，借助ROV輔助進行。Brien、Joubert和Krist-offersen等對所研發的高壓撓性管進行了海試（見圖2），海試深度約為106m，使用纜繩下放方式[2-4]。Robert等[5]介紹了臥式采油樹的基本結構以及采油樹安裝流程，探討了臥式采油樹系統的安裝步驟及安裝工具。國內主要研究了臥式采油樹和水下管匯的深水安裝。龔銘煊等[6]分析了水下臥式采油樹下放安裝工藝流程。肖易萍等[7]介紹了水下臥式采油樹安裝順序與條件要求。王瑩瑩等[8]針對深水、超深水水下管匯的安裝問題，分析了吊裝法、滑輪法和下擺法3種安裝方式對安裝過程的適應性。付劍波等[9]提出在綜合考慮安全性和可靠性前提下管匯的安裝方法及選擇原則。張亮等[10]針對深水油田中水下立式采油樹的下隔水管系統（LMRP）安裝過程進行了研究，制定了LMRP的具體操作流程。王現鋒等[11]對水下采油樹的安裝工藝進行了總結，比較分析了水下立式采油樹和臥式采油樹的安裝工藝。

綜上所述，國內尚未見水下采油樹海試的相關文獻，亦無水下采油樹海試的相關標準。本文針對水下立式采油樹海試的安裝測試方法進行研究，而海試與實際下放安裝測試過程的不同點在于，設計了簡化版下放安裝測試方式，采用無防噴器、無隔水管的方案，在達到相同安裝測試效果的同時，經濟性更優，也更加便于操作實施。

圖1 埃克森公司海試方案

圖2 耐高壓撓性管海試方案

1 水下立式采油樹海試流程和下放方式

1.1 水下立式采油樹結構

水下立式采油樹主要用于不需頻繁取出油管進行修井作業的油氣田。典型水下立式采油樹結構如圖3所示，在立式采油樹的主體內，生產主閥（PMV）、生產抽汲閥（PSV）、環空主閥（AMV）、環空抽汲閥（ASV）和井下安全閥（DHSV）安裝在同一個垂直方向，生產翼閥（PWV）和環空翼閥（AWV）分別位于水平方向的生產出口和環空出口上，油管掛位于采油樹的外部，直接鎖定在水下井口頭內，因此需將油管掛安裝在井口之后再安裝水下采油樹。立式采油樹采用轉換閥（XOV）來聯通生產和環空，采油樹帽不承擔壓力并且有防腐的功能，ASV代替頂部堵塞器。

1.2 海試流程

圖3 水下立式采油樹結構

通過分析國外水下生產系統相關標準（ISO 13628、ISO 10423）和水下臥式采油樹安裝方法，提出水下立式采油樹海試安裝測試流程，如圖4所示。根據海試的目的及要求，在采油樹系統完成陸地測試后，將全套海試所需設備裝船運輸至作業平臺上，依次對采油樹系統各設備進行水下安裝測試、接口密封性測試、功能測試以及ROV操作性測試。完成所有測試工作后，將各設備按順序回收至水面，完成海試作業過程。

1.3 下放方式選擇

水下采油樹本體下放方式主要有：纜繩安裝、鉆桿安裝及鉆井立管安裝。水深是選擇水下采油樹下放方式的主要因素，淺水安裝通常采用鋼絲繩引導下放方式；深水安裝通常采用鉆桿安裝或修井隔水管安裝的方式，以確保安裝設備的軸向與徑向偏離；鉆井立管安裝主要針對水深超過500 m的安裝環境。本課題擬定海試水深為50～150m，確定采用鉆桿安裝下放方式（見圖5）。

2 海試關鍵技術研究

2.1 無防噴器（BOP）無鉆井隔水管方案

圖4 立式采油樹海試安裝測試流程

圖5 鉆桿安裝

BOP組在水下采油樹安裝作業過程中起到的作用：1）隔斷井下壓力，保證油管懸掛器（TH）以及采油樹在安全的環境下進行安裝；2）為油管懸掛器（TH）的安裝提供定位。鉆井隔水管系統的作用是保證TH在隔水管內進行下放，減少了環境載荷對下放過程的影響。但由于采油樹海試過程中，水下安裝的井口為假底或測試樁，并無井噴危險，也無井口壓力。海試水深較淺，下放過程較短，TH在開放水域進行下放安裝也較為安全。此外，BOP和鉆井隔水管系統租賃費用較高，會為海試帶來較大的經濟負擔，而下放、回收BOP和鉆井隔水管系統使安裝測試流程復雜化。因此為了節約海試成本，簡化安裝測試過程，設計了無BOP無鉆井隔水管的方案。

2.2 TH密封測試

常用水下立式采油樹的TH下方一般有3道密封，由最下方的金屬密封和上方兩道橡膠密封組成。金屬密封為單向密封，阻隔井下液體壓力，橡膠密封輔助金屬密封阻隔下方泄漏以及密封上方的壓力。密封效果檢測的位置處于兩道橡膠密封的上方，若無泄漏，無法確定是哪道密封發揮作用，因此無法監測金屬密封的效果。而在FAT測試和實際生產安裝中不存在該問題。此處本文模仿FAT測試中的方法，先將TH上的兩道橡膠密封拆去，然后下放TH至井口并鎖緊，通入液壓檢測有無泄漏以檢測金屬密封的性能。若金屬密封性達到要求，將TH從井口上解鎖并回收至水面，安裝橡膠密封圈，再次下放鎖緊在井口上。

2.3 TH安裝定位

由于TH下放安裝之前，并無BOP組鎖定在水下井口上，也無鉆井隔水管，因此TH是由鉆桿連接，在開放水域進行下放。此處，TH的周向定位問題是下放安裝過程的關鍵。由于無法通過BOP內部定位銷與TH導向工具的定位螺旋配合，需要在測試樁基座上設置一個定位插銷，與TH安裝工具上的定位工具進行配合，從而達到TH安裝定位的作用。

3 海上作業

3.1 測試樁安裝

由于海試作業僅需檢驗水下采油樹樣機的安裝流程以及功能，使用測試樁可模擬實際水下井口以便對采油樹樣機進行測試。因此在設備運輸至安裝平臺之前，將測試樁安裝固定在選定海試區域的海底。

3.2 設備裝船運輸

采油樹裝船前需對采油樹、采油樹安裝工具及連接后的狀態進行測試，保證每個功能模塊均可正常使用。將采油樹、采油樹吊裝鎖具、ROV及配套工具、采油樹安裝工具（TRT）及通信系統等材料準備完畢后進行裝船固定。在固定采油樹時，需保證運輸的穩定性，不能損傷采油樹，必要時應設置隔離和緩沖裝置。

3.3 測試樁井口檢查及噴洗

確保各部件間連接的清潔度是水下安裝測試與陸上測試的主要區別。在井口檢查完畢后，對井口內部進行噴洗，以保證安裝過程中井口與油管懸掛器連接部位的清潔度。

3.4 TH安裝測試

1）平臺上TH電液接口測試

在TH下海安裝前，需在平臺上檢查其電液接口功能。操作TH測試工具，將TH安裝在測試基座上，連接好液壓管線和電纜，依據廠家提供的設備說明書進行電液測試。

2）安裝TH

在平臺上完成電液接口測試后，操作TH安裝工具，將TH緩慢下放至測試樁井口上方，在ROV輔助下，通過TH安裝工具上的定位裝置與測試樁上的定位插銷配合，確保TH定位準確，坐放并鎖緊在測試樁井口頭上。

3）TH與井口密封測試

安裝完畢后必須對TH與井口之間的連接密封性進行測試，從而保證連接的可靠性。對TH安裝工具通入密封測試壓力，檢測連接處有無泄漏。測試完成后，將TH與安裝工具解鎖，安裝工具回收至水面。

3.5 水下采油樹安裝

1）平臺上預測試

在采油樹體下放安裝前，需在平臺上進行最后一系列測試，包括采油樹閥門操作測試，安裝工具測試等。

2）井口噴洗

在采油樹安裝前，需再次對水下井口進行噴洗，保證采油樹下部接口與油管懸掛器上端連接面的清潔，從而使接口密封性更加可靠。將噴洗工具安裝在鉆桿上，下放至井口清洗部位，向鉆桿內部打壓海水，對井口及油管懸掛器頂面噴洗數分鐘至清潔，最后將工具回收至水面。

3）下放安裝

下放采油樹進入月池，在月池中向采油樹上安裝下部立管封裝（LRP）和緊急斷開插件（EDP），連接安裝/維修控制系統（IWOCS），緩慢下放采油樹，利用ROV監測采油樹下放過程，當采油樹下放至測試樁上方0.5～1m時緩慢下放，通過主ROV輔助采油樹坐放到測試樁上，同時利用輔助ROV觀察采油樹坐放過程并照明，當采油樹完全坐放至測試樁井口頭后，采油樹安裝工具通入操作液壓，推動連接器操作桿，使連接器鎖定在井口頭上。

3.6 采油樹連接密封測試

采油樹安裝到位后，下端與井口系統的接觸面為采油樹與井口連接面以及采油樹與油管懸掛器上端連接面。兩個連接面的密封性能均需檢測。

1）VX密封圈密封測試

采油樹與井口的連接主要依靠VX密封圈提供密封功能。

使用ROV，將“熱刺”插入采油樹控制面板上的密封測試接口，通入測試壓力，檢測采油樹與井口之間VX密封圈的密封性，保壓15min，記錄測試壓力，測試完成后泄壓，關閉采油樹上相應閥門，回收安裝工具。

2）油管懸掛器連接密封測試

確認地面控制井下安全閥處于關閉狀態，通過安裝/修井控制臍帶纜向生產通道及環空通道打入高壓液體，測試油管懸掛器與采油樹體間接觸面的密封完整性。

測試過程驗收標準為：1）無可見泄露；2）每小時壓力衰減不超過測試壓力5%。

3.7 采油樹功能測試

水下采油樹功能測試可驗證采油樹體內閥門開閉性能，樹體內傳感器讀數功能，SCM的電連接以及通信功能，液壓系統功能等是否達到正常生產標準。使用ROV將安裝修井控制系統的多路快速（MQC）公接頭連接到采油樹MQC母接頭上。檢測SCM通信功能、控制功能以及傳感器讀數，對SCM進行試運行。然后對采油樹上所有液壓驅動閥門進行功能測試，核實所有閥門和控制系統均能正常執行其功能。

3.8 采油樹帽安裝

水下立式采油樹的樹帽不承擔壓力，且具有防腐的功能。在功能測試完成后，操作ROV將采油樹帽從采油樹上的樹帽支撐架上提起，移動樹帽將其坐放在采油樹體頂部，通入液壓將樹帽鎖緊在樹體上，之后向樹帽測試壓力注入口通入液壓，檢測樹帽底部與采油樹間的連接密封性。

3.9 各部件回收

按照與安裝時相反順序，利用各部件的安裝回收工具依次回收采油樹帽、采油樹樹體、油管懸掛器及測試樁。

4 結束語

水下采油樹的海試是采油樹在投入正式生產前的重要測試。本文根據水下立式采油樹結構及與井口的裝配特點，研究水下立式采油樹海試的關鍵技術，設計了服務于海試詳細的安裝測試內容、流程、方法及相關操作程序和要求。研究結果可為國內水下立式采油樹以及相關水下生產設備的海試作業提供參考。

[1]白勇，龔順風，白強，等.水下生產系統手冊[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2012：5-6.

[2]BURKHARDTJA.Test of submerged production system[C]∥Fall Meeting of the Society of Petroleum Engineering of AIME.Society of Petroleum Engineers，1973.

[3]BURKHARDT J A.A progress report test of submerged production system[C]∥Fall Metting of the Society of Petroleum Engineers of AIME.Society of Petroleum Engineers，1975.

[4]CARRE D，O'SULLIVAN J.Mohobilondo：Subsea production system experience[C]∥Offshore Technology Conference，2009.

[5]VOSS M，MOORE T.Subsea tree installation，lessons learned on a west africa development[C]∥Offshore Technology Conference，2003.

[6]龔銘煊，劉再生，段夢蘭，等.深海水下采油樹下放安裝過程分析與研究[J].石油機械，2013，41（4）：50-54.

[7]肖易萍，蘇立國，張憲陣，等.水下采油樹及下放安裝技術研究[J].石油礦場機械，2014（8）：70-73.

[8]王瑩瑩，段夢蘭，馮瑋，等.深水管匯安裝方法及其在南海荔灣3-1氣田中應用研究[J].海洋工程，2011（3）：23-30.

[9]付劍波，蘇鋒，張凡，等.海洋石油管匯安裝方法及安裝過程力學分析[J].石油礦場機械，2014（4）：22-25.

[10]張亮，張璽亮，孫子剛，等.深水油田立式水下采油樹安裝操控作業[J].石油鉆采工藝，2012（增刊1）：117-120.

[11]王現鋒，王良杰，張成富，等.水下采油樹下放工藝分析[J].機械工程師，2015（1）：91-93.

（編輯：李妮）

Study on installation and testing technologies of the subsea vertical tree based on sea trial

XIAO Shihong1，2，SHA Zhe1，2，LIANG Zheng1，2
（1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.Key Laboratory of Oil and Gas Equipment of Ministry of Education，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

In order to promote the localization process of the subsea vertical tree，a study which was focused on the key installation and test technology of sea test of subsea vertical tree prototype was conducted.Firstly，based on its structural features，laying installation mode and test method and in combinationwithresearch status at home and abroadand existing related industrial standards，an installation and test process that was applicable to the sea trail of subsea vertical tree was proposed.Besides，on the basis of the process of this sea test，a new installation and test plan without blowout preventer and marine riser was designed，and operation process of sea test was prepared，and concrete installation and test method was elaborated.The new plan can simplify installation and test process，which makes operation straightforward and sea trail cost reduced，thus it can specially serve to the installation and test of sea test.The investigation of this article may provide a reference for the sea trail operation of domestic subsea vertical tree and related subsea production equipment.

installation and testing technologies；subsea vertical tree；sea trail operation；seal test

A

1674-5124（2017）08-0001-05

2016-12-09；

2017-02-03

肖仕紅（1976-），女，四川達州市人，講師，博士，主要從事石油天然氣裝備研制及測試研究。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.001