簡易水下井口采油樹設計及關鍵作業參數校核

摘要：水下井口和水下采油樹是海洋油氣田水下開發的重要單元裝備，也是水下生產系統的關鍵設備，在中深水油氣田中廣泛采用。隨著近海油氣增儲上產壓力加大，水下井口的開發模式逐漸走向淺水海域，加速了國內淺水水下井口和采油樹系統的研發進程。與傳統中深水油氣田開發相比，淺水海域油氣開發更加注重成本和效率的控制。通過分析國內外淺水井口和采油樹裝置的特點，結合國內某油田物性參數，設計了用于注水井的簡易型、低成本淺水水下井口和水下采油樹系統，并結合自升式鉆井船的結構特點，完成鉆完井作業工藝及作業工序的梳理；同時，建立高壓立管穩定性及強度分析模型，提出高壓立管頂部安全作業載荷，為國內外相似海域注水井的水下開發提供借鑒。

關鍵詞：淺水；水下井口；水下采油樹；注水井；鉆完井

中圖分類號：TE931 " " " " "文獻標志碼：A " " " " doi：.3969/j.issn.1001-3482.2024.03.006

Design of a Simple Subsea Wellhead and Christmas Tree and Verification of Key Operating Parameters

YU Yi1，HUANG Liang1，WANG Mingchun2，REN Guanlong1，WANG Bin2，TONG Gang2

（1. Zhanjiang Branch，China National Offshore Oil （China） Co.，Ltd.，Zhanjiang 524000，China；

2. CNOOC Research Institute Ltd.，Beijing 100028，China）

Abstract： Subsea wellheads and Christmas trees are key pieces of equipment for the subsea development of offshore oil and gas fields，as well as key pieces of equipment for underwater production systems. "They are widely used in medium-deep water oil and gas fields. "With the increasing pressure on oil and gas storage and production in China’s offshore areas，the development model of subsea wellheads is gradually shifting to shallow water areas，accelerating the research and development process of shallow water subsea wellheads and Christmas tree systems in China. "Compared with the traditional medium-deep-water oil and gas field development，shallow-water oil and gas development puts more emphasis on cost and efficiency control. Based on the analysis of the characteristics of shallow water wellheads and Christmas tree devices at home and abroad，a simple，low-cost shallow water wellhead and Christmas tree system for water injection wells in combination with the physical parameters of an oil field at home was designed. "Combining the structural characteristics of the jack-up rig，the drilling and completion operation process and the operation process was sorted out，and a stability and strength analysis model for the high-pressure riser was established，and the safe working load at the top of the high-pressure riser was proposed，which providing reference for the subsea development of water injection wells in similar sea areas at home and abroad.

Key words： shallow water；subsea wellheads；subsea Christmas trees；injection wells；well completion

早在1947年，美國便提出了“水下井口”的概念［1-2］。隨著鉆井平臺及鉆井新技術的發展，陸續產生了多種不同型式、用于不同套管程序的水下井口和采油樹。在淺水海域，典型井口系統有泥線懸掛系統、簡易水下井口裝置，對比以上兩種井口型式，泥線懸掛系統工藝復雜，需要回接各層套管；而簡易水下井口裝置，通過立管直接回接到地面防噴器，作業簡單。國外常用的淺水水下采油樹系統包括泥線采油樹、簡易立式采油樹、簡易臥式采油樹［3］。這三種結構形式，泥線采油樹閥門多采用手輪模式，開關操作作業困難；簡易立式/臥式水下采油樹，閥門具有液壓執行器，具有控制系統和多點溫度壓力傳感器，可以實現遠程操作，響應時間更快，更為安全，費用較高，主要針對生產井（自噴井）設計。

水下井口的開發門檻較高，尤其是在淺水海域，單井產量相對較低，無法使用深水常用的井口和采油樹系統，導致很多油田很難進行經濟高效開發。如何優選水下井口、水下采油樹設備的功能配置，控制設備成本和作業成本，并適合淺水鉆完井作業裝置，是國內淺水水下井口開發模式下亟需解決的問題［4-7］。

國內學者［8-14］基于深水油氣田開發，設計了水下采油樹系統，但對于淺水海域注水井的井口和采油樹系統研究較少。本文綜合分析注水井的溫壓數據、注水量、井身結構、套管程序等數據，考慮鉆完井作業效率和設備成本，設計一種簡易型、低成本水下井口和采油樹系統，為國內外相同海域油氣田注水井的開發提供設計參考。

1 基礎數據

目標注水井所處海域水深45 m，注水層位地層壓力17.13 MPa，地層溫度85.92 ℃。井身結構采用914.40 mm+444.50 mm+311.15 mm，套管層次762.00 mm+339.73 mm+244.48 mm；單井日注水量最大251 m3/d，井口最大注入壓力12.7 MPa，使用88.90 mm油管，注水年限11 a。

2 淺水水下井口采油樹指標參數

1） 壓力等級。

ISO 13628-4［15］規定采油樹的壓力等級有3種：34.5 MPa（5 000 psi）、69 MPa（10 000 psi）和103.5 MPa（15 000 psi）。結合目標井地層壓力及井口最大注入壓力，設計淺水水下井口和采油樹額定工作壓力為34.5 MPal（5 000 psi）。

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。井口和采油樹有10個溫度等級，如表1所示。

對于水下采油樹閘閥和節流閥的驅動器，溫度范圍至少為2～66 ℃；水下采油樹總成的溫度等級至少為V級；有沖擊韌性要求的承壓件和控壓件材料（PSL3、PSL3G）的溫度等級至少為U級。結合目標井所處油田地層儲層溫度及海底服役環境溫度，設計淺水水下井口和采油樹額定工作溫度為“U級”（-29～121 ℃）。

3） 產品規范等級及性能要求。

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，API 6A中規定PSL包含1、2、3、3G、4這5個等級，等級越高，對應的技術質量要求越高。根據國內《開發井水下口和采油樹選型及性能要求》，設計淺水水下井口采油樹產品規范等級為PSL3。

4） 性能等級。

鑒定部件所具有的設計、尺寸/公差、制造工藝及材質，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。API 6A中規定有PR1和PR2這2個等級，其中PR2等級的采油樹安全性和可靠性遠高于PR1等級的采油樹。考慮到水下長期服役，參照國際、國內標準，綜合推薦PR2。

5） 材料等級。

采油樹有7個材料等級，分別為AA、BB、CC、DD、EE、FF、HH，等級越高說明所應對的環境越惡劣。

對于目標注水井來說，無CO2和H2S等腐蝕性氣體。出于安全和可靠性考慮，采用DD級材質。

3 淺水簡易水下井口系統設計

水下井口裝置是在鉆井時為鉆開油/氣層建立基礎。鉆井過程中，每鉆入一層需下入相應的導管或套管，并進行固井作業。目標井套管程序為762.00 mm+339.73 mm+244.48 mm，對應設計的淺水水下井口裝置包括762.00 mm低壓井口頭、346.08 mm高壓井口頭、244.48 mm套管懸掛器，此外還包括永久導向基座（PGB）、環空密封總成等。

水下井口裝置設計方案最外部為永久導向基座（PGB），設置四個導向柱便于鋼絲繩安裝導向，PGB內部座放762.00 mm低壓井口頭。

762.00 mm低壓井口頭，用于懸掛762.00 mm導管，形成水下井口的基礎。內部設置座放臺肩，用于座放346.08 mm高壓井口頭。

設計淺水水下井口系統的主要參數如表2所示。

4 淺水簡易水下采油樹系統設計

目前應用的水下采油樹分為立式采油樹和臥式采油樹，如圖1。立式采油樹結構相對簡單，水下安裝流程相對簡易，后期修井相對復雜。臥式采油樹便于油田修井和油管懸掛器的回收，廣泛應用于中-深水、超深水的環境。考慮到注水井修井頻率較低，且為了降低整體費用，設計采用立式采油樹型式。

4.1 簡易采油樹總體布局

本方案采用整體、立式樹體形式，閥門均布于樹體上，總體設計如下：

1） 垂直通道上，設置一生產主閥（PMV）和一清蠟閥（PSV），生產主閥（PMV）和清蠟閥（PSV）均為遙控無人潛水器（ROV）或潛水員機械操作；頂部設置采油樹樹帽。

2） 橫向通道上，設置一液控生產翼閥（PWV），生產主閥（PMV）和生產翼閥（PWV）之間設置一溫度壓力傳感器（PPTT），用于監測注入流道的溫度和壓力；出油管線端部預留標準法蘭，用于和注水管線連接。

3） 采油樹底部連接連接器，實現水下采油樹和水下井口裝置相連接。

4） 采油樹上包含有用于控制SCSSV的手動操作閥、井口密封墊環測試的手動操作閥GT、樹帽密封測試的手動操作閥TCT。

5） 油管懸掛器座放并鎖緊于高壓井口。

6） 采油樹外部設計采油樹底座、框架以及防渣帽，用于采油樹的坐放安裝，保護采油樹整體結構，防止巖屑落物破壞和海生物。采油樹框架上，安裝指示和操作面板，便于水下作業時ROV/潛水員識別和操作。

淺水簡易水下采油樹的整體布局如圖2所示。

4.2 采油樹閥門設計

水下采油樹閥門的通徑如表3所示。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，不小于下部油管的通徑?？紤]日注水量（最高251 m3/d），及油管尺寸（88.90 mm油管），推薦閥門通徑為79.38 mm。

5 簡易水下采油樹鉆完井作業程序

本方案設計的淺水簡易水下井口和采油樹采用自升式鉆井平臺進行安裝，主要作業工序包括PDG、低壓井口頭、高壓井口頭、套管懸掛器、環空密封總成、油管掛、水下采油樹總成的下放及鎖緊作業步驟。典型作業工序詳細參如圖3所示。

6 簡易水下井口穩定性分析

高壓立管用于連接水下井口及地面防噴器，承受井筒內部壓力，以及外部風浪流的環境載荷，是在鉆完井作業期間保證井口安全的關鍵裝備。

作業現場涉及一種508.00 mm高壓立管，壁厚25.40 mm，X80鋼級；鉆井平臺具有井口小平臺，位于水面上18 m位置處，對高壓立管存在扶正約束?；诖朔N作業條件，建立高壓立管穩定性及疲勞分析有限元模型，如圖4所示。

油井所處海域風極值、海流極值如表5～6所示。

按照50 a一遇的海況，分析高壓立管穩定性，當井口載荷為340 kN時，508.00 mm×25.40 mm立管穩定性處于恰好滿足要求的臨界值，繼續增大井口載荷，發生失穩現象，如表7所示。

按照100 a一遇的海況（極端環境），分析高壓立管穩定性，當井口載荷為240 kN時，508.0 mm×25.40 mm立管穩定性處于恰好滿足要求的臨界值，繼續增大井口載荷，發生失穩現象，如表8。

在50 a一遇海況、100 a一遇海況（極端環境）下，井口載荷分別為340、240 kN，508.00 mm×25.40 mm立管的整體強度滿足要求，計算結果如表9所示。

基于508.00 mm×25.40 mm，X80級的高壓立管的井口穩定性及立管強度分析，推薦在50 a一遇海況、100 a一遇海況（極端環境）的井口載荷分別不超過340 kN和240 kN。

7 結論

1） 分析國內外淺水水下井口、淺水水下采油樹的結構型式，對比優缺點，形成以淺水簡易水下井口和淺水立式采油樹相組合的系統方案，用于注水井開發當中。

2） 基于目標井所處海域環境參數，設計以PGB、762.00 mm低壓井口、346.08 mm高壓井口、244.48 mm套管懸掛器等設備組成的水下井口系統方案；以及形成具有生產主閥、生產翼閥、清蠟閥、溫壓傳感器、液壓連接器、內樹帽等關鍵零部件組成的簡易水下立式采油樹。設計產品具有尺寸小、質量輕、成本低等特點。

3） 完成基于自升式鉆井平臺作業的鉆完井作業程序的梳理，包括914.40 mm井眼鉆進、762.00 mm低壓井口下放、346.08 mm高壓井口及套管下放244.48 mm套管頭及套管下放、油管掛安裝、采油樹下放及鎖緊、連接器試壓等作業，可指導現場完成水下采油樹的安裝作業。

4） 建立高壓立管穩定性及強度校核模型，在考慮所在海域風浪流的情況，推薦高壓立管頂部載荷，保障現場作業的安全進行。

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