水下立式單通道采油樹(shù)技術(shù)特點(diǎn)

王 宇，王 琦

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028;2.Dril-Quip亞太(新加坡)有限公司，新加坡 638417)

0 引 言

水下采油樹(shù)的結(jié)構(gòu)形式分為臥式采油樹(shù)和立式采油樹(shù)兩種類(lèi)型，我國(guó)海域的水下油氣田一直以來(lái)使用水下臥式采油樹(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)[1-2]。因此，有必要概述另一種結(jié)構(gòu)形式——水下立式采油樹(shù)的技術(shù)特點(diǎn)。

早期的水下立式采油樹(shù)多為雙通道采油樹(shù)，即垂直的生產(chǎn)通道和環(huán)空通道。由于雙通道采油樹(shù)的安裝需要使用雙通道的完井隔水管，而雙通道的完井隔水管造價(jià)高且作業(yè)時(shí)效低，因此，開(kāi)發(fā)出使用鉆桿或油套管進(jìn)行安裝作業(yè)的水下立式單通道采油樹(shù)可減少安裝設(shè)備并簡(jiǎn)化安裝作業(yè)。水下立式雙通道采油樹(shù)、立式單通道采油樹(shù)的結(jié)構(gòu)如圖1～圖4所示[3]。

圖4 立式單通道同心采油樹(shù)

總的來(lái)講，單通道采油樹(shù)與雙通道采油樹(shù)的閥門(mén)布局很相似，但是單通道采油樹(shù)的環(huán)空通道處于偏心位置。

1 單通道采油樹(shù)且油管掛安裝在高壓井口頭

油管掛安裝至高壓井口頭內(nèi)部，位于最后一層套管掛的上方。安裝油管掛之后，再安裝采油樹(shù)和承壓的樹(shù)帽。

1—樹(shù)帽；2—環(huán)空清蠟閥；3—生產(chǎn)清蠟閥；4—環(huán)空翼閥；5—生產(chǎn)翼閥；6—環(huán)空管線(xiàn)；7—生產(chǎn)管線(xiàn)；8—轉(zhuǎn)換閥；9—可選項(xiàng)；10—環(huán)空主閥；11—生產(chǎn)主閥；12—可選主閥(手動(dòng)或液控)；13—油管掛；14—井口裝置；15—井下安全閥圖1 水下立式雙通道采油樹(shù)示意圖

5—生產(chǎn)翼閥；11—生產(chǎn)主閥；13—油管掛；14—油管頭；17—環(huán)空抽汲閥；18—轉(zhuǎn)換閥；19—生產(chǎn)抽汲閥；20—連接臍帶纜管線(xiàn)或服務(wù)管線(xiàn)；21—環(huán)空閥門(mén)；22—井口裝置；23—生產(chǎn)管線(xiàn)(圖中虛線(xiàn)代表可選項(xiàng))圖2 水下立式單通道采油樹(shù)示意圖(含油管頭)

圖3 立式單通道采油樹(shù)

1.1 生產(chǎn)通道偏心設(shè)計(jì)的單通道采油樹(shù)

1.1.1 采油樹(shù)的技術(shù)特點(diǎn)

(1) 通過(guò)在油管掛的環(huán)空通道設(shè)置1-1/4″的液控球閥，提供環(huán)空通道的屏障，省去了在油管掛環(huán)空通道安裝鋼絲堵頭的作業(yè)需求，因此取消了采油樹(shù)本體的環(huán)空垂直進(jìn)入通道和環(huán)空清蠟閥，使立式采油樹(shù)本體改進(jìn)成垂直的單通道設(shè)計(jì)，節(jié)省了采油樹(shù)成本。另外，還簡(jiǎn)化了采油樹(shù)的安裝作業(yè)，即使用鉆桿安裝采油樹(shù)，并通過(guò)管柱外側(cè)的一條服務(wù)管線(xiàn)(或修井控制臍帶纜管束中的一條管線(xiàn))和采油樹(shù)的環(huán)空閥門(mén)提供環(huán)空循環(huán)通道。

(2) 采油樹(shù)頂部為13-5/8″芯軸，用于連接單通道下部立管總成(lower riser package，LRP)和應(yīng)急解脫單元(emergency disconnect package，EDP)。

(3) 整體技術(shù)參數(shù)：

壓力等級(jí)：10 000 psi(69.0 MPa);

溫度等級(jí)：-43 ～ 149℃(-46 ～ 300℉)；

材料等級(jí)：生產(chǎn)側(cè)HH，環(huán)空側(cè)EE；

最大水深：6 000 ft(1 829 m)；

尺寸(長(zhǎng)×寬)：5 m× 5 m；

井下功能穿越能力：7條液管線(xiàn)，2條電線(xiàn)。

1.1.2 油管掛的技術(shù)特點(diǎn)

(1) 油管掛環(huán)空通道的液控球閥雙向金屬密封，密封可靠性高。液控球閥通過(guò)修井控制臍帶纜進(jìn)行控制，在生產(chǎn)過(guò)程中由生產(chǎn)控制系統(tǒng)控制，通常為開(kāi)啟狀態(tài)。

(2) 油管掛生產(chǎn)通道采用偏心設(shè)計(jì)，故油管掛的安裝需要導(dǎo)向至預(yù)定的方位，便于采油樹(shù)安裝至預(yù)定的方位時(shí)對(duì)齊生產(chǎn)與環(huán)空通道及井下控制/藥劑管線(xiàn)的液電接頭。由于井口頭內(nèi)部沒(méi)有導(dǎo)向裝置，需要在防噴器內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)向銷(xiāo)，座掛時(shí)，安裝送入管柱底部的導(dǎo)向短接，沿著導(dǎo)向鍵旋轉(zhuǎn)至預(yù)定的方位。

(3) 下入油管掛之前，需要下入鉛印工具，測(cè)量最后一層套管掛的安裝高度；根據(jù)鉛印工具的測(cè)量結(jié)果，油管掛在水下井口內(nèi)部的鎖緊位置可調(diào)余量高達(dá)1/2″。

(4) 座掛后，需要下入方位和高度檢查工具，核實(shí)油管掛的方位，并確認(rèn)油管掛鎖緊到位。

(5) 油管掛鎖緊至高壓井口頭內(nèi)部，最后一層套管掛上方，以抵抗管柱環(huán)空壓力和熱膨脹載荷。

(6) 生產(chǎn)通道尺寸范圍：4-1/16″、5-1/8″。

(7) 環(huán)形密封總成金屬密封，并帶有彈性備用密封。

(8) 密封短接金屬密封，密封油管掛與采油樹(shù)的通道界面。

1.2 生產(chǎn)通道同心設(shè)計(jì)的單通道采油樹(shù)

1.2.1 采油樹(shù)的技術(shù)特點(diǎn)

(1) 通過(guò)在油管掛的環(huán)空通道設(shè)置液控梭閥(shuttle valve)，提供進(jìn)入環(huán)空通道的屏障，省去了在油管掛環(huán)空通道安裝鋼絲堵頭的作業(yè)需求，因此取消了采油樹(shù)本體的環(huán)空垂直進(jìn)入通道和環(huán)空清蠟閥，節(jié)省了采油樹(shù)成本且采油樹(shù)的生產(chǎn)通道采用同心設(shè)計(jì)。另外，還簡(jiǎn)化了采油樹(shù)的安裝作業(yè)，即使用鉆桿安裝采油樹(shù)，并通過(guò)管柱外側(cè)的一條服務(wù)管線(xiàn)(或修井控制臍帶纜管束中的一條管線(xiàn))和采油樹(shù)上的環(huán)空閥門(mén)提供環(huán)空循環(huán)通道。

(2) 采油樹(shù)頂部為13-5/8″芯軸，用于連接單通道的下部立管總成(LRP)和應(yīng)急解脫單元(EDP)，LRP/EDP可與采油樹(shù)安裝工具集成。

(3) 整體技術(shù)參數(shù)：

壓力等級(jí)10 000 psi(69.0 MPa)；溫度等級(jí)-43～ 149℃(-46 ～ 300℉)；材料等級(jí)：生產(chǎn)側(cè)HH，環(huán)空側(cè)EE；最大水深：6 000 ft(1 829 m)；尺寸(長(zhǎng)×寬)：5 m×5 m；井下功能管線(xiàn)穿越能力：7條液管線(xiàn)，2條電線(xiàn)。

1.2.2 油管掛的技術(shù)特點(diǎn)

(1) 依靠環(huán)空通道兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的液控梭閥(shuttle valve)提供環(huán)空屏障和足夠的環(huán)空通道。

(2) 兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的液控梭閥將環(huán)空通道一分為二，即能使生產(chǎn)通道采用同心設(shè)計(jì)，還可以增大生產(chǎn)通道的尺寸，范圍為4-1/16″、5-1/8″、7-1/16″。

(3) 同心油管掛不需要導(dǎo)向，可簡(jiǎn)化安裝操作。

(4) 根據(jù)鉛印工具的測(cè)量結(jié)果，油管掛在水下井口內(nèi)部的鎖緊位置可調(diào)余量高達(dá)1/2″。

(5) 油管掛鎖緊至高壓井口頭內(nèi)部，最后一層套管掛上方，以抵抗管柱環(huán)空壓力和熱膨脹載荷。

(6) 環(huán)形密封總成金屬密封，并帶有彈性備用密封。

(7) 密封短接金屬密封，密封油管掛與采油樹(shù)的通道界面。

1.3 安裝步驟/作業(yè)案例分析

以井身結(jié)構(gòu)30″×20″(13-3/8″)×9-5/8″的印度洋某油田為例，水下井口和立式單通道采油樹(shù)的生產(chǎn)通道采用偏心設(shè)計(jì)，安裝步驟如下：

(1) 安裝臨時(shí)導(dǎo)向基盤(pán)(temporary guide base，TGB)。

(2) 安裝30″導(dǎo)管頭和永久導(dǎo)向基盤(pán)(permanent guide base，PGB)。

(3) 17-1/2″井段鉆進(jìn)作業(yè)后，下入13-3/8″套管柱至20″×13-3/8″變扣大小頭，連接并安裝18-3/4″高壓井口頭(預(yù)先安裝18-3/4″高壓井口頭的抗磨補(bǔ)芯)。

(4) 下入水下防噴器組，下入試壓工具試壓，回收試壓工具。

(5) 回收高壓井口頭的抗磨補(bǔ)芯。

(6) 安裝套管掛升高短接、9-5/8″套管掛及密封總成。

(7) 安裝9-5/8″套管掛的抗磨補(bǔ)芯，8-1/2″井段鉆進(jìn)作業(yè)，并回收抗磨補(bǔ)芯。

(8) 下入并回收鉛印工具，獲取9-5/8″套管掛的安裝高度(油管掛的座掛界面)，并相應(yīng)上下調(diào)節(jié)油管掛的鎖環(huán)位置。

(9) 使用“送入工具+導(dǎo)向短接”工具串安裝油管掛至高壓井口頭，如圖5所示。油管掛到位之前，液壓伸出位于防噴器組內(nèi)部的導(dǎo)向銷(xiāo)，導(dǎo)向短接的螺旋線(xiàn)與導(dǎo)向銷(xiāo)配合，將油管掛旋轉(zhuǎn)安裝至預(yù)定方位。

圖5 單通道油管掛安裝設(shè)備及管柱布局圖[4]

(10) 下入油管掛的方位檢查工具、回收工具并核實(shí)油管掛的方位是否滿(mǎn)足預(yù)定要求。

(11) 安裝油管掛生產(chǎn)通道的鋼絲堵頭。

(12) 回收水下防噴器組。

(13) 安裝采油樹(shù)、試壓，并回收油管掛生產(chǎn)通道的鋼絲堵頭，如圖6所示。

圖6 單通道采油樹(shù)安裝設(shè)備及管柱布局圖[4]

(14) 安裝樹(shù)帽、試壓(采油樹(shù)與樹(shù)帽使用同一安裝工具)。

2 單通道同心采油樹(shù)且油管掛安裝在油管頭

油管掛安裝至油管頭內(nèi)部，油管頭位于水下采油樹(shù)和高壓井口頭之間。先安裝油管頭，再安裝油管掛，最后安裝采油樹(shù)和承壓的樹(shù)帽。

由于避開(kāi)了油管掛與高壓井口頭的界面，從而增加了水下井口、采油樹(shù)的選擇靈活性。

2.1 單通道同心采油樹(shù)的技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1 采油樹(shù)的技術(shù)特點(diǎn)

(1) 油管頭的環(huán)空通道在油管掛下方進(jìn)入環(huán)空，并設(shè)置一道隔離閘閥提供安全屏障，采油樹(shù)、油管掛均采用垂直單通道同心設(shè)計(jì)，使用鉆桿或油套管安裝采油樹(shù)，并通過(guò)管柱外側(cè)的一條服務(wù)管線(xiàn)(或修井控制臍帶纜管束中的一條管線(xiàn))和采油樹(shù)的環(huán)空閥門(mén)，提供環(huán)空循環(huán)通道。

(2) 閥組集成設(shè)計(jì)：3個(gè)5-1/8″閘閥(PMV、PSV、PWV)；4個(gè)2-1/16″閘閥(AAV、AMV、AWV和XOV)。

(3) 閥組頂部芯軸改進(jìn)成27″ H4剖面，便于連接水下防噴器組，同心采油樹(shù)在位時(shí)也可以使用鉆井船進(jìn)行修井作業(yè)。

(4) 可共用水下臥式采油樹(shù)的安裝工具，降低成本，提高工具利用率。

(5) 整體技術(shù)參數(shù)：

壓力等級(jí)：15 000 psi(103.4 MPa)；

溫度等級(jí)：-43 ～ 149℃(-46～ 300℉)；

材料等級(jí)：生產(chǎn)側(cè)HH，環(huán)空側(cè)EE；

最大水深：15 000 ft(4 572 m)；

尺寸(長(zhǎng)×寬)：5 m×5 m；

井下功能管線(xiàn)穿越能力：10條液管線(xiàn)，2條電線(xiàn)。

2.1.2 油管頭的技術(shù)特點(diǎn)

(1) 提供2-1/16″環(huán)空通道及ROV手動(dòng)操作的閘閥屏障。

(2) 提供油管掛的鎖緊及密封面。

(3) 提供油管掛的導(dǎo)向裝置——螺旋套。因此，水下防噴器組不需要提供導(dǎo)向銷(xiāo)，這樣可以增加鉆井平臺(tái)的選擇靈活性。

(4) 頂部27″ H4剖面，底部用井口連接器鎖緊至高壓井口頭。

(5) 鉆通設(shè)計(jì)：安裝油管頭和水下防噴器組之后，其內(nèi)部的隔離套和抗磨補(bǔ)芯允許通過(guò)12-1/4″鉆頭繼續(xù)鉆井。

(6) 可提前安裝生產(chǎn)跨接管至油管頭，一旦采油樹(shù)安裝完成后，可通過(guò)生產(chǎn)管線(xiàn)做測(cè)試，即可不通過(guò)鉆井平臺(tái)做測(cè)試，并且采油樹(shù)安裝及測(cè)試均可不要EDP/LEP設(shè)備，節(jié)省了鉆機(jī)時(shí)間及設(shè)備成本。

(7) 需要油管頭到位才能進(jìn)行完井作業(yè)，而油管頭需要與第一套采油樹(shù)完成擴(kuò)展的工廠驗(yàn)收測(cè)試EFAT之后才能運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)，即完井作業(yè)受限于采油樹(shù)的交貨工期，且需增加一次水下防噴器組的起出下入作業(yè)，該特點(diǎn)與水下臥式樹(shù)相同。

2.1.3 油管掛的技術(shù)特點(diǎn)

(1) 同心的單通道油管掛，無(wú)環(huán)空通道。

(2) 生產(chǎn)通道尺寸范圍：4-1/16″、5-1/8″、7-1/16″。

(3) 環(huán)形密封總成金屬密封，并帶有彈性備用密封。

(4) 油管掛鎖緊至油管頭內(nèi)部，不需要下入鉛印工具測(cè)量套管掛的安裝高度。

(5) 座掛時(shí)，油管掛底部套筒的導(dǎo)向鍵沿著油管頭內(nèi)部的導(dǎo)向裝置——螺旋套旋轉(zhuǎn)至預(yù)定的方位。

(6) 座掛后，由于油管掛和采油樹(shù)均為同心設(shè)計(jì)，不需要下入油管掛方位檢查工具。

(7) 密封短接金屬密封，密封油管掛與采油樹(shù)的通道界面。

2.2 安裝步驟/作業(yè)案例分析

以井身結(jié)構(gòu)30″×20″(13-3/8″)×9-5/8″的墨西哥灣某油田為例，水下井口、單通道同心采油樹(shù)、油管頭的安裝步驟如下：

(1) 安裝臨時(shí)導(dǎo)向基盤(pán)。

(2) 安裝30″導(dǎo)管頭和永久導(dǎo)向基盤(pán)。

(3) 17-1/2″井段鉆進(jìn)作業(yè)后，下入13-3/8″套管柱至20″×13-3/8″變扣大小頭，連接并安裝18-3/4″高壓井口頭(預(yù)先安裝18-3/4″井口頭的抗磨補(bǔ)芯)。

(4) 下入水下防噴器組，下入試壓工具試壓，回收試壓工具。

(5) 回收高壓井口頭的抗磨補(bǔ)芯。

(6) 安裝套管掛升高短接、9-5/8″套管掛及密封總成。

(7) 安裝9-5/8″套管掛的抗磨補(bǔ)芯，8-1/2″井段鉆進(jìn)作業(yè)，并回收抗磨補(bǔ)芯。

(8) 回收水下防噴器組。

(9) 安裝油管頭至高壓井口頭、試壓。

(10) 下入水下防噴器組至油管頭，并下入試壓工具試壓，回收試壓工具。

(11) 使用送入工具安裝油管掛至油管頭。

(12) 安裝油管掛生產(chǎn)通道的鋼絲堵頭。

(13) 回收水下防噴器組。

(14) 安裝采油樹(shù)、試壓，并回收油管掛的鋼絲堵頭。

(15) 安裝樹(shù)帽、試壓(采油樹(shù)與樹(shù)帽使用同一安裝工具)。

3 安裝工具

(1) 油管掛的安裝：使用油套管和送入工具(tubing hanger running tool，THRT)，通過(guò)防噴器組內(nèi)部安裝油管掛，如圖5所示。如需立即清井測(cè)試，則送入管柱。此外，還需要配置水下測(cè)試樹(shù)(subsea test tree，SSTT)，提供兩道安全屏障及應(yīng)急解脫功能。

(2) 采油樹(shù)的安裝：使用送入工具(tree running tool，TRT)安裝采油樹(shù)，如圖6所示。

如需通過(guò)鉆井平臺(tái)完成立即清井測(cè)試，則還須使用下部立管總成(LRP)和應(yīng)急解脫單元(EDP)。LRP具備剪切鋼絲和連續(xù)油管的能力，且能封井；EDP用于應(yīng)急解脫采油樹(shù)送入管柱。但若采油樹(shù)的清蠟閥(swab valve)具備鋼絲/連續(xù)油管的剪切能力，可省略LRP和EDP，最終取決于油公司對(duì)安全屏障的評(píng)估。

如通過(guò)生產(chǎn)管線(xiàn)進(jìn)行清井測(cè)試，可省略LRP和EDP。

(3) 通過(guò)安裝修井控制系統(tǒng)(installation workover control systems，IWOCS)，遠(yuǎn)程控制安裝工具。

4 結(jié) 語(yǔ)

水下立式單通道采油樹(shù)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的常用設(shè)備，包含單通道采油樹(shù)和帶油管頭的同心采油樹(shù)兩種，兩者主要區(qū)別在于油管掛的安裝位置不同。

(1) 采用生產(chǎn)通道偏心設(shè)計(jì)的單通道采油樹(shù)，通過(guò)在油管掛的環(huán)空通道設(shè)置1-1/4″的液控球閥，提供環(huán)空通道的屏障，油管掛的安裝需水下防噴器提供導(dǎo)向銷(xiāo)。

(2) 生產(chǎn)通道同心設(shè)計(jì)的單通道采油樹(shù)，通過(guò)在油管掛的環(huán)空通道設(shè)置液控梭閥(shuttle valve)提供進(jìn)入環(huán)空通道的屏障，油管掛的安裝不需要導(dǎo)向。

(3) 同心采油樹(shù)的油管掛安裝在油管頭。在油管頭的環(huán)空通道設(shè)置一道隔離閘閥提供安全屏障，并提供油管掛的導(dǎo)向裝置——螺旋套。因此，水下防噴器組不需要導(dǎo)向銷(xiāo)，這樣增加鉆井平臺(tái)的選擇靈活性。另外，可提前安裝生產(chǎn)跨接管至油管頭，一旦采油樹(shù)安裝完成后，可通過(guò)生產(chǎn)管線(xiàn)做測(cè)試。

(4) 與安裝測(cè)試相關(guān)的安全屏障及解脫工具，如水下測(cè)試樹(shù)(SSTT)、下部立管總成(LRP)、應(yīng)急解脫單元(EDP)的選用，可根據(jù)具體項(xiàng)目的清井測(cè)試時(shí)間點(diǎn)和油公司對(duì)于安全屏障的評(píng)估進(jìn)行選擇或取舍。