水下采油樹應用技術發展現狀

水下采油樹系統是水下生產系統的核心設備，主要包括水下采油樹、水下油管掛和水下控制系統3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，監測生產壓力、環空壓力、溫度、地層出砂量及含水量等油氣井參數，向井筒注入化學藥劑改善流體流動性能，提供測試和修井期間進入油氣井筒的通道，支撐油管柱并密封井下油管和生產套管之間的環形空間，同時和水下井口系統一起構成井下儲層與環境之間的隔離屏障。

從20世紀60年代開始應用水下采油樹以來，全球已經應用5000多套水下采油樹。目前，水下采油樹的最大設計工作水深達到3000m，溫度范圍-46～180℃，額定壓力高達103.5MPa。2008年殼牌石油公司在墨西哥灣Perdido項目的Tobago油田使用FMCTechnologies的深水采油樹，安裝水深創世界紀錄，達到2934m。我國南海油氣田從1996年開始應用水下采油樹，目前已有9個油氣田采用水下井口采油樹完井，應用最大水深達1457m。

目前，國外的5家水下采油樹供應商（FMCTechnologies、Cameron、VetcoGray（GEOil＆Gas）、AkerSolutions和Dril-Quip）占據了市場的壟斷地位。國內有多家知名制造企業正在研制水下采油樹，其關鍵在于能否順利通過相關標準規范所要求的壓力循環測試、高低溫循環測試、載荷循環測試及外部高壓測試等，以鑒定產品各個部件的設計、材質，選擇及制造工藝能否滿足額定工作條件的要求。筆者擬在此介紹國外水下采油樹的發展現狀和結構特點，以期為我國的水下采油樹設計和應用提供參考。

1 標準規范

美國石油學會API標準已成為石油行業事實上的國際標準，是國際標準化組織ISO制修訂石油石化設備標準的主要參考對象，特別是API采取的產品會標認證制度，影響力遠超ISO標準。

水下生產系統的設計制造標準規范為API17A、B、C……系列，ISO—13628標準系列等同采用了API17系列。但從2012年開始，API停止與ISO的等同采用，直接與水下采油樹相關的標準為APIＲP17A、APISpec17D、APIStandard17F、APIＲP17H、APIＲP17N和APISpec6A。API和ISO標準經常規范性引用挪威船級社DNV、美國防腐工程師協會NACE、美國材料與試驗協會ASTM、美國機械工程師學會ASME及美國焊接學會AWS等標準。這些標準是支撐海洋鉆采裝備設計、制造和使用的重要技術文件。另外，還包括相關的質量管理體系標準，即質量管理體系APIQ1和ISO9001、管理體系ISO14001HSE及HSE管理體系OHSAS18001等。

2 水下采油樹的結構類型

水下立式采油樹的應用始于20世紀60年代，在電泵舉升的油井及復雜儲層井應用時，由于電泵損壞需要頻繁起出生產管柱更換電泵的大修井作業，或由于高含水等原因后期需要側鉆，則需要先起出立式采油樹才能起出生產管柱，導致修井時間較長，費用高。為了克服立式采油樹大修井費用高的缺點，20世紀90年代，采油樹供應商開始制造臥式采油樹。

2.1水下臥式采油樹與立式采油樹

2.1.1臥式采油樹

主閥位于垂直通道的水平側，油管掛坐掛于樹本體內部，先安裝采油樹再安裝生產管柱。大修井可直接起出生產管柱，適合于大修井（電泵井和復雜儲層井）與后期有側鉆需求的井;而且由于樹本體內部已知的坐掛位置和密封面，油管掛更容易坐掛密封。盡管水下采油樹故障率遠低于生產管柱（如電潛泵和滑套等）的故障率，一旦采油樹發生故障，還是要先回收生產管柱，才能起出采油樹。

2.1.2立式采油樹

主閥位于采油樹的垂直通道，油管掛坐掛于高壓井口頭內部或高壓井口頭上方的油管四通內部。相比于臥式采油樹在海上安裝內樹帽/堵塞器作為垂直通道的兩道隔離屏障，立式采油樹的2個主閥作為隔離屏障的可靠性更高，且可直接回收出現故障的立式采油樹（小概率事件），無需起出生產管柱。再者，大修井回收生產管柱之前，必須先回收立式采油樹，因此不適合大修井頻率較高且后期有側鉆需求的井;當油管掛坐掛于高壓井口頭內部時，下入生產管柱之前，需要單獨下鉆1趟，用鉛印確認油管掛在高壓井口頭內部的坐掛位置。

由于臥式采油樹和立式采油樹各有優勢，通常一種型式的水下采油樹在某一海域的應用占有優勢，且2種類型的水下采油樹應用總數量大致相當。FMCTechnologies的水下采油樹項目的統計數據表明，墨西哥灣20～2300m水深2種類型的水下采油樹都有應用，巴西深水主要應用立式采油樹，挪威北海水深小于400m的油氣田主要應用臥式采油樹，英國北海以臥式采油樹為主，北非2種采油樹都有應用。

2.2水下采油樹的結構演變

2.2.1鉆通式臥式（鉆通式）采油樹

在安裝高壓井口頭后，立即安裝鉆臥式采油樹，然后在樹上安裝水下防噴器組進行后續的鉆井和完井作業。因此，鉆臥式采油樹僅需起下防噴器組1次，而普通臥式采油樹需起下防噴器組2次。另外，多口井的批鉆井和批完井時（BatchDrilling/Completion），采用鉆通式采油樹能減少移船次數，3口井的批鉆井和批完井作業，普通臥式采油樹需移船8次，而鉆通式樹僅需移船4次。英國石油公司BP等在英國北海應用多套Cameron鉆通式采油樹。

鉆通式采油樹需選用425.45或346.08mm的小通徑高壓井口頭，采油樹頂部采用標準的476.25mm（18-3/4in）井口頭方便套管通過，同時在采油樹內部為油管掛提供坐掛臺階。小通徑的高壓井口頭限制了φ339.7mm套管井眼段鉆進的鉆頭尺寸，但可以通過井下膨脹鉆頭和擴眼器等解除該限制。另外，需合理設計采油樹的抗磨補心，減輕因后續的鉆完井作業可能對鉆通式采油樹內腔密封區域及孔道造成的損傷。

2.2.2改進型臥式采油樹

普通臥式采油樹由內樹帽和1個堵塞器構成垂直通道的2道隔離屏障，安裝內樹帽之前需要下入沖洗管柱，清潔位于油管掛頂部的內樹帽的坐落剖面，再用安裝管柱安裝內樹帽。改進型臥式采油樹“EHXT”（EnhancedHorizontalChristmasTree）直接用鋼絲繩作業，在油管掛內部安裝2個堵塞器作為垂直通道的2道隔離屏障，安裝2個堵塞器僅需要數小時即可，消除內樹帽及其安裝時間。FMC和AkerSolutions均有改進型臥式采油樹。

2.2.3復合型水下采油樹

Cameron公司的復合型采油樹“HyFlex”獲得2016年度海洋技術大會（OffshoreTechnologyConference）海洋新技術大獎。該型采油樹的結構包括:①含有井口連接器和隔離閥組的油管四通;②臥式采油樹的油管掛，安裝在油管四通的內部;③采油樹組塊，組塊包含所有的液控驅動閥、節流閥、控制系統、傳感器、流量計和其他儀器。復合型水下采油的特點:采油樹位于油管四通頂部，油管掛與采油樹彼此獨立，因此油管掛與采油樹均可單獨回收;同時，具備立式采油樹回收采油樹不擾動生產管柱，以及臥式采油樹回收生產管柱不擾動采油樹的優點，安裝順序和修井作業具有更大的柔性。

3 水下采油樹的控制系統類型

水下采油樹控制系統的類型可概括為3種:純液控系統（直接式和先導式）、電液控制系統及純電控系統。應根據控制距離選擇合適的控制系統，實現對水下采油樹的遠程控制。純液控系統簡單可靠，但不具備數據監測能力，且由于響應速度較慢，僅適合于5km之內的控制距離;電液控制系統響應時間較快，是當前應用最廣泛的控制系統，最多可提供46個水下控制功能，FMCTechnologise公司的電液控制系統可應用于145km的遠程控制距離;純電控制系統無液壓控制設施及其費用，且響應速度最快，是新一代的水下控制系統。

美國Cameron和FMCTechnologies公司均可提供純電控制系統。Cameron公司從1999年開始研發純電控的水下電采油樹（AllElectricTree），研制的第1代電控制模塊具備16個水下控制功能，正在研發的第2代電控制模塊具備32個水下控制功能。目前，僅有1個純電控水下采油樹開發項目，即道達爾公司（Total）2008年在荷蘭北海水深44m的K5F氣田項目。該氣田首次商業化應用Cameron公司提供的2套直流電控水下泥線采油樹，采用純電控的閘板閥門及驅動器、電控的節流閥和化學藥劑注入閥。Cameron公司2016年研發出第2代純電控水下采油樹（增加井下安全閥的電控功能），具備3000m的設計水深等級，25a的設計壽命，并計劃在K5F3項目進行商業化應用。

4 水下采油樹系統安裝技術

4.1安裝管柱

4.1.1采油樹系統的安裝

管柱臥式采油樹的安裝管柱相對簡單，可在浮式鉆井裝置（鉆井平臺或鉆井船）上利用鉆柱通過月池進行安裝，甚至可用能力足夠的鉆井平臺的懸臂絞車進行安裝。另外，可用工程船的大噸位吊機進行安裝。由于動力定位的工程船機動性強，且無拖航拋錨等工程時間，與鉆井平臺的安裝時效相比，具有更高的安裝效率，節省作業費用，是深水水下采油樹新的安裝途徑和方式。中海油深圳分公司最近的2個新水下開發項目中的采油樹均采用工程船安裝方式。

立式采油樹的安裝需要使用完井/修井隔水管、緊急解脫總成EDP（EmergencyDisconnectPackage）和下部完井修井隔水管總成LRP（LowerＲiserPackage）。雙通道立式采油樹的安裝使用雙通道完井/修井隔水管，或者使用經濟性更好的單通道完井/修井隔水管。單通道立式采油樹使用單通道完井/修井隔水管進行安裝。單通道隔水管可由鉆桿柱或套管柱構成，需要在LRP的上方配置孔選擇器（BoreSelector），通過管柱外側的軟管或在修井臍帶纜里增加1條軟管提供環空通道。

4.1.2油管掛的安裝

管柱臥式采油樹和立式采油樹的油管掛都需要使用坐落管柱（LandingString）在鉆井隔水管內部進行安裝。坐落管柱是用于油管掛安裝及油氣測試的水下安全裝置，通常包含水下測試樹SSTT、承留閥ＲV、防噴閥LV和送入套管柱。水下測試樹具備緊急解脫功能和鋼絲/連續管的剪切功能，從水下測試樹位置緊急解脫斷開坐落管柱之前，承留閥使坐落管柱與外部環境隔離，并將承留閥以上的流體封閉在坐落管柱內部。防噴閥通常位于轉盤面以下27.4m，也可緊接著安裝于承留閥的上方。

4.1.3內樹帽的安裝

管柱用安裝油管掛的坐落管柱進行內樹帽的安裝，也可用送入套管和內樹帽的專用安裝工具安裝。

4.2安裝及修井控制系統

安裝水下采油樹和完井與修井作業期間，在鉆井平臺上面使用安裝及修井控制系統IWOCS（InstallationandWorkoverControlSystem），以達到對水下采油樹操作和監控的目的。IWOCS有2種控制類型（液壓控制和電液復合控制），應根據控制距離和作業裝置選擇合適的控制類型。液壓控制系統響應速度較慢，適用于水深915m以內的控制距離;電液復合控制系統響應速度快，具備數據監控功能，可應用于水深3050m以內的控制距離，且動力定位的鉆井平臺需要配置電液復合控制的IWOCS系統，以滿足快速解脫對響應時間的要求。

5 發展趨勢

5.1超深水采油樹

2008年，FMCtechnologies公司的深水立式單通道采油樹“EVDT”（EnhancedVerticalDeepwaterTree）安裝在Shell墨西哥灣Perdido項目的Tobago油田，安裝水深創世界紀錄，達到2934m。Perdido項目也是墨西哥灣首個完全采用水下分離和增壓系統的水下項目。

5.2超高溫高壓水下采油樹

2014年，FMCtechnologies公司與阿納達科、英國石油、康菲及殼牌等石油公司形成聯合開發項目組，預計2018年將研發出壓力138MPa、工作溫度180℃的超高溫高壓水下生產裝備，以開發泥線壓力溫度高達138MPa，180℃的深水儲藏?；诖?，2015年7月殼牌決定開發墨西哥灣水深2195m的“Appomattox”深水項目，井口流溫180℃，將采用FMCtechnologies公司的高溫高壓深水采油樹“EVDT”，預計2020年投產。

5.3其他新工藝與技術

5.3.1水下處理組件的模塊化設計

Cameron公司的水下處理組件“ＲPM”（SubseaRetrievableProcessModule）采用模塊化設計，根據需求進行彈性配置，可包括流量計、節流閥、取樣器、傳感器、地層砂探測器、化學藥劑計量閥及高完整性壓力保護系統等。標準化的水下采油樹的接口適用于各類水下采油樹，可單獨生產，利于縮短采油樹的供貨周期。

5.3.2跨接管式電泵增壓系統

2014年，AkerSolutions公司與BakerHughes公司結成的水下生產聯盟開發出了跨接管式電泵增壓系統，電泵與跨接管組合在一起的模塊化設計便于電泵的安裝與回收，是一種新型泥線增壓系統。

5.3.3跨接管式流量計

GEOilGas公司將多相流量計安裝在連接采油樹與中心管匯的跨接管，可減少水下采油樹的接口與復雜程度。另外，還研發了水下虛擬計量技術。

5.3.4高完整性壓力保護系統

HIPPS(HighIntegrityPressureProtectionSystem)組件是一種安全裝置，它通過切斷壓力源，防止超壓，保護下游設備，允許高壓生產井安全地回接至已有的低壓力等級的下游設備和管線。HIPPS組件包括安全閥、壓力傳感器和控制系統。通過選擇安全可靠的HIPPS，可以降低下游設備和管線的壓力等級，從而降低工程投資。

6 結論

（1）當前的水下采油樹的最大設計工作水深達3050m，溫度范圍－46～180℃，額定壓力103.5MPa，安裝水深達到2934m。

（2）臥式采油樹和立式采油樹各有優勢，通常一種結構形式的水下采油樹在某一海域的應用占有優勢，且應用總數大致相當。水下采油樹的結構在逐步發展演變，未來新型水下采油樹將結合臥式采油樹和立式采油樹的優點。

（3）應根據控制距離選擇合適的水下生產控制系統類型，目前電液控制系統應用最廣泛。純電控制系統無液壓控制設施及其費用，且響應速度最快，是新型控制系統。

（4）臥式采油樹可用浮式鉆井裝置的鉆柱或用工程船的大噸位吊機的鋼絲進行安裝，立式采油樹需要使用完井/修井隔水管、緊急解脫總成EDP和下部完井修井隔水管總成LＲP進行安裝;油管掛使用坐落管柱在鉆井隔水管內部進行安裝;內樹帽可用安裝油管掛的坐落管柱或使用送入套管和內樹帽的專用安裝工具進行安裝。

（5）液壓控制的安裝及修井控制系統IWCOS僅適用于水深915m以內的控制距離;電液復合控制的IWOCS系統可應用于水深3050m以內的控制距離，且動力定位的鉆井平臺需要配置電液復合控制的IWOCS系統。

（6）超深水和超高溫高壓的水下采油樹是水下采油樹的未來發展方向。水下采油樹的模塊化設計可縮短采油樹的供貨周期，跨接管式電泵增壓系統、跨接管式流量計和高完整性壓力保護系統等新工藝技術的出現，將有利于降低水下采油樹和水下開發項目的綜合成本。

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