深水水下采油树系统的选型方案研究

王 宇，张俊斌，蒋世全，刘永峰，郝希宁

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

深水水下采油树系统的选型方案研究

王 宇1，张俊斌2，蒋世全1，刘永峰2，郝希宁1

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

水下采油树系统正确选型对降低深水油气开发项目的综合成本至关重要。在充分分析调研的基础之上，归纳出一套深水水下采油树系统的选型方法：总结水下采油树、油管挂和树帽的结构形式特点及其适用范围，并分析井口连接器、水下阀门、水下监控设备等关键部件的选型考虑因素和配置要求，给出材料等级、压力等级、温度等级、产品规范等级、性能要求等级等关键工作条件参数的确定方法，并总结出水下生产控制系统和安装及修井控制系统的适用范围。

水下采油树；选型；油管挂；生产控制系统；安装及修井控制系统

0 引 言

水下采油树系统是水下生产系统核心设备，主要包括水下采油树、油管挂和水下生产控制系统三部分，其主要功能是对生产的油气或注入储层的水/气进行流量控制，并和水下井口系统系统一起构成井下产层与环境之间的压力屏障。

水下采油树系统的正确选型对于油气田的初期成本和整个寿命期的运行维护成本有重要影响，石油公司和水下采油树供应商都十分重视。石油公司侧重于不同结构类型的采油树对油气田全寿命周期的成本影响，如1998年由5家美国石油公司和矿产管理局组成的工业联合研究项目(JIP)进行了水下生产系统全寿命期成本模型的组成要素分析[1]；2002年FMC Technologies公司进行了各类水下采油树在油气田全寿命周期中的各阶段的成本对比案例分析[2]；2013年Cameron公司开发出一套采油树选型工具软件“Tree Selector Tool”，该软件能够根据经济性、性能特性和预期风险，提供采油树的50多个功能和性能要求[3]。

另外，水下井口采油树的设计制造标准规范API Spec 17D给出了水下采油树的工作条件(压力等级、温度等级、材料等级)和产品规范等级的类别，并提供了水下采油树选型的数据表[4]。

在充分调研分析的基础之上，本文归纳总结出一套深水水下采油树系统的选型方法，为深水水下采油树的选型提供参考。

1 水下采油树系统的类型选择

1.1 选择原则

水下采油树系统类型的选择原则如下：(1)综合考虑开发油气田的修井频率、开发成本、油气田水深、人工举升方案、完井管柱尺寸大小和完井难易程度等因素选择水下采油树类型；(2)安全可靠，便于完井修井作业，使用功能及寿命满足油气田开发要求；(3)与安装平台能力相匹配，考虑钻井防喷器组、吊机能力、甲板的空间与负载能力、月池空间等。

1.2 水下采油树的结构类型选择

可供选择的有两种结构类型的水下采油树：立式采油树和卧式采油树。

1.2.1结构类型及特点

如图1所示，卧式采油树的主阀位于垂直通道的水平侧，油管挂坐挂于树本体内部。立式采油树的主阀位于采油树的垂直通道内部，油管挂通常坐挂于高压井口头内部。两种采油树的不同结构决定了各自的优势与局限[5]，且具有互补的特性，具体如表1所示。

图1 两种水下采油树的结构示意图Fig.1 Structural diagram of subsea Christmas trees

优 势局 限卧式树(1)侧钻8-1/2英寸(1英寸=2.54cm)和6英寸井眼或修井起出生产管柱等后续作业不用回收采油树,节约修井和再完井时间与成本;(2)油管挂安装于采油树本体内,坐挂位置和密封面已知;导向筒安装在树体内部,容易定向和坐挂密封;(3)满足井下电潜泵完井对大通径的要求;(4)不同供应商的采油树和井口头接口简单。(1)如回收发生故障的采油树(小概率事件),需要先回收生产管柱;(2)树顶部安装水下防喷器进行完井作业时,井口承受更大的弯矩载荷(井口稳定性与疲劳寿命)。立式树(1)2套闸阀作为垂直通道的2道压力屏障,比卧式树在现场安装的内树帽/堵塞器更可靠;(2)钢丝及连续油管等干预作业用轻型修井船进行,不需要钻井防喷器组;(3)可直接回收故障的采油树(小概率事件),无需起出生产管柱。(1)修井起出生产管柱,必须先回收采油树;(2)需在防喷器组内部(阻流压井管线的出口或井口连接器)安装定位销钉或定位套筒;(3)油管挂与高压井口头的界面很关键:下生产管柱前,需下钻打铅印确认油管挂的坐挂位置;如不兼容,需额外安装油管头(TubingSpool)。

1.2.2水下采油树应用概述

两种采油树具有优势互补的特性，同时由于作业者对某种采油树的安装工艺和工具的熟练程度引起的选择偏好，通常一种结构类型的水下采油树在某一海域的应用占有优势，但两种类型的采油树在全球范围内的应用总量大致相当[5]。

我国从1996年开始在南海油气田应用水下生产系统[6-9]，由于储层底水充足等原因，且后期有修井与侧钻需求，9个油气田全部采用水下卧式采油树，应用最大水深达1457m，具体如表2所示。

表2 中国南海水下采油树的应用统计

1.3 油管挂的类型选择

1.3.1选择考虑因素

选择油管挂时主要考虑如下因素：(1)油管挂的结构类型、工作条件(压力等级、材料等级、温度等级等)应与水下采油树匹配；油管挂的外径与钻井隔水管和防喷器组的内径相匹配；(2)油管挂的本体满足井下管线穿越孔数量以及环空通道的要求；(3)油管挂的通径尺寸(3-1/2、4、5、7英寸等)满足配产的要求，且满足下入油管挂堵塞器和其他井下工具的要求；(4)若选用立式采油树，应提前考虑油管挂的定位方式，需要在防喷器内部(阻流压井管线的出口或井口连接器内部)安装油管挂的定位机构。

1.3.2油管挂的结构类型

卧式树的油管挂分为单堵塞器的油管挂和双堵塞器的加长型油管挂。单堵塞器的油管挂通过在侧出油口上方的单堵塞器与顶部的内树帽构成垂直通道的两道压力屏障。为了彻底避免由于碎屑可能集聚在油管挂顶部使内树帽安装不到位的风险，新设计的加长型油管挂不需要安装内树帽，而通过在油管挂侧出油口上方安装两个堵塞器构成垂直通道的两道压力屏障。

立式树的油管挂分为同心单通道油管挂和偏心双通道油管挂两种结构形式。单通道油管挂需要在脐带缆或服务管线中提供进入环空的通道。

1.4 树帽的类型选择

1.4.1承压树帽

树帽安装前的水下采油树只有一道压力屏障时，选择承压树帽作为另一道压力屏障。(1)承压内树帽：锁紧在采油树本体内部的油管挂正上方。(2)承压外树帽：锁紧在采油树本体的芯轴顶部，保护金属密封面及垂直井筒不遭受损伤。井下电潜泵完井时，提供动力电缆的穿越通道。井下双电潜泵完井时，还可提供电泵切换开关的安装位置。

1.4.2非承压树帽

树帽安装前的水下采油树已有两道压力屏障时，可选择非承压的外部树帽，防止采油树本体的芯轴顶部密封面及垂直井筒遭受冲蚀、海生物及外部机械载荷的损伤。

1.5 采油树的井口连接器

采油树的井口连接器应与连接的高压井口头的剖面(心轴式H4mandrel type和毂式Clamp hub type)、通径(13-5/8、16-3/4、18-3/4英寸等)、压力等级(69.0MPa和103.5MPa等)相匹配。

如果采油树的井口连接器与高压井口头不相匹配，例如不同制造商的高压井口头和采油树之间的剖面不匹配，或者由于高压井口头内部密封面损坏等原因导致不能安装立式采油树的油管挂，则需要在采油树井口连接器下端额外安装油管头。

1.6 阀门

1.6.1阀门配置要求

阀门配置要求如下[4]。

(1) 卧式采油树主阀/翼阀要求：应有1个或多个生产主阀和环空主阀，且其中至少有1个主阀是失效自动关断阀；应至少有1个生产翼阀和环空翼阀。

(2) 立式采油树主阀/翼阀要求：垂直的生产通道和环空通道应有1个或多个主阀，且至少有1个主阀是失效自动关断阀；生产侧出口应至少有1个生产翼阀；如仅有1个环空主阀，则应至少有1个环空翼阀。

1.6.2阀门通径

水下阀门(闸板阀)的通径如表3所示[10]。除了满足流量要求外，垂直通道的阀门通径还应允许堵塞器和其余钢丝的工具通过。常用的生产阀门通径为5-1/8英寸或4-1/16英寸，环空阀门通径为2-1/16英寸。

图2 水下采油树阀门配置示意图Fig.2 Schematic diagram of typical subsea tree valve configuration

额定工作压力/MPa通径尺寸/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 水下监测与控制设备

水下控制模块、节流阀、流量计、地层砂探测器等应设计成便于水下机器人(ROV)在水下回收与更换。

压力/温度传感器位于水下采油树的生产通道、环空通道及节流阀的上、下游；流量计(可选)用于单井计量，位于节流阀上游；地层砂及冲蚀探测器(可选，采气树通常需要配置)监测地层出砂量以及对出油管线的冲蚀程度，位于节流阀下游的出游管线最易遭受冲蚀的位置；另外，根据需要还可能配置泄漏检测系统和高完整性压力保护系统等[11]。

1.8 其他保护装置

位于渔网拖拽和落物冲击破坏风险区域时，应设计防落物、防拖拽保护装置[11]。根据相关规范可确定不同落物在不同水深条件下对海底生产设施的冲击破坏程度。

2 工作条件及等级选择

下面总结美国石油学会(API)标准API Spec 17D[4]和API Spec 6A[10]中有关水下采油树的工作条件(压力等级、温度等级、材料等级)、产品规范等级、性能要求等级的选择方法，并部分给出水下采油树工作条件的选择实例。

2.1 压力等级

压力等级指承压与控压设备的额定工作压力，即设备的最大设计内部压力值，有3个额定工作压力值：34.5 MPa(5 000 psi)、69.0 MPa(10 000 psi)和103.5 MPa(15 000 psi)。

压力等级不应低于最大地层压力及后续作业的最大压力值。水下采油树压力等级的选择实例见表4。

表4 水下采油树压力等级选择实例

2.2 温度等级

温度等级指设备可以承受的温度范围，最低温度是设备承受的最低环境温度，最高温度是设备接触流体的最高温度。采油树有10个温度等级，见表5[10]，其中等级X、Y是超高温度等级，必须注意超高温度降低了材料的屈服强度。API Spec 17D推荐的温度等级选择如下：(1)闸阀和节流阀的驱动器温度范围至少为2～66 ℃；(2)水下采油树总成的温度等级至少为V级；(3)有冲击韧性要求的承压件和控压件材料(PSL 3、PSL 3G)的温度等级至少为U级；(4)需考虑气流经过节流阀产生的焦耳-汤普森低温冷却效应对节流阀阀体和相关下游设备的影响，相关设备要求做低温度性能鉴定试验或材料的低温冲击试验。

表5 温度等级

2.3 材料等级

通常根据地层腐蚀性介质的含量选择井口装置和采油树承压件、控压件部件的材料等级，其中H2S和CO2分压是材料等级选择的主要影响因素。API标准给出CO2分压及流体腐蚀程度与材料等级的选择关系，如表6所示[4,10]，但没有直接给出如何根据H2S分压选择材料等级。鉴于ISO 15156-2要求用于H2S分压值大于0.05 psia(0.34 kPa绝对压力)的环境必需选用抗硫化物应力开裂的碳钢和低合金钢[12]，因此，综合考虑H2S分压和CO2分压选择材料等级的推荐做法如下：H2S分压小于0.05 psia(0.34 kPa)的一般环境，根据CO2分压值的大小，在AA、BB、CC等级中选择；H2S分压大于等于0.05 psia(0.34 kPa)的酸性环境，根据CO2分压值，在DD、EE、FF、HH等级中选择，并标注最大允许的H2S分压，例如“FF-1.5”代表FF级材料的最大允许H2S分压为1.5 psia，如无H2S分压限制，标注“NL”。

结合中国南海近年开发的水下油气田的水下采油树的材料等级实例，出于安全与可靠性考虑，水下采油树部件的材料等级优先选择如下：(1)金属密封面以及与井内流体接触的生产通道湿接触面宜选择HH等级材料(通常在基材为碳钢或低合金钢的表面堆焊耐腐蚀镍基合金INCONEL 625)；(2)可能和井内流体接触的环空通道，宜选择EE或FF等级材料；(3)化学药剂注入阀宜选择HH等级材料。

表6 材料等级与材料要求

2.4 产品规范等级

产品规范等级(PSL)定义井口装置与采油树的承压件和控压件的技术与质量控制要求，即对零件的材料及制造工艺(机械性能、化学元素成分、冷加工与热处理工艺、无损检测等)、工厂验收测试(FAT)、质控文档等提出技术质量要求。API-6A中规定PSL包含1、2、3、3G、4五个等级，等级越高，对应的技术质量要求越高。用于气井的井口采油树设备要求为PSL 3G，要求做气密性测试。水下设备的PSL决策流程如图3所示[4]。

2.5 性能要求

水下采油树的部件要求达到API Spec 6A 规定的性能要求等级PR2。通过PR2要求的性能鉴定测试以及模拟设计水深处的外部高压测试，鉴定部件所具有的代表性设计、尺寸/公差、制造工艺、材质，证明产品的操作性能满足设计运行寿命和运行条件的要求。如果产品设计在配合、型式、功能或材料方面有任何更改，制造商应将对产品性能产生影响的相应更改形成文件。实质性更改是指在预期运行条件下影响产品性能的更改，会影响产品或预期使用性能的对以前鉴定的构型或材料选择的任何更改。有实质性更改的设计应视为一种新设计，要求重新测试。设计的实质性更改应予以记录，制造商应有充分理由证明是否需要重新性能鉴定测试，包括配合、型式、功能或材料方面的更改。

另外，需要第三方检验机构见证性能鉴定测试，并出具测试合格报告或证书证明达到相应的性能要求等级。必要时，根据买方要求，制造商提供额外的鉴定测试。

图3 水下设备PSL决策流程图Fig .3 PSL decision tree for subsea equipment

3 控制系统的类型选择

水下采油树的控制系统包括生产控制系统和安装及修井控制系统(IWOCS)。正常生产时由生产控制系统对整个水下采油树进行控制和监测。水下采油树安装及修井期间，用IWOCS安装、回收及控制水下采油树和油管挂。

3.1 生产控制系统的类型选择

选择考虑因素包括：(1)稳定可靠，经济性好；(2)满足与控制平台的回接距离和响应时间的要求[13]；(3)满足数据传输和监控的要求。

目前可供选择的几种生产控制系统如表7所示。

表7 生产控制系统类型选择

3.2 安装及修井控制系统的选择

选择考虑因素包括：(1)应满足水下采油树系统及井下工具的安装控制与监测功能要求；(2)与安装平台相匹配，如吊机能力、甲板空间和荷载能力、电源和气源接口等；(3)综合考虑系统购置与系统租用的经济性[14]。

现有两类安装及修井控制系统：液压控制和电液复合控制。其各自适用的水深如表8所示。

表8 安装及修井控制系统的类型选择

4 结 语

卧式和立式这两种结构形式的水下采油树各有优势，通常一种结构型式的水下采油树在某一海域的应用占有优势。需进一步针对具体项目特点进行量化分析，进行各类水下采油树在油气田全寿命周期中的各阶段的成本对比案例的分析研究。通过系统梳理采油树的设计制造规范API Spec 17D和API Spec 6A，归纳总结了水下采油树的工作条件(压力等级、温度等级、材料等级)、产品规范等级、性能要求等级的选择方法，并给出水下采油树部分工作条件的选择实例，可为深水水下采油树的选型提供参考。

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[13] American Petroleum Institute. API Spec 17F. Design and operation of subsea production systems: subsea production control systems[S]. 2011.

[14] American Petroleum Institute. API RP 17G. Design and operation of subsea production systems: completion/workover riser systems[S]. 2006.

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

国家科技重大专项(2011ZX05026-001，2016ZX05028-001)

王宇(1982—)，男，博士，主要从事深水钻完井和水下井口采油树方面的研究。

TE931

A

2095-7297(2016)02-0085-08