水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)影響參數(shù)分析

秦 蕊，谷玉洪，羅曉蘭，李清平，段夢(mèng)蘭，劉國(guó)恒

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心，北京 102249;2.江漢石油鉆頭股份有限公司，湖北 武漢430223;3.中國(guó)海洋石油研究總院，北京 100027)

水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)影響參數(shù)分析

秦 蕊1，谷玉洪2，羅曉蘭1，李清平3，段夢(mèng)蘭1，劉國(guó)恒1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心，北京 102249;2.江漢石油鉆頭股份有限公司，湖北 武漢430223;3.中國(guó)海洋石油研究總院，北京 100027)

通過(guò)分析不同類(lèi)型水下采油樹(shù)的特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn)，提出水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)時(shí)所需的主要參數(shù)。采油樹(shù)的類(lèi)型應(yīng)根據(jù)不同的油田開(kāi)發(fā)模式進(jìn)行選擇，在此基礎(chǔ)上再制定水下采油樹(shù)的整體設(shè)計(jì)方案。綜合考慮水深、油藏的特性、井口裝置的型式和采油作業(yè)的方式等方面的因素，在保證水下采油樹(shù)強(qiáng)度、穩(wěn)定性的條件下，進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流動(dòng)保障設(shè)計(jì)、熱絕緣設(shè)計(jì)、防腐設(shè)計(jì)和密封設(shè)計(jì)。同時(shí)，為確保水下采油樹(shù)的安全性和可靠性，需要特別考慮水下采油樹(shù)的材料問(wèn)題，并進(jìn)行可靠性分析和風(fēng)險(xiǎn)分析。

水下采油樹(shù);開(kāi)發(fā)模式;強(qiáng)度;穩(wěn)定性

隨著陸上石油資源的日益匱乏，蘊(yùn)含豐富油氣藏資源的海洋逐漸成為石油工業(yè)關(guān)注的對(duì)象。在一次又一次刷新油氣開(kāi)發(fā)的深水記錄后，石油工業(yè)又把目光投向3 000 m水深［1］或者更深的海底。深水油氣開(kāi)發(fā)已成為世界石油工業(yè)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)和科技創(chuàng)新的前沿。

在這場(chǎng)勘探開(kāi)發(fā)的熱潮中，水下采油樹(shù)作為實(shí)現(xiàn)海上油氣田開(kāi)發(fā)必不可少的重要設(shè)備之一，因其工作狀態(tài)直接決定了整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)而成為世界各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)、研制的對(duì)象。目前，美國(guó)、巴西、挪威等國(guó)有著處于世界領(lǐng)先水平的深水水下采油樹(shù)的研發(fā)技術(shù)，而我國(guó)卻連一棵獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)的淺水采油樹(shù)也沒(méi)有。為填補(bǔ)我國(guó)水下采油樹(shù)研制的空白，通過(guò)研究不同類(lèi)型水下采油樹(shù)的特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn)，提煉出水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)時(shí)所需的主要參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化提供一定的借鑒作用。

1 水下采油樹(shù)的類(lèi)型及特點(diǎn)

近年來(lái)，水下采油樹(shù)的使用量逐年大幅增加［2］，但是不同的海域、不同的油田區(qū)塊及采油操作工況下所使用的水下采油樹(shù)的類(lèi)型是不同的。目前，常按照安裝方式［3］將水下采油樹(shù)分為立式和臥式采油樹(shù)兩種。

立式采油樹(shù)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，是早期水下采油樹(shù)的主要形式。立式采油樹(shù)由采油樹(shù)本體、油管懸掛器、采油樹(shù)帽、閥組等部件組成，如圖1所示［4］，其特點(diǎn)是油管懸掛器直接座于井口裝置內(nèi)，采油樹(shù)的控制閥組都位于油管懸掛器的上部，生產(chǎn)油管和油管懸掛器的安裝要先于采油樹(shù)自身［5］。

圖1 水下立式采油樹(shù)Fig.1 Vertical subsea X-tree

20世紀(jì)90年代中后期，開(kāi)始出現(xiàn)水下臥式采油樹(shù)［6］。相比于立式采油樹(shù)，臥式采油樹(shù)在組成結(jié)構(gòu)上多了內(nèi)部采油樹(shù)帽和頂部阻塞器兩個(gè)部件，如圖2所示［4］，其特點(diǎn)是油管懸掛器在采油樹(shù)本體內(nèi)，采油樹(shù)的閥組位于油管懸掛器的側(cè)面，生產(chǎn)油管和油管懸掛器的安裝要后于采油樹(shù)自身［5］。

圖2 水下臥式采油樹(shù)Fig.2 Horizontal X-tree

立式采油樹(shù)和臥式采油樹(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

從立式采油樹(shù)和臥式采油樹(shù)的特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn)中可以看出，立式采油樹(shù)無(wú)法直接進(jìn)行修井作業(yè)，需先移開(kāi)采油樹(shù)后再進(jìn)行修井作業(yè)，而臥式采油樹(shù)的垂直大口徑設(shè)計(jì)允許直接進(jìn)行井下管柱的起、下作業(yè)，無(wú)需移開(kāi)采油樹(shù)，只需先移開(kāi)采油樹(shù)帽然后坐上防噴器即可進(jìn)行修井作業(yè)。臥式采油樹(shù)使得水下、特別是深水的維修操作變得簡(jiǎn)便、快捷，同時(shí)，提高了油田的開(kāi)發(fā)效率，降低了開(kāi)發(fā)的成本，因而成為深水開(kāi)發(fā)者們首選的采油樹(shù)類(lèi)型。

表1 立式采油樹(shù)和臥式采油樹(shù)主要的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 The main advantages and disadvantages of vertical and horizontal X-tree

2 水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)的影響參數(shù)分析

水下采油樹(shù)的整體設(shè)計(jì)方案與油田的開(kāi)發(fā)模式息息相關(guān)，因此，在設(shè)計(jì)水下采油樹(shù)時(shí)應(yīng)首先確定油田的開(kāi)發(fā)方案，再根據(jù)其水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式，同時(shí)結(jié)合水深、油藏特性、井口裝置型式和采油方式等具體因素進(jìn)行水下采油樹(shù)的設(shè)計(jì)。

2.1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式對(duì)采油樹(shù)選型和外輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括井口設(shè)備、采油樹(shù)、管匯、控制系統(tǒng)和水下處理系統(tǒng)等［7］，如圖3所示。從圖中可以看出，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式包括有水下井口的布局、管匯的位置和設(shè)備間的連接方式等幾個(gè)方面的內(nèi)容，它們直接影響水下采油樹(shù)的設(shè)計(jì)類(lèi)型和油/氣外輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖3 水下生產(chǎn)系統(tǒng)Fig.3 Subsea production system

1)在單井口衛(wèi)星井的開(kāi)發(fā)模式中，出于降低開(kāi)發(fā)成本的考慮，一般采用立式采油樹(shù)。從海底采出的油/氣通過(guò)與立式采油樹(shù)頂部相連的生產(chǎn)立管直接輸送到水面處理設(shè)施中，如圖3所示。

2)在多井口衛(wèi)星井的開(kāi)發(fā)模式中，因?yàn)榫诓季址稚?，立式采油?shù)不容易實(shí)現(xiàn)油/氣的集中輸送，所以一般采用臥式采油樹(shù)。從海底采出的油/氣經(jīng)由管匯向外輸送，臥式采油樹(shù)和管匯之間通過(guò)跨接管相連，因此，在采油樹(shù)外輸管道末端應(yīng)設(shè)計(jì)與跨接管相連的連接器結(jié)構(gòu)。如圖4所示，這也是水下油氣開(kāi)發(fā)中最常用的模式。

3)在底盤(pán)井的開(kāi)發(fā)模式中，管匯位于井口布局的中心位置，此時(shí)，采油樹(shù)外輸管道應(yīng)設(shè)計(jì)成水平、短小型，臥式采油樹(shù)因其便于實(shí)現(xiàn)這種輸出結(jié)構(gòu)而被優(yōu)先選用。如圖5所示為陸豐22-1油田的開(kāi)發(fā)方案，每口井的原油先從采油樹(shù)匯集到位于正中的中心管匯處，再由海底生產(chǎn)管線(xiàn)輸往生產(chǎn)儲(chǔ)卸油輪［8］。

2.2 水深的影響

水深是水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)之一，它會(huì)影響水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)條件的確定及流動(dòng)保障設(shè)計(jì)。

1)不同的水深、不同的油田區(qū)塊下地層壓力不同，水下采油樹(shù)的設(shè)計(jì)壓力等級(jí)就不同，從而影響水下采油樹(shù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法。因此，在設(shè)計(jì)水下采油樹(shù)時(shí)需根據(jù)水深和油田區(qū)塊確定采油樹(shù)的設(shè)計(jì)壓力等級(jí)，按照壓力容器及壓力管道進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。

2)水深不同，水下采油樹(shù)的安裝方式不同。在淺水區(qū)一般采用潛水員輔助安裝的方式，而在深水區(qū)只能采用ROV輔助安裝的方式，因此，水下采油樹(shù)必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的配套結(jié)構(gòu)以便于進(jìn)行安裝操作。

3)在相同的油藏條件下，水深越深，水溫越低，水壓越高，越容易產(chǎn)生水合物。為了避免產(chǎn)生水合物，堵塞水下采油樹(shù)，因此，在進(jìn)行水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)時(shí)通常需要設(shè)計(jì)乙二醇(MEG)［9］注入口及相應(yīng)的管道結(jié)構(gòu)，并采取絕熱保溫措施。

4)不同水深、不同海域的海況條件(內(nèi)流、海冰、臺(tái)風(fēng)等)對(duì)水下采油樹(shù)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生重大影響。由于海水的侵蝕作用，需在水下采油樹(shù)的外部采用陰極保護(hù)的方法，進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。

圖4 衛(wèi)星井的開(kāi)發(fā)模式Fig.4 Development model of satellite wells

圖5 底盤(pán)井的開(kāi)發(fā)模式Fig.5 Development model of chassis wells

2.3 油藏特性的影響

油藏的特性是水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，它滲入到水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

1)油藏的壓力、溫度直接決定水下采油樹(shù)的額定工作壓力和溫度，進(jìn)而決定水下采油樹(shù)的設(shè)計(jì)壓力等級(jí)(5 000 psi、10 000 psi或15 000 psi)和設(shè)計(jì)溫度級(jí)別。

2)油藏組分的物理及化學(xué)性能影響水下采油樹(shù)的流動(dòng)保障設(shè)計(jì)、熱絕緣設(shè)計(jì)和防腐設(shè)計(jì)等，如蠟、砂、水合物等物質(zhì)對(duì)流體流動(dòng)的阻礙，H2S和CO2等介質(zhì)對(duì)水下采油樹(shù)的腐蝕。因此，在設(shè)計(jì)水下采油樹(shù)時(shí)需進(jìn)行流動(dòng)保障、熱應(yīng)力計(jì)算及有限元計(jì)算以滿(mǎn)足水下采油樹(shù)功能設(shè)計(jì)和使用壽命的要求。

3)油藏組分不同，密封型式及密封材料的設(shè)計(jì)不同。密封設(shè)計(jì)是水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其是采油樹(shù)出油口處和連接器處的密封，一旦失效整個(gè)水下采油樹(shù)將處于癱瘓狀態(tài)。因此，水下采油樹(shù)的密封設(shè)計(jì)大多選用金屬對(duì)金屬的密封型式，并針對(duì)不同的部位設(shè)計(jì)不同的密封結(jié)構(gòu)形式。

4)油藏的特性直接決定了水下采油樹(shù)的材料類(lèi)別，如表2所示［10］。在內(nèi)部油藏介質(zhì)和外部海水環(huán)境的共同作用下，水下采油樹(shù)應(yīng)選擇HH的材料級(jí)別。

表2 材料要求Tab.2 Material requirements

2.4 井口裝置型式對(duì)采油樹(shù)連接器設(shè)計(jì)的影響

井口裝置型式不同，水下采油樹(shù)與水下井口的連接方式即采油樹(shù)連接器的設(shè)計(jì)不同。目前最主要的兩種井口型式是泥線(xiàn)懸掛器的型式和高壓井口頭的型式，如圖6所示。

一般而言，淺水(0～300 m)中常使用泥線(xiàn)懸掛器的型式，深水(300 m以上)中常使用高壓井口頭的型式。它們各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［11-12］及與采油樹(shù)的連接形式如表3所示。

表3 泥線(xiàn)懸掛器和高壓井口頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及連接形式Tab.3 The structural characteristics and connection of mudline hanger and subsea well head

2.5 采油方式對(duì)采油樹(shù)內(nèi)部組件設(shè)計(jì)的影響

根據(jù)油層能量油田會(huì)采用不同的采油方式，這直接影響了水下采油樹(shù)內(nèi)部組件的設(shè)計(jì)，目前采油方式主要有自噴法、氣舉采油法和電潛泵采油法等。在氣舉采油法下，油管懸掛器內(nèi)部包括有控制通路、測(cè)試通路和生產(chǎn)通道;而在電潛泵采油法下，油管懸掛器中除了上述通道外，還需有為電潛泵提供動(dòng)力的電纜的穿越通道。如圖7所示，為氣舉采油和電潛泵采油兩種采油作業(yè)方式下的油管懸掛器［13-14］。

除以上因素外，水下采油樹(shù)的設(shè)計(jì)類(lèi)型和具體結(jié)構(gòu)還取決于油田的開(kāi)采前景和用戶(hù)需求，在開(kāi)采前景好、需要修井作業(yè)的油田，一般采用臥式采油樹(shù);而在進(jìn)行掠奪性開(kāi)采的油田，或者修井頻率低及不需要修井作業(yè)的油田，多采用立式采油樹(shù)。

圖7 不同采油方式下的油管懸掛器Fig.7 The tubing hanger in different oil extraction modes

水下采油樹(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)安全、可靠，墨西哥灣的漏油事故給水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)者們敲響了警鐘，同時(shí)也將這一設(shè)計(jì)理念提升到了無(wú)比的高度。因此，在設(shè)計(jì)完成后必須對(duì)水下采油樹(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性分析和風(fēng)險(xiǎn)分析，包括有組成部件的可靠度分析、危險(xiǎn)有害因素的辨識(shí)、事故預(yù)防措施和應(yīng)急處理機(jī)制等幾個(gè)方面的內(nèi)容，以保證設(shè)計(jì)符合安全、可靠的要求。

3 項(xiàng)目實(shí)例

以中國(guó)南海流花11-1油田為例說(shuō)明各影響參數(shù)在水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

流花油田水深310 m，處于臺(tái)風(fēng)頻繁、季風(fēng)強(qiáng)勁，并有內(nèi)波流等復(fù)雜海況條件的水域，其原油為高黏度、高密度、低含蠟、低含硫、低凝固點(diǎn)、低油氣比、屬欠飽和環(huán)烷基生物降解程度較高的重質(zhì)原油，油藏埋深淺［15］，這些不利因素給開(kāi)發(fā)增加了難度。經(jīng)過(guò)統(tǒng)籌考慮和方案對(duì)比，最終根據(jù)流花油田特殊的海洋環(huán)境、水深和油藏特性決定采用集中水下井口生產(chǎn)系統(tǒng)方案。

1)在流花11-1油田的水下開(kāi)發(fā)方案中，井口布局和管匯位置呈H型，各口井的原油需要從4個(gè)分翼匯集于正中橫位置的中樞管匯處，如圖8所示。采用水下臥式采油樹(shù)型式，各口井的原油從水下采油樹(shù)的永久導(dǎo)向底座(PGB)中流出，通過(guò)鋼制跨接管輸送到中樞管匯中，再由海底生產(chǎn)管道輸往生產(chǎn)儲(chǔ)卸油輪(FPSO)［15］。因此，此開(kāi)發(fā)模式下水下采油樹(shù)的永久導(dǎo)向底座在設(shè)計(jì)時(shí)除具有導(dǎo)向和支承的功能外，還必須設(shè)計(jì)出具有集液功能的輸出管道，以完成原油輸送的任務(wù)。

圖8 流花11-1油田的水下開(kāi)發(fā)方案Fig.8 The oil field development program of Liuhua 11-1

2)流花11-1油田管路最大工作壓力為15.5 MPa，井液溫度為11℃ ～52℃，因此，其所使用的水下臥式采油樹(shù)設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為34.5 MPa(5 000 psi)，設(shè)計(jì)溫度為120℃，且采油樹(shù)內(nèi)表層應(yīng)進(jìn)行化學(xué)防腐處理，外表層應(yīng)以油漆和犧牲陽(yáng)極進(jìn)行保護(hù)。

3)考慮流花11-1油田水深為310 m，因此水下井口采用高壓井口頭型式。

4)考慮到流花油田的原油為高黏度、高密度的重質(zhì)原油，且其井底壓力較低，以及生產(chǎn)后含水上升較快、產(chǎn)液量增加等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用電潛泵采油的方式。

4 結(jié)語(yǔ)

水下采油樹(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)以油藏壓力、溫度為主進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，采油樹(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮油藏介質(zhì)組分的物理及化學(xué)性能對(duì)水下采油樹(shù)流動(dòng)保障設(shè)計(jì)、熱絕緣設(shè)計(jì)、防腐設(shè)計(jì)和材料類(lèi)別等的影響。此外，采油樹(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需考慮以下因素:

1)綜合考慮水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式、油田的開(kāi)采前景及用戶(hù)需求等方面的因素，在確定水下采油樹(shù)設(shè)計(jì)類(lèi)型的基礎(chǔ)上制定水下采油樹(shù)的整體設(shè)計(jì)方案;

2)綜合考慮水深、井口裝置型式、采油方式等方面的因素，進(jìn)行水下采油樹(shù)組成部件的設(shè)計(jì)，使其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件(使用水深、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度等)的要求;

3)從安全評(píng)價(jià)和事故應(yīng)急處理兩個(gè)大方面對(duì)水下采油樹(shù)進(jìn)行可靠性分析和風(fēng)險(xiǎn)分析。

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Parametric analysis for the design of subsea Christmas tree

QIN Rui1，GU Yu-hong2，LUO Xiao-lan1，LI Qing-ping3，DUAN Meng-lan1，LIU Gou-heng1
(1.Offshore Oil/Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.Kingdream Public Limited Company，Wuhan 430223，China;3.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China)

The main parameters in the subsea Christmas tree design are proposed based on the analysis of X-tree features along with the advantages and disadvantages of different types of X-tree.The selected Christmas tree shall meet the basic requirements of the scenario of oil field development which will be a decisive influence on the overall design of subsea Christmas tree.A comprehensive investigation shall be performed on the water depth，reservoir characteristics，type and wellhead pattern，oil production modes and other factors to complete the Christmas tree design.For the structure integrity，other problems should be considered on the premise of X-tree’s strength and stability，which include flow assurance，thermal insulation，corrosion protection and seal challenges.Moreover，to ensure the safety and reliability of Christmas tree，special considerations shall be made on material requirement and reliability＆ risk analysis.

Christmas tree;development model;strength;stability

P751

A

1005-9865(2012)02-0116-07

2011-06-14

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)水下采油樹(shù)關(guān)鍵技術(shù)研究及成套設(shè)備研制(1期)(2012AA09A205)

秦 蕊(1985－)，女，河北石家莊人，博士生，從事海洋石油設(shè)施的設(shè)計(jì)理論與方法研究。E-mail:qinrui2009@163.com

段夢(mèng)蘭