水下油管懸掛器技術(shù)現(xiàn)狀與研制要點(diǎn)

孫傳軒，王定亞，鄧 平，任鋼峰，劉啟蒙，張豐功，金連登

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002）①

水下采油樹是海洋深水油氣開發(fā)的關(guān)鍵裝備，肩負(fù)著控制生產(chǎn)井口的壓力和流量、清蠟和化學(xué)藥劑注入等重任［1］。根據(jù)閥門布置形式，分為臥式和立式2種。水下油管懸掛器是水下采油樹上的關(guān)鍵部件之一，主要用來懸掛油管，提供油氣生產(chǎn)通道，為井底電控、液壓和化學(xué)劑注入提供接口及通道，密封油管與油層套管之間的環(huán)形空間，并承受井壓和安裝時的提升拉力。水下采油樹的工況惡劣、性能要求苛刻、設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，其關(guān)鍵技術(shù)一直被美國、挪威等巨頭公司所壟斷。我國在該領(lǐng)域的研究開發(fā)尚處于起步階段，且受國外技術(shù)封鎖和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，研制進(jìn)度緩慢。目前，國內(nèi)海洋油氣開發(fā)所需的關(guān)鍵裝備仍然要依賴進(jìn)口。因此，海洋油氣裝備的自主研發(fā)勢在必行。

1 水下油管懸掛器的技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 分類

由于水下臥式采油樹和立式采油樹的結(jié)構(gòu)型式不同（如圖1），與之配套使用的水下油管懸掛器的結(jié)構(gòu)型式、安裝位置、下入和回收工藝等也不同。水下油管懸掛器有3種典型的結(jié)構(gòu)型式，如圖2～3所示，包括臥式采油樹油管懸掛器、多孔型油管懸掛器和同心型油管懸掛器［2］（多孔型和同心型油管懸掛器一般用于水下立式采油樹）。三者的主要區(qū)別是：

1） 臥式采油樹油管懸掛器的生產(chǎn)通道包括豎直生產(chǎn)流道和水平側(cè)向出口，兩者一般呈90°并連通，豎直生產(chǎn)流道頂部采用鋼絲繩塞封堵（如圖2）。多孔型懸掛器包括2條偏心的軸向通道，分別為生產(chǎn)流道和環(huán)空流道（如圖3a），同心型懸掛器僅包括一條與本體同軸的豎直通道（如圖3b）。

2） 臥式采油樹油管懸掛器坐放在采油樹本體通徑內(nèi)，立式采油樹油管懸掛器坐放在井口頭或油管四通內(nèi)。

3） 臥式采油樹油管懸掛器一般是在采油樹下放安裝后再被下入，且可直接回收；立式采油樹油管懸掛器一般要先于采油樹被下入，回收前必須先回收采油樹。

4） 臥式采油樹油管懸掛器采用水平側(cè)向出口定向，多孔型懸掛器要求相對于永久導(dǎo)向基盤（PGB）定向，而同心型懸掛器除井下儀器儀表要求外，一般不要求定向。

圖1 兩種型式采油樹結(jié)構(gòu)示意

5） 臥式采油樹油管懸掛器需要一套專門設(shè)計(jì)的貫穿裝置將電／液接頭與采油樹上的對應(yīng)接口連通，而立式采油樹油管懸掛器無需特定的貫穿裝置。

圖2 臥式采油樹油管懸掛器結(jié)構(gòu)

圖3 立式采油樹油管懸掛器結(jié)構(gòu)

1.2 主要廠商的水下油管懸掛器產(chǎn)品

自20世紀(jì)60年代，第1臺水下采油樹下水應(yīng)用開始［3］，水下采油樹的開發(fā)歷程已將近50a。目前，全球水下采油樹的生產(chǎn)主要被FMC、Cameron、Aker Kvaerner、Vetco Gray和 Dril－Quip 5家公司所壟斷。圖4為估算的2012年5家公司市場份額［4］。本文主要對 FMC、Aker Kvaerner和 Vetco Gray公司的水下臥式采油樹油管懸掛器產(chǎn)品進(jìn)行介紹。

圖4 2012年水下采油樹市場份額（估算）

1.2.1 FMC公司

FMC公司是世界上最大的水下完井設(shè)備供應(yīng)商，其水下臥式采油樹油管懸掛器包括34.5、69.0、103.5MPa等多個壓力級別，適用于101.6mm（4英寸）、127.0mm（5英寸）等采油樹通徑。圖5為FMC公司的1種增強(qiáng)型的水下臥式采油樹油管懸掛器裝置。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

圖5 FMC公司的一種水下臥式采油樹油管懸掛器

1） 鎖緊裝置采用機(jī)械驅(qū)動方式將懸掛器固定到采油樹通徑內(nèi)。

2） 固定式鎖緊溝槽型面結(jié)構(gòu)。

3） 豎直生產(chǎn)流道內(nèi)采用雙堵塞器結(jié)構(gòu)，且有密封測試通道。

4） 油管懸掛器本體外圍包括3組密封，每組由金屬對金屬主密封和彈性輔助密封構(gòu)成。

5） 油管懸掛器采用被動定向，底部設(shè)計(jì)有導(dǎo)向柱，安裝時，通過與采油樹上的導(dǎo)向筒配合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。

6） 在上部和中部兩密封環(huán)之間設(shè)有2個方形液壓貫穿接口。根據(jù)項(xiàng)目需要，可將其中1個液壓貫穿接口改為電貫穿接口。

7） 電貫穿接口采用濕式接頭。

8） 油管懸掛器水平生產(chǎn)出口位于中部和底部密封環(huán)之間。

9） 油管懸掛器包含多條井內(nèi)液壓管路和井下電纜等。

1.2.2 Aker Kvaerner公司

Aker Kvaerner是挪威一家世界領(lǐng)先的井口裝置和采油樹設(shè)備設(shè)計(jì)制造商，其水下采油樹廣泛應(yīng)用于北海、墨西哥灣、西非等海域。圖6為該公司的一種雙鋼絲繩塞式水下臥式采油樹油管懸掛器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

圖6 Aker公司雙鋼絲繩塞式水下臥式采油樹油管懸掛器

1） 油管懸掛器生產(chǎn)出口上方設(shè)有貫穿接口；三道金屬密封將生產(chǎn)出口、貫穿接口、油井環(huán)空和外界海水隔離開。

2） 金屬密封＋彈性輔助密封，在油管懸掛器坐放時，依靠懸掛器及油管重力驅(qū)動密封發(fā)揮作用。

3） 導(dǎo)向裝置由包含特殊型面的導(dǎo)向鍵和導(dǎo)向套構(gòu)成。

4） 壓緊套由下入工具上的液壓驅(qū)動，迫使卡環(huán)張開，將油管懸掛器鎖定。

5） 壓緊套上帶有彈簧加載的剪切銷，防止油管懸掛器意外解鎖。

6） 組合式貫穿裝置為井下液壓管路和電纜提供連接。

7） 油管懸掛器頂部安裝有接頭，可實(shí)現(xiàn)由平臺面到水下“全貫通”式的液壓控制。

8） 采用上、下兩個鋼絲繩塞對油管懸掛器通徑進(jìn)行密封。

1.2.3 Vetco Gray公司

Vetco Gray公司是一家專業(yè)從事鄰海及深海油氣勘探、鉆井和完井的跨國公司，可提供所需的設(shè)備及服務(wù)。圖7為Vetco Gray公司的一種水下臥式采油樹油管懸掛器結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是：

圖7 Vetco Gray公司的一種水下臥式采油樹油管懸掛器

1） 包括4種規(guī)格尺寸：88.9、101.6、127.0、177.8mm （3、4、5和7 英寸），工作壓力34.5、69.0和103.5MPa。

2） 懸掛器設(shè)計(jì)有獨(dú)立的液壓鎖緊裝置和二次機(jī)械鎖緊結(jié)構(gòu)，可靠性大幅提升。

3） 懸掛器和內(nèi)部樹帽通徑內(nèi)各安裝有1個鋼絲繩塞，提供雙重密封保障。

4） 懸掛器本體外圍密封環(huán)可選用HT－MS或HT－SG兩種形式。HT－MS為全金屬密封，密封槽內(nèi)部填充錫－銦合金，適用于高壓氣井。HT－SG為帶有彈性材料的金屬對金屬密封，適用于干預(yù)頻繁的油井。

5） 采用被動式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

6） 井下電貫穿接頭沿懸掛器徑向伸縮對接，采用ROV機(jī)械驅(qū)動。

7） 電貫穿接口采用濕式接頭。

2 水下油管懸掛器設(shè)計(jì)

通過對以上主要廠商的水下油管懸掛器產(chǎn)品的介紹，可以看出水下油管懸掛器的主要功能結(jié)構(gòu)包括：鎖緊裝置、密封結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向裝置、貫穿接頭及通道等。本節(jié)主要介紹油管懸掛器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及以上主要功能結(jié)構(gòu)的研制要點(diǎn)。

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

為確保水下油管懸掛器結(jié)構(gòu)的合理性和通用性，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循以下常用標(biāo)準(zhǔn)：

1） API 6A，井口裝置和采油樹設(shè)備。

2） API 17D，水下井口裝置和采油樹設(shè)備。

3） NACE MR0175，油田設(shè)備用抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的金屬材料。

2.2 水下臥式采油樹油管懸掛器研制要點(diǎn)

2.2.1 鎖緊裝置

鎖緊裝置用來將懸掛器鎖定在采油樹通徑內(nèi)，主要由支撐筒、壓緊套和鎖環(huán)等構(gòu)成，其鎖定或解鎖方式一般包括機(jī)械式和液壓式2種。為保證可靠性，鎖緊裝置大多設(shè)計(jì)成雙重鎖緊結(jié)構(gòu)。其研制要點(diǎn)包括：

1） 鎖環(huán)及其配合型面。

2） 鎖緊裝置。

3） 安裝鎖緊和解鎖回收過程的有限元仿真分析。

4） 關(guān)鍵件材料選取、加工工藝和表面處理工藝。

5） 配套使用的下入／回收裝置。

2.2.2 密封結(jié)構(gòu)

密封結(jié)構(gòu)是決定油管懸掛器性能及可靠性的關(guān)鍵部件之一，包括通徑密封和本體外部密封2部分。通徑密封一般采用雙鋼絲繩塞結(jié)構(gòu)，本體外部密封一般包括結(jié)構(gòu)相似的3組密封環(huán)，實(shí)現(xiàn)環(huán)空通道與生產(chǎn)通道、貫穿與生產(chǎn)通道、貫穿與外界海水之間的密封。其研制要點(diǎn)包括：

1） 鋼絲繩塞結(jié)構(gòu)、雙向密封及下入／回收工具。

2） 鋼絲繩塞密封測試、壓力平衡。

3） 金屬密封和彈性密封結(jié)構(gòu)及材料選取。

4） 高屈服強(qiáng)度金屬材料的加工工藝。

5） 耐蝕合金（CRA）的堆焊及塞焊工藝。

6） 實(shí)現(xiàn)高光潔度、防腐和潤滑要求的表面加工。

7） 密封結(jié)構(gòu)的熱載荷分析。

2.2.3 導(dǎo)向裝置

導(dǎo)向裝置用于懸掛器與采油樹之間生產(chǎn)出口、貫穿接頭等的對正，一般包括主動（旋轉(zhuǎn)）型和被動（直線）型2種。主動型導(dǎo)向要求在平臺施加轉(zhuǎn)矩，使下入管柱發(fā)生旋轉(zhuǎn)，直至放置到定向裝置內(nèi)；被動型導(dǎo)向利用下入管柱向下（或向上）的直線運(yùn)動，使銷或鍵接合并旋入到定向裝置內(nèi)［5］。目前，普遍采用的是被動型導(dǎo)向裝置，其研制要點(diǎn)包括：

1） 導(dǎo)向裝置相對永久導(dǎo)向基盤（PGB）的定位。

2） 導(dǎo)向鍵與導(dǎo)向柱的一體化加工。

3） 導(dǎo)向套和導(dǎo)向鍵特殊導(dǎo)向型面的加工。

4） 耐磨金屬層的堆焊及表面防腐處理。

2.2.4 貫穿接頭及通道

貫穿裝置用來建立懸掛器與采油樹之間介質(zhì)的傳送通道，將液壓、信號和化學(xué)劑等傳輸?shù)骄?，并將傳感器信號反饋到平臺上。根據(jù)電／液接頭的排布形式，貫穿裝置可分為獨(dú)立式和復(fù)合式2種。貫穿裝置的接合和斷開操作一般由ROV驅(qū)動完成。懸掛器本體內(nèi)包含多個貫穿接頭及通道，其研制要點(diǎn)包括：

1） 單、雙向液壓貫穿接頭。

2） 水下濕式電接頭。

3） 懸掛器本體內(nèi)貫穿通道的布局。

4） 細(xì)深孔的加工和精度控制。

2.3 水下立式采油樹油管懸掛器研制要點(diǎn)

與水下臥式采油樹油管懸掛器相比，水下立式采油樹油管懸掛器的功能結(jié)構(gòu)相對簡單，且基本上被臥式采油樹油管懸掛器所涵蓋，此處不再贅述。

3 技術(shù)發(fā)展趨勢

1） 工作海域更深、環(huán)境更加苛刻

資料表明：地球上油氣資源總儲量的約70%蘊(yùn)藏于海洋，世界已探明的海洋石油儲量的80%以上在水深500m 以下［6］。因此，浩瀚的深水（水深400～1 500m）、超深水（水深1 500m 以上）［6］海域?qū)俏磥碛蜌饪碧介_發(fā)的重點(diǎn)。隨著水深增加，油管懸掛器設(shè)備的工作環(huán)境會更加苛刻，高溫、高壓、嚴(yán)重腐蝕等難題需要研究新技術(shù)和新材料，逐一進(jìn)行攻克。

2） 產(chǎn)品生產(chǎn)形成系列化和模塊化

隨著海洋油田開發(fā)步伐的不斷加快，設(shè)備生產(chǎn)商對水下油氣鉆采設(shè)備的投入和研發(fā)力度不斷加大，設(shè)計(jì)和制造能力不斷增強(qiáng)，產(chǎn)品種類日益豐富，包括油管懸掛器在內(nèi)的水下設(shè)備的生產(chǎn)將根據(jù)海域分布、工況條件、油藏特性、客戶要求等逐漸形成系列化，油管懸掛器中的通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將逐漸模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。

3） 操控過程高智能化和高可靠性

水下油管懸掛器的下入、安裝、測試和回收等操作每個步驟都是一個繁瑣的過程，需要耗費(fèi)大量的時間和資金，還需要多達(dá)數(shù)十種配套工具以及水下ROV的協(xié)作，每一個工具的失效概率都增加了水下操作的風(fēng)險。因此，研究開發(fā)高智能、高可靠性的水下油管懸掛器及配套工具將會成為其未來發(fā)展的一個重要方向。

4 結(jié)語

1） 海洋油氣開發(fā)裝備是一個相互關(guān)聯(lián)的龐雜系統(tǒng)，水下油管懸掛器僅是這個系統(tǒng)中的一個單元部件。該系統(tǒng)涉及機(jī)械、液壓、電子等諸多學(xué)科，技術(shù)門檻高、開發(fā)難度大。

2） 水下油管懸掛器的典型結(jié)構(gòu)包括多孔型、同心型和臥式采油樹油管懸掛器3種。其中，多孔型和同心型油管懸掛器一般用于水下立式采油樹。3者在流道結(jié)構(gòu)、安裝位置、下入工藝、定向要求及貫穿設(shè)計(jì)等方面都存在不同。

3） 目前，水下油管懸掛器的設(shè)計(jì)壓力可達(dá)103.5MPa，尺寸規(guī)格可達(dá)177.8mm（7英寸）。其主要功能結(jié)構(gòu)包括鎖緊裝置、密封結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向裝置、貫穿接頭及通道等。各功能結(jié)構(gòu)的研制需要突破材料、熱處理工藝、機(jī)加工藝、表面處理工藝及分析計(jì)算等技術(shù)難點(diǎn)。

4） 水下油管懸掛器的技術(shù)開發(fā)趨勢正朝著深海域、系列化、智能化方向發(fā)展。隨著“十二五”國家提出向海洋進(jìn)軍，我國應(yīng)加快在該領(lǐng)域的開發(fā)進(jìn)度，早日實(shí)現(xiàn)海洋油氣開發(fā)裝備的自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。

［1］朱高磊，趙宏林，段夢蘭，等.水下采油樹控制模塊設(shè)計(jì)要素分析［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（10）：1－6.

［2］GB／T 21412.4—2008，水下井口裝置和采油樹設(shè)備［S］.

［3］任克忍，王定亞，周天明，等.海洋石油水下裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油機(jī)械，2008，36（9）：151－153.

［4］Brad Handler.Visible Subsea ［R］.USA：Credit Suisse，2010.

［5］秦蕊，葉道輝，李清平，等.水下采油樹油管懸掛器的結(jié)構(gòu)研究［C］／／左其華，竇希萍.第十五屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集.北京：海洋出版社，2011：305－311.

［6］曹惠芬.世界深海油氣鉆采裝備的發(fā)展趨勢及我國現(xiàn)狀［J］.中國造船，2005，46（增刊）：77－82.