水下采油樹在深海油氣田開發(fā)中的應(yīng)用

于成龍 李慧敏

1．中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，廣東 湛江 524057；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司，廣東 湛江 524057

0 前言

我國海上油氣田的開發(fā)至今已有40多年歷史，但開發(fā)的油氣田大多位于灘海、淺海、近海。我國南海海域?qū)掃_(dá)200×104km2，是世界上四大海洋油氣聚集中心之一。我國海洋石油儲量約為230×108～300×108t，天然氣儲量338×1012m3［1-2］。目前，國際海洋石油工程界普遍認(rèn)可的深水定義是水深300 m［3］。我國水深300 m以上的海域?qū)掃_(dá)153.7×104km2［4］，但大部分尚未被勘探，深海油氣田資源勘探開發(fā)將成為我國未來海洋石油的主戰(zhàn)場。

在水深300 m以上的深海油氣田建設(shè)傳統(tǒng)導(dǎo)管架平臺開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性很差。國內(nèi)外深海油氣田開發(fā)的現(xiàn)有組合方案是［5］：

a）水下套管頭及采油樹+張力腿平臺+浮式生產(chǎn)儲油輪或浮式儲油輪+穿梭油輪；

b）水下套管頭及采油樹+半潛式平臺+浮式生產(chǎn)儲油輪或浮式儲油輪+穿梭油輪；

c）水下套管頭及采油樹+浮式鉆采平臺+海底管線；

d）水下套管頭及采油樹+浮式生產(chǎn)鉆井聯(lián)合裝置+穿梭油輪；

e）海底工作盒+撓性出油管+浮式儲油輪+穿梭油輪。

可見，水下采油樹是深海油氣田開發(fā)中必不可少的裝置。

1 水下采油樹分類及對比

海上油氣開采使用的水上和水下采油樹存在明顯差別（見圖1～2）。水下采油樹一般可分為干式、濕式、干/濕式和沉箱式等四種型式。干式水下采油樹把采油樹置于一個密封的常壓、常溫艙里，維修人員像在陸地上一樣在艙內(nèi)進(jìn)行工作；濕式水下采油樹完全暴露在海水中；干/濕式水下采油樹可以轉(zhuǎn)換干/濕，正常生產(chǎn)時采油樹呈濕式狀態(tài)，維修時則由一個服務(wù)艙與水下采油樹連接，排空海水，使其變成常溫、常壓的干式采油樹；沉箱式水下采油樹包括主閥、連接器和水下井口，均置于海床以下的導(dǎo)管內(nèi)，大大減少采油樹受外界沖擊造成損壞的機(jī)率。

干式采油樹裝置儀器繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、技術(shù)難度較大，且對操作人員存在安全隱患，因此逐漸被淘汰；沉箱式水下采油樹與濕式采油樹相比，價格一般高出40%左右，且無其他明顯優(yōu)勢；隨著濕式采油樹所釆用的金屬材料防海水腐蝕性能、水下作業(yè)水平的提高及遙控裝置的發(fā)展，目前濕式采油樹逐漸成為各石油公司的首選。

20世紀(jì)80年代的水下采油樹是生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥及井下安全閥安置在一條垂線上的立式結(jié)構(gòu)，由于其修井及鋼絲作業(yè)繁瑣、耗時，90年代起水下采油樹主要采用控制生產(chǎn)閥門水平放置的臥式采油樹。

圖1 海上采油平臺采油樹外觀

圖2 水下采油樹外觀

2 水下采油樹國外應(yīng)用情況

20世紀(jì)70年代起，全球石油公司加速向深海邁進(jìn)，水下采油樹以其經(jīng)濟(jì)性好、適合深海油氣田開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，在過去50多年中得到了快速發(fā)展。1967年，美國FMC公司生產(chǎn)出全球第一套水下采油樹，用于墨西哥灣海域，水深20 m［6］。1979年，Garoupa油田采用布置在常壓艙中的干式井口裝置的最大水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行開采，創(chuàng)立了水下生產(chǎn)概念。1981年，F(xiàn)rigg North East氣田采用水下井口進(jìn)行開發(fā)，1982年鉆生產(chǎn)井6口，1983年11月開始生產(chǎn)。1982年5月，Exxon公司開發(fā)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)在Central Cormorant油田開發(fā)中應(yīng)用，10月開鉆，1983年年中開始生產(chǎn)。90年代后，水下采油樹在國外進(jìn)一步加速發(fā)展，截至2012年，國外已有超過400個項(xiàng)目中采用了海上油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)，最大水深超過2 700 m［7］。墨西哥灣Atwater Valley項(xiàng)目創(chuàng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)油氣田水深記錄，最大水深2 714 m；挪威Sncphvit氣田創(chuàng)距離最遠(yuǎn)記錄，應(yīng)用全水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)油田并通過約143 km的海底多相輸送管道直接回接到陸上終端［8］。

3 水下采油樹國內(nèi)應(yīng)用情況

目前國內(nèi)采用水下采油樹生產(chǎn)的油氣田有流花11-1油田、流花4-1油田、惠州26-1N&32-5油田、陸豐22-1油田、荔灣3-1氣田、崖城13-4氣田，其中流花11-1油田、流花4-1油田、惠州26-1N&32-5油田、陸豐22-1油田采用FMC公司生產(chǎn)的采油樹，荔灣3-1氣田采用Cameron公司生產(chǎn)的采油樹，崖城13-4氣田采用Aker Solution公司生產(chǎn)的采油樹，詳見表1。

表1 水下采油樹國內(nèi)使用情況

流花11-1油田由阿莫科東方石油公司和中海油聯(lián)合開發(fā)，1996年3月29日投產(chǎn)，是我國第一個采用水下采油樹的油田，創(chuàng)立了當(dāng)時世界上多個第一：第一次商業(yè)性使用濕式點(diǎn)接頭、控制軟管系統(tǒng)、電纜懸掛系統(tǒng)、水下控制系統(tǒng)、遙控作業(yè)機(jī)器人等［9-10］。陸豐22-1油田1997年投產(chǎn)，采用適用于ROV作業(yè)的臥式采油樹，所有閥門在水平方向設(shè)置并由水下機(jī)器人操作，16個不同性能的球閥及鎖緊裝置的操作機(jī)構(gòu)等集中于3塊便于ROV操作的盤上，從操作盤上直接控制生產(chǎn)閥、環(huán)空閥、安全閥、化學(xué)藥劑注入閥等。另外，生產(chǎn)閥、環(huán)空閥、生產(chǎn)控制閥和SCSSV可以由平臺液壓遙控開啟與關(guān)閉，在緊急情況下可自動關(guān)斷［11］。流花4-1油田在國內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)中首次采用雙電潛泵技術(shù)、水平分支井和智能完井系統(tǒng)，首次研究和采用水下多相流量計、水下雙電潛泵動力分配單元及轉(zhuǎn)換開關(guān)［12］。荔灣3-1氣田為南海第一個水深達(dá)到1 500 m的深海氣田，其水下采油樹采用Cameron公司的第三代臥式采油樹，該采油樹可在井口注入水合物抑制劑，并裝有水下檢測濕氣流量計等多種在線控制及檢測裝置。

4 國內(nèi)外水下采油樹制造能力的差別

20世紀(jì)60年代以來，世界上已有1 200多套水下采油樹應(yīng)用在超過400個采油項(xiàng)目中，這些采油樹的國外生產(chǎn)商（如FMC、Vetco、Cameron、Dril-Quip等公司）經(jīng)過50多年的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了深水井的完井、控制和生產(chǎn)開發(fā)［13］。目前國外水深3 000 m內(nèi)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)在設(shè)計、建造、安裝技術(shù)上已經(jīng)成熟［14］。

我國江鉆股份公司、金石集團(tuán)、美鉆石油鉆采系統(tǒng)有限公司等具有一定生產(chǎn)能力。2010年，金石集團(tuán)與美國Argus公司在中國市場推出了國內(nèi)首個AZ-10新型中心孔式水下采油樹，是目前世界上唯一同心結(jié)構(gòu)的水下垂直采油樹。但目前未見有國產(chǎn)水下采油樹海上油氣田實(shí)際用例的報道，水下采油樹的制造、檢測、安裝、維護(hù)基本被國外公司壟斷。

5 水下采油樹發(fā)展趨勢

a）在工作水深200 m或控制長度1 000 m以內(nèi)，大多發(fā)展直接控制和先導(dǎo)液壓控制，進(jìn)行直接控制或?qū)τ谳^大的液壓執(zhí)行器采用先導(dǎo)液壓換向［15］，對于300以上水深海域多采用多路傳輸、電液控制技術(shù)。國外一些水下采油樹廠家正在研究采用代表水下采油樹發(fā)展方向的全電式控制技術(shù)，第一臺全電控的水下采油樹由Cameron公司生產(chǎn)，已在北海K5F氣田投入使用。

b）隨著聲光電波等領(lǐng)域新技術(shù)的快速發(fā)展，未來大型海上油氣田開發(fā)采用遠(yuǎn)程全自動控制及系統(tǒng)智能檢測成為人們追求的目標(biāo)。

c）隨著海上油氣田勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的深海油氣田將投入開發(fā)，對采油樹的標(biāo)準(zhǔn)壓力及控制方面的要求會越來越高，研究開發(fā)具有高安全性和適應(yīng)性的水下采油樹，必將成為今后很長一段時間內(nèi)需進(jìn)一步研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)課題。

6 結(jié)論

隨著我國石油企業(yè)向深海油氣田進(jìn)軍步伐的加快，水下采油樹在我國深海油氣田開發(fā)中將發(fā)揮越來越大的作用。但目前水下采油樹項(xiàng)目的設(shè)計、制造、安裝基本由國外公司主導(dǎo)，國內(nèi)的制造、施工技術(shù)都相當(dāng)匱乏。為滿足深海油氣田開發(fā)的需要，應(yīng)利用與國外合作項(xiàng)目的機(jī)會提高水下采油樹的制造水平和施工、安裝能力。同時，應(yīng)培養(yǎng)專業(yè)化水下采油樹安裝隊(duì)伍，以及與水下采油樹安裝相配套的安裝設(shè)備和機(jī)具。

［1］楊致政，張 瀛，胡啟國.近海邊際油田勘探開發(fā)中若干關(guān)鍵問題探討［J］.特種油氣藏，2005, 12(5): 5-9.Yang Zhizheng, Zhang Ying, Hu Q iguo. Approach to Key Points in Explach to Key Points in Exploration and Development of O ffshore Marginal Oilfields ［J］. Special O il & Gas Reservoirs, 2005, 12(5): 5-9.

［2］郭西水，張 林，肖良平，等.深水完井技術(shù)研究［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011, 13(4): 74-76.Guo X ishui, Zhang Lin, X iao Liangping, et al. The Deep Well Completion Technology Research［J］. Journal of Chongqing University of Science and Technology (Natural Sciences Edition), 2011, 13(4): 74-76.

［3］馬彥金，荊 穎，王 亮. 對我國未來幾種深海油氣田開發(fā)新方案的探究［A］. 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［C］.北京：海洋出版社，2011: 522-524.Ma Yanjin, Jin Ying, Wang Liang. Research on Several New Schemes of the Deep Sea Oilfield Development in China［ A］.Zuo Q ihua，Dou Xiping. The 15th China Ocean（shore）Engineering Symposium Proceedings［C］.Beijing: China Ocean Press, 2011: 522-524.

［4］方華燦.對我國深海油田開發(fā)工程中幾個問題的淺見［J］.中國海洋平臺，2006, 21(4): 1-8.Fang Huacan. A Few Superficial Views about Some Problems of Engineering of Oil Field Development in Deep W ater in China［J］. China O ffshore Platform，2006, 21(4): 1-8.

［5］菲D A，奧戴 J.近海邊際油田開發(fā)技術(shù)［M］. 馬志良，等譯.北京：石油工業(yè)出版社. 1990: 56-65.Fee D A, O'Dea J. Technology for Developing Marginal O ffshore Oilfields［M］. Ma Zhiliang, et al. Trans. Beijing:Petroleum Industry Press. 1990: 56-65.

［6］王定亞，鄧 平，劉文霄. 海洋水下井口和采油裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.石油機(jī)械，2011, 39(1): 75-79.W ang Dingya, Deng Ping, Liu W enxiao. Present Status and Developmental Direction for M arine Underwater W ellhead and Equipm en t Techno logy［J］. China Petro leum Machinery, 2011, 39(1): 75-79.

［7］金向東，林華春.海上油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)［J］. 油氣田地面工程，2012, 31(4): 55-56.Jin X iangdong, Lin Huachun. Key Equipm ents and Technology of O ffshore Fields Subsea Production System［J］.Oil-Gasfield Surface Engineering, 2012, 31(4): 55-56.

［8］王鳳云.水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究［J］.中國造船. 2012,53(增刊2): 36-42.W ang Fengyun. Foundation Research of Subsea Production Systems［J］. Shipbuilding of China, 2012, 53(Supplement 2):36-42.

［9］張 波，黃長穆.南海流花11-1油田工程簡介［J］.中國海上油氣（工程），1996,8(4): 61-62.Zhang Bo, Huang Changmu. A Brief Introduction to the South China Sea Liuhua 11-1 O ilfield Engineering ［J］.China O ffshore Oil and Gas(Engineering), 1996, 8(4): 61-62.

［10］張 波，黃長穆.中國南海流花11-1油田的深水開發(fā)技術(shù)［J］.中國海上油氣，1998, 10(3): 36-44.Zhang Bo, Huang Changmu. Deepw ater Development Technology of the South China Sea Liuhua 11-1 Oilfield［J］.China O ffshore O il and Gas(Engineering), 1998, 10(3): 36-44.

［11］張 波.開發(fā)海上深水邊際油田的尖端技術(shù)設(shè)備（一）［J］.石油機(jī)械，1999, 27(4): 46-50.Zhang Bo. M ost Advanced Technologies and Equipment for Deepwater Marginal Field Development (I)［J］. China Petroleum Machinery, 1999, 27(4): 46-50.

［12］王春升.水下生產(chǎn)系統(tǒng)在南海流花4-1油田開發(fā)中的研究和應(yīng)用［J］.中國造船2010, 51(增刊2): 174-178.W ang Chunsheng. Research and Application o f Subsea Production System s in the South China Sea Liuhua 4-1 O ilfield［J］. Shipbuilding of China, 2010, 51(Supplement 2):174-178.

［13］張 亮，張璽亮，孫子剛，等.深水油田立式水下采油樹安裝操控技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2012, 34(增刊):117-120.Zhang Liang, Zhang Xiliang,Sun Zigang, et al. Installation and Control of Underw ater Vertical Christmas T ree in Deepw ater O il Field［J］.O il D rilling & Production Technology, 2012, 34(Supplement): 117-120.

［14］王 瑋，孫麗萍，白 勇. 水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)［J］.中國海洋平臺，2009, 24(6): 41-45.W ang Wei, Sun Liping , Bai Yong. Investigation on Subsea Production System s［J］. China O ffshore Platform, 2009,24(6): 41-45.

［15］廖謨圣.世界海洋石油海底完井系統(tǒng)發(fā)展近況評析［J］.中國海洋平臺，1995, 10(5): 179-182.Liao Mosheng. Comments about the Recent Developments of World Offshore O il Subsea Completion System［J］.China O ffshore Platform, 1995, 10(5): 179-182.