水下臥式采油樹油管懸掛裝置結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

劉偉強(qiáng) 張鵬舉 李 博

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司,中國 上海 200941；2.美鉆能源科技上海有限公司,中國 上海 200941)

0 引言

在海洋石油開采的過程中，水下采油樹是最終鉆探階段及最初完井階段的主要設(shè)備，水下油管懸掛裝置作為水下采油樹最為關(guān)鍵的部件就顯得尤為重要，目前全球范圍內(nèi)能夠?qū)λ虏捎蜆浼捌潢P(guān)鍵部件進(jìn)行自主研發(fā)、生產(chǎn)并在實(shí)際工程上進(jìn)行使用的公司主要是FMC、CAMERON及AKERSolution等國外公司。在國內(nèi)盡管有極少數(shù)的研究設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)對水下采油樹及其關(guān)鍵部件發(fā)表過一些技術(shù)支持類論文，但終究是紙上談兵，并未將理論付諸實(shí)踐對水下采油樹及其關(guān)鍵部件進(jìn)行相應(yīng)試制、測試及應(yīng)用于工程，本文對水下臥式采油樹油管懸掛裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為深入的研究，對水下油管懸掛裝置的環(huán)空密封結(jié)構(gòu)、鎖緊結(jié)構(gòu)、定向結(jié)構(gòu)及井下穿越結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為合理的創(chuàng)新，并且這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水下臥式采油樹油管懸掛裝置在實(shí)際工程中得到了驗(yàn)證與應(yīng)用。

1 水下油管懸掛裝置設(shè)計(jì)

1.1 水下油管懸掛裝置設(shè)計(jì)技標(biāo)準(zhǔn)

水下油管懸掛裝置須按照石油天然氣工業(yè)相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了石油天然氣工業(yè)用設(shè)備的性能、尺寸和功能互換性、設(shè)計(jì)、材料、試驗(yàn)、檢驗(yàn)、焊接、標(biāo)識、包裝、貯存、運(yùn)輸、采購、修理和再制造的要求，并給出了相應(yīng)的推薦作法[2]。水下油管懸掛裝置的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

表1 水下油管懸掛裝置的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 水下臥式采油樹油管懸掛裝置設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

1）工作壓力：10000psi；

2）測試壓力：15000psi；

3）產(chǎn)品規(guī)范等級：PSL3G[2]；

4）性能試驗(yàn)要求：PR2[2]；

5）材質(zhì)等級：HH-NL（僅接觸的流體濕潤面要求堆焊耐蝕合金）；

6）溫度等級：“U”（-18℃～121℃）；

7）油管扣型：BEARTHREAD；

8）中心堵頭：外徑為5-1/4＂，主密封為金屬密封，橡膠為輔助密封；

9）井下液壓穿越：一個(gè)用于控制井下安全閥的液壓穿越通道，一個(gè)用于井下化學(xué)藥劑注入的液壓穿越通道；

10）井下電纜穿越：一個(gè)用于監(jiān)測井下流體壓力及溫度的電纜穿越通道。

1.3 水下臥式采油樹油管懸掛裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下臥式采油樹油管懸掛裝置主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 水下臥式采油樹油管懸掛裝置結(jié)構(gòu)

圖1中的數(shù)字編號為水下油管懸掛裝置的主要結(jié)構(gòu)，其描述如下：

1）水下油管懸掛裝置送入工具鎖槽；

2）水下油管懸掛裝置鎖緊機(jī)構(gòu)；

3）水下油管懸掛裝置中心堵頭安裝型面；

4）水下油管懸掛裝置定向機(jī)構(gòu)（包括導(dǎo)向鍵與導(dǎo)向筒）；

5）橫跨水平生產(chǎn)出口的環(huán)空密封總成；

6）水下油管懸掛裝置水平生產(chǎn)出口；

7）水下油管懸掛裝置井下穿越機(jī)構(gòu)。

1.4 水下油管懸掛裝置設(shè)計(jì)功能描述

1.4.1 工具鎖緊功能

水下油管懸掛裝置在進(jìn)行水下安裝作業(yè)的過程中須使用送入工具進(jìn)行安裝，在水下油管懸掛裝置的上部設(shè)計(jì)了一個(gè)送入工具鎖槽，該鎖槽的型面須與送入工具的開口鎖緊環(huán)型面相匹配，當(dāng)送入工具與水下油管懸掛裝置安裝到位時(shí)，通過液壓來驅(qū)動送入工具的促動環(huán)將開口鎖緊環(huán)撐開就可以將送入工具與油管懸掛裝置鎖緊而不脫開，水下油管懸掛裝置與送入工具裝配及鎖緊如圖2所示。

1.4.2 定向功能

為了使水下油管懸掛裝置能夠在水下安裝作業(yè)過程中更加正確并順暢地進(jìn)行安裝，水下油管懸掛裝置須設(shè)計(jì)良好的定向機(jī)構(gòu)，安裝在水下油管懸掛裝置上的導(dǎo)向筒及導(dǎo)向鍵就為油管懸掛裝置水下安裝起到了一個(gè)良好的定向安裝作用：

圖2 送入工具與水下油管懸掛裝置鎖緊

1)導(dǎo)向筒安裝于水下油管懸掛裝置的下部，其在水下油管懸掛裝置水平生產(chǎn)出口的同側(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)螺旋導(dǎo)向槽，該導(dǎo)向槽與安裝于采油樹本體內(nèi)的導(dǎo)向鍵相匹配，在水下油管懸掛裝置安裝過程中，該導(dǎo)向槽會與安裝于采油樹本體內(nèi)的導(dǎo)向鍵預(yù)先嚙合，為水下油管懸掛裝置安裝提供初步的定位與導(dǎo)向；

2)導(dǎo)向鍵安裝于水下油管懸掛裝置的中部，安裝導(dǎo)向鍵的鍵槽設(shè)計(jì)在水下油管懸掛裝置水平生產(chǎn)出口的對側(cè)，該導(dǎo)向鍵與安裝于樹本體內(nèi)的油管懸掛裝置座環(huán)的導(dǎo)向槽相匹配，在導(dǎo)向筒的初步定位與導(dǎo)向的牽引下，導(dǎo)向鍵最終將水下油管懸掛裝置正確安裝于水下采油樹中。

圖3 水下油管懸掛裝置定向機(jī)構(gòu)

1.4.3 油管掛與采油樹鎖緊功能

當(dāng)水下油管懸掛裝置正確安裝于水下采油樹中時(shí)，還須將水下油管懸掛裝置鎖緊于水下采油樹中，在水下油管懸掛裝置的上部設(shè)計(jì)了一個(gè)鎖緊機(jī)構(gòu)，該鎖緊機(jī)構(gòu)包括一個(gè)促動環(huán)、一個(gè)開口鎖緊環(huán)和兩組剪切銷，送入工具驅(qū)動環(huán)向促動環(huán)提供機(jī)械推力讓促動環(huán)向下運(yùn)動從而促使開口鎖緊環(huán)張開，當(dāng)促動環(huán)完成行程后開口鎖緊環(huán)將被完全撐開并嵌入到樹本體設(shè)計(jì)好的卡槽中，同時(shí)安裝在促動環(huán)上的兩組剪切銷鎖定在油管掛卡環(huán)的銷孔內(nèi)，從而將促動環(huán)鎖死，此時(shí)水下油管懸掛裝置最終鎖緊于水下采油樹中（如圖4）。

1.4.4 環(huán)空密封功能

在水下油管懸掛裝置水平生產(chǎn)出口的兩側(cè)存在環(huán)形間隙空間，當(dāng)流體經(jīng)由油管進(jìn)入到水下油管懸掛裝置時(shí)，流體就會從環(huán)形間隙空間泄漏出去，為了防止環(huán)形間隙空間出現(xiàn)流體泄漏，在橫跨水平生產(chǎn)出口的兩側(cè)各設(shè)計(jì)了一組環(huán)空密封總成，這兩組環(huán)空密封總成的形式均是金屬密封為主密封、橡膠密封為輔助密封，兩組密封總成之間設(shè)計(jì)了一個(gè)支撐套筒進(jìn)行限位，密封的技術(shù)參數(shù)及試驗(yàn)要求如下：

圖4 水下油管懸掛裝置與采油樹鎖緊

圖5 環(huán)空密封總成

圖6 電纜穿越系統(tǒng)

1）工作壓力：10000psi；

2）試驗(yàn)壓力：15000psi；

3）產(chǎn)品規(guī)范等級：PSL3/3G[2]；4）性能試驗(yàn)：PR2[2]。

1.4.5 中心堵頭鎖緊密封功能

在水下油管懸掛裝置設(shè)計(jì)了一個(gè)用于安裝中心堵頭的安裝型面，該型面包括一個(gè)與中心堵頭卡牙相匹配的卡槽、用于中心流體密封的密封面，并且該型面還可以安裝鋼絲繩保護(hù)套（用于在修井作業(yè)或中心堵頭安裝之前對密封面進(jìn)行保護(hù)）。

1.4.6 油管掛井下穿越功能

水下油管懸掛裝置設(shè)計(jì)了三個(gè)井下穿越通道，其作用如下描述：

1）一個(gè)通道用于井下溫度及壓力監(jiān)測，此通道為電纜穿越通道，包括橫向的濕式連接裝置及井下縱向干式連接裝置。井下壓力及溫度的接口位于樹本體的表面，經(jīng)由水下油管懸掛裝置穿越至井下，需要進(jìn)行井下溫度及壓力探測時(shí)，通過SCM對DHPT通電實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作，然后以電信號的形式進(jìn)行井下壓力及溫度相關(guān)數(shù)據(jù)采集，其穿越結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖7 井下安全閥液壓操作

2）其余兩個(gè)穿越通道一個(gè)用于井下安全閥控制另一個(gè)用于井下化學(xué)藥劑注入，該兩個(gè)穿越通道均屬于液壓穿越通道。當(dāng)需要對井下安全閥進(jìn)行控制或化學(xué)藥劑注入時(shí)，可通過平臺的中央電腦對采油樹的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)液壓失效時(shí)，可通過ROV來進(jìn)行相應(yīng)的操作；

3）當(dāng)水下油管懸掛裝置進(jìn)行水下安裝時(shí)，所有的井下穿越安裝界面被送入環(huán)保護(hù)以免碰傷，該送入環(huán)設(shè)計(jì)了三個(gè)與水下油管懸掛裝置的井下穿越結(jié)構(gòu)相匹配安裝界面，當(dāng)水下油管懸掛裝置軟著陸時(shí)，送入環(huán)將相對于水下油管懸掛裝置向上移動，井下穿越液壓快插插入至樹本體上的油管懸掛裝置座環(huán)內(nèi)部，此時(shí)，上部的壓力注入孔被密封住，這樣就可以從IWOCS的臍帶纜注入液壓經(jīng)由送入工具的單流閥來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的井下液壓操作。

1.5 設(shè)計(jì)載荷

在設(shè)計(jì)水下臥式采油樹油管懸掛裝置的過程中，應(yīng)對其所承受的載荷進(jìn)行充分的考慮，設(shè)計(jì)載荷主要包括以下幾個(gè)方面：

1）油管懸掛重量；

2）取回過程中的超載提升載荷；

3）內(nèi)部和外部壓力載荷；

4）壓力測試過程中導(dǎo)致的水下油管懸掛裝置與送入工具的分離載荷；

5）溫度場分布導(dǎo)致的熱載荷；

6）旋轉(zhuǎn)過程中導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)載荷；

7）徑向載荷；

8）水下采油樹的反作用載荷。

3 結(jié)語

1）臥式水下采油樹油管懸掛裝置在設(shè)計(jì)過程中須充分考慮其水下安裝工藝并結(jié)合送入工具進(jìn)行并行設(shè)計(jì)；

2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、井下穿越系統(tǒng)及環(huán)空密封是水下油管懸掛裝置的主要結(jié)構(gòu)特征，在設(shè)計(jì)過程中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)必須具備預(yù)導(dǎo)向與最終定向功能，鎖緊機(jī)構(gòu)必須使水下油管懸掛裝置鎖死在水下采油樹中既不能上下移動也不能軸向轉(zhuǎn)動，井下穿越系統(tǒng)須具備井下安全閥控制功能、往井下注入化學(xué)藥劑功能及井下溫度壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，環(huán)空密封總成必須能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)形間隙空間進(jìn)行密封；

3)在最終的設(shè)計(jì)載荷校核階段，應(yīng)著重對生產(chǎn)流體壓力、溫度場分布產(chǎn)生的熱載荷進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析。

［1］ISO 13628-4，Design and operation of subsea production systems--Part 4：Subsea wellhead and treeequipment.2011[S].

［2］ISO 10423:2009石油和天然氣工業(yè)—鉆井和采油設(shè)備—井口裝置和采油樹設(shè)備[S].