深水水下采油樹系統(tǒng)的選型方案研究

王 宇，張俊斌，蔣世全，劉永峰，郝希寧

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

深水水下采油樹系統(tǒng)的選型方案研究

王 宇1，張俊斌2，蔣世全1，劉永峰2，郝希寧1

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

水下采油樹系統(tǒng)正確選型對降低深水油氣開發(fā)項目的綜合成本至關(guān)重要。在充分分析調(diào)研的基礎(chǔ)之上，歸納出一套深水水下采油樹系統(tǒng)的選型方法：總結(jié)水下采油樹、油管掛和樹帽的結(jié)構(gòu)形式特點及其適用范圍，并分析井口連接器、水下閥門、水下監(jiān)控設(shè)備等關(guān)鍵部件的選型考慮因素和配置要求，給出材料等級、壓力等級、溫度等級、產(chǎn)品規(guī)范等級、性能要求等級等關(guān)鍵工作條件參數(shù)的確定方法，并總結(jié)出水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)和安裝及修井控制系統(tǒng)的適用范圍。

水下采油樹；選型；油管掛；生產(chǎn)控制系統(tǒng)；安裝及修井控制系統(tǒng)

0 引 言

水下采油樹系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)核心設(shè)備，主要包括水下采油樹、油管掛和水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)三部分，其主要功能是對生產(chǎn)的油氣或注入儲層的水/氣進行流量控制，并和水下井口系統(tǒng)系統(tǒng)一起構(gòu)成井下產(chǎn)層與環(huán)境之間的壓力屏障。

水下采油樹系統(tǒng)的正確選型對于油氣田的初期成本和整個壽命期的運行維護成本有重要影響，石油公司和水下采油樹供應(yīng)商都十分重視。石油公司側(cè)重于不同結(jié)構(gòu)類型的采油樹對油氣田全壽命周期的成本影響，如1998年由5家美國石油公司和礦產(chǎn)管理局組成的工業(yè)聯(lián)合研究項目(JIP)進行了水下生產(chǎn)系統(tǒng)全壽命期成本模型的組成要素分析[1]；2002年FMC Technologies公司進行了各類水下采油樹在油氣田全壽命周期中的各階段的成本對比案例分析[2]；2013年Cameron公司開發(fā)出一套采油樹選型工具軟件“Tree Selector Tool”，該軟件能夠根據(jù)經(jīng)濟性、性能特性和預(yù)期風(fēng)險，提供采油樹的50多個功能和性能要求[3]。

另外，水下井口采油樹的設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范API Spec 17D給出了水下采油樹的工作條件(壓力等級、溫度等級、材料等級)和產(chǎn)品規(guī)范等級的類別，并提供了水下采油樹選型的數(shù)據(jù)表[4]。

在充分調(diào)研分析的基礎(chǔ)之上，本文歸納總結(jié)出一套深水水下采油樹系統(tǒng)的選型方法，為深水水下采油樹的選型提供參考。

1 水下采油樹系統(tǒng)的類型選擇

1.1 選擇原則

水下采油樹系統(tǒng)類型的選擇原則如下：(1)綜合考慮開發(fā)油氣田的修井頻率、開發(fā)成本、油氣田水深、人工舉升方案、完井管柱尺寸大小和完井難易程度等因素選擇水下采油樹類型；(2)安全可靠，便于完井修井作業(yè)，使用功能及壽命滿足油氣田開發(fā)要求；(3)與安裝平臺能力相匹配，考慮鉆井防噴器組、吊機能力、甲板的空間與負(fù)載能力、月池空間等。

1.2 水下采油樹的結(jié)構(gòu)類型選擇

可供選擇的有兩種結(jié)構(gòu)類型的水下采油樹：立式采油樹和臥式采油樹。

1.2.1結(jié)構(gòu)類型及特點

如圖1所示，臥式采油樹的主閥位于垂直通道的水平側(cè)，油管掛坐掛于樹本體內(nèi)部。立式采油樹的主閥位于采油樹的垂直通道內(nèi)部，油管掛通常坐掛于高壓井口頭內(nèi)部。兩種采油樹的不同結(jié)構(gòu)決定了各自的優(yōu)勢與局限[5]，且具有互補的特性，具體如表1所示。

圖1 兩種水下采油樹的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of subsea Christmas trees

優(yōu) 勢局 限臥式樹(1)側(cè)鉆8-1/2英寸(1英寸=2.54cm)和6英寸井眼或修井起出生產(chǎn)管柱等后續(xù)作業(yè)不用回收采油樹,節(jié)約修井和再完井時間與成本;(2)油管掛安裝于采油樹本體內(nèi),坐掛位置和密封面已知;導(dǎo)向筒安裝在樹體內(nèi)部,容易定向和坐掛密封;(3)滿足井下電潛泵完井對大通徑的要求;(4)不同供應(yīng)商的采油樹和井口頭接口簡單。(1)如回收發(fā)生故障的采油樹(小概率事件),需要先回收生產(chǎn)管柱;(2)樹頂部安裝水下防噴器進行完井作業(yè)時,井口承受更大的彎矩載荷(井口穩(wěn)定性與疲勞壽命)。立式樹(1)2套閘閥作為垂直通道的2道壓力屏障,比臥式樹在現(xiàn)場安裝的內(nèi)樹帽/堵塞器更可靠;(2)鋼絲及連續(xù)油管等干預(yù)作業(yè)用輕型修井船進行,不需要鉆井防噴器組;(3)可直接回收故障的采油樹(小概率事件),無需起出生產(chǎn)管柱。(1)修井起出生產(chǎn)管柱,必須先回收采油樹;(2)需在防噴器組內(nèi)部(阻流壓井管線的出口或井口連接器)安裝定位銷釘或定位套筒;(3)油管掛與高壓井口頭的界面很關(guān)鍵:下生產(chǎn)管柱前,需下鉆打鉛印確認(rèn)油管掛的坐掛位置;如不兼容,需額外安裝油管頭(TubingSpool)。

1.2.2水下采油樹應(yīng)用概述

兩種采油樹具有優(yōu)勢互補的特性，同時由于作業(yè)者對某種采油樹的安裝工藝和工具的熟練程度引起的選擇偏好，通常一種結(jié)構(gòu)類型的水下采油樹在某一海域的應(yīng)用占有優(yōu)勢，但兩種類型的采油樹在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用總量大致相當(dāng)[5]。

我國從1996年開始在南海油氣田應(yīng)用水下生產(chǎn)系統(tǒng)[6-9]，由于儲層底水充足等原因，且后期有修井與側(cè)鉆需求，9個油氣田全部采用水下臥式采油樹，應(yīng)用最大水深達1457m，具體如表2所示。

表2 中國南海水下采油樹的應(yīng)用統(tǒng)計

1.3 油管掛的類型選擇

1.3.1選擇考慮因素

選擇油管掛時主要考慮如下因素：(1)油管掛的結(jié)構(gòu)類型、工作條件(壓力等級、材料等級、溫度等級等)應(yīng)與水下采油樹匹配；油管掛的外徑與鉆井隔水管和防噴器組的內(nèi)徑相匹配；(2)油管掛的本體滿足井下管線穿越孔數(shù)量以及環(huán)空通道的要求；(3)油管掛的通徑尺寸(3-1/2、4、5、7英寸等)滿足配產(chǎn)的要求，且滿足下入油管掛堵塞器和其他井下工具的要求；(4)若選用立式采油樹，應(yīng)提前考慮油管掛的定位方式，需要在防噴器內(nèi)部(阻流壓井管線的出口或井口連接器內(nèi)部)安裝油管掛的定位機構(gòu)。

1.3.2油管掛的結(jié)構(gòu)類型

臥式樹的油管掛分為單堵塞器的油管掛和雙堵塞器的加長型油管掛。單堵塞器的油管掛通過在側(cè)出油口上方的單堵塞器與頂部的內(nèi)樹帽構(gòu)成垂直通道的兩道壓力屏障。為了徹底避免由于碎屑可能集聚在油管掛頂部使內(nèi)樹帽安裝不到位的風(fēng)險，新設(shè)計的加長型油管掛不需要安裝內(nèi)樹帽，而通過在油管掛側(cè)出油口上方安裝兩個堵塞器構(gòu)成垂直通道的兩道壓力屏障。

立式樹的油管掛分為同心單通道油管掛和偏心雙通道油管掛兩種結(jié)構(gòu)形式。單通道油管掛需要在臍帶纜或服務(wù)管線中提供進入環(huán)空的通道。

1.4 樹帽的類型選擇

1.4.1承壓樹帽

樹帽安裝前的水下采油樹只有一道壓力屏障時，選擇承壓樹帽作為另一道壓力屏障。(1)承壓內(nèi)樹帽：鎖緊在采油樹本體內(nèi)部的油管掛正上方。(2)承壓外樹帽：鎖緊在采油樹本體的芯軸頂部，保護金屬密封面及垂直井筒不遭受損傷。井下電潛泵完井時，提供動力電纜的穿越通道。井下雙電潛泵完井時，還可提供電泵切換開關(guān)的安裝位置。

1.4.2非承壓樹帽

樹帽安裝前的水下采油樹已有兩道壓力屏障時，可選擇非承壓的外部樹帽，防止采油樹本體的芯軸頂部密封面及垂直井筒遭受沖蝕、海生物及外部機械載荷的損傷。

1.5 采油樹的井口連接器

采油樹的井口連接器應(yīng)與連接的高壓井口頭的剖面(心軸式H4mandrel type和轂式Clamp hub type)、通徑(13-5/8、16-3/4、18-3/4英寸等)、壓力等級(69.0MPa和103.5MPa等)相匹配。

如果采油樹的井口連接器與高壓井口頭不相匹配，例如不同制造商的高壓井口頭和采油樹之間的剖面不匹配，或者由于高壓井口頭內(nèi)部密封面損壞等原因?qū)е虏荒馨惭b立式采油樹的油管掛，則需要在采油樹井口連接器下端額外安裝油管頭。

1.6 閥門

1.6.1閥門配置要求

閥門配置要求如下[4]。

(1) 臥式采油樹主閥/翼閥要求：應(yīng)有1個或多個生產(chǎn)主閥和環(huán)空主閥，且其中至少有1個主閥是失效自動關(guān)斷閥；應(yīng)至少有1個生產(chǎn)翼閥和環(huán)空翼閥。

(2) 立式采油樹主閥/翼閥要求：垂直的生產(chǎn)通道和環(huán)空通道應(yīng)有1個或多個主閥，且至少有1個主閥是失效自動關(guān)斷閥；生產(chǎn)側(cè)出口應(yīng)至少有1個生產(chǎn)翼閥；如僅有1個環(huán)空主閥，則應(yīng)至少有1個環(huán)空翼閥。

1.6.2閥門通徑

水下閥門(閘板閥)的通徑如表3所示[10]。除了滿足流量要求外，垂直通道的閥門通徑還應(yīng)允許堵塞器和其余鋼絲的工具通過。常用的生產(chǎn)閥門通徑為5-1/8英寸或4-1/16英寸，環(huán)空閥門通徑為2-1/16英寸。

圖2 水下采油樹閥門配置示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical subsea tree valve configuration

額定工作壓力/MPa通徑尺寸/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 水下監(jiān)測與控制設(shè)備

水下控制模塊、節(jié)流閥、流量計、地層砂探測器等應(yīng)設(shè)計成便于水下機器人(ROV)在水下回收與更換。

壓力/溫度傳感器位于水下采油樹的生產(chǎn)通道、環(huán)空通道及節(jié)流閥的上、下游；流量計(可選)用于單井計量，位于節(jié)流閥上游；地層砂及沖蝕探測器(可選，采氣樹通常需要配置)監(jiān)測地層出砂量以及對出油管線的沖蝕程度，位于節(jié)流閥下游的出游管線最易遭受沖蝕的位置；另外，根據(jù)需要還可能配置泄漏檢測系統(tǒng)和高完整性壓力保護系統(tǒng)等[11]。

1.8 其他保護裝置

位于漁網(wǎng)拖拽和落物沖擊破壞風(fēng)險區(qū)域時，應(yīng)設(shè)計防落物、防拖拽保護裝置[11]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范可確定不同落物在不同水深條件下對海底生產(chǎn)設(shè)施的沖擊破壞程度。

2 工作條件及等級選擇

下面總結(jié)美國石油學(xué)會(API)標(biāo)準(zhǔn)API Spec 17D[4]和API Spec 6A[10]中有關(guān)水下采油樹的工作條件(壓力等級、溫度等級、材料等級)、產(chǎn)品規(guī)范等級、性能要求等級的選擇方法，并部分給出水下采油樹工作條件的選擇實例。

2.1 壓力等級

壓力等級指承壓與控壓設(shè)備的額定工作壓力，即設(shè)備的最大設(shè)計內(nèi)部壓力值，有3個額定工作壓力值：34.5 MPa(5 000 psi)、69.0 MPa(10 000 psi)和103.5 MPa(15 000 psi)。

壓力等級不應(yīng)低于最大地層壓力及后續(xù)作業(yè)的最大壓力值。水下采油樹壓力等級的選擇實例見表4。

表4 水下采油樹壓力等級選擇實例

2.2 溫度等級

溫度等級指設(shè)備可以承受的溫度范圍，最低溫度是設(shè)備承受的最低環(huán)境溫度，最高溫度是設(shè)備接觸流體的最高溫度。采油樹有10個溫度等級，見表5[10]，其中等級X、Y是超高溫度等級，必須注意超高溫度降低了材料的屈服強度。API Spec 17D推薦的溫度等級選擇如下：(1)閘閥和節(jié)流閥的驅(qū)動器溫度范圍至少為2～66 ℃；(2)水下采油樹總成的溫度等級至少為V級；(3)有沖擊韌性要求的承壓件和控壓件材料(PSL 3、PSL 3G)的溫度等級至少為U級；(4)需考慮氣流經(jīng)過節(jié)流閥產(chǎn)生的焦耳-湯普森低溫冷卻效應(yīng)對節(jié)流閥閥體和相關(guān)下游設(shè)備的影響，相關(guān)設(shè)備要求做低溫度性能鑒定試驗或材料的低溫沖擊試驗。

表5 溫度等級

2.3 材料等級

通常根據(jù)地層腐蝕性介質(zhì)的含量選擇井口裝置和采油樹承壓件、控壓件部件的材料等級，其中H2S和CO2分壓是材料等級選擇的主要影響因素。API標(biāo)準(zhǔn)給出CO2分壓及流體腐蝕程度與材料等級的選擇關(guān)系，如表6所示[4,10]，但沒有直接給出如何根據(jù)H2S分壓選擇材料等級。鑒于ISO 15156-2要求用于H2S分壓值大于0.05 psia(0.34 kPa絕對壓力)的環(huán)境必需選用抗硫化物應(yīng)力開裂的碳鋼和低合金鋼[12]，因此，綜合考慮H2S分壓和CO2分壓選擇材料等級的推薦做法如下：H2S分壓小于0.05 psia(0.34 kPa)的一般環(huán)境，根據(jù)CO2分壓值的大小，在AA、BB、CC等級中選擇；H2S分壓大于等于0.05 psia(0.34 kPa)的酸性環(huán)境，根據(jù)CO2分壓值，在DD、EE、FF、HH等級中選擇，并標(biāo)注最大允許的H2S分壓，例如“FF-1.5”代表FF級材料的最大允許H2S分壓為1.5 psia，如無H2S分壓限制，標(biāo)注“NL”。

結(jié)合中國南海近年開發(fā)的水下油氣田的水下采油樹的材料等級實例，出于安全與可靠性考慮，水下采油樹部件的材料等級優(yōu)先選擇如下：(1)金屬密封面以及與井內(nèi)流體接觸的生產(chǎn)通道濕接觸面宜選擇HH等級材料(通常在基材為碳鋼或低合金鋼的表面堆焊耐腐蝕鎳基合金INCONEL 625)；(2)可能和井內(nèi)流體接觸的環(huán)空通道，宜選擇EE或FF等級材料；(3)化學(xué)藥劑注入閥宜選擇HH等級材料。

表6 材料等級與材料要求

2.4 產(chǎn)品規(guī)范等級

產(chǎn)品規(guī)范等級(PSL)定義井口裝置與采油樹的承壓件和控壓件的技術(shù)與質(zhì)量控制要求，即對零件的材料及制造工藝(機械性能、化學(xué)元素成分、冷加工與熱處理工藝、無損檢測等)、工廠驗收測試(FAT)、質(zhì)控文檔等提出技術(shù)質(zhì)量要求。API-6A中規(guī)定PSL包含1、2、3、3G、4五個等級，等級越高，對應(yīng)的技術(shù)質(zhì)量要求越高。用于氣井的井口采油樹設(shè)備要求為PSL 3G，要求做氣密性測試。水下設(shè)備的PSL決策流程如圖3所示[4]。

2.5 性能要求

水下采油樹的部件要求達到API Spec 6A 規(guī)定的性能要求等級PR2。通過PR2要求的性能鑒定測試以及模擬設(shè)計水深處的外部高壓測試，鑒定部件所具有的代表性設(shè)計、尺寸/公差、制造工藝、材質(zhì)，證明產(chǎn)品的操作性能滿足設(shè)計運行壽命和運行條件的要求。如果產(chǎn)品設(shè)計在配合、型式、功能或材料方面有任何更改，制造商應(yīng)將對產(chǎn)品性能產(chǎn)生影響的相應(yīng)更改形成文件。實質(zhì)性更改是指在預(yù)期運行條件下影響產(chǎn)品性能的更改，會影響產(chǎn)品或預(yù)期使用性能的對以前鑒定的構(gòu)型或材料選擇的任何更改。有實質(zhì)性更改的設(shè)計應(yīng)視為一種新設(shè)計，要求重新測試。設(shè)計的實質(zhì)性更改應(yīng)予以記錄，制造商應(yīng)有充分理由證明是否需要重新性能鑒定測試，包括配合、型式、功能或材料方面的更改。

另外，需要第三方檢驗機構(gòu)見證性能鑒定測試，并出具測試合格報告或證書證明達到相應(yīng)的性能要求等級。必要時，根據(jù)買方要求，制造商提供額外的鑒定測試。

圖3 水下設(shè)備PSL決策流程圖Fig .3 PSL decision tree for subsea equipment

3 控制系統(tǒng)的類型選擇

水下采油樹的控制系統(tǒng)包括生產(chǎn)控制系統(tǒng)和安裝及修井控制系統(tǒng)(IWOCS)。正常生產(chǎn)時由生產(chǎn)控制系統(tǒng)對整個水下采油樹進行控制和監(jiān)測。水下采油樹安裝及修井期間，用IWOCS安裝、回收及控制水下采油樹和油管掛。

3.1 生產(chǎn)控制系統(tǒng)的類型選擇

選擇考慮因素包括：(1)穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟性好；(2)滿足與控制平臺的回接距離和響應(yīng)時間的要求[13]；(3)滿足數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控的要求。

目前可供選擇的幾種生產(chǎn)控制系統(tǒng)如表7所示。

表7 生產(chǎn)控制系統(tǒng)類型選擇

3.2 安裝及修井控制系統(tǒng)的選擇

選擇考慮因素包括：(1)應(yīng)滿足水下采油樹系統(tǒng)及井下工具的安裝控制與監(jiān)測功能要求；(2)與安裝平臺相匹配，如吊機能力、甲板空間和荷載能力、電源和氣源接口等；(3)綜合考慮系統(tǒng)購置與系統(tǒng)租用的經(jīng)濟性[14]。

現(xiàn)有兩類安裝及修井控制系統(tǒng)：液壓控制和電液復(fù)合控制。其各自適用的水深如表8所示。

表8 安裝及修井控制系統(tǒng)的類型選擇

4 結(jié) 語

臥式和立式這兩種結(jié)構(gòu)形式的水下采油樹各有優(yōu)勢，通常一種結(jié)構(gòu)型式的水下采油樹在某一海域的應(yīng)用占有優(yōu)勢。需進一步針對具體項目特點進行量化分析，進行各類水下采油樹在油氣田全壽命周期中的各階段的成本對比案例的分析研究。通過系統(tǒng)梳理采油樹的設(shè)計制造規(guī)范API Spec 17D和API Spec 6A，歸納總結(jié)了水下采油樹的工作條件(壓力等級、溫度等級、材料等級)、產(chǎn)品規(guī)范等級、性能要求等級的選擇方法，并給出水下采油樹部分工作條件的選擇實例，可為深水水下采油樹的選型提供參考。

[1] Goldsmith R, Eriksen R, Childs M, et al. Lifecycle cost of deepwater production systems[C]. OTC, 2001: 12941.

[2] Harrold D. Economic Impacts of Slimbore drill-thru XT on deepwater subsea developmets[C]. OTC, 2002: 14264.

[3] Cameron. OneSubsea tree selector tool[OL]. http://cameron.slb.com/newsroom/tree-select-tool.

[4] American Petroleum Institute. API Spec 17D. Design and operation of subsea production systems: subsea wellhead and tree equipment[S]. 2011.

[5] Deep Gulf Energy. Subsea Tree[R]. 2013.

[6] Skeels H B, Hopkins B C, Cunningham C E. The horizontal subsea tree: a unique configuration evolution[C]. OTC, 1993: 7422.

[7] Triolo D, Mosness T, Jennings J, et al. Liwan gas project: first South China Sea deepwater completions campaign[C]. OTC, 2013: 23934.

[8] 林影煉, 胡茂宏, 郝偉修, 等. 國際化大型水下項目管理的特點與方法——以番禺35-2/35-1氣田水下開發(fā)項目為例[J]. 中國海上油氣, 2014, 26(S1): 77.

[9] Cheng Z, Cheng K, Wu W, et al. Liuhua oil gas project: first self developed completion using subsea horizontal trees in South China Sea[C]. OTC, 2015: 26076.

[10] American Petroleum Institute. API Spec 6A. Specification for wellhead and Christmas tree equipment [S]. 2010.

[11] American Petroleum Institute. API RP 17A. Design and operation of subsea production systems: general requirements and recommendations[S]. 2006.

[12] International Organization for Standardization. ISO 15156-2. Petroleum and natural gas industries—materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production—Part 2. Cracking-resistant carbon and low-alloysteels, and the use of cast irons[S]. 2009.

[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

國家科技重大專項(2011ZX05026-001，2016ZX05028-001)

王宇(1982—)，男，博士，主要從事深水鉆完井和水下井口采油樹方面的研究。

TE931

A

2095-7297(2016)02-0085-08