基于海試的水下立式采油樹(shù)安裝測(cè)試技術(shù)研究

肖仕紅，沙喆，梁政

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500；2.西南石油大學(xué)石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500）

基于海試的水下立式采油樹(shù)安裝測(cè)試技術(shù)研究

肖仕紅1，2，沙喆1，2，梁政1，2

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500；2.西南石油大學(xué)石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500）

為促進(jìn)水下立式采油樹(shù)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，以水下立式采油樹(shù)樣機(jī)海試安裝測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn)展開(kāi)研究?；谒铝⑹讲捎蜆?shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、下放安裝方式和測(cè)試方法，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和現(xiàn)有相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出適用于水下立式采油樹(shù)海試的安裝測(cè)試流程；設(shè)計(jì)無(wú)防噴器、無(wú)隔水管的新安裝測(cè)試方案，并制定海試作業(yè)操作流程，闡述具體的安裝測(cè)試方法。該新方案可簡(jiǎn)化安裝測(cè)試過(guò)程，節(jié)約海試成本，可專門(mén)服務(wù)于海試安裝測(cè)試，為國(guó)內(nèi)水下立式采油樹(shù)以及相關(guān)水下生產(chǎn)設(shè)備的海試作業(yè)提供參考。

安裝測(cè)試技術(shù)；水下立式采油樹(shù)；海試作業(yè)；密封測(cè)試

0 引言

隨著全球能源需求的不斷增加，陸上油氣資源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)已成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)[1]。水下采油樹(shù)是海洋油氣水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)外從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了水下采油樹(shù)的研制，且水下采油樹(shù)的安裝測(cè)試技術(shù)也趨于成熟。我國(guó)近年來(lái)才開(kāi)始研究水下采油樹(shù)的相關(guān)技術(shù)，其測(cè)試技術(shù)研究主要集中在陸上測(cè)試和淺水測(cè)試，尚未見(jiàn)水下采油樹(shù)海試的相關(guān)報(bào)道。海試是水下采油樹(shù)研發(fā)過(guò)程不可逾越的組成部分，其目的在于測(cè)試海況環(huán)境下安裝后的密封面密封性或接頭的連通性和密封性，測(cè)試非固定作業(yè)及浪流作用下安裝的可行性，測(cè)試?yán)肆髯饔孟滤聶C(jī)器人（ROV）的可操作性以及測(cè)試閥和執(zhí)行器在海況下功能，是驗(yàn)證樣機(jī)性能的必要程序。

國(guó)外早在20世紀(jì)70年代就進(jìn)行了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的海試。Exxon公司在墨西哥灣約51m水深下對(duì)所研發(fā)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了海試（見(jiàn)圖1），采用鉆井立管安裝，并對(duì)管線連接以及采油樹(shù)功能進(jìn)行了測(cè)試。AGIP石油公司、Chevron公司等公司聯(lián)合研制的水下生產(chǎn)系統(tǒng)在挪威西海岸進(jìn)行了海試，主要針對(duì)采油樹(shù)管線的連接進(jìn)行了測(cè)試，整個(gè)安裝過(guò)程采用無(wú)潛水操作，借助ROV輔助進(jìn)行。Brien、Joubert和Krist-offersen等對(duì)所研發(fā)的高壓撓性管進(jìn)行了海試（見(jiàn)圖2），海試深度約為106m，使用纜繩下放方式[2-4]。Robert等[5]介紹了臥式采油樹(shù)的基本結(jié)構(gòu)以及采油樹(shù)安裝流程，探討了臥式采油樹(shù)系統(tǒng)的安裝步驟及安裝工具。國(guó)內(nèi)主要研究了臥式采油樹(shù)和水下管匯的深水安裝。龔銘煊等[6]分析了水下臥式采油樹(shù)下放安裝工藝流程。肖易萍等[7]介紹了水下臥式采油樹(shù)安裝順序與條件要求。王瑩瑩等[8]針對(duì)深水、超深水水下管匯的安裝問(wèn)題，分析了吊裝法、滑輪法和下擺法3種安裝方式對(duì)安裝過(guò)程的適應(yīng)性。付劍波等[9]提出在綜合考慮安全性和可靠性前提下管匯的安裝方法及選擇原則。張亮等[10]針對(duì)深水油田中水下立式采油樹(shù)的下隔水管系統(tǒng)（LMRP）安裝過(guò)程進(jìn)行了研究，制定了LMRP的具體操作流程。王現(xiàn)鋒等[11]對(duì)水下采油樹(shù)的安裝工藝進(jìn)行了總結(jié)，比較分析了水下立式采油樹(shù)和臥式采油樹(shù)的安裝工藝。

綜上所述，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)水下采油樹(shù)海試的相關(guān)文獻(xiàn)，亦無(wú)水下采油樹(shù)海試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)水下立式采油樹(shù)海試的安裝測(cè)試方法進(jìn)行研究，而海試與實(shí)際下放安裝測(cè)試過(guò)程的不同點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)化版下放安裝測(cè)試方式，采用無(wú)防噴器、無(wú)隔水管的方案，在達(dá)到相同安裝測(cè)試效果的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，也更加便于操作實(shí)施。

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圖2 耐高壓撓性管海試方案

1 水下立式采油樹(shù)海試流程和下放方式

1.1 水下立式采油樹(shù)結(jié)構(gòu)

水下立式采油樹(shù)主要用于不需頻繁取出油管進(jìn)行修井作業(yè)的油氣田。典型水下立式采油樹(shù)結(jié)構(gòu)如圖3所示，在立式采油樹(shù)的主體內(nèi)，生產(chǎn)主閥（PMV）、生產(chǎn)抽汲閥（PSV）、環(huán)空主閥（AMV）、環(huán)空抽汲閥（ASV）和井下安全閥（DHSV）安裝在同一個(gè)垂直方向，生產(chǎn)翼閥（PWV）和環(huán)空翼閥（AWV）分別位于水平方向的生產(chǎn)出口和環(huán)空出口上，油管掛位于采油樹(shù)的外部，直接鎖定在水下井口頭內(nèi)，因此需將油管掛安裝在井口之后再安裝水下采油樹(shù)。立式采油樹(shù)采用轉(zhuǎn)換閥（XOV）來(lái)聯(lián)通生產(chǎn)和環(huán)空，采油樹(shù)帽不承擔(dān)壓力并且有防腐的功能，ASV代替頂部堵塞器。

1.2 海試流程

圖3 水下立式采油樹(shù)結(jié)構(gòu)

通過(guò)分析國(guó)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（ISO 13628、ISO 10423）和水下臥式采油樹(shù)安裝方法，提出水下立式采油樹(shù)海試安裝測(cè)試流程，如圖4所示。根據(jù)海試的目的及要求，在采油樹(shù)系統(tǒng)完成陸地測(cè)試后，將全套海試所需設(shè)備裝船運(yùn)輸至作業(yè)平臺(tái)上，依次對(duì)采油樹(shù)系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行水下安裝測(cè)試、接口密封性測(cè)試、功能測(cè)試以及ROV操作性測(cè)試。完成所有測(cè)試工作后，將各設(shè)備按順序回收至水面，完成海試作業(yè)過(guò)程。

1.3 下放方式選擇

水下采油樹(shù)本體下放方式主要有：纜繩安裝、鉆桿安裝及鉆井立管安裝。水深是選擇水下采油樹(shù)下放方式的主要因素，淺水安裝通常采用鋼絲繩引導(dǎo)下放方式；深水安裝通常采用鉆桿安裝或修井隔水管安裝的方式，以確保安裝設(shè)備的軸向與徑向偏離；鉆井立管安裝主要針對(duì)水深超過(guò)500 m的安裝環(huán)境。本課題擬定海試水深為50～150m，確定采用鉆桿安裝下放方式（見(jiàn)圖5）。

2 海試關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 無(wú)防噴器（BOP）無(wú)鉆井隔水管方案

圖4 立式采油樹(shù)海試安裝測(cè)試流程

圖5 鉆桿安裝

BOP組在水下采油樹(shù)安裝作業(yè)過(guò)程中起到的作用：1）隔斷井下壓力，保證油管懸掛器（TH）以及采油樹(shù)在安全的環(huán)境下進(jìn)行安裝；2）為油管懸掛器（TH）的安裝提供定位。鉆井隔水管系統(tǒng)的作用是保證TH在隔水管內(nèi)進(jìn)行下放，減少了環(huán)境載荷對(duì)下放過(guò)程的影響。但由于采油樹(shù)海試過(guò)程中，水下安裝的井口為假底或測(cè)試樁，并無(wú)井噴危險(xiǎn)，也無(wú)井口壓力。海試水深較淺，下放過(guò)程較短，TH在開(kāi)放水域進(jìn)行下放安裝也較為安全。此外，BOP和鉆井隔水管系統(tǒng)租賃費(fèi)用較高，會(huì)為海試帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而下放、回收BOP和鉆井隔水管系統(tǒng)使安裝測(cè)試流程復(fù)雜化。因此為了節(jié)約海試成本，簡(jiǎn)化安裝測(cè)試過(guò)程，設(shè)計(jì)了無(wú)BOP無(wú)鉆井隔水管的方案。

2.2 TH密封測(cè)試

常用水下立式采油樹(shù)的TH下方一般有3道密封，由最下方的金屬密封和上方兩道橡膠密封組成。金屬密封為單向密封，阻隔井下液體壓力，橡膠密封輔助金屬密封阻隔下方泄漏以及密封上方的壓力。密封效果檢測(cè)的位置處于兩道橡膠密封的上方，若無(wú)泄漏，無(wú)法確定是哪道密封發(fā)揮作用，因此無(wú)法監(jiān)測(cè)金屬密封的效果。而在FAT測(cè)試和實(shí)際生產(chǎn)安裝中不存在該問(wèn)題。此處本文模仿FAT測(cè)試中的方法，先將TH上的兩道橡膠密封拆去，然后下放TH至井口并鎖緊，通入液壓檢測(cè)有無(wú)泄漏以檢測(cè)金屬密封的性能。若金屬密封性達(dá)到要求，將TH從井口上解鎖并回收至水面，安裝橡膠密封圈，再次下放鎖緊在井口上。

2.3 TH安裝定位

由于TH下放安裝之前，并無(wú)BOP組鎖定在水下井口上，也無(wú)鉆井隔水管，因此TH是由鉆桿連接，在開(kāi)放水域進(jìn)行下放。此處，TH的周向定位問(wèn)題是下放安裝過(guò)程的關(guān)鍵。由于無(wú)法通過(guò)BOP內(nèi)部定位銷與TH導(dǎo)向工具的定位螺旋配合，需要在測(cè)試樁基座上設(shè)置一個(gè)定位插銷，與TH安裝工具上的定位工具進(jìn)行配合，從而達(dá)到TH安裝定位的作用。

3 海上作業(yè)

3.1 測(cè)試樁安裝

由于海試作業(yè)僅需檢驗(yàn)水下采油樹(shù)樣機(jī)的安裝流程以及功能，使用測(cè)試樁可模擬實(shí)際水下井口以便對(duì)采油樹(shù)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。因此在設(shè)備運(yùn)輸至安裝平臺(tái)之前，將測(cè)試樁安裝固定在選定海試區(qū)域的海底。

3.2 設(shè)備裝船運(yùn)輸

采油樹(shù)裝船前需對(duì)采油樹(shù)、采油樹(shù)安裝工具及連接后的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，保證每個(gè)功能模塊均可正常使用。將采油樹(shù)、采油樹(shù)吊裝鎖具、ROV及配套工具、采油樹(shù)安裝工具（TRT）及通信系統(tǒng)等材料準(zhǔn)備完畢后進(jìn)行裝船固定。在固定采油樹(shù)時(shí)，需保證運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性，不能損傷采油樹(shù)，必要時(shí)應(yīng)設(shè)置隔離和緩沖裝置。

3.3 測(cè)試樁井口檢查及噴洗

確保各部件間連接的清潔度是水下安裝測(cè)試與陸上測(cè)試的主要區(qū)別。在井口檢查完畢后，對(duì)井口內(nèi)部進(jìn)行噴洗，以保證安裝過(guò)程中井口與油管懸掛器連接部位的清潔度。

3.4 TH安裝測(cè)試

1）平臺(tái)上TH電液接口測(cè)試

在TH下海安裝前，需在平臺(tái)上檢查其電液接口功能。操作TH測(cè)試工具，將TH安裝在測(cè)試基座上，連接好液壓管線和電纜，依據(jù)廠家提供的設(shè)備說(shuō)明書(shū)進(jìn)行電液測(cè)試。

2）安裝TH

在平臺(tái)上完成電液接口測(cè)試后，操作TH安裝工具，將TH緩慢下放至測(cè)試樁井口上方，在ROV輔助下，通過(guò)TH安裝工具上的定位裝置與測(cè)試樁上的定位插銷配合，確保TH定位準(zhǔn)確，坐放并鎖緊在測(cè)試樁井口頭上。

3）TH與井口密封測(cè)試

安裝完畢后必須對(duì)TH與井口之間的連接密封性進(jìn)行測(cè)試，從而保證連接的可靠性。對(duì)TH安裝工具通入密封測(cè)試壓力，檢測(cè)連接處有無(wú)泄漏。測(cè)試完成后，將TH與安裝工具解鎖，安裝工具回收至水面。

3.5 水下采油樹(shù)安裝

1）平臺(tái)上預(yù)測(cè)試

在采油樹(shù)體下放安裝前，需在平臺(tái)上進(jìn)行最后一系列測(cè)試，包括采油樹(shù)閥門(mén)操作測(cè)試，安裝工具測(cè)試等。

2）井口噴洗

在采油樹(shù)安裝前，需再次對(duì)水下井口進(jìn)行噴洗，保證采油樹(shù)下部接口與油管懸掛器上端連接面的清潔，從而使接口密封性更加可靠。將噴洗工具安裝在鉆桿上，下放至井口清洗部位，向鉆桿內(nèi)部打壓海水，對(duì)井口及油管懸掛器頂面噴洗數(shù)分鐘至清潔，最后將工具回收至水面。

3）下放安裝

下放采油樹(shù)進(jìn)入月池，在月池中向采油樹(shù)上安裝下部立管封裝（LRP）和緊急斷開(kāi)插件（EDP），連接安裝/維修控制系統(tǒng)（IWOCS），緩慢下放采油樹(shù)，利用ROV監(jiān)測(cè)采油樹(shù)下放過(guò)程，當(dāng)采油樹(shù)下放至測(cè)試樁上方0.5～1m時(shí)緩慢下放，通過(guò)主ROV輔助采油樹(shù)坐放到測(cè)試樁上，同時(shí)利用輔助ROV觀察采油樹(shù)坐放過(guò)程并照明，當(dāng)采油樹(shù)完全坐放至測(cè)試樁井口頭后，采油樹(shù)安裝工具通入操作液壓，推動(dòng)連接器操作桿，使連接器鎖定在井口頭上。

3.6 采油樹(shù)連接密封測(cè)試

采油樹(shù)安裝到位后，下端與井口系統(tǒng)的接觸面為采油樹(shù)與井口連接面以及采油樹(shù)與油管懸掛器上端連接面。兩個(gè)連接面的密封性能均需檢測(cè)。

1）VX密封圈密封測(cè)試

采油樹(shù)與井口的連接主要依靠VX密封圈提供密封功能。

使用ROV，將“熱刺”插入采油樹(shù)控制面板上的密封測(cè)試接口，通入測(cè)試壓力，檢測(cè)采油樹(shù)與井口之間VX密封圈的密封性，保壓15min，記錄測(cè)試壓力，測(cè)試完成后泄壓，關(guān)閉采油樹(shù)上相應(yīng)閥門(mén)，回收安裝工具。

2）油管懸掛器連接密封測(cè)試

確認(rèn)地面控制井下安全閥處于關(guān)閉狀態(tài)，通過(guò)安裝/修井控制臍帶纜向生產(chǎn)通道及環(huán)空通道打入高壓液體，測(cè)試油管懸掛器與采油樹(shù)體間接觸面的密封完整性。

測(cè)試過(guò)程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：1）無(wú)可見(jiàn)泄露；2）每小時(shí)壓力衰減不超過(guò)測(cè)試壓力5%。

3.7 采油樹(shù)功能測(cè)試

水下采油樹(shù)功能測(cè)試可驗(yàn)證采油樹(shù)體內(nèi)閥門(mén)開(kāi)閉性能，樹(shù)體內(nèi)傳感器讀數(shù)功能，SCM的電連接以及通信功能，液壓系統(tǒng)功能等是否達(dá)到正常生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。使用ROV將安裝修井控制系統(tǒng)的多路快速（MQC）公接頭連接到采油樹(shù)MQC母接頭上。檢測(cè)SCM通信功能、控制功能以及傳感器讀數(shù)，對(duì)SCM進(jìn)行試運(yùn)行。然后對(duì)采油樹(shù)上所有液壓驅(qū)動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行功能測(cè)試，核實(shí)所有閥門(mén)和控制系統(tǒng)均能正常執(zhí)行其功能。

3.8 采油樹(shù)帽安裝

水下立式采油樹(shù)的樹(shù)帽不承擔(dān)壓力，且具有防腐的功能。在功能測(cè)試完成后，操作ROV將采油樹(shù)帽從采油樹(shù)上的樹(shù)帽支撐架上提起，移動(dòng)樹(shù)帽將其坐放在采油樹(shù)體頂部，通入液壓將樹(shù)帽鎖緊在樹(shù)體上，之后向樹(shù)帽測(cè)試壓力注入口通入液壓，檢測(cè)樹(shù)帽底部與采油樹(shù)間的連接密封性。

3.9 各部件回收

按照與安裝時(shí)相反順序，利用各部件的安裝回收工具依次回收采油樹(shù)帽、采油樹(shù)樹(shù)體、油管懸掛器及測(cè)試樁。

4 結(jié)束語(yǔ)

水下采油樹(shù)的海試是采油樹(shù)在投入正式生產(chǎn)前的重要測(cè)試。本文根據(jù)水下立式采油樹(shù)結(jié)構(gòu)及與井口的裝配特點(diǎn)，研究水下立式采油樹(shù)海試的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了服務(wù)于海試詳細(xì)的安裝測(cè)試內(nèi)容、流程、方法及相關(guān)操作程序和要求。研究結(jié)果可為國(guó)內(nèi)水下立式采油樹(shù)以及相關(guān)水下生產(chǎn)設(shè)備的海試作業(yè)提供參考。

[1]白勇，龔順風(fēng)，白強(qiáng)，等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)手冊(cè)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2012：5-6.

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[10]張亮，張璽亮，孫子剛，等.深水油田立式水下采油樹(shù)安裝操控作業(yè)[J].石油鉆采工藝，2012（增刊1）：117-120.

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（編輯：李妮）

Study on installation and testing technologies of the subsea vertical tree based on sea trial

XIAO Shihong1，2，SHA Zhe1，2，LIANG Zheng1，2
（1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.Key Laboratory of Oil and Gas Equipment of Ministry of Education，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

In order to promote the localization process of the subsea vertical tree，a study which was focused on the key installation and test technology of sea test of subsea vertical tree prototype was conducted.Firstly，based on its structural features，laying installation mode and test method and in combinationwithresearch status at home and abroadand existing related industrial standards，an installation and test process that was applicable to the sea trail of subsea vertical tree was proposed.Besides，on the basis of the process of this sea test，a new installation and test plan without blowout preventer and marine riser was designed，and operation process of sea test was prepared，and concrete installation and test method was elaborated.The new plan can simplify installation and test process，which makes operation straightforward and sea trail cost reduced，thus it can specially serve to the installation and test of sea test.The investigation of this article may provide a reference for the sea trail operation of domestic subsea vertical tree and related subsea production equipment.

installation and testing technologies；subsea vertical tree；sea trail operation；seal test

A

1674-5124（2017）08-0001-05

2016-12-09；

2017-02-03

肖仕紅（1976-），女，四川達(dá)州市人，講師，博士，主要從事石油天然氣裝備研制及測(cè)試研究。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.001