盧沛?zhèn)ィ瑫员?，歐宇鈞，羅玉貴，楊 文，蘇瑞華，張云衛(wèi)，張長齊，蔡寶平（．中海油能源發(fā)展股份有限公司　深圳油田建設(shè)分公司，廣東　深圳58000；．中國石油大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，山東　青島66580）

水下采油樹發(fā)展現(xiàn)狀研究

盧沛?zhèn)?，袁曉兵1，歐宇鈞1，羅玉貴1，楊 文1，蘇瑞華1，張云衛(wèi)2，張長齊2，蔡寶平2
（1．中海油能源發(fā)展股份有限公司深圳油田建設(shè)分公司，廣東深圳518000；2．中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580）①

水下采油樹是海洋油氣開發(fā)的重要設(shè)備，國外在水下采油樹方面的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在油氣田開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用；國內(nèi)僅有少數(shù)油氣田采用水下采油樹，并且尚無國產(chǎn)的水下采油樹應(yīng)用于油氣田開發(fā)中，技術(shù)被國外全面壟斷，國內(nèi)外之間差距明顯。我國應(yīng)大力引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，同時加大自主研發(fā)力度，全面提高水下采油樹設(shè)計制造、檢測、安裝、維護(hù)方面的能力。

石油開發(fā)；水下采油樹；海洋油氣開發(fā)；發(fā)展現(xiàn)狀

隨著全球經(jīng)濟(jì)快速增長，人們對能源的需求不斷增長，陸上油氣勘探日趨成熟，全球油氣儲量增長減緩，油氣藏規(guī)模越來越小，發(fā)現(xiàn)的難度越來越大，大油氣田日趨枯竭，人們的目光逐漸投向海洋［1］。我國南海有著非常豐富的油氣資源，石油儲量至少230～300億t，樂觀估計達(dá)550億t，約占我國油氣總資源的1／3，是世界四大海洋油氣資源聚集中心之一［2 3］。海洋油氣資源的勘探、開發(fā)主要采用水下生產(chǎn)模式，水下生產(chǎn)系統(tǒng)需求近年來一直在增長，水下采油樹作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的功能性門戶，是海洋油氣田生產(chǎn)和井下作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備［4 5］，越來越廣泛的應(yīng)用于海洋油氣生產(chǎn)，掌握水下采油樹的關(guān)鍵技術(shù)對于我國海洋油氣田的發(fā)展具有重要意義。

1 概述

1．1 水下采油樹發(fā)展歷程

水下采油樹系統(tǒng)是一組安裝在水下井口系統(tǒng)上的閥組，主要包括采油樹連接器、采油樹本體、采油樹閥組、采油樹大四通、導(dǎo)向架等部件。經(jīng)歷了干式、干／濕混合型、沉箱式以及濕式采油樹4個發(fā)展階段［6］。各發(fā)展階段的特征如表1所示。

表1 水下采油樹各發(fā)展階段特征

1．2 水下采油樹類型與結(jié)構(gòu)

水下采油樹分類方法有多種。按照修井方式可分為出油管式和非出油管式；按照濕式采油樹上生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥和井下安全閥3個主要閥門的布置方式可分為立式采油樹和臥式采油樹；按照安裝方式可分為潛水員作業(yè)型、R O V／潛水員輔助作業(yè)型和完全R O V作業(yè)型。

1．2．1 立式采油樹

典型的立式采油樹如圖1所示，其主要特點為：

1） 生產(chǎn)主閥／生產(chǎn)翼閥和井下安全閥安裝在一條垂直的線上，生產(chǎn)主閥位于油管懸掛器上方。

2） 油管懸掛器位于水下井口內(nèi)，油管懸掛器的安裝在采油樹安裝之前完成。

3） 油管和環(huán)空通道垂直穿過采油樹的主體。

立式采油樹結(jié)構(gòu)相對簡單，是早期水下采油樹的主要形式，立式采油樹主要適用于油管尺寸較小、高壓油氣藏、井控復(fù)雜、修井作業(yè)少的水下油氣田開發(fā)工程。

圖1 立式采油樹示意

1．2．2 臥式采油樹

臥式采油樹于1992年發(fā)明，典型的臥式采油樹如圖2所示，其主要特點為：

圖2 臥式采油樹示意

1） 生產(chǎn)主閥和生產(chǎn)翼閥均在采油樹體外側(cè)水平方向。

2） 相對于立式采油樹，增加了內(nèi)部采油樹帽和頂部阻塞器。

3） 油管懸掛器安裝在采油樹上，需在完井前把采油樹安裝在井口上。

臥式采油樹便于水下修井和回收，主要適用于中低壓油氣藏、需要頻繁修井的場合。

2 國外水下采油樹發(fā)展現(xiàn)狀

國外海洋水下井口和采油裝備的研究起源于20世紀(jì)60年代。隨著時間推移和技術(shù)的積累完善以及石油開發(fā)重心的轉(zhuǎn)移，水下采油樹得到快速發(fā)展。國外水下采油樹的主要生產(chǎn)廠商有FMC、Ca meron、Vetco Gray和A ker Kraemer Subsea 4家公司，基本控制了水下采油樹90%的市場。

2．1FMC公司水下采油樹

F M C公司是世界領(lǐng)先的水下生產(chǎn)系統(tǒng)制造商和供應(yīng)商。1967年，F(xiàn) M C公司生產(chǎn)出全球第1套水下采油樹，用于墨西哥灣海域，適應(yīng)水深20 m［7］。F M C公司目前在全球共提供水下井口及采油樹2 000多套，平均每年43套。FMC主要有2種類型水下采油樹［8］。

2．1．1 增強(qiáng)型水下臥式采油樹（E H XT）

增強(qiáng)型水下臥式采油樹于2002年推出，采用模塊化設(shè)計，具有高度的靈活性，如圖3所示。優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：取消了傳統(tǒng)的內(nèi)部采油樹帽，頂部堵塞器轉(zhuǎn)移到加長的油管懸掛器上，減少了成本和安裝時間；井控和垂直進(jìn)入井下的設(shè)備通過傳統(tǒng)的海洋鉆井隔水管與水下防噴器完成，省去了昂貴且專業(yè)的完井隔水管；大通徑設(shè)計避免了井下裝備的回收時干擾采油樹與出油管線、控制臍帶纜的外部連接；增強(qiáng)型水下臥式采油樹壓力等級為68．97～103．45 M Pa。

圖3 增強(qiáng)型水下臥式采油樹

2．1．2 增強(qiáng)型深水立式采油樹（E V D T）

增強(qiáng)型深水立式采油樹是一個單筒系統(tǒng)，于2008年在墨西哥灣完成第1次安裝。結(jié)合了立式采油樹安全和可靠的特點以及臥式采油樹最低生命周期運(yùn)營成本的特點，如圖4所示。增強(qiáng)型深水立式采油樹水深可達(dá)3 048 m，等級可達(dá)176．67℃以及103．45 MPa，未來可達(dá)到204．44℃以及137．93MPa。優(yōu)點主要表現(xiàn)在：獨(dú)特的接口設(shè)計，保證了完井和修井作業(yè)操作的靈活性；上部管轂連接允許BOP連接到采油樹上部且不需要專業(yè)的安裝和干預(yù)隔水管系統(tǒng)；通用接口配置允許工具的交替使用，有效減少了安裝、干預(yù)或移除過程中所需的工具；油管懸掛器可以直接安裝在水下井口，也可以安裝在油管頭四通，從而使鉆井過程中不需要回收水下防噴器；高達(dá)11路井下管線（通常9條液壓線路和2條電氣或光纖線路）；關(guān)鍵部件（例如油嘴和流量計）集成在一個可獨(dú)立回收的模塊，將生產(chǎn)維護(hù)停機(jī)時間從幾天縮短到幾小時；壓力等級為68．97～103．45MPa。

圖4 增強(qiáng)型深水立式采油樹

2．2 Aker Kraemer Subsea公司水下采油樹

A ker公司在水下采油樹研究方面已有超過20年的經(jīng)驗，目前在全球已有700多套水下采油樹在服役，主要包括臥式采油樹、立式采油樹、高溫高壓采油樹［9］。

2．2．1 臥式采油樹（HSCT）

臥式采油樹產(chǎn)品主要分為淺水采油樹、深水采油樹和大孔徑采油樹，如圖5～7所示。油管懸掛器的公稱直徑為127mm（5英寸）或177．8m m（7英寸），采用金屬-金屬密封。通過采油樹框架，可以利用導(dǎo)向繩進(jìn)行工作，在沒有導(dǎo)向繩時，利用導(dǎo)向喇叭口也可以工作。

圖5 淺水臥式采油樹

圖6 深水臥式采油樹

圖7 大孔徑臥式采油樹

2．2．2 立式采油樹（VSCT）

立式采油樹產(chǎn)品主要分為淺水采油樹、深水采油樹和大孔徑采油樹，如圖8所示。

圖8 立式采油樹

立式采油樹通過永久導(dǎo)向基座定向，坐落并鎖定在井口總成的頂部。立式采油樹在有無導(dǎo)向繩時均可工作，屬于常規(guī)雙筒采油樹。立式采油樹設(shè)計有兩階段對齊和定向系統(tǒng)，初始的定向和對齊通過采油樹總成底部的喇叭口下放對齊到PGB完成，最終的定向和對齊通過采油樹底部隔離套上定位銷鎖緊到油管懸掛器頂部溝槽完成。內(nèi)部476．25mm （18英寸）井口連接器適用于多種不同的井口系統(tǒng)，具有比較好的防泄漏性能。大孔徑立式采油樹正在進(jìn)一步改進(jìn)中。

2．2．3 高壓高溫采油樹

高壓高溫采油樹額定工作壓力為103．45MPa，溫度為－20～176．67℃，水深達(dá)到500 m，如圖9所示。主要特點是：油管懸掛器采用雙孔油管懸掛器，液壓井口連接器采用機(jī)械和液壓二次解鎖方式，井下采用液壓和電氣控制。

圖9 高壓高溫采油樹

2．3 GEVetco Gray公司水下采油樹

GEVetco公司的采油樹產(chǎn)品主要有2大類：D系列深水臥式采油樹（D H X T）和S系列淺水立式采油樹（SVXT）。其中DHXT又分為DHX TSP（標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)樹）、DHXTEP（增強(qiáng)型生產(chǎn)樹）、DHXTGP（氣舉生產(chǎn)樹）3種［10］。

2．3．1 D系列深水臥式采油樹（D H XT）

GEVetco公司的DHXT系列是新一代的深水采油樹，設(shè)計工作壓力103．45MPa，水深3048 m，如圖10所示。

圖10 D系列深水臥式采油樹（DHXT）

1） 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)樹（DHXTSP）

主要特點為：通過優(yōu)化，使系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最輕，SP的質(zhì)量只有4×104kg；配有無導(dǎo)向漏斗下放安裝系統(tǒng)；所有重要閥門都由R O V操作，生產(chǎn)翼閥采用130mm（5英寸）HH材料，環(huán)空翼閥采用52m m（2英寸）E E材料；為確保防噴器的操作有效，采油樹頂板保持平齊，并且增加一根延長的心軸；控制系統(tǒng)采用獨(dú)立可回收的M odPod控制模塊，集成了多種壓力、溫度、泥沙檢測傳感器，泥沙檢測傳感器可由ROV回收；有9根液壓線和2根電纜或光纖與井下連接。

2） 增強(qiáng)型生產(chǎn)樹（DHXTEP）

增強(qiáng)型深水臥式采油樹，新增了一些功能，環(huán)空翼閥閥塊上增加了一些閥和傳感器，提高了控制環(huán)空壓力的能力。

3） 氣舉生產(chǎn)樹（DHXTGP）

氣舉生產(chǎn)樹也是增強(qiáng)型深水臥式采油樹，新增了氣舉功能。相對于標(biāo)準(zhǔn)版配置，該版本的新增配件有氣舉塞、雙孔管線連接器和額外的傳感器。

2．3．2 S系列淺水立式采油樹（SV XT）

SVXT系列產(chǎn)品是G E Vetco公司最新的立式采油樹系統(tǒng)，最大限度地提高安全性和鉆井作業(yè)效率，如圖11所示。

圖11 S系列淺水立式采油樹（SVXT）

該系列采油樹尺寸更小，具有井口保護(hù)結(jié)構(gòu)，并且移除了單獨(dú)的采油樹樹帽。不需要進(jìn)行重大改動，就可使用標(biāo)準(zhǔn)的海上自升式鉆機(jī)進(jìn)行安裝，降低了安裝成本。

主要特點為：最高工作壓力44．83 M Pa；溫度為－17．78～121．11℃；可適用于任何自升式鉆機(jī)操作的水深；系統(tǒng)總體質(zhì)量比傳統(tǒng)設(shè)計減少20%；新型緊湊型驅(qū)動器的采用，提高了可靠性，并且質(zhì)量比早期設(shè)計減少34%。

2．4 Cameron公司水下采油樹

Cameron公司與Schlu m berger公司成立合資公司O neSubsea，主要從事與水下油氣生產(chǎn)有關(guān)的產(chǎn)品建造及開發(fā)項目，于2013 06正式運(yùn)作。

O neSubsea公司的水下采油樹主要分為4類：臥式采油樹、立式采油樹、全電驅(qū)動采油樹以及高壓高溫采油樹。其中立式采油樹包括雙筒采油樹和單筒采油樹［11］。

2．4．1 臥式采油樹

從1994年卷軸臥式采油樹發(fā)展以來，OneSubsea已安裝了1000多個系統(tǒng)，已經(jīng)成為行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，如圖12所示。臥式采油樹可適用于68．97 MPa的淺水環(huán)境和68．97MPa、103．45MPa的深水環(huán)境。主要特點為：確保油管完井和修井工作在BOP全面保護(hù)下進(jìn)行，減少鉆井時間；省去了雙筒修井和完井隔水管系統(tǒng)；不需要移除采油樹就可以提升油管懸掛器；通過它的通用化設(shè)計可為多個領(lǐng)域提供標(biāo)準(zhǔn)化采油樹解決方案。

2．4．2 立式單筒采油樹

立式單筒采油樹，生產(chǎn)已經(jīng)超過30年。OneSubsea于2000年設(shè)計了世界上第一套103．45 M Pa立式單筒采油樹，在該項技術(shù)上處于領(lǐng)先位置，如圖13所示。主要特點為：生產(chǎn)閥位于油管懸掛器正上方；生產(chǎn)孔與采油樹系統(tǒng)同心，環(huán)空偏移，在懸掛器周圍穿過；可以在不干擾完井的情況下回收采油樹。

圖13 立式單筒采油樹

2．4．3 立式雙筒采油樹

立式雙筒采油樹多年來一直是北海區(qū)域的頭號選擇。自1985年引入模塊化設(shè)計，全球已經(jīng)交付300多套。對于修井頻繁，大修沒有預(yù)期的區(qū)域，立式雙筒采油樹是理想的選擇。如圖14所示。

圖14 立式雙筒采油樹

主要特點為：專用的生產(chǎn)和環(huán)空通道；主閥體內(nèi)的所有閥門位于油管懸掛器的正上方；修井或維修操作需移除采油樹時，油管可以靜置；所有井下功能從采油樹底部到油管懸掛器頂部通過液壓或電氣連接；適用于淺水和深水環(huán)境。

2．4．4 全電驅(qū)動采油樹

Cameron在電動水下技術(shù)方面處于領(lǐng)先位置，創(chuàng)造了第一套電動水下生產(chǎn)系統(tǒng)。自2008年以來，該系統(tǒng)一直在北海區(qū)域運(yùn)行。第二代全電系統(tǒng)采用光纖通信系統(tǒng)，體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，如圖15所示。主要特點為：高可靠性和可用性；靈活的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)；通過電動水下控制模塊（ESC M），可控制多達(dá)32個電動執(zhí)行器；緊急脫斷（ESD）時序改進(jìn)，提高了安全性；沒有深水或長失步的限制；連續(xù)運(yùn)行，實時反饋。

圖15 全電驅(qū)動采油樹

2．4．5 高壓高溫采油樹

高壓高溫采油樹在全球廣泛應(yīng)用，包括墨西哥灣，北海和里海地區(qū)，如圖16所示?，F(xiàn)提供的高壓高溫水下采油樹包括68．97 M Pa和103．45MPa的系統(tǒng)，溫度高達(dá)176．67℃。目前正在研發(fā)137．93MPa的水下系統(tǒng)。高壓高溫采油樹以Ca meron公司高壓高溫閘閥技術(shù)為基礎(chǔ)，使用自主研發(fā)的金屬金屬的K型密封件、ML2和雙彈性體密封件。

圖16 高壓高溫采油樹

2．5 水下采油樹參數(shù)

F M C、A ker、G E Vetco及Ca meron公司采油樹參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

由表2可知，國外各公司在深水采油樹方面的技術(shù)已相當(dāng)成熟，水深達(dá)3 000 m，壓力可以達(dá)到103．45MPa，溫度最高可達(dá)176．67℃，目前正在研發(fā)172．41MPa壓力以及232．22℃溫度級別的采油樹，并且已經(jīng)開展全電采油樹的研究［12 16］。

3 國內(nèi)水下采油樹發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)在海洋水下井口及采油裝備的技術(shù)研究起步較晚。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司在采油樹的研究方面起步較早，并針對采油樹成立專門研究機(jī)構(gòu)，主要產(chǎn)品為電潛泵井口裝置及采油樹，壓力等級為34．48 M Pa，用于陸地和海上叢式井井口的采油裝備。2010年，研制出一種新型海洋水下臥式采油樹［17］，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在密封可靠性差導(dǎo)致沖蝕、影響懸掛器鎖緊及回收的問題。

2010年，金石集團(tuán)（JMP）與美國Argus公司在中國市場推出了國內(nèi)首個AZ10新型中心孔式水下采油樹，使JMP成為世界上為數(shù)不多的幾家能夠生產(chǎn)和安裝水下采油樹的公司之一。

表2 水下采油樹參數(shù)

2013年，重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司設(shè)計了一種水下立式采油樹，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、密封性好，拆裝方便，省時省力，能節(jié)約成本，提高效率，保證油氣的安全、快速的送入輸油氣管道［18］。

目前，上海神開石油化工裝備股份有限公司水下采油樹樣機(jī)處于初級測試階段，將來能適用于類似南海的油氣勘探開發(fā)環(huán)境。

另外，江漢石油鉆頭股份有限公司、美鉆能源科技（上海）有限公司等均已開展水下井口裝備的研究工作，為我國水下采油樹的全面快速發(fā)展提供良好的技術(shù)支撐。

總體來說，我國目前仍處于勘探開發(fā)深水海域油氣資源的初期，自主的海洋工程實踐經(jīng)驗僅達(dá)300 m水深［19］。在整個水下采油樹的設(shè)計、制造及維修等方面與國外公司差距巨大。

4 結(jié)論

國外在水下采油樹技術(shù)開發(fā)中已經(jīng)走過了漫長道路，3 000 m水深的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，研發(fā)重心逐漸向更深水深、更高溫度、更高壓力、高可靠性和高適應(yīng)性方向發(fā)展；控制方式由電液復(fù)合控制向全電控制發(fā)展，自動化及智能化水平更高。我國尚處于起步階段，水下采油樹仍需從國外引進(jìn)。隨著石油開發(fā)重心的轉(zhuǎn)移，我國應(yīng)抓住機(jī)遇，在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，加大國內(nèi)自主研發(fā)力度，盡快研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水下采油樹。

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Research of Deveiop ment Status of Subsea Tree

L U Peiwei1，Y U A N Xiaobing1，O U Y ujun1，L U O Y ugui1，Y A N GW en1，
S U Ruihua1，Z H A N G Y un wei2，Z H A N G Changqi2，C AI Baoping2
（1．C N O O C Energu Technologu&Services Limited O C E C Shenzhen Co．，Shenzhen518000，China；2．College of Mechanical and Electronic Engineering，China Universitu of Petroleu m，Qingdao266580，China）

Subsea tree is im portant equip ment in offshore oil and gas develop ment，w hich develops rapidly in recent years．In this paper，the develop ment status of subsea trees at ho me and abroad is researched，and the foreign technology of subsea tree is already quite mature，widely used in oil and gas field develop ment．H owever，the subsea trees are used in only a small nu m ber of do mestic oil and gas fields，and there is no do mestic subsea tree applied in oil and gas develop ment．T he technology is fully m onopolized by foreign，and the gap between do mestic and foreign is obvious．The foreign advanced technology should be vigorously introduced into China，w hile increasing in dependent research and develop ment efforts to co m prehensively im prove the design and manufac ture，testing，installation，maintenance capabilities of subsea tree．

petroleum develop ment；subsea tree；offshore oi l and gas develop ment；develop ment statusus

T E952

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．002

1001 3482（2015）06 0006 08

①2014 12 17

國家自然科學(xué)基金“基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的深水防噴器系統(tǒng)實時可靠性評估方法研究”（51309240）；教育部博士點基金“基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的深水防噴器系統(tǒng)實時可靠性建模與評估方法研究”（20130133120007）；山東省自主創(chuàng)新計劃“ZJ90／5850D B海洋鉆井裝備”（2012C X80101）

盧沛?zhèn)ィ?982 ），男，廣東汕頭人，工程師，主要從事石油裝備管理工作，Email：lup w＠cnooc．com．cn。