水下臥式采油樹油管懸掛裝置結構創新設計研究

劉偉強 張鵬舉 李 博

(1.中海石油深海開發有限公司,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備，水下油管懸掛裝置作為水下采油樹最為關鍵的部件就顯得尤為重要，目前全球范圍內能夠對水下采油樹及其關鍵部件進行自主研發、生產并在實際工程上進行使用的公司主要是FMC、CAMERON及AKERSolution等國外公司。在國內盡管有極少數的研究設計機構對水下采油樹及其關鍵部件發表過一些技術支持類論文，但終究是紙上談兵，并未將理論付諸實踐對水下采油樹及其關鍵部件進行相應試制、測試及應用于工程，本文對水下臥式采油樹油管懸掛裝置的結構進行了更為深入的研究，對水下油管懸掛裝置的環空密封結構、鎖緊結構、定向結構及井下穿越結構進行了更為合理的創新，并且這種結構設計的水下臥式采油樹油管懸掛裝置在實際工程中得到了驗證與應用。

1 水下油管懸掛裝置設計

1.1 水下油管懸掛裝置設計技標準

水下油管懸掛裝置須按照石油天然氣工業相應的國際標準進行設計，這些國際標準規定了石油天然氣工業用設備的性能、尺寸和功能互換性、設計、材料、試驗、檢驗、焊接、標識、包裝、貯存、運輸、采購、修理和再制造的要求，并給出了相應的推薦作法[2]。水下油管懸掛裝置的主要設計標準如表1所示：

表1 水下油管懸掛裝置的主要設計標準

1.2 水下臥式采油樹油管懸掛裝置設計技術參數

1）工作壓力：10000psi；

2）測試壓力：15000psi；

3）產品規范等級：PSL3G[2]；

4）性能試驗要求：PR2[2]；

5）材質等級：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：一個用于控制井下安全閥的液壓穿越通道，一個用于井下化學藥劑注入的液壓穿越通道；

10）井下電纜穿越：一個用于監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構設計

水下臥式采油樹油管懸掛裝置主要結構設計如圖1所示：

圖1 水下臥式采油樹油管懸掛裝置結構

圖1中的數字編號為水下油管懸掛裝置的主要結構，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構；

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構（包括導向鍵與導向筒）；

5）橫跨水平生產出口的環空密封總成；

6）水下油管懸掛裝置水平生產出口；

7）水下油管懸掛裝置井下穿越機構。

1.4 水下油管懸掛裝置設計功能描述

1.4.1 工具鎖緊功能

水下油管懸掛裝置在進行水下安裝作業的過程中須使用送入工具進行安裝，在水下油管懸掛裝置的上部設計了一個送入工具鎖槽，該鎖槽的型面須與送入工具的開口鎖緊環型面相匹配，當送入工具與水下油管懸掛裝置安裝到位時，通過液壓來驅動送入工具的促動環將開口鎖緊環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過程中更加正確并順暢地進行安裝，水下油管懸掛裝置須設計良好的定向機構，安裝在水下油管懸掛裝置上的導向筒及導向鍵就為油管懸掛裝置水下安裝起到了一個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出口的同側設計了一個螺旋導向槽，該導向槽與安裝于采油樹本體內的導向鍵相匹配，在水下油管懸掛裝置安裝過程中，該導向槽會與安裝于采油樹本體內的導向鍵預先嚙合，為水下油管懸掛裝置安裝提供初步的定位與導向；

2)導向鍵安裝于水下油管懸掛裝置的中部，安裝導向鍵的鍵槽設計在水下油管懸掛裝置水平生產出口的對側，該導向鍵與安裝于樹本體內的油管懸掛裝置座環的導向槽相匹配，在導向筒的初步定位與導向的牽引下，導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構

1.4.3 油管掛與采油樹鎖緊功能

當水下油管懸掛裝置正確安裝于水下采油樹中時，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計了一個鎖緊機構，該鎖緊機構包括一個促動環、一個開口鎖緊環和兩組剪切銷，送入工具驅動環向促動環提供機械推力讓促動環向下運動從而促使開口鎖緊環張開，當促動環完成行程后開口鎖緊環將被完全撐開并嵌入到樹本體設計好的卡槽中，同時安裝在促動環上的兩組剪切銷鎖定在油管掛卡環的銷孔內，從而將促動環鎖死，此時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 環空密封功能

在水下油管懸掛裝置水平生產出口的兩側存在環形間隙空間，當流體經由油管進入到水下油管懸掛裝置時，流體就會從環形間隙空間泄漏出去，為了防止環形間隙空間出現流體泄漏，在橫跨水平生產出口的兩側各設計了一組環空密封總成，這兩組環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計了一個支撐套筒進行限位，密封的技術參數及試驗要求如下：

圖4 水下油管懸掛裝置與采油樹鎖緊

圖5 環空密封總成

圖6 電纜穿越系統

1）工作壓力：10000psi；

2）試驗壓力：15000psi；

3）產品規范等級：PSL3/3G[2]；4）性能試驗：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計了一個用于安裝中心堵頭的安裝型面，該型面包括一個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套（用于在修井作業或中心堵頭安裝之前對密封面進行保護）。

1.4.6 油管掛井下穿越功能

水下油管懸掛裝置設計了三個井下穿越通道，其作用如下描述：

1）一個通道用于井下溫度及壓力監測，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，經由水下油管懸掛裝置穿越至井下，需要進行井下溫度及壓力探測時，通過SCM對DHPT通電實現相關操作，然后以電信號的形式進行井下壓力及溫度相關數據采集，其穿越結構如圖6所示。

圖7 井下安全閥液壓操作

2）其余兩個穿越通道一個用于井下安全閥控制另一個用于井下化學藥劑注入，該兩個穿越通道均屬于液壓穿越通道。當需要對井下安全閥進行控制或化學藥劑注入時，可通過平臺的中央電腦對采油樹的液壓控制系統進行相關操作來實現，當液壓失效時，可通過ROV來進行相應的操作；

3）當水下油管懸掛裝置進行水下安裝時，所有的井下穿越安裝界面被送入環保護以免碰傷，該送入環設計了三個與水下油管懸掛裝置的井下穿越結構相匹配安裝界面，當水下油管懸掛裝置軟著陸時，送入環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內部，此時，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由送入工具的單流閥來實現相應的井下液壓操作。

1.5 設計載荷

在設計水下臥式采油樹油管懸掛裝置的過程中，應對其所承受的載荷進行充分的考慮，設計載荷主要包括以下幾個方面：

1）油管懸掛重量；

2）取回過程中的超載提升載荷；

3）內部和外部壓力載荷；

4）壓力測試過程中導致的水下油管懸掛裝置與送入工具的分離載荷；

5）溫度場分布導致的熱載荷；

6）旋轉過程中導致的扭轉載荷；

7）徑向載荷；

8）水下采油樹的反作用載荷。

3 結語

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

2）導向機構、鎖緊機構、井下穿越系統及環空密封是水下油管懸掛裝置的主要結構特征，在設計過程中導向機構必須具備預導向與最終定向功能，鎖緊機構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動，井下穿越系統須具備井下安全閥控制功能、往井下注入化學藥劑功能及井下溫度壓力數據監測功能，環空密封總成必須能夠實現對環形間隙空間進行密封；

3)在最終的設計載荷校核階段，應著重對生產流體壓力、溫度場分布產生的熱載荷進行強度及穩定性分析。

［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—鉆井和采油設備—井口裝置和采油樹設備[S].