水下采油樹DP船吊機下放安裝方法研究

葉永彪，王　勇，張玉勇，方　霖

水下采油樹DP船吊機下放安裝方法研究

葉永彪1，王勇1，張玉勇2，方霖1

（1.深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳518067；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）①

介紹了水下臥式采油樹的結構組成及主流類型。通過比較水下采油樹安裝方法得出DP船吊機下放安裝方法的優越性。對水下采油樹DP船下放安裝所需的設備資源進行分析，探討了水下采油樹采用DP船吊機下放安裝的施工程序，并總結水下采油樹采用DP船吊機下放安裝的幾個要點。對我國水下采油樹的自主安裝提供借鑒。

水下臥式采油樹；船吊機；采油樹下放工具；井口帽；安裝

水下采油樹是海上油氣開發過程中必不可少的重要設備之一，按照閥的方向可以分為立式采油樹和臥式采油樹2種類型［1］。立式采油樹閥組安置在1條垂線上，是早期使用最多形式的采油樹，其優點是產品成熟可靠，成本相對低廉。主要缺點是占用了軸向空間高度而不便于布設安裝，修井時必須將采油樹取出、移開才能進行修井作業，從而增大了修井成本。臥式采油樹的應用起始于20世紀90年代，此后在國內外得到了廣泛的應用。相對于立式采油樹而言，臥式采油樹的油管懸掛器安裝在采油樹內部，頂部阻塞器代替生產抽汲閥對油管內部實現堵塞，使井下原油不能向上流通，只能從油管掛側面開口流出而到達各個生產管匯。臥式采油樹的主要優點是不占用井孔垂直空間高度而便于采油樹的布設安裝，修井時不需要將采油樹取出、移開，方便從井孔下入修井工具進行修井，明顯降低了修井時間和成本；主要缺點是下放安裝過程復雜，安裝成本較高，且產品本身價格相對較高［2-5］。立式采油樹和臥式采油樹的內部結構如圖1～2所示。

圖1　水下立式采油樹內部結構

圖2　水下臥式采油樹內部結構

全球的水下采油樹技術主要被FMC、Cameron和Aker Kraemer Subsea 3家公司壟斷，控制了水下采油樹90%的市場［6-7］。目前，國內采用的采油樹的生產廠家有FMC、Cameron及Aker Solution，且均為臥式采油樹［8］。FMC公司生產的臥式采油樹已經形成系列化，主要有68.966 MPa （10 000 psi）和103.448 MPa（15 000 psi）2種壓力等級，目前其主要產品為2002年推出的改進型臥式采油樹。Cameron公司與Schlumberger公司共同擁有1家公司——OneSubsea，自1994年臥式采油樹得到開發，OneSubsea公司已供應超過1000個采油樹系統，其采油樹的類型有68.966 MPa （10000 psi）的淺水型、68.966 MPa（10000 psi）及103.448 MPa（15000 psi）的深水型。Aker Solution的臥式采油樹也有有淺水和深水2種類型，設計壓力為68.966 MPa（10000 psi），油管懸掛器孔徑有127 mm（5英寸）和177.8 mm（7英寸）2種規格，旁側出口孔徑也是這2種規格。

FMC、Cameron及Aker Solution 3家公司的水下臥式采油樹均采用吊機下放安裝，安裝的部分主要為采油樹主體。

1　采油樹DP船吊機安裝優勢

隨著海洋油氣開采規模的日益擴大，水下采油樹及其相關組件的下放安裝難度日益突出。采用合適的下放方式，設計合理的安裝機具，也逐漸成為水下油氣開采過程的難點。采油樹安裝通常可采用鉆桿下放安裝或采用吊機下放安裝，如圖3～4所示。

圖3　鉆桿安裝方法示意

圖4　DP船吊機安裝示意

借助鉆桿的安裝方法主要是考慮操作船是否攜帶鉆桿以及是否容易操作。采用鉆桿安裝方法穩定性好，水下采油樹在下放工程中不會發生旋轉［9］。如果水深較深，所需鉆桿較長，鉆桿本身重力會抵消到鉆桿的承載能力，通常情況下，采用鉆桿安裝采油樹的水深在1000 m以內。鉆桿安裝方法可安裝采油樹主體、防噴器、油管懸掛器、采油樹帽，若作業船上有絞車，還可安裝頂部阻塞器。目前，國內采用鉆桿安裝采油樹的方法已經成熟。

采用吊機安裝水下采油樹需要用到鋼絲繩機具，相對于鉆桿而言，鋼絲繩機具收放簡便快捷，且對船舶要求相對較低，更具經濟性。采用吊機安裝水下采油樹的部分僅限于采油樹主體。因此，選用DP船吊機進行水下采油樹的安裝及回收，其他諸如油管懸掛器、采油樹帽等的安裝及回收工作還需要利用鉆桿來完成。近年，國內采油樹安裝作業中，已有國內DP船舶安裝水下采油樹的案例［10］。但總的來說，國內尚未充分掌握水下采油樹安裝技術。

從性能上看，由于鉆井船通常都比較大，采用鉆井船鉆桿安裝采油樹，對海況的要求較低，理論上，6級海況下仍可采用鉆井船鉆桿安裝作業。相對而言，DP船對海況要求較高，采油樹從DP船舷側下放時，海況應為3～4級，但是對于采油樹從甲板月池下放時，海況可為5級。因此，在對作業要求上鉆井船鉆桿安裝方式稍微占優。

但是從經濟上看，DP船吊機安裝方法具有絕對的優勢。由于DP船日費用一般低于鉆井船的日費用，安裝1個采油樹DP船只需要約12 h（以水深1 500 m為例），而鉆井船鉆桿卻需要36 h，費用相差數倍。海上的鉆井一般也是批鉆批完，也即首先鉆完全部井眼，再進行完井的工作，這一作業順序也有利于DP船進行安裝采油樹，從而降低施工費用及工程投資［11］。

2　DP船吊機安裝方法設備要求

2.1船舶資源

采用DP船安裝水下采油樹，DP船應能滿足必要的一些要求。例如，DP船的甲板面積和尺寸需要滿足采油樹裝船的甲板布置要求；DP船的動力定位等級應在DP2級以上，以滿足定位要求；DP船配備吊機，以吊放回收水下采油樹等設備；采油樹安裝作業中，需要ROV作業，因此所選用的DP船應具備ROV支持系統，以便裝備ROV。目前，國內滿足條件的船舶主要有深圳海油工程水下技術有限公司的HYSY289船、HYSY286船、HYSY291船，中海油服公司的HYSY708船、HYSY709船等。

2.2吊機

吊機是采油樹下放安裝的關鍵設備之一，由于吊機通常是作業船舶上的固定設施，因而在選定作業船舶時，要考慮吊機要求。吊機具備足夠的吊裝能力，能滿足水下采油樹吊裝作業中的承重要求；吊機具備主動升沉補償功能，以確保采油樹安裝作業平穩安全及良好定位；吊機鋼絲繩具有足夠長度和強度，能滿足作業水深要求。

2.3ROV

采油樹吊機安裝作業中，需要用到的ROV作業內容包括作業開始前海底的預調查、井口帽拆除與安裝、作業過程的監控、采油樹位置姿態的調整、采油樹的液壓控制、采油樹下放工具的液壓控制、作業完成后的完工調查。ROV的要求為：作業ROV數量為2臺，且均為工作級ROV，能滿足作業水深要求。

ROV的配套設備主要有作業工具（例如，轉矩工具（torque tool）、hot stab、夾持工具）及支持設備（例如ROV起吊設備等）。ROV停靠在水下采油樹或采油樹下放工具上，通過torque tool打開或關閉門閥；ROV通過hot stab與采油樹或采油樹下放工具實現液壓聯系。

2.4采油樹下放工具

臥式采油樹的下放工具有多種，為實現水下采油樹采用DP船吊機下放安裝，必須選用適于吊裝作業的采油樹下放工具。不同公司生產的下放工具也存在差異，但功能上相同。

Aker Solution公司的下放工具有TRT（Tree RunningTool）和 LTRT（LightTreeRunning Tool）2種，如圖5～6所示。TRT的構成包括中央體、鎖緊裝置及上部適應器，以快速連接吊纜，其MQC（多功能快速接頭）面板上有多個接口，可連接臍帶纜接收信號，也有hot stab接口，可與ROV建立聯系。TRT可用于采油樹的下放、回收機壓力測試。LTRT通過其內部鎖緊裝置與采油樹進行連接。連接操作中，通過將LTRT上面的執行機構環（actuator ring）從非鎖緊位置轉到鎖緊位置實現連接；解脫操作中，可利用ROV拔出LTRT上的安全鎖緊螺栓，使執行機構環從鎖緊位置轉到非鎖緊位置，實現LTRT與采油樹解脫。

圖5　TRT模型

圖6　LTRT模型

2.5其他設備資源

采油樹下放安裝中需要的其他設備主要有絞車、定位系統及一些輔助機具。在用鋼絲繩下放采油樹過程中，吊機為主要起吊工具。吊機下放采油樹的過程中，需連接絞車進行牽引，絞車起輔助作用。船舶定位、ROV作業、采油樹等設備下放過程中，除船舶自身攜帶的定位系統以外，還需要海底應答架、吊機吊鉤信標、熒光棒等提供參考。鋼絲繩連接可能用到的其他輔助機具有吊環、吊鉤、卸扣、吊索、浮體模塊、配重塊等。

3　DP船吊機安裝動員及準備工作

3.1陸地測試

采油樹裝船前，對采油樹、下放工具進行測試，確保功能正常。測試內容包括采油樹、下放工具自身測試及與ROV連接后的狀態進行測試。其他設備也應根據需要進行針對性的測試。測試工作應由廠家測試人員進行。

3.2甲板布置及裝船

甲板布置對海上作業影響巨大，布置時，要考慮到甲板各個區域的載荷能力、熱工區域遠離動火區域、設備之間是否會影響、設備存放空間是否足夠、是否留有安全通道、吊機半徑是否滿足工作需求等因素。設備設施裝船固定時，固定前應對設計方案進行計算分析；在必要的地方放置加強結構，確保所有連接部位有足夠的機械強度；必要時，設置隔離和緩沖裝置，確保采油樹等不受損傷。

3.3船舶DP測試

船舶航行至采油樹安裝位置附近，進行DP調試，包括DP系統的推進裝置、手動／自動控制單元、電力系統、計算機系統、報警裝置、定位單元、備用電池、航跡記錄等的調試工作。該項工作為常規調試工作，一般作業船舶此項工作施工前都會進行，經驗豐富，但必須按調試要求進行。

3.4甲板測試

船舶駛入采油樹安裝位置后，再一次檢查采油樹、采油樹下放工具等設備，確保運輸過程中采油樹等設備設施完好無損。

4　DP船吊機安裝程序

DP船吊機安裝水下采油樹的工作主要包括井口帽的拆除、水下臥式采油樹的下放安裝以及井口帽的重新安裝。其他可能涉及到的作業內容可能有PGB導向柱的安裝、VX墊圈的安裝、頂部阻塞器的安裝，視安裝需求確定。有些井口有時需要先于采油樹安裝永久導向基盤PGB，則視PGB類型而定，PGB通常采用鉆桿安裝，但有的類型可采用吊機安裝。

4.1井口帽拆除

在鉆井完成后，需對井口安裝井口帽，以防止雜物進入井口。安裝采油樹之前，默認PGB已經裝好。安裝水下采油樹時，需要先拆除井口帽，該工作由ROV完成。ROV利用機械手夾持井口帽，使采油樹帽從井口上移除，并放置海底合適位置，以便再次安裝。

4.2采油樹下放安裝

采油樹安裝為安裝作業的核心，作業中需要采用2臺ROV，考慮到國內采油樹一般較大，下放工具選取為TRT，其施工程序如下：

1）DP船甲板上連接采油樹及TRT。

2）對吊機吊鉤安裝信標、熒光棒，并激活應答器。

3）起吊準備工作，吊機索具安裝，與TRT上面的吊點連接，絞車鋼絲繩連接。

4）移除采油樹在甲板上的固定設施，激活吊鉤信標，吊起水下采油樹。

5）打開月池，將采油樹慢慢吊起，下放采油樹。

6）輔助ROV停留在船體以下水深50 m處。

7）對主ROV裝備hot stab，準備好TRT、采油樹操作所需的液壓系統；主ROV上安裝好轉矩工具，下放主ROV至海床面以上20 m處。

8）下放采油樹至50 m水深，輔助ROV監控采油樹，檢查采油樹姿態及吊裝索具連接狀態，如無問題，繼續下放采油樹。

9）在安全路徑下，以0.5 m／s的速度繼續下放采油樹至水下最高設施上方20 m處，開啟吊機AHC模式。

10）下降采油樹至海床面5 m處，同時調整船舶位置，使采油樹進一步接近井口，但距井口仍有一定距離；定位過程中，懸浮的采油樹不能穿越任何水下設施。

11）安裝主ROV轉矩工具至采油樹頂部中間的凹槽中，停靠在采油樹上以便調整采油樹位置，使采油樹位于井口正上方，且朝向準確。

12）輔助ROV檢查確認采油樹連接器完全解鎖。

13）吊機繼續下放采油樹，直至采油樹完全落在井口上；下放的過程中，要考慮吊纜上的任何升沉運動。

14）主ROV通過hot stab與采油樹建立液壓交流，驅動采油樹井口連接器的執行機構，使采油樹連接器與井口鎖緊。

15）進行采油樹鎖緊及其他壓力測試。

16）主ROV從采油樹上解脫；停靠在TRT ROV面板上，通過hot stab與TRT建立液壓交流，使TRT與采油樹解脫分離。

17）輔助ROV和主ROV離開采油樹，保持安全距離，監控索具。

18）回收TRT、索具、主ROV至甲板。

4.3井口帽重新安裝

采油樹安裝完成后，需要將從井口拆下的井口帽重新安裝在采油樹頂部，防止雜物落入采油樹內部，保護采油樹。有時也會根據需要下放安裝新的井口帽，其過程多了甲板上的吊裝連接和下放。通常的做法是，直接利用之前從井口拆下的井口帽，通過還在海底的輔助ROV找到，并夾持放置在采油樹頂部的井口上。

5　結論

1）采油樹、井口帽的下放都需要相應的下放工具，只有采用適于鋼絲繩作業的下放工具，才能保證鋼絲繩下放安裝采油樹作業的實現。

2）只有充分熟知采油樹、下放工具的連接原理，特別是鎖緊裝置的構造和操作方法，才能在具體連接環節安全順利地實現連接分離工作。

3）水下采油樹作業水深一般相對較深，鋼絲繩機具在水中受環境的影響敏感，提高鋼絲繩操作熟練程度，對作業的順利進行具有重要意義。

4）采油樹安裝過程中，調整采油樹、井口帽位置，連接hot stab，操縱鎖緊裝置等工作，對ROV操作技術要求較高，因此需熟練ROV操作技術。

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Study of Subsea Tree Deployment and Installation by DP Vessel Crane Method

YE Yongbiao1，WANG Yong1，ZHANG Yuyong2，FANG Lin1
（1．COOEC Subsea Technology Co．，Ltd．，Shenzhen 518067，China；2．CNOOC Ltd．Shenzhen，Shenzhen 518067，China）

The main composition of subsea horizontal tree is introduced，and several current products as well.Comparison of subsea tree’s deployment and installation methods was made，which shows DP vessel crane method has great advantage.Requirement on equipments and tools necessary for the deployment of subsea horizontal tree was analyzed then.The main work focused on the preparation job and deployment procedure.Finally，several key points related to the deployment of subsea tree using DP vessel crane method were concluded.This p rovides reference andguidance for deployment of subsea horizontal tree.

subsea horizontal tree；vessel crane；tree running tool；debris cap；mounting

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.004

1001-3482（2015）10-0015-05