簡化聯頂管柱在安裝水下采油樹油管掛中的應用

張 寧，冒家友，陽建軍

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067)

簡化聯頂管柱在安裝水下采油樹油管掛中的應用

張 寧，冒家友，陽建軍

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067)

針對流花4-1項目的水深和地層特性，引入簡化聯頂管柱方案進行水下采油樹油管掛的安裝。在對方案適用性進行對比和論證后，介紹了該方案的主要設備，包括簡化聯頂管柱、臍帶纜系統、油管掛下入回收工具和油管掛，然后提出了安裝過程中的主要控制參數與限制條件，并對實際現場使用過程進行了詳細描述，最后闡述了該方案的使用效果。該方案的成功應用可為日后的深水邊際油田開發提供借鑒和參考。

水下生產系統；簡化聯頂管柱；油管掛；油管掛下入回收工具；簡化聯頂管柱臍帶纜

0 引 言

在流花4-1油田開發項目實施過程中，項目組進行了多項技術集成創新并得以成功應用，為油田的順利投產創造了條件[1]。該油田采用水下臥式采油樹進行開發，采油樹系統能支持井下雙泵系統的使用和切換，同時也能對井下的流體進行隔離、實現化學藥劑注入。由于使用水下生產系統，需要使用一套隔水管內的聯頂管柱(LS)系統進行油管掛的安裝以及后續的完井作業。鑒于流花4-1油田的油藏壓力較低，井下作業較為簡單，項目組在設計階段引入了簡化聯頂管柱系統的方案，并在海上作業期間得以實施，降低了項目投資，簡化了作業難度，增加了海上作業時效。本文評細介紹該方案，并闡述了其實際作業過程。

1 簡化聯頂管柱和相關系統介紹

1.1 簡化聯頂管柱以及適用性論證

聯頂管柱可定義為隔水套管內的一套閥門組，可在完井、測試、返排、增產、試油等作業期間為作業井提供基本的控制措施。聯頂管柱的示意圖如圖1所示。圖中聯頂管柱位于隔水管內部，其各個組成部分由右至左依次為：防噴閥，內部有一個可關斷的球閥，用于鋼絲作業；上部試壓短節，可以和萬能防噴器(BOP)配合使用，進行BOP試壓作業和對環空的隔離；承流閥，內部有一個可實現關斷的球閥，在水下測試樹解脫后實現關斷；剪切短節，用于BOP剪切閘板的剪切；水下測試樹，內部有兩個球閥，可分別實現關斷，并且可以在中間處進行應急解脫和重新連接；下部試壓短節，可以和閘板防噴器配合使用，進行BOP試壓作業和對環空的隔離；油管掛下入回收工具(THRT)。聯頂管柱內部具有幾套可關斷和解脫的球閥組，可以對井下的壓力進行隔離并對連續油管、鋼絲和電纜進行剪切，在國外廣泛應用于高溫高壓井的完井作業。但是作為一套復雜的系統，除開價格方面的因素，它還需要大量的海上作業時間去進行組裝、測試和維護，例如每次在海上完成組件間的連接后，均需要對每個閥門以及水下測試樹的連接功能進行測試，確保系統的可靠性。

圖1 傳統聯頂管柱Fig.1 Conventional landing string

由于流花4-1油田地層壓力較低，且井下情況較為良好，沒有地層氣的問題，完井時地層也不會出現過大的漏失，最重要的是該油田的完井作業不涉及連續油管誘噴，所以管柱內僅靠比重較大的完井液即可滿足井控要求。項目組經過論證，認為如果使用傳統的聯頂管柱，其內部的幾個閥組在完井過程中幾乎沒有使用的必要，而且由于液壓組件過多，連接復雜，一旦出現液壓泄漏，可能會導致閥組誤操作，給作業造成負面影響(例如防噴閥在鋼絲作業過程中關斷，造成井下落魚)。

簡化聯頂管柱和傳統的聯頂管柱相比，取消了防噴閥、承流閥和水下測試樹的設置，省去了實現應急解脫和重新回接的功能，提高了系統的可靠性。同時對作業時一些必要的功能予以保留，包括BOP試壓、應急剪切、油管掛下入回收工具操作及備用脫手、電潛泵(ESP)測試、鋼絲作業支持等。

整套簡化聯頂管柱長度為9 674 mm，重量為10 247 kg，內部通徑為5.25英寸(1英寸=2.54 cm)，設計壓力為5 000 psi(1 psi≈6.897 kPa)，產品等級為PSL3，設計溫度等級為美國石油協會(API)標準API 6A Class U[2]，由于作為臨時工具使用，其材料等級為AA，主體材質為美國材料與試驗協會(ASTM)標準ASTM-A182 F22。主要組件如圖2所示，包括：兩套試壓短節，外徑分別為14英寸和9-5/8英寸， 分別對應下部萬能閘板以及上閘板，保證BOP在位下能實現試壓；一套剪切短節，對應BOP的剪切閘板；一套配高用短節，以保證閘板能作用于對應位置；一套異徑短節，作為和油管掛下入回收工具的過渡；一套THRT備用解鎖模塊，實現THRT的備用解鎖。

簡化聯頂管柱上所有的短節都提供了油管掛下入回收工具和井下管柱所需的電液穿越。其中液壓穿越接頭型號為Butech(MP)Anti-Vibration 3/8英寸，電穿越接頭型號為Butech(MP)Anti-Vibration 9/16英寸。

圖2 簡化聯頂管柱Fig.2 Simplified landing string

1.2 簡化聯頂管柱臍帶纜系統

該臍帶纜系統能為聯頂管柱系統提供所需要的液壓和電力供給，并對臍帶纜進行收放。該系統重量為10 750 kg，工作載荷為1 000 kg，轉速為20 m/min，能容納500 m長的臍帶纜。系統主要包括臍帶纜本體、臍帶纜滾筒、專用的隔水管內卡子、臍帶纜頂端/底端附件等。臍帶纜本體主要由聚乙烯外護套、鋼絲鎧裝、聚丙烯內護套、聚乙烯填充、四芯信號纜及液壓軟管構成，主要參數如表1所示[3]。臍帶纜滾筒能對臍帶纜進行回收和下放，此外由于井控的需要，其內部還提供了井下安全閥所用的液壓滑環，確保當井下管柱處在任意下放位置時井下安全閥都能實現開啟和關斷。

臍帶纜系統的液壓和電力供給由采油樹的修井控制系統提供，不需要專門的液壓站和控制系統。

表1 流花4-1簡化聯頂管柱臍帶纜信息Table 1 Information about simplified landing string umbilical of Liuhua 4-1 Field

1.3 油管掛下入回收工具

油管掛下入回收工具是對油管掛進行安裝和回收作業的工具，使用FMC公司的偏心式THRT設計。其長度為1 580 mm， 重量為1 238 kg，內部通徑為5.25英寸，設計壓力為5 000 psi，產品等級為PSL3，設計溫度等級為API 6A Class U，材料等級為DD[4]，主體材質為ASTM-A182 F22。其上部通過美國標準ACME扣連接在簡化聯頂管柱下方，內部具有兩個液缸，分別對應油管掛的鎖緊和工具與油管掛之間的鎖緊兩種功能。此外，該工具頂部與底部的電液穿越分別與簡化聯頂管柱底部以及油管掛頂部的穿越相連，確保在作業過程中對工具的操作、對井下安全閥的控制以及對ESP狀況的檢測。

由于ESP電穿越的存在，油管掛采用偏心設置，所以在該工具底部還具有專門的對中槽。

下面對THRT的6個液壓操作功能進行介紹，這些功能都是通過控制臍帶纜來實現的。各個功能的名稱可參考表1。

(1) THL：THRT和油管掛鎖緊，實現該功能THRT的下液缸處于下方，鎖環被鎖緊活塞撐開，套爪卡在油管掛內部。

(2) THLV：通過打壓來檢查THL功能是否完好，如果THL正常，則可以實現憋壓。此外還可以通過THLV線路對THUL線路進行沖洗。

(3) THUL：THRT和油管掛解鎖，實現該功能THRT的下液缸處于上方，鎖環和鎖緊活塞分開，套爪不卡在油管掛內部。

(4) HWL：油管掛和采油樹鎖緊，要實現該功能，首先下液缸必須處于THL狀態，然后上液缸處于下方。這樣油管掛上的鎖環就會被脹開，從而鎖在采油樹內部。

(5) HWLV：通過打壓來檢查HWL功能是否完好，如果HWL正常，則可以實現憋壓。此外還可以通過HWLV的線路對HWUL線路進行沖洗。

(6) HWUL：油管掛和采油樹解鎖，要實現該功能，首先下液缸必須處于THL狀態，然后上液缸處于上方。這樣油管掛上的鎖環就會縮回。

以上6個功能狀態對應THRT 4個功能位置：UU，UD，DU，DD。在安裝油管掛的時候，THRT在不同階段會處于不同的位置，如圖3所示。

圖3 油管掛下入回收工具功能示意圖Fig.3 Function sketch of THRT

1.4 油管掛

流花4-1項目油管掛長度為2 883 mm， 重量為2 243 kg，內部通徑為5.25英寸，設計壓力為5 000 psi，產品等級為PSL3，設計溫度等級為API 6A Class U，材料等級為HH，主體材質為ASTM-A182 F6NM，所有與井液接觸部分采用Inconel 625堆焊處理。流花4-1項目油管掛示意如圖4所示，其下部的對中鍵能與采油樹內筒的對中套筒相配合，在下放過程中通過自重進行旋轉，從而實現與采油樹側向出油口和側向液壓穿越的對中。油管掛內部還具有兩套ESP電穿越干接頭與5套液壓接頭，接頭規格為Butech Anti-Vibration 3/8英寸F。在油管掛側面具有3套SBMS密封，該密封為金屬密封，且配有橡膠密封作為備用，坐封重量為27.216 t。該油管掛通過油管掛下入回收工具鎖緊在采油樹內部，在安裝完畢后，采油樹可以通過電液穿越器與油管掛側面的液壓接頭相連。

圖4 流花4-1項目油管掛Fig.4 Liuhua 4-1 tubing hanger

2 分析模型和安裝控制參數

在流花4-1項目中的八口生產井中有一口是由探井轉化而來的，在2006年的探井作業中由于對井口的垂直傾角把控不嚴，造成其傾角約為2.8°。雖然與傳統的聯頂管柱相比，簡化聯頂管柱的剛度更小，所能承受的變形量更大，但在2.8°的傾角下，仍舊需要對聯頂管柱的下入能力進行分析。

本次分析通過ABAQUS v6.12完成。該分析主要模型包括隔水管內壁、油管、油管掛、油管掛下入回收工具、簡化聯頂管柱等，完井液密度取1.1×103kg/m3，鉆柱補償器效率為90%。分析結果的云圖如圖5(a)所示，該圖表示變徑短節和上部試壓短節處的應力分布。因為承受了隔水管施加的彎矩，所以此處整段簡化聯頂管柱是應力分布最為集中的部分。通過分析，可以得出簡化聯頂管柱即使在2.8°的傾角下，其許用應力仍能控制在0.8倍最小屈服強度下，滿足設計要求。但是當簡化聯頂管柱在隔水管撓性接頭上部時，油管掛下部的對中鍵會和隔水管發生擦碰，存在管柱無法下入的風險，甚至可能刮壞油管掛側向的金屬密封。經過對比分析發現，唯有在隔水管和水下井口頭相對偏角小于或等于0.5°的時候，才能避免在撓性接頭上部發生擦碰。所以相對應的，在該井位作業時，鉆井船需要相對井口頭偏斜方向移動12 m，使得隔水管偏移2.3°才能順利完成該作業，如圖5(b)所示。但是過大的偏移角度會導致井口頭與BOP底部連接器承受較大的彎矩，雖然通過土壤穩定性分析，井口頭本身不會發生再次偏移，連接器強度也在設計范圍內，但是存在著BOP連接器內部鎖塊卡死、未來無法解鎖的問題。所以在現場作業中需要逐步移船，嘗試慢慢下入管柱。在實際作業中，鉆井船真實偏移距離約為8 m，對應偏角為1.7°，實現了油管掛的順利下入。

圖5 應力分布和鉆井船偏移Fig.5 Stress distribution and rig offset

3 油管掛安裝步驟

將油管掛吊運至鉆臺，連接井下油管、井下液壓管線和ESP電穿越至油管掛底部，完成鉆臺面測試后，即可開始油管掛的安裝和測試工作。主要步驟如下所述。

3.1 連接簡化聯頂管柱至油管掛

通過操作LS臍帶纜滾筒，將THRT變為DU功能位置，該位置是為了將THRT軟著陸在油管掛上。

將簡化聯頂管柱用7英寸吊卡吊起，放松LS臍帶纜，移至油管掛附近，將THRT落在油管掛上部。需要注意的是由于平臺的搖擺度，THRT可能會有所晃動，這時就要用麻繩或者綁帶去固定，使其盡量平穩地落在油管掛上。然后通過旋轉吊卡使得THRT上的鍵槽與油管掛上的鍵對齊，THRT下行約100 mm，完成與油管掛的對中。因為THRT的上液缸此時處于低位，故與油管掛和THRT的電接頭與液壓接頭還沒連接。

保持THRT的DU狀態，泄放HWL管線的壓力，此時THRT就在自重下緩慢著陸在油管掛上，完成與油管掛的連接，包括SCSSV液壓接頭、ESP A/B電穿越及油管掛插口連接，如圖6所示。完成連接后，THRT變為UU狀態。需要注意的是，如果THRT不能軟著陸的話，可以在HWUL管線上打壓，協助其軟著陸。

打壓3 000 psi 到THL管線，將THRT變為UD位置， 連接到油管掛后，打壓3 000 psi到THLV和THL管線，穩壓15 min，確保THRT鎖緊在油管掛上。將簡化聯頂管柱、油管掛以及井下管串提起，加上大鉤重量，確認懸重約為104.326 t。如有必要可調節油管掛下部的可調短節，確保油管掛底部的對中鍵處于正確位置。

圖6 簡化聯頂管柱和油管掛連接Fig.6 Connection between THRT and tubing hanger

解開所有連接在滾筒上的液壓管線(HP1、HP2、LP和Return)，關閉HWUL和THL管線上的隔離閥，保持臍帶纜內這兩條管線內部憋壓。連接臍帶纜滾筒上HP2管線到液壓旋轉頭上，以便在下放過程中隨時保持對SCSSV的控制。

3.2 油管掛下放

移除鉆臺上的油管掛補心，緩慢將THRT、油管掛以及井下管串下過鉆臺補心，當THRT下過補心之后，將轉盤補心和開口補心安裝回轉盤。

連接7英寸的偏梯形螺紋套管(BTC)送入管柱，需要注意每次連接送入管柱都要打好背鉗，防止井下管串旋轉。同時每下3根管柱左右，就要在管柱內部注水，保證后期油管掛坐封的重量。每隔1根管柱打2～3個LS臍帶纜卡子，該卡子專門為隔水管內部使用設計，其密度較小，如果在隔水管內部意外脫落，還能浮出液面。此外其周圍還有一圈塑料的對中器，起對中和保護臍帶纜的作用。

當油管掛接近撓性接頭時，用水下機器人(ROV)觀察隔水管上的牛眼，確保其與井口頭的相對偏斜角度小于1°。

3.3 油管掛著陸至采油樹

通過修井控制系統，打開采油樹上的環空控制閥(AAV)、環空主閥(AMV)、旁通閥(XOV)和生產主閥(PMV)。以上閥門都開啟后，就能將油管掛著陸時所要排放的液體都泄放出去。油管掛下部的對中鍵在著陸前必須處于圖7(a)所示區域，否則可能因為旋轉角度過大而損壞油管掛下部的電纜和液壓管線。打開鉆柱補償器，繼續下放管串，同時鉆臺上的人員也要在最后一根管串上畫好方入和方余，如圖9(b)所示。在油管掛著陸時，油管掛會旋轉45°～90°，該轉角可以通過在管柱上畫的線顯示出來。在油管掛著陸后，油管掛大概會垂直下落170 mm。

圖7 油管掛著陸Fig.7 Landing of tubing hanger

3.4 油管掛鎖緊至采油樹

打壓3 000 psi到HWL和THL管線，將油管掛鎖緊至采油樹內部，觀察HWUL的回流量，約為4.9 L，此時THRT變為DD位置，油管掛將鎖緊在采油樹內。

打壓3 000 psi到HWL、THL和HWLV管線，穩壓15 min，確認油管掛已經鎖緊。如果不能保壓的話，則打壓到HWUL和THL管線，把油管掛變回UD位置。再重新打壓HWL 到4 500 psi(最高不能超過6 500 psi)、THL到3 000 psi，重新做HWLV檢查，這時油管掛應該就能鎖上。

HWLV測試通過之后，泄放HWL壓力，過提45.359 t，檢查油管掛是否鎖緊。過提完成后，保持9.072 t的過提量，同時保持HWL和THL管線3 000 psi的壓力。

3.5 后續作業和聯頂管柱回收

在油管掛安裝完成后，對油管掛側向3道密封分別進行測試，連接采油樹電液穿越器至油管掛側面的液壓接口。然后進行鋼絲作業，取出油管掛內部的隔離套，投上下兩個堵頭，完成油管掛安裝作業。

在聯頂管柱回收之前，取消之前的9.072 t過提量，改為下壓9.072 t，通過滾筒，給THUL管線打壓3 000 psi，此時THRT將變為DU狀態。

打壓THLV管線，如果THRT已經解鎖到位，那么就能從THUL管線看到回流。打壓HWLV和THUL 管線到3 000 psi，關閉在滾筒上的隔離閥，憋住壓力。然后從LS滾筒面板和液壓旋轉接頭面板上解開HP1、HP2和LP管線，通過頂驅提起聯頂管柱。在起出過程中，需要注意之前下入卡子的數量，每當卡子到達開口補心附近時，提出開口補心，讓卡子通過。聯頂管柱取到鉆臺后，將其重新立回指梁上，準備下一口井的作業。

4 結 語

通過使用簡化聯頂管柱系統，項目組完成了流花4-1油田8棵采油樹的完井作業，每口井耗時約7天。在使用過程中該系統沒有出現任何設備上的問題，臍帶纜系統能很好地實現液壓控制和操作，各個連接件之間沒有出現泄漏，油管掛下入回收工具也能完好地實現各個功能。與傳統的聯頂管柱系統相比，每口井的作業時間至少縮短2天，操作人員由四人減少到兩人，且操作難度得到了降低，工具自身的使用費用也較低，在操作性和可靠性上均得到了提高。

總之，針對流花4-1項目的水深以及地層性質，引入了符合實際情況的簡化聯頂管柱系統方案。在對方案可行性進行對比和論證后，介紹了該系統中的主要設備、安裝過程中的主要控制參數與限制條件，并對安裝步驟進行了詳細描述。希望本文能為國內其他項目，尤其是南海地區地層屬性類似的水下油田提供借鑒和參考，形成一套成熟的技術方案和通用做法。

[1] 冒家友， 陽建軍， 原慶東.流花4-1油田開發項目中的技術集成創新及應用[J]. 中國海上油氣，2014，26(Z1):39.

[2] International Organization for Standar dization. ISO 10423-2009. Petroleum and natural gas industries. Drilling and production equipment: wellhead and Christmas tree equipment[S].2009.

[3] International Organization for Standar dization. ISO 13628-6. Petroleum and natural gas industries. Design and operation of subsea production systems. Part 6: Subsea production control systems[S].2006.

[4] International Organization for Standar dization. ISO 13628-4 Petroleum and natural gas industries. Design and operation of subsea production systems. Part 4: Subsea wellhead and tree equipment[S].2006

SubseaChristmasTreeTubingHangerInstallationbySimplifiedLandingString

ZHANG Ning, MAO Jia-you, YANG Jian-jun

(ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,ShenzhenGuangdong518067,China)

The simplified landing string is introduced to Liuhua 4-1 Field for the installation of subsea Christmas tree (XT) tubing hanger, considering the low pressure in reservoir and absence of shallow gas. After demonstrating the feasibility of the simplified landing string system, the main equipment of this system is introduced, including the simplified landing string, umbilical system, tubing hanger running tool and tubing hanger. Then the control factors and restriction conditions are represented, followed by the detailed description of installation steps. Finally, a comparison is made between the application of conventional landing string and simplified landing string. The results can offer a reference for the exploitation of marginal subsea fields.

subsea production system; simplified landing string; tubing hanger; tubing hanger running tool; control umbilical for simplified landing string

2015-05-22

張寧(1985—)，男，工程師，主要從事海洋工程水下生產系統方面的工作。

TE42

A

2095-7297(2015)03-0145-07