水下立式單通道采油樹技術特點

王 宇，王 琦

(1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028;2.Dril-Quip亞太(新加坡)有限公司，新加坡 638417)

0 引 言

水下采油樹的結構形式分為臥式采油樹和立式采油樹兩種類型，我國海域的水下油氣田一直以來使用水下臥式采油樹進行開發[1-2]。因此，有必要概述另一種結構形式——水下立式采油樹的技術特點。

早期的水下立式采油樹多為雙通道采油樹，即垂直的生產通道和環空通道。由于雙通道采油樹的安裝需要使用雙通道的完井隔水管，而雙通道的完井隔水管造價高且作業時效低，因此，開發出使用鉆桿或油套管進行安裝作業的水下立式單通道采油樹可減少安裝設備并簡化安裝作業。水下立式雙通道采油樹、立式單通道采油樹的結構如圖1～圖4所示[3]。

圖4 立式單通道同心采油樹

總的來講，單通道采油樹與雙通道采油樹的閥門布局很相似，但是單通道采油樹的環空通道處于偏心位置。

1 單通道采油樹且油管掛安裝在高壓井口頭

油管掛安裝至高壓井口頭內部，位于最后一層套管掛的上方。安裝油管掛之后，再安裝采油樹和承壓的樹帽。

1—樹帽；2—環空清蠟閥；3—生產清蠟閥；4—環空翼閥；5—生產翼閥；6—環空管線；7—生產管線；8—轉換閥；9—可選項；10—環空主閥；11—生產主閥；12—可選主閥(手動或液控)；13—油管掛；14—井口裝置；15—井下安全閥圖1 水下立式雙通道采油樹示意圖

5—生產翼閥；11—生產主閥；13—油管掛；14—油管頭；17—環空抽汲閥；18—轉換閥；19—生產抽汲閥；20—連接臍帶纜管線或服務管線；21—環空閥門；22—井口裝置；23—生產管線(圖中虛線代表可選項)圖2 水下立式單通道采油樹示意圖(含油管頭)

圖3 立式單通道采油樹

1.1 生產通道偏心設計的單通道采油樹

1.1.1 采油樹的技術特點

(1) 通過在油管掛的環空通道設置1-1/4″的液控球閥，提供環空通道的屏障，省去了在油管掛環空通道安裝鋼絲堵頭的作業需求，因此取消了采油樹本體的環空垂直進入通道和環空清蠟閥，使立式采油樹本體改進成垂直的單通道設計，節省了采油樹成本。另外，還簡化了采油樹的安裝作業，即使用鉆桿安裝采油樹，并通過管柱外側的一條服務管線(或修井控制臍帶纜管束中的一條管線)和采油樹的環空閥門提供環空循環通道。

(2) 采油樹頂部為13-5/8″芯軸，用于連接單通道下部立管總成(lower riser package，LRP)和應急解脫單元(emergency disconnect package，EDP)。

(3) 整體技術參數：

壓力等級：10 000 psi(69.0 MPa);

溫度等級：-43 ～ 149℃(-46 ～ 300℉)；

材料等級：生產側HH，環空側EE；

最大水深：6 000 ft(1 829 m)；

尺寸(長×寬)：5 m× 5 m；

井下功能穿越能力：7條液管線，2條電線。

1.1.2 油管掛的技術特點

(1) 油管掛環空通道的液控球閥雙向金屬密封，密封可靠性高。液控球閥通過修井控制臍帶纜進行控制，在生產過程中由生產控制系統控制，通常為開啟狀態。

(2) 油管掛生產通道采用偏心設計，故油管掛的安裝需要導向至預定的方位，便于采油樹安裝至預定的方位時對齊生產與環空通道及井下控制/藥劑管線的液電接頭。由于井口頭內部沒有導向裝置，需要在防噴器內部設置導向銷，座掛時，安裝送入管柱底部的導向短接，沿著導向鍵旋轉至預定的方位。

(3) 下入油管掛之前，需要下入鉛印工具，測量最后一層套管掛的安裝高度；根據鉛印工具的測量結果，油管掛在水下井口內部的鎖緊位置可調余量高達1/2″。

(4) 座掛后，需要下入方位和高度檢查工具，核實油管掛的方位，并確認油管掛鎖緊到位。

(5) 油管掛鎖緊至高壓井口頭內部，最后一層套管掛上方，以抵抗管柱環空壓力和熱膨脹載荷。

(6) 生產通道尺寸范圍：4-1/16″、5-1/8″。

(7) 環形密封總成金屬密封，并帶有彈性備用密封。

(8) 密封短接金屬密封，密封油管掛與采油樹的通道界面。

1.2 生產通道同心設計的單通道采油樹

1.2.1 采油樹的技術特點

(1) 通過在油管掛的環空通道設置液控梭閥(shuttle valve)，提供進入環空通道的屏障，省去了在油管掛環空通道安裝鋼絲堵頭的作業需求，因此取消了采油樹本體的環空垂直進入通道和環空清蠟閥，節省了采油樹成本且采油樹的生產通道采用同心設計。另外，還簡化了采油樹的安裝作業，即使用鉆桿安裝采油樹，并通過管柱外側的一條服務管線(或修井控制臍帶纜管束中的一條管線)和采油樹上的環空閥門提供環空循環通道。

(2) 采油樹頂部為13-5/8″芯軸，用于連接單通道的下部立管總成(LRP)和應急解脫單元(EDP)，LRP/EDP可與采油樹安裝工具集成。

(3) 整體技術參數：

壓力等級10 000 psi(69.0 MPa)；溫度等級-43～ 149℃(-46 ～ 300℉)；材料等級：生產側HH，環空側EE；最大水深：6 000 ft(1 829 m)；尺寸(長×寬)：5 m×5 m；井下功能管線穿越能力：7條液管線，2條電線。

1.2.2 油管掛的技術特點

(1) 依靠環空通道兩個對稱的液控梭閥(shuttle valve)提供環空屏障和足夠的環空通道。

(2) 兩個對稱的液控梭閥將環空通道一分為二，即能使生產通道采用同心設計，還可以增大生產通道的尺寸，范圍為4-1/16″、5-1/8″、7-1/16″。

(3) 同心油管掛不需要導向，可簡化安裝操作。

(4) 根據鉛印工具的測量結果，油管掛在水下井口內部的鎖緊位置可調余量高達1/2″。

(5) 油管掛鎖緊至高壓井口頭內部，最后一層套管掛上方，以抵抗管柱環空壓力和熱膨脹載荷。

(6) 環形密封總成金屬密封，并帶有彈性備用密封。

(7) 密封短接金屬密封，密封油管掛與采油樹的通道界面。

1.3 安裝步驟/作業案例分析

以井身結構30″×20″(13-3/8″)×9-5/8″的印度洋某油田為例，水下井口和立式單通道采油樹的生產通道采用偏心設計，安裝步驟如下：

(1) 安裝臨時導向基盤(temporary guide base，TGB)。

(2) 安裝30″導管頭和永久導向基盤(permanent guide base，PGB)。

(3) 17-1/2″井段鉆進作業后，下入13-3/8″套管柱至20″×13-3/8″變扣大小頭，連接并安裝18-3/4″高壓井口頭(預先安裝18-3/4″高壓井口頭的抗磨補芯)。

(4) 下入水下防噴器組，下入試壓工具試壓，回收試壓工具。

(5) 回收高壓井口頭的抗磨補芯。

(6) 安裝套管掛升高短接、9-5/8″套管掛及密封總成。

(7) 安裝9-5/8″套管掛的抗磨補芯，8-1/2″井段鉆進作業，并回收抗磨補芯。

(8) 下入并回收鉛印工具，獲取9-5/8″套管掛的安裝高度(油管掛的座掛界面)，并相應上下調節油管掛的鎖環位置。

(9) 使用“送入工具+導向短接”工具串安裝油管掛至高壓井口頭，如圖5所示。油管掛到位之前，液壓伸出位于防噴器組內部的導向銷，導向短接的螺旋線與導向銷配合，將油管掛旋轉安裝至預定方位。

圖5 單通道油管掛安裝設備及管柱布局圖[4]

(10) 下入油管掛的方位檢查工具、回收工具并核實油管掛的方位是否滿足預定要求。

(11) 安裝油管掛生產通道的鋼絲堵頭。

(12) 回收水下防噴器組。

(13) 安裝采油樹、試壓，并回收油管掛生產通道的鋼絲堵頭，如圖6所示。

圖6 單通道采油樹安裝設備及管柱布局圖[4]

(14) 安裝樹帽、試壓(采油樹與樹帽使用同一安裝工具)。

2 單通道同心采油樹且油管掛安裝在油管頭

油管掛安裝至油管頭內部，油管頭位于水下采油樹和高壓井口頭之間。先安裝油管頭，再安裝油管掛，最后安裝采油樹和承壓的樹帽。

由于避開了油管掛與高壓井口頭的界面，從而增加了水下井口、采油樹的選擇靈活性。

2.1 單通道同心采油樹的技術特點

2.1.1 采油樹的技術特點

(1) 油管頭的環空通道在油管掛下方進入環空，并設置一道隔離閘閥提供安全屏障，采油樹、油管掛均采用垂直單通道同心設計，使用鉆桿或油套管安裝采油樹，并通過管柱外側的一條服務管線(或修井控制臍帶纜管束中的一條管線)和采油樹的環空閥門，提供環空循環通道。

(2) 閥組集成設計：3個5-1/8″閘閥(PMV、PSV、PWV)；4個2-1/16″閘閥(AAV、AMV、AWV和XOV)。

(3) 閥組頂部芯軸改進成27″ H4剖面，便于連接水下防噴器組，同心采油樹在位時也可以使用鉆井船進行修井作業。

(4) 可共用水下臥式采油樹的安裝工具，降低成本，提高工具利用率。

(5) 整體技術參數：

壓力等級：15 000 psi(103.4 MPa)；

溫度等級：-43 ～ 149℃(-46～ 300℉)；

材料等級：生產側HH，環空側EE；

最大水深：15 000 ft(4 572 m)；

尺寸(長×寬)：5 m×5 m；

井下功能管線穿越能力：10條液管線，2條電線。

2.1.2 油管頭的技術特點

(1) 提供2-1/16″環空通道及ROV手動操作的閘閥屏障。

(2) 提供油管掛的鎖緊及密封面。

(3) 提供油管掛的導向裝置——螺旋套。因此，水下防噴器組不需要提供導向銷，這樣可以增加鉆井平臺的選擇靈活性。

(4) 頂部27″ H4剖面，底部用井口連接器鎖緊至高壓井口頭。

(5) 鉆通設計：安裝油管頭和水下防噴器組之后，其內部的隔離套和抗磨補芯允許通過12-1/4″鉆頭繼續鉆井。

(6) 可提前安裝生產跨接管至油管頭，一旦采油樹安裝完成后，可通過生產管線做測試，即可不通過鉆井平臺做測試，并且采油樹安裝及測試均可不要EDP/LEP設備，節省了鉆機時間及設備成本。

(7) 需要油管頭到位才能進行完井作業，而油管頭需要與第一套采油樹完成擴展的工廠驗收測試EFAT之后才能運往現場，即完井作業受限于采油樹的交貨工期，且需增加一次水下防噴器組的起出下入作業，該特點與水下臥式樹相同。

2.1.3 油管掛的技術特點

(1) 同心的單通道油管掛，無環空通道。

(2) 生產通道尺寸范圍：4-1/16″、5-1/8″、7-1/16″。

(3) 環形密封總成金屬密封，并帶有彈性備用密封。

(4) 油管掛鎖緊至油管頭內部，不需要下入鉛印工具測量套管掛的安裝高度。

(5) 座掛時，油管掛底部套筒的導向鍵沿著油管頭內部的導向裝置——螺旋套旋轉至預定的方位。

(6) 座掛后，由于油管掛和采油樹均為同心設計，不需要下入油管掛方位檢查工具。

(7) 密封短接金屬密封，密封油管掛與采油樹的通道界面。

2.2 安裝步驟/作業案例分析

以井身結構30″×20″(13-3/8″)×9-5/8″的墨西哥灣某油田為例，水下井口、單通道同心采油樹、油管頭的安裝步驟如下：

(1) 安裝臨時導向基盤。

(2) 安裝30″導管頭和永久導向基盤。

(3) 17-1/2″井段鉆進作業后，下入13-3/8″套管柱至20″×13-3/8″變扣大小頭，連接并安裝18-3/4″高壓井口頭(預先安裝18-3/4″井口頭的抗磨補芯)。

(4) 下入水下防噴器組，下入試壓工具試壓，回收試壓工具。

(5) 回收高壓井口頭的抗磨補芯。

(6) 安裝套管掛升高短接、9-5/8″套管掛及密封總成。

(7) 安裝9-5/8″套管掛的抗磨補芯，8-1/2″井段鉆進作業，并回收抗磨補芯。

(8) 回收水下防噴器組。

(9) 安裝油管頭至高壓井口頭、試壓。

(10) 下入水下防噴器組至油管頭，并下入試壓工具試壓，回收試壓工具。

(11) 使用送入工具安裝油管掛至油管頭。

(12) 安裝油管掛生產通道的鋼絲堵頭。

(13) 回收水下防噴器組。

(14) 安裝采油樹、試壓，并回收油管掛的鋼絲堵頭。

(15) 安裝樹帽、試壓(采油樹與樹帽使用同一安裝工具)。

3 安裝工具

(1) 油管掛的安裝：使用油套管和送入工具(tubing hanger running tool，THRT)，通過防噴器組內部安裝油管掛，如圖5所示。如需立即清井測試，則送入管柱。此外，還需要配置水下測試樹(subsea test tree，SSTT)，提供兩道安全屏障及應急解脫功能。

(2) 采油樹的安裝：使用送入工具(tree running tool，TRT)安裝采油樹，如圖6所示。

如需通過鉆井平臺完成立即清井測試，則還須使用下部立管總成(LRP)和應急解脫單元(EDP)。LRP具備剪切鋼絲和連續油管的能力，且能封井；EDP用于應急解脫采油樹送入管柱。但若采油樹的清蠟閥(swab valve)具備鋼絲/連續油管的剪切能力，可省略LRP和EDP，最終取決于油公司對安全屏障的評估。

如通過生產管線進行清井測試，可省略LRP和EDP。

(3) 通過安裝修井控制系統(installation workover control systems，IWOCS)，遠程控制安裝工具。

4 結 語

水下立式單通道采油樹是水下生產系統的常用設備，包含單通道采油樹和帶油管頭的同心采油樹兩種，兩者主要區別在于油管掛的安裝位置不同。

(1) 采用生產通道偏心設計的單通道采油樹，通過在油管掛的環空通道設置1-1/4″的液控球閥，提供環空通道的屏障，油管掛的安裝需水下防噴器提供導向銷。

(2) 生產通道同心設計的單通道采油樹，通過在油管掛的環空通道設置液控梭閥(shuttle valve)提供進入環空通道的屏障，油管掛的安裝不需要導向。

(3) 同心采油樹的油管掛安裝在油管頭。在油管頭的環空通道設置一道隔離閘閥提供安全屏障，并提供油管掛的導向裝置——螺旋套。因此，水下防噴器組不需要導向銷，這樣增加鉆井平臺的選擇靈活性。另外，可提前安裝生產跨接管至油管頭，一旦采油樹安裝完成后，可通過生產管線做測試。

(4) 與安裝測試相關的安全屏障及解脫工具，如水下測試樹(SSTT)、下部立管總成(LRP)、應急解脫單元(EDP)的選用，可根據具體項目的清井測試時間點和油公司對于安全屏障的評估進行選擇或取舍。