1 500 m級國產水下臥式采油樹樣機碼頭淺水試驗

孫傳軒，劉文霄，李 磊，雷廣進，劉啟蒙，劉興鐸

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002)

目前，我國已成為世界最大原油和天然氣進口國。2019年我國原油凈進口量5億t，同比增長9.5%，對外依存度72.5%，天然氣進口量1 373億m3，增速9.4%，對外依存度45.2%[1]。因此，構建全面開放條件下的油氣安全保障體系成為當務之急。據統計，全球石油和天然氣最終可采資源量分別為4 138億t和436萬億m3，其中，陸地石油和天然氣儲量分別為2 788億t和296萬億m3，海洋石油和天然氣資源量約為1 350億t和140萬億m3。近年來，海洋油氣開發得到迅速發展，需要先進鉆采技術和裝備的支撐[2]。

水下采油樹是經濟、高效開發海洋深水及邊際油氣田的關鍵裝備，其作用是建立油氣井內流體與外界海水的隔離屏障，實現水下油氣的可控采收，并為修井及井下控制和通信提供通道。由于水下采油樹系統開發具有高技術、高風險、高投入等特點，長期以來被國外FMC、OneSubsea、GE-Vetco和Aker等少數專業公司所壟斷，基本控制了水下采油樹90%的市場份額[3-5]。隨著我國海洋油氣開發力度的不斷加大，包括寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械公司)在內的國內一些裝備制造企業已先后研制了水下采油樹樣機，并進行了廠內試驗[6]。為了進一步驗證國產水下采油樹性能，加快工業化應用步伐，寶石機械公司在煙臺近海碼頭開展了水下采油樹淺水試驗，主要完成了水下采油樹岸基測試和水下測試。

1 水下采油樹試驗樣機概況

1 500 m級水下臥式采油樹(以下簡稱水下采油樹)是寶石機械公司承擔國家科技部“863”課題和中石油集團公司重大項目所取得的重要實物成果。該樣機按照API 17D[8]和API 6A[9]標準設計制造，適用水深1 500 m、工作壓力69 MPa、采用復合電液控制方式。通過技術攻關，形成了水下高壓密封、集成電液貫穿、雙冗余水下控制、高精度內孔加工、復合重載試驗等創新技術，樣機性能指標達到國際主流技術水平。

1.1 總體結構

該水下臥式采油樹結構如圖1～2所示，主要包括：采油樹本體、生產模塊、環空模塊、水下控制模塊、采油樹帽、采油樹架體、生產主閥、生產翼閥、生產截止閥、生產節流閥、井口液壓連接器、油管懸掛器、鋼絲繩塞等。樣機采用整體模塊化設計，可按要求進行快速定制；電液復合貫穿結構可實現8液1電同步貫通，提高水下安裝效率；生產流道采用全金屬密封，并具備冗余設計，保證密封高可靠性；ROV面板集中操控，可快速實現閥門啟閉，減少水下作業時間和成本。

在實際生產過程中，井內油氣介質通過油管、油管懸掛器豎直通道和側出口，進入到采油樹水平通道內，經過生產主閥和生產翼閥后，流向輸油管線；輸油管線上設置有截止閥模塊，上面包含生產節流閥和生產截止閥，用于油氣的流量調節和生產關斷；之后，油氣繼續經輸油管線流向輸出模塊，通過跳管連接器，輸送到水下管匯，經預處理后，流向生產平臺或儲油輪。水下控制模塊主要用于控制油氣井和采油樹內化學藥劑注入，并為各液控閥門提供液壓動力。

1.2 技術參數

適用標準

API 17D / ISO 13628-4

產品級別

PSL3(生產及油管懸掛器PSL3G)

材料類別

生產HH，環空EE

額定工作溫度

節流閥上游(U)-18～121 ℃

節流閥下游(P-U)-29～121 ℃

額定工作壓力

69 MPa

最大工作水深

1 500 m

油管懸掛器貫穿

8液1電

生產流道內徑

環空流道內徑

安裝方式

無導向繩式

設計壽命

20 a

質量

50 t

外形尺寸

5 438 mm×5 068 mm×4 357 mm

圖1 1 500 m級水下臥式采油樹樣機

1—采油樹帽；2—鋼絲繩塞；3—采油樹本體；4—修井閥；5—環空主閥；6—環空模塊；7—環空翼閥；8—環空截止閥；9—生產節流閥；10—截止閥模塊；11—生產截止閥；12—采油樹架體；13—水下井口裝置；14—井口液壓連接器；15—水下控制模塊；16—生產模塊；17—生產翼閥；18—生產主閥。圖2 水下臥式采油樹結構

2 淺水試驗場地及配套設備

2.1 海域環境參數

地理位置 山東煙臺近海碼頭

試驗日期 2018-12

海域水深 12～18 m

海域氣溫 -1～7 ℃

環境濕度 55%～60%

海域水溫 7～8 ℃

潮汐高度 1～263 cm

潮高基準面在平均海面下147 cm[7]

2.2 試驗場地情況

淺水試驗場地選定在煙臺某公司深水碼頭南端(如圖3所示)。

水下測試位置處水深約18 m，海底已拋石平整，并放置了大、小兩種基座(如圖4所示)，以保證模擬井口的傾斜度要求(≤3°)。該碼頭還布置了電力、液壓和氣源，滿足水下采油樹淺水試驗配套需求。

圖3 水下采油樹淺水試驗場地

圖4 大、小兩種基座結構及布局

2.3 配套設備

2.3.1 配套設備基本要求

配套設備的基本要求如表1所示。

表1 配套設備及要求

2.3.2 典型配套設備

1)120 t門座式起重機。

試驗場地配備了120 t門座式起重機，如圖5所示，最大起重能力1 200 kN，起升高度可達軌面以上115 m、軌面以下15 m，技術參數滿足水下采油樹淺水試驗需求。

圖5 120 t門座式起重機

2)履帶吊和汽車吊。

試驗場地配備有2臺150 t履帶吊(如圖6所示)和25、50、100 t等不同規格的汽車吊，可為水下采油樹淺水試驗及陸地吊運提供輔助作業。

圖6 150 t履帶汽車吊

3)提升力顯示裝置。

提升力顯示可采取2種方法，①直接在吊機起重量顯示屏上讀取數據；②在吊索具上增加拉力計，并從顯示屏上讀取數據?？捎玫睦τ嫲踩嵘d荷可達1 000 kN，滿足水下采油樹起重要求。

4)水下作業系統。

潛水員水下作業所需配備的水下作業系統(如圖7所示)具有水下攝像、通話等功能，陸地人員可通過語音通話系統指揮潛水員進行采油樹水下試驗相關操作，并通過圖像傳輸系統實時觀察水下試驗狀況。

圖7 水下作業系統

2.3.3 水下采油樹配套工具

水下采油樹配套工具主要用于水下采油樹及相關部件的下入回收、鎖緊解鎖、密封測試等操作，所需配套工具主要包括：模擬井口、水下采油樹安裝回收工具(TRT)、水下控制模塊安裝回收工具(SCMRT)、ROV旋轉驅動工具、ROV線性驅動工具、ROV扭矩標定工具和熱刺插頭等。如圖8～11所示。

圖8 水下采油樹安裝回收工具

圖9 水下控制模塊安裝回收工具

圖10 ROV旋轉驅動工具

圖11 ROV線性驅動工具

3 淺水試驗內容及工藝流程

3.1 水下采油樹淺水試驗內容

3.1.1 岸基測試內容

水下采油樹岸基測試的目的是確保水下臥式采油樹及配套工具在下水前各項功能正常，滿足水下測試條件。岸基測試內容包括：

1)模擬井口功能測試。

2)水下控制模塊安裝回收工具(SCMRT)功能測試。

3)水下控制模塊(SCM)回收安裝試驗。

4)多路快速連接接頭公頭(MQC OB)安裝試驗。

5)閥門液壓聯調試驗。

6)MQC OB回收試驗。

7)閥門機械操控試驗。

8)水下臥式采油樹下水前安裝檢查。

3.1.2 水下測試內容

水下采油樹水下測試的目的是驗證水下臥式采油樹系統在海洋水下環境中的安裝回收和遠程操控功能。水下測試內容包括：

1)水下臥式采油樹模擬井口安裝。

2)水下臥式采油樹安裝。

3)水下臥式采油樹密封測試。

4)MQC OB安裝試驗。

5)水下臥式采油樹閥門液控操作。

6)MQC OB回收試驗。

7)水下臥式采油樹閥門機械操控。

8)水下控制模塊(SCM)回收安裝試驗。

9)水下臥式采油樹樹帽安裝回收試驗。

10)水下臥式采油樹回收。

11)水下臥式采油樹模擬井口回收。

3.2 水下采油樹淺水試驗工藝流程

由于水下采油樹從工廠到淺水試驗場地是拆分運輸的，在下水前，需要對采油樹的主要功能進行測試，以保證水下試驗的順利進行。水下采油樹在淺水試驗場地組裝后，首先進行人工陸地測試。ROV到達淺水試驗場地后，再對水下采油樹進行ROV陸地測試。如圖12所示，岸基測試流程為：先進行采油樹測試(包括閥門液壓和機械測試)，再對主要工具進行測試(包括模擬井口和SCMRT功能測試)，測試通過后還要進行采油樹下水前檢查，確認閥門狀態、管路連接和部件鎖定情況。如圖13所示，水下測試流程為：安裝模擬井口、采油樹，鎖緊后進行采油樹密封測試，并對閥門進行液壓聯調和機械操控，之后進行水下控制模塊(SCM)的回收安裝和采油樹帽的安裝回收試驗，試驗通過后，依次回收采油樹和模擬井口。

圖12 岸基測試主要流程

圖13 水下測試主要流程

4 水下采油樹碼頭淺水試驗情況

4.1 人工陸地測試

水下采油樹人工陸地測試主要開展了模擬井口功能測試、SCMRT功能測試、SCM回收安裝試驗、MQC安裝回收試驗、控制系統功能試驗和閥門機械操控試驗等，對重新組裝的水下采油樹系統各項功能實施聯調，保證水下采油樹自身功能的完好性。如圖14所示。

a 采油樹與模擬井口安裝測試

b SCMRT功能測試

c 閥門遠程液控試驗

d 閥門機械操控試驗

4.2 ROV陸地測試

水下采油樹ROV陸地測試主要開展了ROV功能測試、采油樹安裝和VX型墊環密封試驗、解鎖鎖緊TRT試驗、MQC安裝回收試驗、閥門ROV機械操控試驗、SCM回收安裝試驗、控制系統功能試驗、解鎖鎖緊樹帽試驗等，主要將ROV對采油樹系統的水下操作功能在陸地進行“模擬演練”，保證ROV水下操作的順利實施。如圖15所示。

a ROV功能測試

b 采油樹安裝和VX型墊環密封試驗

c 解鎖鎖緊TRT試驗

d SCM回收安裝試驗

4.3 水下測試

采油樹水下測試主要開展了水下模擬井口安裝、采油樹安裝試驗、井口連接器鎖緊及密封測試、MQC安裝試驗、閥門水下遠程液控和機械操控試驗、SCM回收安裝試驗、采油樹帽安裝回收試驗和采油樹回收試驗等，試驗效果良好，有效驗證了水下采油樹系統在海洋淺水環境中的安裝、回收及遠程操控功能。如圖16所示。

a 水下模擬井口安裝

b 采油樹安裝試驗

c 井口連接器鎖緊試驗

d 井口連接器密封測試

e MQC安裝試驗

f 閥門水下遠程液控試驗

g 閥門水下機械操控試驗

h SCM回收安裝試驗

i 采油樹帽安裝回收試驗

j 采油樹回收試驗

5 結語

寶石機械公司在煙臺近海碼頭依據API相關標準要求，對自主研制的1 500 m級水下臥式采油樹樣機開展了岸基測試和水下測試，驗證了水下采油樹的安裝回收功能、ROV操作性能和遠程控制功能，并形成了檢測報告，各項試驗結果均符合設計要求。水下采油樹的基本功能、密封性能和配套工具功能符合API17D[8]、API6A[9]標準要求；水下控制模塊(SCM)功能符合API17F[10]標準要求；ROV對水下采油樹的可接近性和操作性能符合API17H[11]標準要求。

淺水試驗的成功進一步驗證了深水水下采油樹的技術性能，為水下采油樹未來的工程海試提供了重要的實踐指導，進一步推動深水采油樹的國產化研制進程。