劉文霄, 樊春明, 雷廣進(jìn), 李 磊, 孫傳軒

(國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,寶雞 721000)

0 引 言

隨著我國油氣資源需求的快速增加，面對國內(nèi)有限的增產(chǎn)，2017年我國原油進(jìn)口依存度已達(dá)到了67.4%[1]，這成為了影響國家經(jīng)濟(jì)安全的重要因素之一。我國海洋油氣資源極為豐富，整個南海盆地石油地質(zhì)資源量約在230～300億噸之間，占全國石油總儲量的23%，天然氣總地質(zhì)資源量約為16萬億立方米，占全國天然氣總儲量的30%，其中70%蘊(yùn)藏于153.7萬平方公里的深海區(qū)域。因此，海洋石油天然氣的勘探開發(fā)已成為我國實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。

石油工業(yè)走向海洋的關(guān)鍵是裝備，而水下采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，具有高投入、高風(fēng)險、多學(xué)科、高技術(shù)等特點(diǎn)，長期以來該技術(shù)被FMC Technologies、 OneSubsea、 GE Vetco Gray和Aker Solutions幾大公司壟斷，制約著我國海洋油氣資源的自主開發(fā)。為了加快我國海洋油氣的開發(fā)步伐，降低開發(fā)成本，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡稱寶石機(jī)械公司)依托863計劃課題和中石油科研課題，突破了水下高壓密封、水下遠(yuǎn)程控制、復(fù)雜形面零件加工及檢測等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的水下臥式采油樹及配套工具，并在18 m深的淺海完成了淺水試驗(yàn)。

1 總體設(shè)計和技術(shù)參數(shù)

為了保證整機(jī)技術(shù)參數(shù)和性能水平的先進(jìn)性，在充分調(diào)研了國外技術(shù)現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能水平的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國油田現(xiàn)場需求，廣泛征求了油田用戶意見，最后形成的方案設(shè)計如圖1所示，控制原理如圖2所示。

主要技術(shù)參數(shù)適用標(biāo)準(zhǔn)API 17D結(jié)構(gòu)形式臥式產(chǎn)品規(guī)范級別生產(chǎn)PSL3G,環(huán)空PSL3材料類別生產(chǎn)HH,環(huán)空EE額定工作溫度P-U(-29～121℃)額定工作壓力69MPa(10000psi)適用水深1500m液壓管線壓力低壓21MPa、高壓69MPa控制方式復(fù)合電液下部井口連接器10000psi-27″H4輪廓外形尺寸(mm)5438×5068×4357重量(t)53

圖1 水下臥式采油樹方案設(shè)計

Fig.1 Sectional view of subsea horizontal tree
1—井口液壓連接器；2—水下控制模塊；3—生產(chǎn)模塊；4—生產(chǎn)翼閥；5—生產(chǎn)主閥；6—采油樹本體；
7—采油樹帽；8—油管懸掛器；9—修井閥；10—環(huán)空主閥；11—環(huán)空模塊；12—環(huán)空翼閥；13—環(huán)控截止閥；
14—生產(chǎn)節(jié)流閥；15—截止閥模塊；16—生產(chǎn)截止閥；17—采油樹架體；18—水下井口裝置

圖2 水下臥式采油樹控制原理Fig.2 Schematic diagram of subsea horizontal tree

該水下臥式采油樹額定工作壓力為69 MPa，適用水深為1 500 m，按模塊化設(shè)計，主要包括井口液壓連接器、水下控制模塊、采油樹本體、生產(chǎn)模塊、環(huán)空模塊、采油樹帽、生產(chǎn)節(jié)流閥、采油樹架體等模塊；采用復(fù)合電液控制系統(tǒng)，具備6液1電的貫穿，可進(jìn)行井下檢測和化學(xué)藥劑的注入，無導(dǎo)向繩結(jié)構(gòu)，在水下可通過遙控?zé)o人潛水器(remote operation vehide, ROV)輔助安裝，其上下均采用10 000 psi-27″H4芯軸輪廓接口，生產(chǎn)流道設(shè)置有溫壓傳感器以檢測生產(chǎn)狀況，生產(chǎn)流體依次經(jīng)過油管懸掛器、生產(chǎn)模塊、節(jié)流模塊后到達(dá)采油樹出口；整機(jī)移運(yùn)狀態(tài)外形尺寸為5 438 mm×5 068 mm×4 357 mm,整機(jī)質(zhì)量53 t，是國內(nèi)應(yīng)用需求最廣泛的類型,其技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)與國外先進(jìn)水平相當(dāng)。

2 主要部件和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 控制系統(tǒng)

水下生產(chǎn)控制可分為液壓控制、電液控制(包括直接電液控制和復(fù)合電液控制系統(tǒng))以及全電控制。復(fù)合電液控制系統(tǒng)具有操作靈活、操作速度快和數(shù)據(jù)遙測的特點(diǎn)，適用于多井系統(tǒng)、開發(fā)過程中的井控/油藏監(jiān)控，是當(dāng)前的首選[2]。

水下控制模塊(subsea control module, SCM，見圖3)是采油樹控制系統(tǒng)的核心部分，其內(nèi)置蓄能器，可實(shí)現(xiàn)液控閥門的快速啟閉。其主要功能是接收水面控制系統(tǒng)的控制指令，通過內(nèi)部的電液方向控制閥，實(shí)現(xiàn)對水下采油樹上的所有液控閥門和井下管柱中各種閥門的控制，同時將設(shè)置于水下采油樹及井下管柱的各種傳感信號處理后傳輸?shù)剿婵刂葡到y(tǒng)。

水下控制模塊原理如圖4所示。該模塊致力于解決如下關(guān)鍵技術(shù)： ①高密度多流道的液壓閥塊研制技術(shù)解決了水下控制模塊空間小、控制功能多的設(shè)計難題，實(shí)現(xiàn)了水下控制模塊的輕量化研制；②復(fù)合電液雙冗余安全保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了斷電工況下液控自動關(guān)閥、液壓失效工況下通過液壓接頭緊急泄壓關(guān)閥的冗余安全保護(hù)設(shè)計，提高了水下采油樹復(fù)合電液控制系統(tǒng)的可靠性和安全性；③深水皮囊式自適應(yīng)壓力補(bǔ)償裝置技術(shù)，解決了傳統(tǒng)水下密閉容器外壁厚、質(zhì)量大的問題，實(shí)現(xiàn)了薄壁密閉容器在海洋深水環(huán)境中的應(yīng)用以及對作業(yè)水深的自動適應(yīng)；④水下控制模塊下入與回收技術(shù)通過掌握水下設(shè)備快速連接鎖緊裝置和水下控制模塊下入回收工具的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，保證了水下控制模塊下入回收過程的準(zhǔn)確定位和快速安裝。上述關(guān)鍵技術(shù)的解決，大大提升了整機(jī)性能，研制樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)與國外先進(jìn)水平相當(dāng)。

圖3 水下控制模塊Fig.3 SCM

圖4 水下控制模塊原理Fig.4 Schematic diagram of SCM

2.2 油管懸掛器

水下油管懸掛器(見圖5)坐放并鎖定在水下采油樹本體內(nèi)，作用是懸掛油管串、提供油氣產(chǎn)出及修井通道，其關(guān)鍵技術(shù)包括密封、水下安裝定向和貫穿。通過國內(nèi)外產(chǎn)品的對比分析，懸掛器設(shè)置采用重力坐封式的三道組合密封，在油管懸掛器和采油樹本體之間，密封油管與套管之間的環(huán)空，內(nèi)部則設(shè)置有兩個鋼絲繩塞承壓密封；根據(jù)水下采油樹井下監(jiān)控和化學(xué)注入的需要，研制了電液集成貫穿裝置來實(shí)現(xiàn)懸掛器6液1電的貫穿；在采油樹本體和油管懸掛器之間設(shè)置了導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，以滿足油管懸掛器水下安裝時周向?qū)R的需要，同時“軟著陸”結(jié)構(gòu)可有效避免油管懸掛器在安裝過程中的碰撞損傷，提高遠(yuǎn)程安裝的成功率；為確保安全生產(chǎn)，懸掛器放在采油樹本體內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢煤?，鎖緊并設(shè)置有防松結(jié)構(gòu)。

圖5 油管懸掛器Fig.5 Tubing hanger

2.3 井口液壓連接器

井口液壓連接器(見圖6)的主要功能是實(shí)現(xiàn)水下采油樹與水下井口的連接和固定、密封井內(nèi)流體、承受抵抗各種復(fù)雜載荷的作用，主要包括鉆完井、生產(chǎn)和修井工況中的內(nèi)壓、隔水管的張力和彎矩等[3]，其主要由內(nèi)外殼體、主活塞、輔助活塞、鎖緊機(jī)構(gòu)和墊環(huán)固位機(jī)構(gòu)等部分組成，其關(guān)鍵是抗彎能力和可靠的鎖緊解鎖功能。

為提高井口液壓連接器的抗彎能力，液壓驅(qū)動采用整體式活塞，其主活塞采用環(huán)形整體式，考慮到操作和控制的方便性與可靠性主活塞與鎖緊擋塊之間的接觸面采用具有自鎖性的錐面，設(shè)計時還要考慮鎖緊力的大小要能夠克服相對運(yùn)動引起的摩擦力和壓縮鎖緊擋塊之間的彈簧產(chǎn)生的彈簧力；輔助活塞是基于應(yīng)急考慮，也叫二次解鎖，一般情況下不使用，只有當(dāng)一次解鎖失效的時候才使用，因此它的解鎖力要大于一次解鎖力；密封墊環(huán)固位機(jī)構(gòu)設(shè)計時既要考慮頂桿能夠在液壓作用下克服彈簧力快速地收縮，以實(shí)現(xiàn)ROV更換墊環(huán)的目的，同時還要保證密封可靠、彈簧復(fù)位可靠。

圖6 井口液壓連接器Fig.6 Wellhead hydraulic connector

2.4 水下閘閥及驅(qū)動器

水下閘閥是水下采油樹的關(guān)鍵部件，在水下采油設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。水下采油樹流道配置的自制閘閥均內(nèi)置于采油樹各模塊中，包括生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥、生產(chǎn)截止閥、環(huán)空主閥、環(huán)空翼閥、修井閥、環(huán)控截止閥和轉(zhuǎn)換閥；采用“故障關(guān)閉”型閥門驅(qū)動器(見圖7)，通過液壓操作水下采油樹上相關(guān)閥門，可實(shí)現(xiàn)閥門的開、關(guān)操作，當(dāng)液壓失效時閥門驅(qū)動器可利用內(nèi)置彈簧實(shí)現(xiàn)復(fù)位關(guān)閉閥門，同時閥門驅(qū)動器設(shè)有API 17H中Linear push interface type A[4]標(biāo)準(zhǔn)ROV接口，可利用ROV實(shí)現(xiàn)閥門的開、關(guān)操作，以確保安全生產(chǎn)。

圖7 閥門驅(qū)動器Fig.7 Valve actuator

3 淺水試驗(yàn)

海洋水下作業(yè)難度大、風(fēng)險高，在水下采油樹進(jìn)行工程應(yīng)用前，應(yīng)進(jìn)行海試驗(yàn)證。由于國內(nèi)暫無可供選擇的海試配套設(shè)施，因此項(xiàng)目組在充分調(diào)研后，根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況制定了合理的試驗(yàn)方案，按API 17D[5]和API 6A[6]標(biāo)準(zhǔn)的要求完成廠內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，先開展淺水試驗(yàn)，為后期水下采油樹的海試和實(shí)際作業(yè)提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

3.1 試驗(yàn)場地及配套設(shè)備

淺水試驗(yàn)場地選在煙臺一港口的深水碼頭，如圖8所示，該處水深18m，海底通過石平整后，將水下模擬井口固定于海底，如圖9所示。碼頭配置有各類吊機(jī)和動力(液壓、氣源、電力)，其他配套的試驗(yàn)設(shè)備包括ROV、水下攝像、通信及照明設(shè)備等，如圖10和圖11所示。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

水下采油樹的淺水試驗(yàn)內(nèi)容是根據(jù)完井作業(yè)程序，開展水下采油樹、水下控制模塊及采油樹帽的安裝與回收，確認(rèn)配套工具和ROV的操作，并在水下驗(yàn)證采油樹控制系統(tǒng)的功能，如圖12所示。

圖8 淺水試驗(yàn)場地Fig.8 Shallow water test site

圖9 水下模擬井口固定方案Fig.9 Dummy subsea wellhead fixing scheme

圖10 120t門座式吊機(jī)Fig.10 120t crane

圖11 水下機(jī)器人及水下攝像通信設(shè)備

Fig.11 ROV、underwater camera & communication equipment

圖12 水下采油樹淺水試驗(yàn)試驗(yàn)流程Fig.12 Diagram of subsea Christmas tree shallow water test

3.3 試驗(yàn)樣機(jī)

根據(jù)淺水試驗(yàn)內(nèi)容，參試的樣機(jī)包括水下臥式采油樹樣機(jī)、ROV工具及水下采油樹配套工具等，如圖13～圖15所示。

圖13 水下臥式采油樹樣機(jī)Fig.13 Subsea horizontal tree

圖14 ROV工具Fig.14 ROV tool

圖15 水下采油樹配套工具

3.4 岸基測試

在碼頭進(jìn)行岸基測試可以達(dá)到兩個目的，一是確認(rèn)樣機(jī)功能不受長途運(yùn)輸?shù)挠绊?，二是把水下試?yàn)過程提前演練，確保后期水下測試的順利進(jìn)行。陸地試驗(yàn)內(nèi)容如圖16～圖21所示，主要包括：①ROV功能試驗(yàn)；②MQC安裝回收試驗(yàn)；③閥門機(jī)械操控試驗(yàn)；④控制系統(tǒng)功能試驗(yàn)；⑤水下控制模塊安裝回收試驗(yàn)；⑥采油樹安裝及密封試驗(yàn)。

圖16 ROV功能測試Fig.16 ROV function test

圖17 MQC安裝回收試驗(yàn)Fig.17 Installation and retrieval test of MQC

圖18 閥門機(jī)械操控試驗(yàn)Fig.18 Valves override test

圖19 控制系統(tǒng)功能試驗(yàn)Fig.19 Control function test of tree

圖20 水下控制模塊安裝回收試驗(yàn)Fig.20 Installation and retrieval test of SCM

圖21 采油樹安裝及密封測試Fig.21 Installation and seal test of tree

3.5 水下測試

如圖22～圖29所示，水下測試主要開展了：①水下模擬井口安裝；②采油樹安裝試驗(yàn)；③連接器密封測試；④MQC安裝測試；⑤閥門機(jī)械操控測試；⑥水下控制模塊安裝試驗(yàn)；⑦采油樹水下控制功能驗(yàn)證；⑧水下采油樹回收試驗(yàn)。

3.6 淺水試驗(yàn)結(jié)果

通過淺水試驗(yàn)，驗(yàn)證了：

圖22 水下模擬井口安裝Fig.22 Installation of dummy subsea wellhead

圖23 采油樹安裝試驗(yàn)Fig.23 Installation of subsea horizontal tree

圖24 連接器密封測試Fig.24 Seal test of wellhead connector

圖25 MQC安裝測試Fig.25 Installation of MQC

圖26 閥門機(jī)械操控測試

Fig.26 Valves override test

圖27水下控制模塊安裝試驗(yàn)Fig.27 Installation of SCM

圖28 采油樹水下控制功能驗(yàn)證Fig.28 Control function test

圖29 水下采油樹回收試驗(yàn)Fig.29 Retrieval of Subsea horizontal tree

(1) 水下采油樹及相關(guān)部件的水下安裝性。

(2) 水下采油樹、配套工具及控制系統(tǒng)的匹配性。

(3) ROV的可接近性及可操作性。

(4) 采油樹在水下功能正常(如閥門開關(guān)及SCM的控制功能等)，同時獲取了水下測試的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，積累了水下采油樹海洋作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對下一步開展工程海試具有重要的指導(dǎo)意義。