水下采油树在深海油气田开发中的应用

于成龙 李慧敏

1．中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，广东 湛江 524057；2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术公司，广东 湛江 524057

0 前言

我国海上油气田的开发至今已有40多年历史，但开发的油气田大多位于滩海、浅海、近海。我国南海海域宽达200×104km2，是世界上四大海洋油气聚集中心之一。我国海洋石油储量约为230×108～300×108t，天然气储量338×1012m3［1-2］。目前，国际海洋石油工程界普遍认可的深水定义是水深300 m［3］。我国水深300 m以上的海域宽达153.7×104km2［4］，但大部分尚未被勘探，深海油气田资源勘探开发将成为我国未来海洋石油的主战场。

在水深300 m以上的深海油气田建设传统导管架平台开发的经济性很差。国内外深海油气田开发的现有组合方案是［5］：

a）水下套管头及采油树+张力腿平台+浮式生产储油轮或浮式储油轮+穿梭油轮；

b）水下套管头及采油树+半潜式平台+浮式生产储油轮或浮式储油轮+穿梭油轮；

c）水下套管头及采油树+浮式钻采平台+海底管线；

d）水下套管头及采油树+浮式生产钻井联合装置+穿梭油轮；

e）海底工作盒+挠性出油管+浮式储油轮+穿梭油轮。

可见，水下采油树是深海油气田开发中必不可少的装置。

1 水下采油树分类及对比

海上油气开采使用的水上和水下采油树存在明显差别（见图1～2）。水下采油树一般可分为干式、湿式、干/湿式和沉箱式等四种型式。干式水下采油树把采油树置于一个密封的常压、常温舱里，维修人员像在陆地上一样在舱内进行工作；湿式水下采油树完全暴露在海水中；干/湿式水下采油树可以转换干/湿，正常生产时采油树呈湿式状态，维修时则由一个服务舱与水下采油树连接，排空海水，使其变成常温、常压的干式采油树；沉箱式水下采油树包括主阀、连接器和水下井口，均置于海床以下的导管内，大大减少采油树受外界冲击造成损坏的机率。

干式采油树装置仪器繁多、结构复杂、成本高、技术难度较大，且对操作人员存在安全隐患，因此逐渐被淘汰；沉箱式水下采油树与湿式采油树相比，价格一般高出40%左右，且无其他明显优势；随着湿式采油树所釆用的金属材料防海水腐蚀性能、水下作业水平的提高及遥控装置的发展，目前湿式采油树逐渐成为各石油公司的首选。

20世纪80年代的水下采油树是生产主阀、生产翼阀及井下安全阀安置在一条垂线上的立式结构，由于其修井及钢丝作业繁琐、耗时，90年代起水下采油树主要采用控制生产阀门水平放置的卧式采油树。

图1 海上采油平台采油树外观

图2 水下采油树外观

2 水下采油树国外应用情况

20世纪70年代起，全球石油公司加速向深海迈进，水下采油树以其经济性好、适合深海油气田开发等优点，在过去50多年中得到了快速发展。1967年，美国FMC公司生产出全球第一套水下采油树，用于墨西哥湾海域，水深20 m［6］。1979年，Garoupa油田采用布置在常压舱中的干式井口装置的最大水下生产系统进行开采，创立了水下生产概念。1981年，Frigg North East气田采用水下井口进行开发，1982年钻生产井6口，1983年11月开始生产。1982年5月，Exxon公司开发的水下生产系统在Central Cormorant油田开发中应用，10月开钻，1983年年中开始生产。90年代后，水下采油树在国外进一步加速发展，截至2012年，国外已有超过400个项目中采用了海上油气田水下生产系统，最大水深超过2 700 m［7］。墨西哥湾Atwater Valley项目创水下生产系统开发油气田水深记录，最大水深2 714 m；挪威Sncphvit气田创距离最远记录，应用全水下生产系统开发油田并通过约143 km的海底多相输送管道直接回接到陆上终端［8］。

3 水下采油树国内应用情况

目前国内采用水下采油树生产的油气田有流花11-1油田、流花4-1油田、惠州26-1N&32-5油田、陆丰22-1油田、荔湾3-1气田、崖城13-4气田，其中流花11-1油田、流花4-1油田、惠州26-1N&32-5油田、陆丰22-1油田采用FMC公司生产的采油树，荔湾3-1气田采用Cameron公司生产的采油树，崖城13-4气田采用Aker Solution公司生产的采油树，详见表1。

表1 水下采油树国内使用情况

流花11-1油田由阿莫科东方石油公司和中海油联合开发，1996年3月29日投产，是我国第一个采用水下采油树的油田，创立了当时世界上多个第一：第一次商业性使用湿式点接头、控制软管系统、电缆悬挂系统、水下控制系统、遥控作业机器人等［9-10］。陆丰22-1油田1997年投产，采用适用于ROV作业的卧式采油树，所有阀门在水平方向设置并由水下机器人操作，16个不同性能的球阀及锁紧装置的操作机构等集中于3块便于ROV操作的盘上，从操作盘上直接控制生产阀、环空阀、安全阀、化学药剂注入阀等。另外，生产阀、环空阀、生产控制阀和SCSSV可以由平台液压遥控开启与关闭，在紧急情况下可自动关断［11］。流花4-1油田在国内水下生产系统中首次采用双电潜泵技术、水平分支井和智能完井系统，首次研究和采用水下多相流量计、水下双电潜泵动力分配单元及转换开关［12］。荔湾3-1气田为南海第一个水深达到1 500 m的深海气田，其水下采油树采用Cameron公司的第三代卧式采油树，该采油树可在井口注入水合物抑制剂，并装有水下检测湿气流量计等多种在线控制及检测装置。

4 国内外水下采油树制造能力的差别

20世纪60年代以来，世界上已有1 200多套水下采油树应用在超过400个采油项目中，这些采油树的国外生产商（如FMC、Vetco、Cameron、Dril-Quip等公司）经过50多年的研发，实现了深水井的完井、控制和生产开发［13］。目前国外水深3 000 m内的水下生产系统在设计、建造、安装技术上已经成熟［14］。

我国江钻股份公司、金石集团、美钻石油钻采系统有限公司等具有一定生产能力。2010年，金石集团与美国Argus公司在中国市场推出了国内首个AZ-10新型中心孔式水下采油树，是目前世界上唯一同心结构的水下垂直采油树。但目前未见有国产水下采油树海上油气田实际用例的报道，水下采油树的制造、检测、安装、维护基本被国外公司垄断。

5 水下采油树发展趋势

a）在工作水深200 m或控制长度1 000 m以内，大多发展直接控制和先导液压控制，进行直接控制或对于较大的液压执行器采用先导液压换向［15］，对于300以上水深海域多采用多路传输、电液控制技术。国外一些水下采油树厂家正在研究采用代表水下采油树发展方向的全电式控制技术，第一台全电控的水下采油树由Cameron公司生产，已在北海K5F气田投入使用。

b）随着声光电波等领域新技术的快速发展，未来大型海上油气田开发采用远程全自动控制及系统智能检测成为人们追求的目标。

c）随着海上油气田勘探开发技术的进步，越来越多的深海油气田将投入开发，对采油树的标准压力及控制方面的要求会越来越高，研究开发具有高安全性和适应性的水下采油树，必将成为今后很长一段时间内需进一步研究的重点和热点课题。

6 结论

随着我国石油企业向深海油气田进军步伐的加快，水下采油树在我国深海油气田开发中将发挥越来越大的作用。但目前水下采油树项目的设计、制造、安装基本由国外公司主导，国内的制造、施工技术都相当匮乏。为满足深海油气田开发的需要，应利用与国外合作项目的机会提高水下采油树的制造水平和施工、安装能力。同时，应培养专业化水下采油树安装队伍，以及与水下采油树安装相配套的安装设备和机具。

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