水下采油树选型和功能设计

周 凯， 苏 锋， 鞠朋朋， 曹 永

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

水下采油树选型和功能设计

周 凯， 苏 锋， 鞠朋朋， 曹 永

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

水下采油树在每个工程中针对油田特性都有不同的设计要求。选型设计时，要充分考虑油气田类型、作业环境、压力、井口数量、钻机类型、水深、操作者的喜好进行选型设计。该文给出水下采油树选型流程图，阐述了卧式和立式水下采油树显著区别，列出水下采油树结构选择的六个界面，分析了超高压高温水下采油树的技术挑战和主要经验，指出卧式水下采油树功能设计要求，并针对PY35-1、PY35-2实际项目详细分析了水下采油树的选型及功能设计要求。

水下采油树；卧式采油树；选型设计；功能设计

0 引言

伴随着油气资源在海底生产的不断增加，越来越多的水下生产系统投入使用。水下采油树是水下生产系统中必不可少的组成部分，是水下生产和安全保障的重要设备，随着水下采油树数量的增加，水下采油树的设计也不断进步。水下采油树在每个工程中针对油田特性都有不同的设计要求，目前水下工程为提高油田效益和成本效率，对水下采油树增加了标准化和多功能化的要求。该文对水下采油树工程选型及功能设计要求给予详细论述，并给出选型标准流程图。

1 选型设计

水下采油树主要组成包括采油树本体、采油树阀、采油树管线、水下控制模块、油嘴、采油树连接器、出油管连接器、控制面板、外部采油树帽、结构框架、导向基座、保护框架。水下采油树选型设计的主要目的是保证选用的水下采油树既能满足长期稳产又能经济安全地进行油气井钻修采作业。

1.1 油气田要求的选择

水下采油树的选型设计首先要针对油气田的操作和完井设计进行初始定义，具体因素如下：

(1) 油气田类型：按油气田类型可分为油田采油树、气田采油树或注水树。油气田类型将影响系统的材料、采油树结构和密封选择。油田水下采油树是最普通的类型，气田水下采油树通常包含了最苛刻的设计环境(具体要求可见ISO13628-4[1]中的规定)，注水树结构最为简单。

(2) 作业环境：水下采油树作业环境可分为不含H2S和CO2环境、含H2S环境、含CO2环境、含H2S和CO2环境。这对于采油树的阀门、组件、密封材料的选择将有不同要求。关于H2S和CO2分压值的材料选用可参考NACE MR 0175、API 17D标准。

(3) 压力：关井压力和采油树开启时的井口流压都应该做为评估和决定经济材料和密封设计时的重要因素来考虑。

(4) 井口数量：按水下采油树的井口数量可分为卫星井采油树和基盘采油树。采油树的总数量、油气田的总体布置、水深、集油方式将影响单个卫星井采油树或基盘式采油树的选择。一般来说，在一处地方有4个或4个以上的采油树组成的项目，使用一个基盘式采油树系统是最经济的。水下管汇或生产流体收集装置的使用也将影响油田的分布。

(5) 钻机类型：按使用的钻机类型可分为自升式钻井平台或浮式钻井船。安装或维护采油树时，钻机的类型将影响到采油树设计。油气田的水深可能支配钻机类型的选择：自升式钻井平台被限定为最大水深100 m，浮式钻井船作业水深范围可以从最小60 m到超深水。自升式钻井平台钻井时，通常使用泥线悬挂系统。

(6) 操作者的喜好：水下采油树选型设计时操作者的喜好和其基本原则应该比设备要求优先考虑。这主要包括：安装和维修的潜水员、特殊材料要求、金属或橡胶密封要求以及整体的经济性要求。

(7) 水深：根据ISO13628-4标准，水下采油树的额定压力等级分为5 000 psi，10 000 psi，15 000 psi。额定压力等级为5 000 psi，10 000 psi的采油树普遍应用于水深1 000 m以内。另外水深对采油树的安装影响较大，对采油树本身设备费用影响不是很大，不同水深对应的安装费和设备费用比较如图1所示。

图1 不同水深水下采油树安装费用和设备费用的比较

综上所述，该文提出了根据不同油气田要求进行水下采油树选型的流程图，将为工程实际选型提供依据，具体流程如图2所示。

图2 根据油气田要求进行水下采油树选型流程图

1.2 水下采油树结构类型选择

水下采油树结构类型的选择包括流动路径和阀门布置的设计。水下采油树结构类型主要有两种：传统型立式采油树，卧式采油树。单筒和双筒采油树都可被认为是立式采油树，增强型水下采油树，主要指油管悬挂器及相关部件为增强型。

卧式水下采油树与双筒采油树相比最明显的区别是生产筒和环空筒从采油树侧水平伸出，阀门孔沿水平轴定向。卧式采油树显著特征是：(1)油管悬挂器安装在采油树本体中，而不是安装在井口；(2)采油树上部的设计可保证BOP(防喷器)下放到采油树上。这样配置时，不用先回收采油树就可回收油管悬挂器。

卧式采油树使用的许多设备与常规采油树相同。然而，不同的设备主要包括：采油树本体、油管悬挂器、隔离塞、采油树帽。卧式与立式采油树的主要结构示意图如图3所示，图4给出了标准中列出的常规卧式采油树结构。

图3 卧式和立式水下采油树示意图

1.3 采油树结构选择的外部界面

外部界面提供水下采油树结构选择设计要求有：(1)油气井参数：压力、流量、物性、油管尺寸、温度、材料等级；(2)控制系统：直接液压控制、先导液压控制、电液复合、不同供应商；(3)出油管线：海管尺寸、压力、连接器类型、不同供应商；(4)水下井口：井口相对泥线的高度、轴心类型、卡爪毂、不同供应商；(5)同ROV的界面；(6)同BOP的界面。上述6个方面具体示意图如图5所示

图4 常规卧式采油树

图5 水下采油树结构选择界面

1.4 成本费用

水下采油树的数量一般较多，对采油树的选型需要考虑整体费用。对费用影响较大因素主要是采油树压力等级，其次是生产通道尺寸大小、材料选择，采油树的额定温度等级对总成本没有太大影响。采油树典型的生产通道尺寸为5″，卧式采油树可达到7″，当内径小于5″时，价格变化不大，但当内径大于或等于7″时，不仅成本增加，而且还需要新的技术。采油树压力等级不同，费用不同，采油树标准压力等级为5 000 psi，10 000 psi，15 000 psi，由于可以设计和制造大于或等于15 000 psi采油树的设备商很少，此时成本会有较大提高。

2 水下采油树功能设计要求

水下采油树首先要根据项目具体情况进行功能设计要求的规定，包括：

(1) 采油树总体功能要求：设计原理、功能要求、载荷标准、IMR(检查、维护、修理)原理、材料要求、腐蚀防护、液压清洁要求、水下标记、保护和包装要求。

(2) 采油树设备要求：采油树系统总体设计要求、采油树装配要求(包括采油树连接器、阀门和执行器、油嘴、用跨接管回接的出油管、控制设备和仪表、采油树管件和电缆铠装、螺栓、ROV操作面板、采油树机构框架和保护结构)、油管悬挂器总装要求、内部采油树帽总装要求、碎屑帽要求、导向基座要求。

(3) 完井工具要求：采油树安装与回收工具、采油树测试桩、采油树操作工具、油管悬挂器安装工具、模拟的油管悬挂器、油管悬挂器操作工具、紧急油管悬挂器解脱工具、油管悬挂器的坐放轴衬要求。

(4) 工程要求。

3 超高压高温水下采油树

伴随着水下生产系统越来越广泛的使用，超高压高温水下采油树也将被使用。超高压高温是指温度大于170℃，压力大于15 kpsi。对于超高温高压水下采油树主要经验和最大的技术挑战有：水下腐蚀问题，在循环热载荷条件下金属或非金属的密封设计，采油树尺寸或类型可能发生的较大变化，完井工具。

对超高压高温采油树功能水平的影响分析要尽量放在基础材料测试、单部件质量测试、水下总成质量测试、SIT(系统完整性测试)测试上，但临时性测试装备的测试工具并不容易提供，这将影响工期和费用。

4 水下采油树工程实例

该文通过一个实例来论证水下采油树选型和功能设计。番禺35-1/2气田位于中国南海，PY35-1水深约195 m～201 m，PY35-2水深约236 m～338 m。PY35-1、PY35-2初始地层压力和温度见表1。

表1 PY35-1、PY35-2初始地层压力和温度

4.1 PY35-1、PY35-2水下采油树功能设计要求

PY35-1、PY35-2水下采油树系统应该被设计成油田寿命期内可操作、免计划性维修。在任何时候都应该考虑到系统的可操作和可维护性。

4.2 PY35-1、PY35-2水下采油树设计参数

(1) 水下采油树类型：卧式采油树和常规立式采油树均可用于PY35-1/PY35-2气田水下生产系统，卧式采油树和立式采油树所需的安装时间相近。卧式采油树下入后，仍可下入钻具进行下步钻井作业；重入作业时，仅需起出油管悬挂器和油管柱而不需起出卧式采油树，使油管回收作业得到了简化，节省了修井、侧钻或钻穿作业工期。

(2) 标准水下采油树选择：卧式水下采油树选择生产通道名义尺寸5″，环空为2″，工作压力为10 000 psi的标准卧式水下采油树。选择标准卧式水下采油树是因为一般水下采油树厂家都有标准的水下采油树设计，其优点是采用成熟的标准设计，交货期相对较短，水下采油树的整体费用相对较低，工程上应用广泛。

(3) 压力等级：根据ISO13628-4标准中对压力等级的规定，常规压力等级分为5 000 psi、10 000 psi、15 000 psi，根据正常生产时的关井压力，番禺采油树本体及管配件的压力等级选择10 000 psi，SCSSV控制回路的最大工作压力是7 500 psi。

(4)采油树材料：PY35-1、PY35-2水下采油同生产介质表面相接触的材料应遵从API材料HH等级。环空湿式表面和阀门内件应遵从API材料FF等级。在使用超级双相钢时，应采取防止氢致应力开裂的详细措施，材料应该遵从API温度等级U (-18℃～121℃)。生产油嘴下游的设备，包括油嘴本体，设计温度应该到-40℃，以便供应低温流体输送。根据油藏天然气(井流物)分析数据，番禺35-1生产液流中CO2含量为10.62%～12.9%，按ISO13628-4标准选择与井液接触部件的材料等级为HH(此等级为采油树材料最高等级)。环空通道要求比生产通道材料等级低一个等级为FF等级。

(5)设计温度：油管悬挂器和内部采油树帽，设计温度等级为ISO13628-4中的标准额定温度范围35°F～250°F。所有生产油嘴下游设备，包括油嘴本体，低温设计温度应该到-40℃，以便供应低温流体输送。

(6)采油树PSL等级：采油树API PSL(生产等级)等级为PSL 3G，由于番禺PY35-1、PY35-2是气田，气田的水下采油树各项参数是水下采油树中要求最为苛刻的。产品质量控制和试验应符合ISO10423中规定的PSL 3G的要求，要求气密性试验。

5 结语

在水下生产系统的水下采油树的选型设计时，要充分考虑油气田类型、作业环境、压力、井口数量、钻机类型、水深、操作者的喜好进行选型设计，这将进一步为工程节省时间成本。水下工程为提高油田效益和成本效率，对水下采油树提出了标准化和多功能化的要求，为此水下采油树已经形成标准化系列产品，典型的按压力可分为5 000 psi、10 000 psi、15 000 psi三个等级。水下采油树结构选择需关注油气井参数、控制系统、出油管线、水下井口，同ROV和BOP的外部界面。水下采油树的功能设计可根据采油树总体功能要求、采油树设备要求、完井工具要求、工程要求4个方面展开。当特殊工况需要时，选用超高压高温水下采油树，选择时要关注费用和供货周期对工程的影响。

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Subsea Tree Design of Selection and Function Requirement

ZHOU Kai， SU Feng， JU Peng-peng， CAO Yong

(Offshore Oil Engineering Co.，Ltd，Tianjin 300451，China)

Subsea trees have typically been field-specific with different designs required for eachproject.When select tree type, designer should consider that production type,service,pressure,number of wells,rig type,water depth,operator preferences etc. This paper presents a procedure to categorize proven equipment and simplify selection of tree.The article particularly discusses the difference between horizontal tree and vertical tree, and shows six interfaces about subsea tree configuration selection, and analyses the ultra high pressure and ultra high temperature subsea tree. The paper researches the function requirements of subsea tree. At last, particularly analyzing how can select the subsea tree type and function design according to PY35-1/2 project in the South China Sea.

subsea tree; horizontal tree; select type design; function design

2014-05-12

国家工业和信息化部海洋工程装备科研项目“水下生产系统设计及关键设备研发(一期)”专项经费资助

周 凯(1979-)，男，工程师。

1001-4500(2015)02-0026-06

P756

A