深水卧式采油树完井坐落管柱应用技术研究

孙子刚，王 星

（中海油能源发展股份有限公司工程技术深水钻采技术公司，广东深圳 518067）

随着世界范围内深水油气田开发步伐的不断迈进，未来几十年我国也将进入深水油气勘探开发的高峰期。我国拥有丰富的深水油气资源，特别是南海深水油气资源潜力巨大。为了加快深水油气勘探开发速度及确保开发质量，就必须深入掌握深水钻完井的关键技术。对于配合深水水下卧式采油树完井作业，为保证坐锁油管挂及完井作业中可靠的井控屏障，并为投产前的清井返排提供从水下井口延伸至地面井口的有效放喷通道，将不可避免的大量使用深水完井坐落管柱（Landing String）系统进行卧式采油树油管挂的送入坐挂及锁定作业[1]。深水完井坐落管柱系统作为深水油气资源勘探开发中的关键组成部分，国内尚未进行过深入理论研究与结构功能分析，在实际应用中也全部租赁国外如 Schlumberger、Halliburton、Expro 公司产品[2]。由于国外技术封锁导致国内租赁费用高昂，加之国内以往深水完井作业量少，该系统应用经验相对欠缺，因此有必要对深水完井坐落管柱系统构成、设计准则及关键设备优选进行深入分析研究，以期提升后续深水完井作业效率，降低作业风险及成本，也为今后的国产化研究与结构设计提供借鉴，以加快我国深水油气资源勘探开发步伐[3]。

1 深水完井坐落管柱系统介绍

深水水下井口完井系统主要由井下完井工具系统、水下坐落管柱系统、地面设备三大部分构成，其中水下坐落管柱系统作为完井、清井放喷、后期修井和增产作业的主要井控屏障，主要用来安装及回收油管挂或水下采油树，提供上部完井作业中的安全保障，同时在清井返排作业中提供连接至地面流程的垂直通道，并具备紧急情况下（恶劣天气如台风、平台漂移量过大或平台定位失效）实现关井和水下防喷器内部管柱解脱及回接功能[4]。具体承载的主要功能及特性还包括：通过水下测试树失效关闭的球阀进行应急关井；应急情况下15秒以内快速解脱；具备多种应急解脱方式；应急剪切穿过水下树球阀的钢丝/电缆/连续油管；解脱后能够承留坐落管柱管串内部流体，防止油气外泄，保护海洋环境；满足关闭水下防喷器闸板、万能和剪切闸板的需求；实现油管挂的锁紧、锁紧确认及解锁与油管挂送入工具的连接与脱手功能；系统失效时，能够正循环压井；化学药剂注入功能（泥线及井下）；泥面附近管柱内外温度及压力实时监控功能；为井下完井功能提供液压和电气通道。深水完井坐落管柱系统组成（见图1）[5]。

2 坐落管柱设计准则

深水完井坐落管柱系统设计中，需根据水下卧式采油树结构及完井特点进行综合全面考虑：

（1）应考虑和隔水管及防喷系统的匹配。

图1 深水完井坐落管柱系统组成示意图

（2）应具有防喷阀、水下测试树及泥面以下等位置的水合物抑制剂的注入功能，同时具备井下控制与监测功能。

（3）考虑设置水下及井下作业的双安全屏障。

（4）应考虑坐落管柱紧急解脱系统和平台应急解脱系统的逻辑关系。

（5）水下坐落管柱应具有备用剪切、球阀关闭及解脱等功能。

（6）应包含以下至少两种解脱方式：电液控制系统、直接液压、机械解脱。

（7）坐落管柱系统应可安装和回收油管挂，可作为水下采油树帽下入工具。

（8）坐落管柱外径、长度及位置等应与平台水下设备相匹配，管柱配长后在正常关闭万能防喷器时保证脐带缆不受损坏，内径应满足钢丝投堵及连续油管作业等要求。

（9）坐落管柱系统工作压力值应不小于预测最高地层压力，系统工作温度值应满足所处环境及流体的最高、最低温度要求。

（10）坐落管柱系统在有承重的情况下能承受外部一定压力的能力（例如防喷器试压，防喷器阻流或油嘴管汇压力等）。

（11）可用于井控和有干预作业剪切后井控，并在应急解脱后储存管柱流体防止海洋环境污染。

3 坐落管柱关键设备选型

基于深水卧式采油树结构及深水完井技术特点，在选择坐落管柱配套工具及功能时应充分考虑以下因素：

（1）具备可快速关闭及应急解脱与回接功能。

（2）工作压力值应满足预测最高地层压力1.25倍。

（3）工作温度值应满足所处环境及流体的最高、最低温度要求。

（4）本体内径为清井返排提供作业通道，环空压力操作通过关闭防喷器闸板密封坐落管柱承压短节来实现。

（5）水下测试树、承留阀本体有一定的通道余量，可满足动力电缆等的穿越。

（6）外径、长度及位置等应与平台水下设备相匹配，管柱配长后在正常关闭万能防喷器时保证脐带缆不受损坏。

（7）可安装和回收油管挂，可作为水下采油树帽下入工具。

（8）宜具有泥线附近数据采集功能，包括但不限于温度和压力。

（9）内径应满足钢丝投堵及连续油管作业的要求。

（10）可作为井控手段进行关闭，并可以剪切钢丝及连续油管后井控。

（11）在应急解脱后可以储存管柱流体防止环境污染。

（12）具有回接功能。

（13）系统通径满足ISO 10432∶2004标准，通径规公差为0.68 mm。

深水坐落管柱关键工具选型：深水水下坐落管柱关键组成部分包括水下测试树、承留阀、立管控制模块、储能模块、防喷阀、扶正器及油管挂送入工具等，各工具选型需结合实际井况、作业水深以及平台水下BOP配置等综合考虑。

（1）水下测试树：作为坐落管柱的核心工具，执行应急情况下井下解脱与回接。水下测试树结构示意图（见图2）。具有剪切一定尺寸的钢丝、电缆及连续油管功能；具有双阀，其球阀设计为失压关闭；尺寸与防喷器组匹配；具有泵通压井功能；具有化学注入功能；承压短节外径及长度满足防喷器闸板关闭、密封的要求；具有备用控制系统；应至少具备两种解脱方式：电液控制系统、直接液压、备用液压系统、破裂盘、机械解脱[6]。

（2）防喷阀：一般位于转盘下部30 m左右，具体根据平台伸缩节内筒下抬肩位置配置安装，应避免设置在伸缩节内筒下抬肩位置附近，避免下抬肩随平台升沉而反复撞击防喷阀风险。防喷阀上部管柱可作为钢丝或连续油管等作业的防喷管，用于协助入井前试压工作。应具有化学注入功能；可选择剪切钢丝、电缆及连续油管功能；球阀具有上下承压能力；具有泵通功能；具有辅助其他带压作业功能[7]。

（3）承留阀：位于水下测试树上部，其结构可以理解为倒置的防喷阀，不同点是使用提升滑套代替化学注入单流阀，提升滑套用于水下测试树解脱前泄放与承留阀之间的圈闭压力，保护解脱位置的各类胶皮密封完好，确保回接后水下测试树仍可安全作业。

承留阀用于在解脱时隔离承留阀和防喷阀之间的油气，防止环境污染。在应急解脱时，具有安全泄压，保护隔水管的功能；与水下测试树互锁功能[8]。

（4）储能模块：为水下测试树和承留阀打开提供动力，是缩短井下响应时间的能量保障。应满足坐落管柱系统响应速度要求，可提供温度、压力及流量的采集和传输，提供系统所需的全部液压动力。

（5）立管控制模块：深水完井坐落管柱的水下控制单元，接收、分析和传达地面的电信号，是电液控制坐落管柱的核心部分，能将RCM位置的实时温压数据传给地面。

（6）油管悬挂器下入工具：用以连接水下测试树和油管挂。应匹配水下测试树和油管挂的结构与功能，可作为水下采油树内帽下入工具，具有定位指示功能，并满足钢丝投堵和其他工具作业的需求。

图2 坐落管柱下送内树帽至油管挂顶部示意图

4 坐落管柱系统配长

坐落管柱在水下防喷器中的配长是深水现场完井工作的一项关键作业。深水完井坐落管柱往往不同于深水测试坐落管柱通过调节悬挂器高度配长，而是根据完井作业前根据实际作业平台水下BOP组配置预制固定长度的承压短节及剪切短节，确保BOP组内部工具与相应防喷器位置匹配，从而能够满足井控及后续完井作业要求。

配长关键：抗磨补芯坐挂点角度需要与悬挂器角度匹配；可关闭闸板类型尺寸需要和承压短节匹配，密封闸板对应在承压短节上；剪切短节对应在剪切闸板；承留阀或环空承压短节对应在万能防喷器位置，防止万能防喷器关闭时电缆及管线受损；立管控制模块应设置在防喷器挠性接头以上。

5 结论

深水完井坐落管柱系统是一个先进且复杂的综合性系统，对作业顺利及安全起着至关重要的作用。本文在广泛调研国内外深水完井坐落管柱系统相关资料的基础上，对坐落管柱系统组成、设计准则、关键设备选型及水下BOP组内部工具配长进行了深入的分析总结，使深水完井坐落管柱系统研究变得完整，希望可以为今后海洋深水完井作业安全顺利高效开展提供借鉴，也为将来的深海石油装备国产化研究提供理论支撑。