水下采油树设计影响参数分析

秦 蕊，谷玉洪，罗晓兰，李清平，段梦兰，刘国恒

(1.中国石油大学(北京)海洋油气研究中心，北京 102249;2.江汉石油钻头股份有限公司，湖北 武汉430223;3.中国海洋石油研究总院，北京 100027)

水下采油树设计影响参数分析

秦 蕊1，谷玉洪2，罗晓兰1，李清平3，段梦兰1，刘国恒1

(1.中国石油大学(北京)海洋油气研究中心，北京 102249;2.江汉石油钻头股份有限公司，湖北 武汉430223;3.中国海洋石油研究总院，北京 100027)

通过分析不同类型水下采油树的特点及其优缺点，提出水下采油树设计时所需的主要参数。采油树的类型应根据不同的油田开发模式进行选择，在此基础上再制定水下采油树的整体设计方案。综合考虑水深、油藏的特性、井口装置的型式和采油作业的方式等方面的因素，在保证水下采油树强度、稳定性的条件下，进行具体的结构设计、流动保障设计、热绝缘设计、防腐设计和密封设计。同时，为确保水下采油树的安全性和可靠性，需要特别考虑水下采油树的材料问题，并进行可靠性分析和风险分析。

水下采油树;开发模式;强度;稳定性

随着陆上石油资源的日益匮乏，蕴含丰富油气藏资源的海洋逐渐成为石油工业关注的对象。在一次又一次刷新油气开发的深水记录后，石油工业又把目光投向3 000 m水深［1］或者更深的海底。深水油气开发已成为世界石油工业的主要增长点和科技创新的前沿。

在这场勘探开发的热潮中，水下采油树作为实现海上油气田开发必不可少的重要设备之一，因其工作状态直接决定了整个水下生产系统的运行状态而成为世界各国争相开发、研制的对象。目前，美国、巴西、挪威等国有着处于世界领先水平的深水水下采油树的研发技术，而我国却连一棵独立自主开发的浅水采油树也没有。为填补我国水下采油树研制的空白，通过研究不同类型水下采油树的特点及其优缺点，提炼出水下采油树设计时所需的主要参数，为实现水下采油树设计技术的国产化提供一定的借鉴作用。

1 水下采油树的类型及特点

近年来，水下采油树的使用量逐年大幅增加［2］，但是不同的海域、不同的油田区块及采油操作工况下所使用的水下采油树的类型是不同的。目前，常按照安装方式［3］将水下采油树分为立式和卧式采油树两种。

立式采油树的结构相对简单，是早期水下采油树的主要形式。立式采油树由采油树本体、油管悬挂器、采油树帽、阀组等部件组成，如图1所示［4］，其特点是油管悬挂器直接座于井口装置内，采油树的控制阀组都位于油管悬挂器的上部，生产油管和油管悬挂器的安装要先于采油树自身［5］。

图1 水下立式采油树Fig.1 Vertical subsea X-tree

20世纪90年代中后期，开始出现水下卧式采油树［6］。相比于立式采油树，卧式采油树在组成结构上多了内部采油树帽和顶部阻塞器两个部件，如图2所示［4］，其特点是油管悬挂器在采油树本体内，采油树的阀组位于油管悬挂器的侧面，生产油管和油管悬挂器的安装要后于采油树自身［5］。

图2 水下卧式采油树Fig.2 Horizontal X-tree

立式采油树和卧式采油树的主要优缺点如表1所示。

从立式采油树和卧式采油树的特点及其优缺点中可以看出，立式采油树无法直接进行修井作业，需先移开采油树后再进行修井作业，而卧式采油树的垂直大口径设计允许直接进行井下管柱的起、下作业，无需移开采油树，只需先移开采油树帽然后坐上防喷器即可进行修井作业。卧式采油树使得水下、特别是深水的维修操作变得简便、快捷，同时，提高了油田的开发效率，降低了开发的成本，因而成为深水开发者们首选的采油树类型。

表1 立式采油树和卧式采油树主要的优缺点Tab.1 The main advantages and disadvantages of vertical and horizontal X-tree

2 水下采油树设计的影响参数分析

水下采油树的整体设计方案与油田的开发模式息息相关，因此，在设计水下采油树时应首先确定油田的开发方案，再根据其水下生产系统的开发模式，同时结合水深、油藏特性、井口装置型式和采油方式等具体因素进行水下采油树的设计。

2.1 水下生产系统开发模式对采油树选型和外输结构设计的影响

水下生产系统包括井口设备、采油树、管汇、控制系统和水下处理系统等［7］，如图3所示。从图中可以看出，水下生产系统的开发模式包括有水下井口的布局、管汇的位置和设备间的连接方式等几个方面的内容，它们直接影响水下采油树的设计类型和油/气外输结构的设计。

图3 水下生产系统Fig.3 Subsea production system

1)在单井口卫星井的开发模式中，出于降低开发成本的考虑，一般采用立式采油树。从海底采出的油/气通过与立式采油树顶部相连的生产立管直接输送到水面处理设施中，如图3所示。

2)在多井口卫星井的开发模式中，因为井口布局分散，立式采油树不容易实现油/气的集中输送，所以一般采用卧式采油树。从海底采出的油/气经由管汇向外输送，卧式采油树和管汇之间通过跨接管相连，因此，在采油树外输管道末端应设计与跨接管相连的连接器结构。如图4所示，这也是水下油气开发中最常用的模式。

3)在底盘井的开发模式中，管汇位于井口布局的中心位置，此时，采油树外输管道应设计成水平、短小型，卧式采油树因其便于实现这种输出结构而被优先选用。如图5所示为陆丰22-1油田的开发方案，每口井的原油先从采油树汇集到位于正中的中心管汇处，再由海底生产管线输往生产储卸油轮［8］。

2.2 水深的影响

水深是水下采油树设计的关键基础参数之一，它会影响水下采油树设计条件的确定及流动保障设计。

1)不同的水深、不同的油田区块下地层压力不同，水下采油树的设计压力等级就不同，从而影响水下采油树强度和稳定性的设计方法。因此，在设计水下采油树时需根据水深和油田区块确定采油树的设计压力等级，按照压力容器及压力管道进行强度和稳定性的设计。

2)水深不同，水下采油树的安装方式不同。在浅水区一般采用潜水员辅助安装的方式，而在深水区只能采用ROV辅助安装的方式，因此，水下采油树必须设计相应的配套结构以便于进行安装操作。

3)在相同的油藏条件下，水深越深，水温越低，水压越高，越容易产生水合物。为了避免产生水合物，堵塞水下采油树，因此，在进行水下采油树设计时通常需要设计乙二醇(MEG)［9］注入口及相应的管道结构，并采取绝热保温措施。

4)不同水深、不同海域的海况条件(内流、海冰、台风等)对水下采油树的结构强度和稳定性会产生重大影响。由于海水的侵蚀作用，需在水下采油树的外部采用阴极保护的方法，进行防腐设计。

图4 卫星井的开发模式Fig.4 Development model of satellite wells

图5 底盘井的开发模式Fig.5 Development model of chassis wells

2.3 油藏特性的影响

油藏的特性是水下采油树设计的关键参数，它渗入到水下采油树设计的各个环节。

1)油藏的压力、温度直接决定水下采油树的额定工作压力和温度，进而决定水下采油树的设计压力等级(5 000 psi、10 000 psi或15 000 psi)和设计温度级别。

2)油藏组分的物理及化学性能影响水下采油树的流动保障设计、热绝缘设计和防腐设计等，如蜡、砂、水合物等物质对流体流动的阻碍，H2S和CO2等介质对水下采油树的腐蚀。因此，在设计水下采油树时需进行流动保障、热应力计算及有限元计算以满足水下采油树功能设计和使用寿命的要求。

3)油藏组分不同，密封型式及密封材料的设计不同。密封设计是水下采油树设计的重点和难点，尤其是采油树出油口处和连接器处的密封，一旦失效整个水下采油树将处于瘫痪状态。因此，水下采油树的密封设计大多选用金属对金属的密封型式，并针对不同的部位设计不同的密封结构形式。

4)油藏的特性直接决定了水下采油树的材料类别，如表2所示［10］。在内部油藏介质和外部海水环境的共同作用下，水下采油树应选择HH的材料级别。

表2 材料要求Tab.2 Material requirements

2.4 井口装置型式对采油树连接器设计的影响

井口装置型式不同，水下采油树与水下井口的连接方式即采油树连接器的设计不同。目前最主要的两种井口型式是泥线悬挂器的型式和高压井口头的型式，如图6所示。

一般而言，浅水(0～300 m)中常使用泥线悬挂器的型式，深水(300 m以上)中常使用高压井口头的型式。它们各自的结构特点［11-12］及与采油树的连接形式如表3所示。

表3 泥线悬挂器和高压井口头的结构特点及连接形式Tab.3 The structural characteristics and connection of mudline hanger and subsea well head

2.5 采油方式对采油树内部组件设计的影响

根据油层能量油田会采用不同的采油方式，这直接影响了水下采油树内部组件的设计，目前采油方式主要有自喷法、气举采油法和电潜泵采油法等。在气举采油法下，油管悬挂器内部包括有控制通路、测试通路和生产通道;而在电潜泵采油法下，油管悬挂器中除了上述通道外，还需有为电潜泵提供动力的电缆的穿越通道。如图7所示，为气举采油和电潜泵采油两种采油作业方式下的油管悬挂器［13-14］。

除以上因素外，水下采油树的设计类型和具体结构还取决于油田的开采前景和用户需求，在开采前景好、需要修井作业的油田，一般采用卧式采油树;而在进行掠夺性开采的油田，或者修井频率低及不需要修井作业的油田，多采用立式采油树。

图7 不同采油方式下的油管悬挂器Fig.7 The tubing hanger in different oil extraction modes

水下采油树的设计应安全、可靠，墨西哥湾的漏油事故给水下采油树设计者们敲响了警钟，同时也将这一设计理念提升到了无比的高度。因此，在设计完成后必须对水下采油树的设计进行可靠性分析和风险分析，包括有组成部件的可靠度分析、危险有害因素的辨识、事故预防措施和应急处理机制等几个方面的内容，以保证设计符合安全、可靠的要求。

3 项目实例

以中国南海流花11-1油田为例说明各影响参数在水下采油树设计中的应用。

流花油田水深310 m，处于台风频繁、季风强劲，并有内波流等复杂海况条件的水域，其原油为高黏度、高密度、低含蜡、低含硫、低凝固点、低油气比、属欠饱和环烷基生物降解程度较高的重质原油，油藏埋深浅［15］，这些不利因素给开发增加了难度。经过统筹考虑和方案对比，最终根据流花油田特殊的海洋环境、水深和油藏特性决定采用集中水下井口生产系统方案。

1)在流花11-1油田的水下开发方案中，井口布局和管汇位置呈H型，各口井的原油需要从4个分翼汇集于正中横位置的中枢管汇处，如图8所示。采用水下卧式采油树型式，各口井的原油从水下采油树的永久导向底座(PGB)中流出，通过钢制跨接管输送到中枢管汇中，再由海底生产管道输往生产储卸油轮(FPSO)［15］。因此，此开发模式下水下采油树的永久导向底座在设计时除具有导向和支承的功能外，还必须设计出具有集液功能的输出管道，以完成原油输送的任务。

图8 流花11-1油田的水下开发方案Fig.8 The oil field development program of Liuhua 11-1

2)流花11-1油田管路最大工作压力为15.5 MPa，井液温度为11℃ ～52℃，因此，其所使用的水下卧式采油树设计压力等级为34.5 MPa(5 000 psi)，设计温度为120℃，且采油树内表层应进行化学防腐处理，外表层应以油漆和牺牲阳极进行保护。

3)考虑流花11-1油田水深为310 m，因此水下井口采用高压井口头型式。

4)考虑到流花油田的原油为高黏度、高密度的重质原油，且其井底压力较低，以及生产后含水上升较快、产液量增加等特点，设计中采用电潜泵采油的方式。

4 结语

水下采油树的设计应以油藏压力、温度为主进行强度、稳定性设计，采油树的结构设计应考虑油藏介质组分的物理及化学性能对水下采油树流动保障设计、热绝缘设计、防腐设计和材料类别等的影响。此外，采油树的结构设计还需考虑以下因素:

1)综合考虑水下生产系统的开发模式、油田的开采前景及用户需求等方面的因素，在确定水下采油树设计类型的基础上制定水下采油树的整体设计方案;

2)综合考虑水深、井口装置型式、采油方式等方面的因素，进行水下采油树组成部件的设计，使其满足设计条件(使用水深、设计压力、设计温度等)的要求;

3)从安全评价和事故应急处理两个大方面对水下采油树进行可靠性分析和风险分析。

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Parametric analysis for the design of subsea Christmas tree

QIN Rui1，GU Yu-hong2，LUO Xiao-lan1，LI Qing-ping3，DUAN Meng-lan1，LIU Gou-heng1
(1.Offshore Oil/Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.Kingdream Public Limited Company，Wuhan 430223，China;3.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China)

The main parameters in the subsea Christmas tree design are proposed based on the analysis of X-tree features along with the advantages and disadvantages of different types of X-tree.The selected Christmas tree shall meet the basic requirements of the scenario of oil field development which will be a decisive influence on the overall design of subsea Christmas tree.A comprehensive investigation shall be performed on the water depth，reservoir characteristics，type and wellhead pattern，oil production modes and other factors to complete the Christmas tree design.For the structure integrity，other problems should be considered on the premise of X-tree’s strength and stability，which include flow assurance，thermal insulation，corrosion protection and seal challenges.Moreover，to ensure the safety and reliability of Christmas tree，special considerations shall be made on material requirement and reliability＆ risk analysis.

Christmas tree;development model;strength;stability

P751

A

1005-9865(2012)02-0116-07

2011-06-14

国家高技术研究发展计划(863计划)水下采油树关键技术研究及成套设备研制(1期)(2012AA09A205)

秦 蕊(1985－)，女，河北石家庄人，博士生，从事海洋石油设施的设计理论与方法研究。E-mail:qinrui2009@163.com

段梦兰