水下卧式采油树油管悬挂装置结构创新设计研究

刘伟强 张鹏举 李 博

(1.中海石油深海开发有限公司,中国 上海 200941；2.美钻能源科技上海有限公司,中国 上海 200941)

0 引言

在海洋石油开采的过程中，水下采油树是最终钻探阶段及最初完井阶段的主要设备，水下油管悬挂装置作为水下采油树最为关键的部件就显得尤为重要，目前全球范围内能够对水下采油树及其关键部件进行自主研发、生产并在实际工程上进行使用的公司主要是FMC、CAMERON及AKERSolution等国外公司。在国内尽管有极少数的研究设计机构对水下采油树及其关键部件发表过一些技术支持类论文，但终究是纸上谈兵，并未将理论付诸实践对水下采油树及其关键部件进行相应试制、测试及应用于工程，本文对水下卧式采油树油管悬挂装置的结构进行了更为深入的研究，对水下油管悬挂装置的环空密封结构、锁紧结构、定向结构及井下穿越结构进行了更为合理的创新，并且这种结构设计的水下卧式采油树油管悬挂装置在实际工程中得到了验证与应用。

1 水下油管悬挂装置设计

1.1 水下油管悬挂装置设计技标准

水下油管悬挂装置须按照石油天然气工业相应的国际标准进行设计，这些国际标准规定了石油天然气工业用设备的性能、尺寸和功能互换性、设计、材料、试验、检验、焊接、标识、包装、贮存、运输、采购、修理和再制造的要求，并给出了相应的推荐作法[2]。水下油管悬挂装置的主要设计标准如表1所示：

表1 水下油管悬挂装置的主要设计标准

1.2 水下卧式采油树油管悬挂装置设计技术参数

1）工作压力：10000psi；

2）测试压力：15000psi；

3）产品规范等级：PSL3G[2]；

4）性能试验要求：PR2[2]；

5）材质等级：HH-NL（仅接触的流体湿润面要求堆焊耐蚀合金）；

6）温度等级：“U”（-18℃～121℃）；

7）油管扣型：BEARTHREAD；

8）中心堵头：外径为5-1/4＂，主密封为金属密封，橡胶为辅助密封；

9）井下液压穿越：一个用于控制井下安全阀的液压穿越通道，一个用于井下化学药剂注入的液压穿越通道；

10）井下电缆穿越：一个用于监测井下流体压力及温度的电缆穿越通道。

1.3 水下卧式采油树油管悬挂装置结构设计

水下卧式采油树油管悬挂装置主要结构设计如图1所示：

图1 水下卧式采油树油管悬挂装置结构

图1中的数字编号为水下油管悬挂装置的主要结构，其描述如下：

1）水下油管悬挂装置送入工具锁槽；

2）水下油管悬挂装置锁紧机构；

3）水下油管悬挂装置中心堵头安装型面；

4）水下油管悬挂装置定向机构（包括导向键与导向筒）；

5）横跨水平生产出口的环空密封总成；

6）水下油管悬挂装置水平生产出口；

7）水下油管悬挂装置井下穿越机构。

1.4 水下油管悬挂装置设计功能描述

1.4.1 工具锁紧功能

水下油管悬挂装置在进行水下安装作业的过程中须使用送入工具进行安装，在水下油管悬挂装置的上部设计了一个送入工具锁槽，该锁槽的型面须与送入工具的开口锁紧环型面相匹配，当送入工具与水下油管悬挂装置安装到位时，通过液压来驱动送入工具的促动环将开口锁紧环撑开就可以将送入工具与油管悬挂装置锁紧而不脱开，水下油管悬挂装置与送入工具装配及锁紧如图2所示。

1.4.2 定向功能

为了使水下油管悬挂装置能够在水下安装作业过程中更加正确并顺畅地进行安装，水下油管悬挂装置须设计良好的定向机构，安装在水下油管悬挂装置上的导向筒及导向键就为油管悬挂装置水下安装起到了一个良好的定向安装作用：

图2 送入工具与水下油管悬挂装置锁紧

1)导向筒安装于水下油管悬挂装置的下部，其在水下油管悬挂装置水平生产出口的同侧设计了一个螺旋导向槽，该导向槽与安装于采油树本体内的导向键相匹配，在水下油管悬挂装置安装过程中，该导向槽会与安装于采油树本体内的导向键预先啮合，为水下油管悬挂装置安装提供初步的定位与导向；

2)导向键安装于水下油管悬挂装置的中部，安装导向键的键槽设计在水下油管悬挂装置水平生产出口的对侧，该导向键与安装于树本体内的油管悬挂装置座环的导向槽相匹配，在导向筒的初步定位与导向的牵引下，导向键最终将水下油管悬挂装置正确安装于水下采油树中。

图3 水下油管悬挂装置定向机构

1.4.3 油管挂与采油树锁紧功能

当水下油管悬挂装置正确安装于水下采油树中时，还须将水下油管悬挂装置锁紧于水下采油树中，在水下油管悬挂装置的上部设计了一个锁紧机构，该锁紧机构包括一个促动环、一个开口锁紧环和两组剪切销，送入工具驱动环向促动环提供机械推力让促动环向下运动从而促使开口锁紧环张开，当促动环完成行程后开口锁紧环将被完全撑开并嵌入到树本体设计好的卡槽中，同时安装在促动环上的两组剪切销锁定在油管挂卡环的销孔内，从而将促动环锁死，此时水下油管悬挂装置最终锁紧于水下采油树中（如图4）。

1.4.4 环空密封功能

在水下油管悬挂装置水平生产出口的两侧存在环形间隙空间，当流体经由油管进入到水下油管悬挂装置时，流体就会从环形间隙空间泄漏出去，为了防止环形间隙空间出现流体泄漏，在横跨水平生产出口的两侧各设计了一组环空密封总成，这两组环空密封总成的形式均是金属密封为主密封、橡胶密封为辅助密封，两组密封总成之间设计了一个支撑套筒进行限位，密封的技术参数及试验要求如下：

图4 水下油管悬挂装置与采油树锁紧

图5 环空密封总成

图6 电缆穿越系统

1）工作压力：10000psi；

2）试验压力：15000psi；

3）产品规范等级：PSL3/3G[2]；4）性能试验：PR2[2]。

1.4.5 中心堵头锁紧密封功能

在水下油管悬挂装置设计了一个用于安装中心堵头的安装型面，该型面包括一个与中心堵头卡牙相匹配的卡槽、用于中心流体密封的密封面，并且该型面还可以安装钢丝绳保护套（用于在修井作业或中心堵头安装之前对密封面进行保护）。

1.4.6 油管挂井下穿越功能

水下油管悬挂装置设计了三个井下穿越通道，其作用如下描述：

1）一个通道用于井下温度及压力监测，此通道为电缆穿越通道，包括横向的湿式连接装置及井下纵向干式连接装置。井下压力及温度的接口位于树本体的表面，经由水下油管悬挂装置穿越至井下，需要进行井下温度及压力探测时，通过SCM对DHPT通电实现相关操作，然后以电信号的形式进行井下压力及温度相关数据采集，其穿越结构如图6所示。

图7 井下安全阀液压操作

2）其余两个穿越通道一个用于井下安全阀控制另一个用于井下化学药剂注入，该两个穿越通道均属于液压穿越通道。当需要对井下安全阀进行控制或化学药剂注入时，可通过平台的中央电脑对采油树的液压控制系统进行相关操作来实现，当液压失效时，可通过ROV来进行相应的操作；

3）当水下油管悬挂装置进行水下安装时，所有的井下穿越安装界面被送入环保护以免碰伤，该送入环设计了三个与水下油管悬挂装置的井下穿越结构相匹配安装界面，当水下油管悬挂装置软着陆时，送入环将相对于水下油管悬挂装置向上移动，井下穿越液压快插插入至树本体上的油管悬挂装置座环内部，此时，上部的压力注入孔被密封住，这样就可以从IWOCS的脐带缆注入液压经由送入工具的单流阀来实现相应的井下液压操作。

1.5 设计载荷

在设计水下卧式采油树油管悬挂装置的过程中，应对其所承受的载荷进行充分的考虑，设计载荷主要包括以下几个方面：

1）油管悬挂重量；

2）取回过程中的超载提升载荷；

3）内部和外部压力载荷；

4）压力测试过程中导致的水下油管悬挂装置与送入工具的分离载荷；

5）温度场分布导致的热载荷；

6）旋转过程中导致的扭转载荷；

7）径向载荷；

8）水下采油树的反作用载荷。

3 结语

1）卧式水下采油树油管悬挂装置在设计过程中须充分考虑其水下安装工艺并结合送入工具进行并行设计；

2）导向机构、锁紧机构、井下穿越系统及环空密封是水下油管悬挂装置的主要结构特征，在设计过程中导向机构必须具备预导向与最终定向功能，锁紧机构必须使水下油管悬挂装置锁死在水下采油树中既不能上下移动也不能轴向转动，井下穿越系统须具备井下安全阀控制功能、往井下注入化学药剂功能及井下温度压力数据监测功能，环空密封总成必须能够实现对环形间隙空间进行密封；

3)在最终的设计载荷校核阶段，应着重对生产流体压力、温度场分布产生的热载荷进行强度及稳定性分析。

［1］ISO 13628-4，Design and operation of subsea production systems--Part 4：Subsea wellhead and treeequipment.2011[S].

［2］ISO 10423:2009石油和天然气工业—钻井和采油设备—井口装置和采油树设备[S].