水下采油树发展现状研究

卢沛伟，袁晓兵，欧宇钧，罗玉贵，杨 文，苏瑞华，张云卫，张长齐，蔡宝平（．中海油能源发展股份有限公司　深圳油田建设分公司，广东　深圳58000；．中国石油大学　机电工程学院，山东　青岛66580）

水下采油树发展现状研究

卢沛伟1，袁晓兵1，欧宇钧1，罗玉贵1，杨 文1，苏瑞华1，张云卫2，张长齐2，蔡宝平2
（1．中海油能源发展股份有限公司深圳油田建设分公司，广东深圳518000；2．中国石油大学机电工程学院，山东青岛266580）①

水下采油树是海洋油气开发的重要设备，国外在水下采油树方面的技术已经相当成熟，在油气田开发中得到广泛应用；国内仅有少数油气田采用水下采油树，并且尚无国产的水下采油树应用于油气田开发中，技术被国外全面垄断，国内外之间差距明显。我国应大力引进国外先进技术，同时加大自主研发力度，全面提高水下采油树设计制造、检测、安装、维护方面的能力。

石油开发；水下采油树；海洋油气开发；发展现状

随着全球经济快速增长，人们对能源的需求不断增长，陆上油气勘探日趋成熟，全球油气储量增长减缓，油气藏规模越来越小，发现的难度越来越大，大油气田日趋枯竭，人们的目光逐渐投向海洋［1］。我国南海有着非常丰富的油气资源，石油储量至少230～300亿t，乐观估计达550亿t，约占我国油气总资源的1／3，是世界四大海洋油气资源聚集中心之一［2 3］。海洋油气资源的勘探、开发主要采用水下生产模式，水下生产系统需求近年来一直在增长，水下采油树作为水下生产系统的功能性门户，是海洋油气田生产和井下作业的关键设备［4 5］，越来越广泛的应用于海洋油气生产，掌握水下采油树的关键技术对于我国海洋油气田的发展具有重要意义。

1 概述

1．1 水下采油树发展历程

水下采油树系统是一组安装在水下井口系统上的阀组，主要包括采油树连接器、采油树本体、采油树阀组、采油树大四通、导向架等部件。经历了干式、干／湿混合型、沉箱式以及湿式采油树4个发展阶段［6］。各发展阶段的特征如表1所示。

表1 水下采油树各发展阶段特征

1．2 水下采油树类型与结构

水下采油树分类方法有多种。按照修井方式可分为出油管式和非出油管式；按照湿式采油树上生产主阀、生产翼阀和井下安全阀3个主要阀门的布置方式可分为立式采油树和卧式采油树；按照安装方式可分为潜水员作业型、R O V／潜水员辅助作业型和完全R O V作业型。

1．2．1 立式采油树

典型的立式采油树如图1所示，其主要特点为：

1） 生产主阀／生产翼阀和井下安全阀安装在一条垂直的线上，生产主阀位于油管悬挂器上方。

2） 油管悬挂器位于水下井口内，油管悬挂器的安装在采油树安装之前完成。

3） 油管和环空通道垂直穿过采油树的主体。

立式采油树结构相对简单，是早期水下采油树的主要形式，立式采油树主要适用于油管尺寸较小、高压油气藏、井控复杂、修井作业少的水下油气田开发工程。

图1 立式采油树示意

1．2．2 卧式采油树

卧式采油树于1992年发明，典型的卧式采油树如图2所示，其主要特点为：

图2 卧式采油树示意

1） 生产主阀和生产翼阀均在采油树体外侧水平方向。

2） 相对于立式采油树，增加了内部采油树帽和顶部阻塞器。

3） 油管悬挂器安装在采油树上，需在完井前把采油树安装在井口上。

卧式采油树便于水下修井和回收，主要适用于中低压油气藏、需要频繁修井的场合。

2 国外水下采油树发展现状

国外海洋水下井口和采油装备的研究起源于20世纪60年代。随着时间推移和技术的积累完善以及石油开发重心的转移，水下采油树得到快速发展。国外水下采油树的主要生产厂商有FMC、Ca meron、Vetco Gray和A ker Kraemer Subsea 4家公司，基本控制了水下采油树90%的市场。

2．1FMC公司水下采油树

F M C公司是世界领先的水下生产系统制造商和供应商。1967年，F M C公司生产出全球第1套水下采油树，用于墨西哥湾海域，适应水深20 m［7］。F M C公司目前在全球共提供水下井口及采油树2 000多套，平均每年43套。FMC主要有2种类型水下采油树［8］。

2．1．1 增强型水下卧式采油树（E H XT）

增强型水下卧式采油树于2002年推出，采用模块化设计，具有高度的灵活性，如图3所示。优点主要表现在以下几个方面：取消了传统的内部采油树帽，顶部堵塞器转移到加长的油管悬挂器上，减少了成本和安装时间；井控和垂直进入井下的设备通过传统的海洋钻井隔水管与水下防喷器完成，省去了昂贵且专业的完井隔水管；大通径设计避免了井下装备的回收时干扰采油树与出油管线、控制脐带缆的外部连接；增强型水下卧式采油树压力等级为68．97～103．45 M Pa。

图3 增强型水下卧式采油树

2．1．2 增强型深水立式采油树（E V D T）

增强型深水立式采油树是一个单筒系统，于2008年在墨西哥湾完成第1次安装。结合了立式采油树安全和可靠的特点以及卧式采油树最低生命周期运营成本的特点，如图4所示。增强型深水立式采油树水深可达3 048 m，等级可达176．67℃以及103．45 MPa，未来可达到204．44℃以及137．93MPa。优点主要表现在：独特的接口设计，保证了完井和修井作业操作的灵活性；上部管毂连接允许BOP连接到采油树上部且不需要专业的安装和干预隔水管系统；通用接口配置允许工具的交替使用，有效减少了安装、干预或移除过程中所需的工具；油管悬挂器可以直接安装在水下井口，也可以安装在油管头四通，从而使钻井过程中不需要回收水下防喷器；高达11路井下管线（通常9条液压线路和2条电气或光纤线路）；关键部件（例如油嘴和流量计）集成在一个可独立回收的模块，将生产维护停机时间从几天缩短到几小时；压力等级为68．97～103．45MPa。

图4 增强型深水立式采油树

2．2 Aker Kraemer Subsea公司水下采油树

A ker公司在水下采油树研究方面已有超过20年的经验，目前在全球已有700多套水下采油树在服役，主要包括卧式采油树、立式采油树、高温高压采油树［9］。

2．2．1 卧式采油树（HSCT）

卧式采油树产品主要分为浅水采油树、深水采油树和大孔径采油树，如图5～7所示。油管悬挂器的公称直径为127mm（5英寸）或177．8m m（7英寸），采用金属-金属密封。通过采油树框架，可以利用导向绳进行工作，在没有导向绳时，利用导向喇叭口也可以工作。

图5 浅水卧式采油树

图6 深水卧式采油树

图7 大孔径卧式采油树

2．2．2 立式采油树（VSCT）

立式采油树产品主要分为浅水采油树、深水采油树和大孔径采油树，如图8所示。

图8 立式采油树

立式采油树通过永久导向基座定向，坐落并锁定在井口总成的顶部。立式采油树在有无导向绳时均可工作，属于常规双筒采油树。立式采油树设计有两阶段对齐和定向系统，初始的定向和对齐通过采油树总成底部的喇叭口下放对齐到PGB完成，最终的定向和对齐通过采油树底部隔离套上定位销锁紧到油管悬挂器顶部沟槽完成。内部476．25mm （18英寸）井口连接器适用于多种不同的井口系统，具有比较好的防泄漏性能。大孔径立式采油树正在进一步改进中。

2．2．3 高压高温采油树

高压高温采油树额定工作压力为103．45MPa，温度为－20～176．67℃，水深达到500 m，如图9所示。主要特点是：油管悬挂器采用双孔油管悬挂器，液压井口连接器采用机械和液压二次解锁方式，井下采用液压和电气控制。

图9 高压高温采油树

2．3 GEVetco Gray公司水下采油树

GEVetco公司的采油树产品主要有2大类：D系列深水卧式采油树（D H X T）和S系列浅水立式采油树（SVXT）。其中DHXT又分为DHX TSP（标准生产树）、DHXTEP（增强型生产树）、DHXTGP（气举生产树）3种［10］。

2．3．1 D系列深水卧式采油树（D H XT）

GEVetco公司的DHXT系列是新一代的深水采油树，设计工作压力103．45MPa，水深3048 m，如图10所示。

图10 D系列深水卧式采油树（DHXT）

1） 标准生产树（DHXTSP）

主要特点为：通过优化，使系统质量达到最轻，SP的质量只有4×104kg；配有无导向漏斗下放安装系统；所有重要阀门都由R O V操作，生产翼阀采用130mm（5英寸）HH材料，环空翼阀采用52m m（2英寸）E E材料；为确保防喷器的操作有效，采油树顶板保持平齐，并且增加一根延长的心轴；控制系统采用独立可回收的M odPod控制模块，集成了多种压力、温度、泥沙检测传感器，泥沙检测传感器可由ROV回收；有9根液压线和2根电缆或光纤与井下连接。

2） 增强型生产树（DHXTEP）

增强型深水卧式采油树，新增了一些功能，环空翼阀阀块上增加了一些阀和传感器，提高了控制环空压力的能力。

3） 气举生产树（DHXTGP）

气举生产树也是增强型深水卧式采油树，新增了气举功能。相对于标准版配置，该版本的新增配件有气举塞、双孔管线连接器和额外的传感器。

2．3．2 S系列浅水立式采油树（SV XT）

SVXT系列产品是G E Vetco公司最新的立式采油树系统，最大限度地提高安全性和钻井作业效率，如图11所示。

图11 S系列浅水立式采油树（SVXT）

该系列采油树尺寸更小，具有井口保护结构，并且移除了单独的采油树树帽。不需要进行重大改动，就可使用标准的海上自升式钻机进行安装，降低了安装成本。

主要特点为：最高工作压力44．83 M Pa；温度为－17．78～121．11℃；可适用于任何自升式钻机操作的水深；系统总体质量比传统设计减少20%；新型紧凑型驱动器的采用，提高了可靠性，并且质量比早期设计减少34%。

2．4 Cameron公司水下采油树

Cameron公司与Schlu m berger公司成立合资公司O neSubsea，主要从事与水下油气生产有关的产品建造及开发项目，于2013 06正式运作。

O neSubsea公司的水下采油树主要分为4类：卧式采油树、立式采油树、全电驱动采油树以及高压高温采油树。其中立式采油树包括双筒采油树和单筒采油树［11］。

2．4．1 卧式采油树

从1994年卷轴卧式采油树发展以来，OneSubsea已安装了1000多个系统，已经成为行业的标准，如图12所示。卧式采油树可适用于68．97 MPa的浅水环境和68．97MPa、103．45MPa的深水环境。主要特点为：确保油管完井和修井工作在BOP全面保护下进行，减少钻井时间；省去了双筒修井和完井隔水管系统；不需要移除采油树就可以提升油管悬挂器；通过它的通用化设计可为多个领域提供标准化采油树解决方案。

2．4．2 立式单筒采油树

立式单筒采油树，生产已经超过30年。OneSubsea于2000年设计了世界上第一套103．45 M Pa立式单筒采油树，在该项技术上处于领先位置，如图13所示。主要特点为：生产阀位于油管悬挂器正上方；生产孔与采油树系统同心，环空偏移，在悬挂器周围穿过；可以在不干扰完井的情况下回收采油树。

图13 立式单筒采油树

2．4．3 立式双筒采油树

立式双筒采油树多年来一直是北海区域的头号选择。自1985年引入模块化设计，全球已经交付300多套。对于修井频繁，大修没有预期的区域，立式双筒采油树是理想的选择。如图14所示。

图14 立式双筒采油树

主要特点为：专用的生产和环空通道；主阀体内的所有阀门位于油管悬挂器的正上方；修井或维修操作需移除采油树时，油管可以静置；所有井下功能从采油树底部到油管悬挂器顶部通过液压或电气连接；适用于浅水和深水环境。

2．4．4 全电驱动采油树

Cameron在电动水下技术方面处于领先位置，创造了第一套电动水下生产系统。自2008年以来，该系统一直在北海区域运行。第二代全电系统采用光纤通信系统，体系结构进一步简化，如图15所示。主要特点为：高可靠性和可用性；灵活的以太网网络；通过电动水下控制模块（ESC M），可控制多达32个电动执行器；紧急脱断（ESD）时序改进，提高了安全性；没有深水或长失步的限制；连续运行，实时反馈。

图15 全电驱动采油树

2．4．5 高压高温采油树

高压高温采油树在全球广泛应用，包括墨西哥湾，北海和里海地区，如图16所示。现提供的高压高温水下采油树包括68．97 M Pa和103．45MPa的系统，温度高达176．67℃。目前正在研发137．93MPa的水下系统。高压高温采油树以Ca meron公司高压高温闸阀技术为基础，使用自主研发的金属金属的K型密封件、ML2和双弹性体密封件。

图16 高压高温采油树

2．5 水下采油树参数

F M C、A ker、G E Vetco及Ca meron公司采油树参数汇总如表2所示。

由表2可知，国外各公司在深水采油树方面的技术已相当成熟，水深达3 000 m，压力可以达到103．45MPa，温度最高可达176．67℃，目前正在研发172．41MPa压力以及232．22℃温度级别的采油树，并且已经开展全电采油树的研究［12 16］。

3 国内水下采油树发展现状

国内在海洋水下井口及采油装备的技术研究起步较晚。宝鸡石油机械有限责任公司在采油树的研究方面起步较早，并针对采油树成立专门研究机构，主要产品为电潜泵井口装置及采油树，压力等级为34．48 M Pa，用于陆地和海上丛式井井口的采油装备。2010年，研制出一种新型海洋水下卧式采油树［17］，解决了现有技术中存在密封可靠性差导致冲蚀、影响悬挂器锁紧及回收的问题。

2010年，金石集团（JMP）与美国Argus公司在中国市场推出了国内首个AZ10新型中心孔式水下采油树，使JMP成为世界上为数不多的几家能够生产和安装水下采油树的公司之一。

表2 水下采油树参数

2013年，重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司设计了一种水下立式采油树，结构简单紧凑、密封性好，拆装方便，省时省力，能节约成本，提高效率，保证油气的安全、快速的送入输油气管道［18］。

目前，上海神开石油化工装备股份有限公司水下采油树样机处于初级测试阶段，将来能适用于类似南海的油气勘探开发环境。

另外，江汉石油钻头股份有限公司、美钻能源科技（上海）有限公司等均已开展水下井口装备的研究工作，为我国水下采油树的全面快速发展提供良好的技术支撑。

总体来说，我国目前仍处于勘探开发深水海域油气资源的初期，自主的海洋工程实践经验仅达300 m水深［19］。在整个水下采油树的设计、制造及维修等方面与国外公司差距巨大。

4 结论

国外在水下采油树技术开发中已经走过了漫长道路，3 000 m水深的技术已经相当成熟，研发重心逐渐向更深水深、更高温度、更高压力、高可靠性和高适应性方向发展；控制方式由电液复合控制向全电控制发展，自动化及智能化水平更高。我国尚处于起步阶段，水下采油树仍需从国外引进。随着石油开发重心的转移，我国应抓住机遇，在引进国外先进技术的基础上，加大国内自主研发力度，尽快研制出具有自主知识产权的水下采油树。

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Research of Deveiop ment Status of Subsea Tree

L U Peiwei1，Y U A N Xiaobing1，O U Y ujun1，L U O Y ugui1，Y A N GW en1，
S U Ruihua1，Z H A N G Y un wei2，Z H A N G Changqi2，C AI Baoping2
（1．C N O O C Energu Technologu&Services Limited O C E C Shenzhen Co．，Shenzhen518000，China；2．College of Mechanical and Electronic Engineering，China Universitu of Petroleu m，Qingdao266580，China）

Subsea tree is im portant equip ment in offshore oil and gas develop ment，w hich develops rapidly in recent years．In this paper，the develop ment status of subsea trees at ho me and abroad is researched，and the foreign technology of subsea tree is already quite mature，widely used in oil and gas field develop ment．H owever，the subsea trees are used in only a small nu m ber of do mestic oil and gas fields，and there is no do mestic subsea tree applied in oil and gas develop ment．T he technology is fully m onopolized by foreign，and the gap between do mestic and foreign is obvious．The foreign advanced technology should be vigorously introduced into China，w hile increasing in dependent research and develop ment efforts to co m prehensively im prove the design and manufac ture，testing，installation，maintenance capabilities of subsea tree．

petroleum develop ment；subsea tree；offshore oi l and gas develop ment；develop ment statusus

T E952

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．002

1001 3482（2015）06 0006 08

①2014 12 17

国家自然科学基金“基于动态贝叶斯网络的深水防喷器系统实时可靠性评估方法研究”（51309240）；教育部博士点基金“基于多传感器数据融合的深水防喷器系统实时可靠性建模与评估方法研究”（20130133120007）；山东省自主创新计划“ZJ90／5850D B海洋钻井装备”（2012C X80101）

卢沛伟（1982 ），男，广东汕头人，工程师，主要从事石油装备管理工作，Email：lup w＠cnooc．com．cn。