简化联顶管柱在安装水下采油树油管挂中的应用

张 宁，冒家友，阳建军

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 深圳 518067)

简化联顶管柱在安装水下采油树油管挂中的应用

张 宁，冒家友，阳建军

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 深圳 518067)

针对流花4-1项目的水深和地层特性，引入简化联顶管柱方案进行水下采油树油管挂的安装。在对方案适用性进行对比和论证后，介绍了该方案的主要设备，包括简化联顶管柱、脐带缆系统、油管挂下入回收工具和油管挂，然后提出了安装过程中的主要控制参数与限制条件，并对实际现场使用过程进行了详细描述，最后阐述了该方案的使用效果。该方案的成功应用可为日后的深水边际油田开发提供借鉴和参考。

水下生产系统；简化联顶管柱；油管挂；油管挂下入回收工具；简化联顶管柱脐带缆

0 引 言

在流花4-1油田开发项目实施过程中，项目组进行了多项技术集成创新并得以成功应用，为油田的顺利投产创造了条件[1]。该油田采用水下卧式采油树进行开发，采油树系统能支持井下双泵系统的使用和切换，同时也能对井下的流体进行隔离、实现化学药剂注入。由于使用水下生产系统，需要使用一套隔水管内的联顶管柱(LS)系统进行油管挂的安装以及后续的完井作业。鉴于流花4-1油田的油藏压力较低，井下作业较为简单，项目组在设计阶段引入了简化联顶管柱系统的方案，并在海上作业期间得以实施，降低了项目投资，简化了作业难度，增加了海上作业时效。本文评细介绍该方案，并阐述了其实际作业过程。

1 简化联顶管柱和相关系统介绍

1.1 简化联顶管柱以及适用性论证

联顶管柱可定义为隔水套管内的一套阀门组，可在完井、测试、返排、增产、试油等作业期间为作业井提供基本的控制措施。联顶管柱的示意图如图1所示。图中联顶管柱位于隔水管内部，其各个组成部分由右至左依次为：防喷阀，内部有一个可关断的球阀，用于钢丝作业；上部试压短节，可以和万能防喷器(BOP)配合使用，进行BOP试压作业和对环空的隔离；承流阀，内部有一个可实现关断的球阀，在水下测试树解脱后实现关断；剪切短节，用于BOP剪切闸板的剪切；水下测试树，内部有两个球阀，可分别实现关断，并且可以在中间处进行应急解脱和重新连接；下部试压短节，可以和闸板防喷器配合使用，进行BOP试压作业和对环空的隔离；油管挂下入回收工具(THRT)。联顶管柱内部具有几套可关断和解脱的球阀组，可以对井下的压力进行隔离并对连续油管、钢丝和电缆进行剪切，在国外广泛应用于高温高压井的完井作业。但是作为一套复杂的系统，除开价格方面的因素，它还需要大量的海上作业时间去进行组装、测试和维护，例如每次在海上完成组件间的连接后，均需要对每个阀门以及水下测试树的连接功能进行测试，确保系统的可靠性。

图1 传统联顶管柱Fig.1 Conventional landing string

由于流花4-1油田地层压力较低，且井下情况较为良好，没有地层气的问题，完井时地层也不会出现过大的漏失，最重要的是该油田的完井作业不涉及连续油管诱喷，所以管柱内仅靠比重较大的完井液即可满足井控要求。项目组经过论证，认为如果使用传统的联顶管柱，其内部的几个阀组在完井过程中几乎没有使用的必要，而且由于液压组件过多，连接复杂，一旦出现液压泄漏，可能会导致阀组误操作，给作业造成负面影响(例如防喷阀在钢丝作业过程中关断，造成井下落鱼)。

简化联顶管柱和传统的联顶管柱相比，取消了防喷阀、承流阀和水下测试树的设置，省去了实现应急解脱和重新回接的功能，提高了系统的可靠性。同时对作业时一些必要的功能予以保留，包括BOP试压、应急剪切、油管挂下入回收工具操作及备用脱手、电潜泵(ESP)测试、钢丝作业支持等。

整套简化联顶管柱长度为9 674 mm，重量为10 247 kg，内部通径为5.25英寸(1英寸=2.54 cm)，设计压力为5 000 psi(1 psi≈6.897 kPa)，产品等级为PSL3，设计温度等级为美国石油协会(API)标准API 6A Class U[2]，由于作为临时工具使用，其材料等级为AA，主体材质为美国材料与试验协会(ASTM)标准ASTM-A182 F22。主要组件如图2所示，包括：两套试压短节，外径分别为14英寸和9-5/8英寸， 分别对应下部万能闸板以及上闸板，保证BOP在位下能实现试压；一套剪切短节，对应BOP的剪切闸板；一套配高用短节，以保证闸板能作用于对应位置；一套异径短节，作为和油管挂下入回收工具的过渡；一套THRT备用解锁模块，实现THRT的备用解锁。

简化联顶管柱上所有的短节都提供了油管挂下入回收工具和井下管柱所需的电液穿越。其中液压穿越接头型号为Butech(MP)Anti-Vibration 3/8英寸，电穿越接头型号为Butech(MP)Anti-Vibration 9/16英寸。

图2 简化联顶管柱Fig.2 Simplified landing string

1.2 简化联顶管柱脐带缆系统

该脐带缆系统能为联顶管柱系统提供所需要的液压和电力供给，并对脐带缆进行收放。该系统重量为10 750 kg，工作载荷为1 000 kg，转速为20 m/min，能容纳500 m长的脐带缆。系统主要包括脐带缆本体、脐带缆滚筒、专用的隔水管内卡子、脐带缆顶端/底端附件等。脐带缆本体主要由聚乙烯外护套、钢丝铠装、聚丙烯内护套、聚乙烯填充、四芯信号缆及液压软管构成，主要参数如表1所示[3]。脐带缆滚筒能对脐带缆进行回收和下放，此外由于井控的需要，其内部还提供了井下安全阀所用的液压滑环，确保当井下管柱处在任意下放位置时井下安全阀都能实现开启和关断。

脐带缆系统的液压和电力供给由采油树的修井控制系统提供，不需要专门的液压站和控制系统。

表1 流花4-1简化联顶管柱脐带缆信息Table 1 Information about simplified landing string umbilical of Liuhua 4-1 Field

1.3 油管挂下入回收工具

油管挂下入回收工具是对油管挂进行安装和回收作业的工具，使用FMC公司的偏心式THRT设计。其长度为1 580 mm， 重量为1 238 kg，内部通径为5.25英寸，设计压力为5 000 psi，产品等级为PSL3，设计温度等级为API 6A Class U，材料等级为DD[4]，主体材质为ASTM-A182 F22。其上部通过美国标准ACME扣连接在简化联顶管柱下方，内部具有两个液缸，分别对应油管挂的锁紧和工具与油管挂之间的锁紧两种功能。此外，该工具顶部与底部的电液穿越分别与简化联顶管柱底部以及油管挂顶部的穿越相连，确保在作业过程中对工具的操作、对井下安全阀的控制以及对ESP状况的检测。

由于ESP电穿越的存在，油管挂采用偏心设置，所以在该工具底部还具有专门的对中槽。

下面对THRT的6个液压操作功能进行介绍，这些功能都是通过控制脐带缆来实现的。各个功能的名称可参考表1。

(1) THL：THRT和油管挂锁紧，实现该功能THRT的下液缸处于下方，锁环被锁紧活塞撑开，套爪卡在油管挂内部。

(2) THLV：通过打压来检查THL功能是否完好，如果THL正常，则可以实现憋压。此外还可以通过THLV线路对THUL线路进行冲洗。

(3) THUL：THRT和油管挂解锁，实现该功能THRT的下液缸处于上方，锁环和锁紧活塞分开，套爪不卡在油管挂内部。

(4) HWL：油管挂和采油树锁紧，要实现该功能，首先下液缸必须处于THL状态，然后上液缸处于下方。这样油管挂上的锁环就会被胀开，从而锁在采油树内部。

(5) HWLV：通过打压来检查HWL功能是否完好，如果HWL正常，则可以实现憋压。此外还可以通过HWLV的线路对HWUL线路进行冲洗。

(6) HWUL：油管挂和采油树解锁，要实现该功能，首先下液缸必须处于THL状态，然后上液缸处于上方。这样油管挂上的锁环就会缩回。

以上6个功能状态对应THRT 4个功能位置：UU，UD，DU，DD。在安装油管挂的时候，THRT在不同阶段会处于不同的位置，如图3所示。

图3 油管挂下入回收工具功能示意图Fig.3 Function sketch of THRT

1.4 油管挂

流花4-1项目油管挂长度为2 883 mm， 重量为2 243 kg，内部通径为5.25英寸，设计压力为5 000 psi，产品等级为PSL3，设计温度等级为API 6A Class U，材料等级为HH，主体材质为ASTM-A182 F6NM，所有与井液接触部分采用Inconel 625堆焊处理。流花4-1项目油管挂示意如图4所示，其下部的对中键能与采油树内筒的对中套筒相配合，在下放过程中通过自重进行旋转，从而实现与采油树侧向出油口和侧向液压穿越的对中。油管挂内部还具有两套ESP电穿越干接头与5套液压接头，接头规格为Butech Anti-Vibration 3/8英寸F。在油管挂侧面具有3套SBMS密封，该密封为金属密封，且配有橡胶密封作为备用，坐封重量为27.216 t。该油管挂通过油管挂下入回收工具锁紧在采油树内部，在安装完毕后，采油树可以通过电液穿越器与油管挂侧面的液压接头相连。

图4 流花4-1项目油管挂Fig.4 Liuhua 4-1 tubing hanger

2 分析模型和安装控制参数

在流花4-1项目中的八口生产井中有一口是由探井转化而来的，在2006年的探井作业中由于对井口的垂直倾角把控不严，造成其倾角约为2.8°。虽然与传统的联顶管柱相比，简化联顶管柱的刚度更小，所能承受的变形量更大，但在2.8°的倾角下，仍旧需要对联顶管柱的下入能力进行分析。

本次分析通过ABAQUS v6.12完成。该分析主要模型包括隔水管内壁、油管、油管挂、油管挂下入回收工具、简化联顶管柱等，完井液密度取1.1×103kg/m3，钻柱补偿器效率为90%。分析结果的云图如图5(a)所示，该图表示变径短节和上部试压短节处的应力分布。因为承受了隔水管施加的弯矩，所以此处整段简化联顶管柱是应力分布最为集中的部分。通过分析，可以得出简化联顶管柱即使在2.8°的倾角下，其许用应力仍能控制在0.8倍最小屈服强度下，满足设计要求。但是当简化联顶管柱在隔水管挠性接头上部时，油管挂下部的对中键会和隔水管发生擦碰，存在管柱无法下入的风险，甚至可能刮坏油管挂侧向的金属密封。经过对比分析发现，唯有在隔水管和水下井口头相对偏角小于或等于0.5°的时候，才能避免在挠性接头上部发生擦碰。所以相对应的，在该井位作业时，钻井船需要相对井口头偏斜方向移动12 m，使得隔水管偏移2.3°才能顺利完成该作业，如图5(b)所示。但是过大的偏移角度会导致井口头与BOP底部连接器承受较大的弯矩，虽然通过土壤稳定性分析，井口头本身不会发生再次偏移，连接器强度也在设计范围内，但是存在着BOP连接器内部锁块卡死、未来无法解锁的问题。所以在现场作业中需要逐步移船，尝试慢慢下入管柱。在实际作业中，钻井船真实偏移距离约为8 m，对应偏角为1.7°，实现了油管挂的顺利下入。

图5 应力分布和钻井船偏移Fig.5 Stress distribution and rig offset

3 油管挂安装步骤

将油管挂吊运至钻台，连接井下油管、井下液压管线和ESP电穿越至油管挂底部，完成钻台面测试后，即可开始油管挂的安装和测试工作。主要步骤如下所述。

3.1 连接简化联顶管柱至油管挂

通过操作LS脐带缆滚筒，将THRT变为DU功能位置，该位置是为了将THRT软着陆在油管挂上。

将简化联顶管柱用7英寸吊卡吊起，放松LS脐带缆，移至油管挂附近，将THRT落在油管挂上部。需要注意的是由于平台的摇摆度，THRT可能会有所晃动，这时就要用麻绳或者绑带去固定，使其尽量平稳地落在油管挂上。然后通过旋转吊卡使得THRT上的键槽与油管挂上的键对齐，THRT下行约100 mm，完成与油管挂的对中。因为THRT的上液缸此时处于低位，故与油管挂和THRT的电接头与液压接头还没连接。

保持THRT的DU状态，泄放HWL管线的压力，此时THRT就在自重下缓慢着陆在油管挂上，完成与油管挂的连接，包括SCSSV液压接头、ESP A/B电穿越及油管挂插口连接，如图6所示。完成连接后，THRT变为UU状态。需要注意的是，如果THRT不能软着陆的话，可以在HWUL管线上打压，协助其软着陆。

打压3 000 psi 到THL管线，将THRT变为UD位置， 连接到油管挂后，打压3 000 psi到THLV和THL管线，稳压15 min，确保THRT锁紧在油管挂上。将简化联顶管柱、油管挂以及井下管串提起，加上大钩重量，确认悬重约为104.326 t。如有必要可调节油管挂下部的可调短节，确保油管挂底部的对中键处于正确位置。

图6 简化联顶管柱和油管挂连接Fig.6 Connection between THRT and tubing hanger

解开所有连接在滚筒上的液压管线(HP1、HP2、LP和Return)，关闭HWUL和THL管线上的隔离阀，保持脐带缆内这两条管线内部憋压。连接脐带缆滚筒上HP2管线到液压旋转头上，以便在下放过程中随时保持对SCSSV的控制。

3.2 油管挂下放

移除钻台上的油管挂补心，缓慢将THRT、油管挂以及井下管串下过钻台补心，当THRT下过补心之后，将转盘补心和开口补心安装回转盘。

连接7英寸的偏梯形螺纹套管(BTC)送入管柱，需要注意每次连接送入管柱都要打好背钳，防止井下管串旋转。同时每下3根管柱左右，就要在管柱内部注水，保证后期油管挂坐封的重量。每隔1根管柱打2～3个LS脐带缆卡子，该卡子专门为隔水管内部使用设计，其密度较小，如果在隔水管内部意外脱落，还能浮出液面。此外其周围还有一圈塑料的对中器，起对中和保护脐带缆的作用。

当油管挂接近挠性接头时，用水下机器人(ROV)观察隔水管上的牛眼，确保其与井口头的相对偏斜角度小于1°。

3.3 油管挂着陆至采油树

通过修井控制系统，打开采油树上的环空控制阀(AAV)、环空主阀(AMV)、旁通阀(XOV)和生产主阀(PMV)。以上阀门都开启后，就能将油管挂着陆时所要排放的液体都泄放出去。油管挂下部的对中键在着陆前必须处于图7(a)所示区域，否则可能因为旋转角度过大而损坏油管挂下部的电缆和液压管线。打开钻柱补偿器，继续下放管串，同时钻台上的人员也要在最后一根管串上画好方入和方余，如图9(b)所示。在油管挂着陆时，油管挂会旋转45°～90°，该转角可以通过在管柱上画的线显示出来。在油管挂着陆后，油管挂大概会垂直下落170 mm。

图7 油管挂着陆Fig.7 Landing of tubing hanger

3.4 油管挂锁紧至采油树

打压3 000 psi到HWL和THL管线，将油管挂锁紧至采油树内部，观察HWUL的回流量，约为4.9 L，此时THRT变为DD位置，油管挂将锁紧在采油树内。

打压3 000 psi到HWL、THL和HWLV管线，稳压15 min，确认油管挂已经锁紧。如果不能保压的话，则打压到HWUL和THL管线，把油管挂变回UD位置。再重新打压HWL 到4 500 psi(最高不能超过6 500 psi)、THL到3 000 psi，重新做HWLV检查，这时油管挂应该就能锁上。

HWLV测试通过之后，泄放HWL压力，过提45.359 t，检查油管挂是否锁紧。过提完成后，保持9.072 t的过提量，同时保持HWL和THL管线3 000 psi的压力。

3.5 后续作业和联顶管柱回收

在油管挂安装完成后，对油管挂侧向3道密封分别进行测试，连接采油树电液穿越器至油管挂侧面的液压接口。然后进行钢丝作业，取出油管挂内部的隔离套，投上下两个堵头，完成油管挂安装作业。

在联顶管柱回收之前，取消之前的9.072 t过提量，改为下压9.072 t，通过滚筒，给THUL管线打压3 000 psi，此时THRT将变为DU状态。

打压THLV管线，如果THRT已经解锁到位，那么就能从THUL管线看到回流。打压HWLV和THUL 管线到3 000 psi，关闭在滚筒上的隔离阀，憋住压力。然后从LS滚筒面板和液压旋转接头面板上解开HP1、HP2和LP管线，通过顶驱提起联顶管柱。在起出过程中，需要注意之前下入卡子的数量，每当卡子到达开口补心附近时，提出开口补心，让卡子通过。联顶管柱取到钻台后，将其重新立回指梁上，准备下一口井的作业。

4 结 语

通过使用简化联顶管柱系统，项目组完成了流花4-1油田8棵采油树的完井作业，每口井耗时约7天。在使用过程中该系统没有出现任何设备上的问题，脐带缆系统能很好地实现液压控制和操作，各个连接件之间没有出现泄漏，油管挂下入回收工具也能完好地实现各个功能。与传统的联顶管柱系统相比，每口井的作业时间至少缩短2天，操作人员由四人减少到两人，且操作难度得到了降低，工具自身的使用费用也较低，在操作性和可靠性上均得到了提高。

总之，针对流花4-1项目的水深以及地层性质，引入了符合实际情况的简化联顶管柱系统方案。在对方案可行性进行对比和论证后，介绍了该系统中的主要设备、安装过程中的主要控制参数与限制条件，并对安装步骤进行了详细描述。希望本文能为国内其他项目，尤其是南海地区地层属性类似的水下油田提供借鉴和参考，形成一套成熟的技术方案和通用做法。

[1] 冒家友， 阳建军， 原庆东.流花4-1油田开发项目中的技术集成创新及应用[J]. 中国海上油气，2014，26(Z1):39.

[2] International Organization for Standar dization. ISO 10423-2009. Petroleum and natural gas industries. Drilling and production equipment: wellhead and Christmas tree equipment[S].2009.

[3] International Organization for Standar dization. ISO 13628-6. Petroleum and natural gas industries. Design and operation of subsea production systems. Part 6: Subsea production control systems[S].2006.

[4] International Organization for Standar dization. ISO 13628-4 Petroleum and natural gas industries. Design and operation of subsea production systems. Part 4: Subsea wellhead and tree equipment[S].2006

SubseaChristmasTreeTubingHangerInstallationbySimplifiedLandingString

ZHANG Ning, MAO Jia-you, YANG Jian-jun

(ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,ShenzhenGuangdong518067,China)

The simplified landing string is introduced to Liuhua 4-1 Field for the installation of subsea Christmas tree (XT) tubing hanger, considering the low pressure in reservoir and absence of shallow gas. After demonstrating the feasibility of the simplified landing string system, the main equipment of this system is introduced, including the simplified landing string, umbilical system, tubing hanger running tool and tubing hanger. Then the control factors and restriction conditions are represented, followed by the detailed description of installation steps. Finally, a comparison is made between the application of conventional landing string and simplified landing string. The results can offer a reference for the exploitation of marginal subsea fields.

subsea production system; simplified landing string; tubing hanger; tubing hanger running tool; control umbilical for simplified landing string

2015-05-22

张宁(1985—)，男，工程师，主要从事海洋工程水下生产系统方面的工作。

TE42

A

2095-7297(2015)03-0145-07