基于海试的水下立式采油树安装测试技术研究

肖仕红，沙喆，梁政

（1.西南石油大学机电工程学院，四川成都610500；2.西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室，四川成都610500）

基于海试的水下立式采油树安装测试技术研究

肖仕红1，2，沙喆1，2，梁政1，2

（1.西南石油大学机电工程学院，四川成都610500；2.西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室，四川成都610500）

为促进水下立式采油树国产化进程，以水下立式采油树样机海试安装测试关键技术为重点展开研究。基于水下立式采油树的结构特点、下放安装方式和测试方法，结合国内外研究现状和现有相关行业标准，提出适用于水下立式采油树海试的安装测试流程；设计无防喷器、无隔水管的新安装测试方案，并制定海试作业操作流程，阐述具体的安装测试方法。该新方案可简化安装测试过程，节约海试成本，可专门服务于海试安装测试，为国内水下立式采油树以及相关水下生产设备的海试作业提供参考。

安装测试技术；水下立式采油树；海试作业；密封测试

0 引言

随着全球能源需求的不断增加，陆上油气资源已远远不能满足需求，海洋油气勘探开发已成为我国实现能源可持续发展的战略重点[1]。水下采油树是海洋油气水下生产系统中的关键设备，国外从20世纪60年代就开始了水下采油树的研制，且水下采油树的安装测试技术也趋于成熟。我国近年来才开始研究水下采油树的相关技术，其测试技术研究主要集中在陆上测试和浅水测试，尚未见水下采油树海试的相关报道。海试是水下采油树研发过程不可逾越的组成部分，其目的在于测试海况环境下安装后的密封面密封性或接头的连通性和密封性，测试非固定作业及浪流作用下安装的可行性，测试浪流作用下水下机器人（ROV）的可操作性以及测试阀和执行器在海况下功能，是验证样机性能的必要程序。

国外早在20世纪70年代就进行了水下生产系统的海试。Exxon公司在墨西哥湾约51m水深下对所研发的水下生产系统进行了海试（见图1），采用钻井立管安装，并对管线连接以及采油树功能进行了测试。AGIP石油公司、Chevron公司等公司联合研制的水下生产系统在挪威西海岸进行了海试，主要针对采油树管线的连接进行了测试，整个安装过程采用无潜水操作，借助ROV辅助进行。Brien、Joubert和Krist-offersen等对所研发的高压挠性管进行了海试（见图2），海试深度约为106m，使用缆绳下放方式[2-4]。Robert等[5]介绍了卧式采油树的基本结构以及采油树安装流程，探讨了卧式采油树系统的安装步骤及安装工具。国内主要研究了卧式采油树和水下管汇的深水安装。龚铭煊等[6]分析了水下卧式采油树下放安装工艺流程。肖易萍等[7]介绍了水下卧式采油树安装顺序与条件要求。王莹莹等[8]针对深水、超深水水下管汇的安装问题，分析了吊装法、滑轮法和下摆法3种安装方式对安装过程的适应性。付剑波等[9]提出在综合考虑安全性和可靠性前提下管汇的安装方法及选择原则。张亮等[10]针对深水油田中水下立式采油树的下隔水管系统（LMRP）安装过程进行了研究，制定了LMRP的具体操作流程。王现锋等[11]对水下采油树的安装工艺进行了总结，比较分析了水下立式采油树和卧式采油树的安装工艺。

综上所述，国内尚未见水下采油树海试的相关文献，亦无水下采油树海试的相关标准。本文针对水下立式采油树海试的安装测试方法进行研究，而海试与实际下放安装测试过程的不同点在于，设计了简化版下放安装测试方式，采用无防喷器、无隔水管的方案，在达到相同安装测试效果的同时，经济性更优，也更加便于操作实施。

图1 埃克森公司海试方案

图2 耐高压挠性管海试方案

1 水下立式采油树海试流程和下放方式

1.1 水下立式采油树结构

水下立式采油树主要用于不需频繁取出油管进行修井作业的油气田。典型水下立式采油树结构如图3所示，在立式采油树的主体内，生产主阀（PMV）、生产抽汲阀（PSV）、环空主阀（AMV）、环空抽汲阀（ASV）和井下安全阀（DHSV）安装在同一个垂直方向，生产翼阀（PWV）和环空翼阀（AWV）分别位于水平方向的生产出口和环空出口上，油管挂位于采油树的外部，直接锁定在水下井口头内，因此需将油管挂安装在井口之后再安装水下采油树。立式采油树采用转换阀（XOV）来联通生产和环空，采油树帽不承担压力并且有防腐的功能，ASV代替顶部堵塞器。

1.2 海试流程

图3 水下立式采油树结构

通过分析国外水下生产系统相关标准（ISO 13628、ISO 10423）和水下卧式采油树安装方法，提出水下立式采油树海试安装测试流程，如图4所示。根据海试的目的及要求，在采油树系统完成陆地测试后，将全套海试所需设备装船运输至作业平台上，依次对采油树系统各设备进行水下安装测试、接口密封性测试、功能测试以及ROV操作性测试。完成所有测试工作后，将各设备按顺序回收至水面，完成海试作业过程。

1.3 下放方式选择

水下采油树本体下放方式主要有：缆绳安装、钻杆安装及钻井立管安装。水深是选择水下采油树下放方式的主要因素，浅水安装通常采用钢丝绳引导下放方式；深水安装通常采用钻杆安装或修井隔水管安装的方式，以确保安装设备的轴向与径向偏离；钻井立管安装主要针对水深超过500 m的安装环境。本课题拟定海试水深为50～150m，确定采用钻杆安装下放方式（见图5）。

2 海试关键技术研究

2.1 无防喷器（BOP）无钻井隔水管方案

图4 立式采油树海试安装测试流程

图5 钻杆安装

BOP组在水下采油树安装作业过程中起到的作用：1）隔断井下压力，保证油管悬挂器（TH）以及采油树在安全的环境下进行安装；2）为油管悬挂器（TH）的安装提供定位。钻井隔水管系统的作用是保证TH在隔水管内进行下放，减少了环境载荷对下放过程的影响。但由于采油树海试过程中，水下安装的井口为假底或测试桩，并无井喷危险，也无井口压力。海试水深较浅，下放过程较短，TH在开放水域进行下放安装也较为安全。此外，BOP和钻井隔水管系统租赁费用较高，会为海试带来较大的经济负担，而下放、回收BOP和钻井隔水管系统使安装测试流程复杂化。因此为了节约海试成本，简化安装测试过程，设计了无BOP无钻井隔水管的方案。

2.2 TH密封测试

常用水下立式采油树的TH下方一般有3道密封，由最下方的金属密封和上方两道橡胶密封组成。金属密封为单向密封，阻隔井下液体压力，橡胶密封辅助金属密封阻隔下方泄漏以及密封上方的压力。密封效果检测的位置处于两道橡胶密封的上方，若无泄漏，无法确定是哪道密封发挥作用，因此无法监测金属密封的效果。而在FAT测试和实际生产安装中不存在该问题。此处本文模仿FAT测试中的方法，先将TH上的两道橡胶密封拆去，然后下放TH至井口并锁紧，通入液压检测有无泄漏以检测金属密封的性能。若金属密封性达到要求，将TH从井口上解锁并回收至水面，安装橡胶密封圈，再次下放锁紧在井口上。

2.3 TH安装定位

由于TH下放安装之前，并无BOP组锁定在水下井口上，也无钻井隔水管，因此TH是由钻杆连接，在开放水域进行下放。此处，TH的周向定位问题是下放安装过程的关键。由于无法通过BOP内部定位销与TH导向工具的定位螺旋配合，需要在测试桩基座上设置一个定位插销，与TH安装工具上的定位工具进行配合，从而达到TH安装定位的作用。

3 海上作业

3.1 测试桩安装

由于海试作业仅需检验水下采油树样机的安装流程以及功能，使用测试桩可模拟实际水下井口以便对采油树样机进行测试。因此在设备运输至安装平台之前，将测试桩安装固定在选定海试区域的海底。

3.2 设备装船运输

采油树装船前需对采油树、采油树安装工具及连接后的状态进行测试，保证每个功能模块均可正常使用。将采油树、采油树吊装锁具、ROV及配套工具、采油树安装工具（TRT）及通信系统等材料准备完毕后进行装船固定。在固定采油树时，需保证运输的稳定性，不能损伤采油树，必要时应设置隔离和缓冲装置。

3.3 测试桩井口检查及喷洗

确保各部件间连接的清洁度是水下安装测试与陆上测试的主要区别。在井口检查完毕后，对井口内部进行喷洗，以保证安装过程中井口与油管悬挂器连接部位的清洁度。

3.4 TH安装测试

1）平台上TH电液接口测试

在TH下海安装前，需在平台上检查其电液接口功能。操作TH测试工具，将TH安装在测试基座上，连接好液压管线和电缆，依据厂家提供的设备说明书进行电液测试。

2）安装TH

在平台上完成电液接口测试后，操作TH安装工具，将TH缓慢下放至测试桩井口上方，在ROV辅助下，通过TH安装工具上的定位装置与测试桩上的定位插销配合，确保TH定位准确，坐放并锁紧在测试桩井口头上。

3）TH与井口密封测试

安装完毕后必须对TH与井口之间的连接密封性进行测试，从而保证连接的可靠性。对TH安装工具通入密封测试压力，检测连接处有无泄漏。测试完成后，将TH与安装工具解锁，安装工具回收至水面。

3.5 水下采油树安装

1）平台上预测试

在采油树体下放安装前，需在平台上进行最后一系列测试，包括采油树阀门操作测试，安装工具测试等。

2）井口喷洗

在采油树安装前，需再次对水下井口进行喷洗，保证采油树下部接口与油管悬挂器上端连接面的清洁，从而使接口密封性更加可靠。将喷洗工具安装在钻杆上，下放至井口清洗部位，向钻杆内部打压海水，对井口及油管悬挂器顶面喷洗数分钟至清洁，最后将工具回收至水面。

3）下放安装

下放采油树进入月池，在月池中向采油树上安装下部立管封装（LRP）和紧急断开插件（EDP），连接安装/维修控制系统（IWOCS），缓慢下放采油树，利用ROV监测采油树下放过程，当采油树下放至测试桩上方0.5～1m时缓慢下放，通过主ROV辅助采油树坐放到测试桩上，同时利用辅助ROV观察采油树坐放过程并照明，当采油树完全坐放至测试桩井口头后，采油树安装工具通入操作液压，推动连接器操作杆，使连接器锁定在井口头上。

3.6 采油树连接密封测试

采油树安装到位后，下端与井口系统的接触面为采油树与井口连接面以及采油树与油管悬挂器上端连接面。两个连接面的密封性能均需检测。

1）VX密封圈密封测试

采油树与井口的连接主要依靠VX密封圈提供密封功能。

使用ROV，将“热刺”插入采油树控制面板上的密封测试接口，通入测试压力，检测采油树与井口之间VX密封圈的密封性，保压15min，记录测试压力，测试完成后泄压，关闭采油树上相应阀门，回收安装工具。

2）油管悬挂器连接密封测试

确认地面控制井下安全阀处于关闭状态，通过安装/修井控制脐带缆向生产通道及环空通道打入高压液体，测试油管悬挂器与采油树体间接触面的密封完整性。

测试过程验收标准为：1）无可见泄露；2）每小时压力衰减不超过测试压力5%。

3.7 采油树功能测试

水下采油树功能测试可验证采油树体内阀门开闭性能，树体内传感器读数功能，SCM的电连接以及通信功能，液压系统功能等是否达到正常生产标准。使用ROV将安装修井控制系统的多路快速（MQC）公接头连接到采油树MQC母接头上。检测SCM通信功能、控制功能以及传感器读数，对SCM进行试运行。然后对采油树上所有液压驱动阀门进行功能测试，核实所有阀门和控制系统均能正常执行其功能。

3.8 采油树帽安装

水下立式采油树的树帽不承担压力，且具有防腐的功能。在功能测试完成后，操作ROV将采油树帽从采油树上的树帽支撑架上提起，移动树帽将其坐放在采油树体顶部，通入液压将树帽锁紧在树体上，之后向树帽测试压力注入口通入液压，检测树帽底部与采油树间的连接密封性。

3.9 各部件回收

按照与安装时相反顺序，利用各部件的安装回收工具依次回收采油树帽、采油树树体、油管悬挂器及测试桩。

4 结束语

水下采油树的海试是采油树在投入正式生产前的重要测试。本文根据水下立式采油树结构及与井口的装配特点，研究水下立式采油树海试的关键技术，设计了服务于海试详细的安装测试内容、流程、方法及相关操作程序和要求。研究结果可为国内水下立式采油树以及相关水下生产设备的海试作业提供参考。

[1]白勇，龚顺风，白强，等.水下生产系统手册[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2012：5-6.

[2]BURKHARDTJA.Test of submerged production system[C]∥Fall Meeting of the Society of Petroleum Engineering of AIME.Society of Petroleum Engineers，1973.

[3]BURKHARDT J A.A progress report test of submerged production system[C]∥Fall Metting of the Society of Petroleum Engineers of AIME.Society of Petroleum Engineers，1975.

[4]CARRE D，O'SULLIVAN J.Mohobilondo：Subsea production system experience[C]∥Offshore Technology Conference，2009.

[5]VOSS M，MOORE T.Subsea tree installation，lessons learned on a west africa development[C]∥Offshore Technology Conference，2003.

[6]龚铭煊，刘再生，段梦兰，等.深海水下采油树下放安装过程分析与研究[J].石油机械，2013，41（4）：50-54.

[7]肖易萍，苏立国，张宪阵，等.水下采油树及下放安装技术研究[J].石油矿场机械，2014（8）：70-73.

[8]王莹莹，段梦兰，冯玮，等.深水管汇安装方法及其在南海荔湾3-1气田中应用研究[J].海洋工程，2011（3）：23-30.

[9]付剑波，苏锋，张凡，等.海洋石油管汇安装方法及安装过程力学分析[J].石油矿场机械，2014（4）：22-25.

[10]张亮，张玺亮，孙子刚，等.深水油田立式水下采油树安装操控作业[J].石油钻采工艺，2012（增刊1）：117-120.

[11]王现锋，王良杰，张成富，等.水下采油树下放工艺分析[J].机械工程师，2015（1）：91-93.

（编辑：李妮）

Study on installation and testing technologies of the subsea vertical tree based on sea trial

XIAO Shihong1，2，SHA Zhe1，2，LIANG Zheng1，2
（1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.Key Laboratory of Oil and Gas Equipment of Ministry of Education，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

In order to promote the localization process of the subsea vertical tree，a study which was focused on the key installation and test technology of sea test of subsea vertical tree prototype was conducted.Firstly，based on its structural features，laying installation mode and test method and in combinationwithresearch status at home and abroadand existing related industrial standards，an installation and test process that was applicable to the sea trail of subsea vertical tree was proposed.Besides，on the basis of the process of this sea test，a new installation and test plan without blowout preventer and marine riser was designed，and operation process of sea test was prepared，and concrete installation and test method was elaborated.The new plan can simplify installation and test process，which makes operation straightforward and sea trail cost reduced，thus it can specially serve to the installation and test of sea test.The investigation of this article may provide a reference for the sea trail operation of domestic subsea vertical tree and related subsea production equipment.

installation and testing technologies；subsea vertical tree；sea trail operation；seal test

A

1674-5124（2017）08-0001-05

2016-12-09；

2017-02-03

肖仕红（1976-），女，四川达州市人，讲师，博士，主要从事石油天然气装备研制及测试研究。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.001