立式双管式水下采油树设计分析_冯素敬

Design and Analysis of Dualtubing Vertical Subsea Christmas Tree
Feng Sujing Zhang Jianquan Wang Pei Jin Zuguo
( Shanghai SK Petroleum ＆ d. )
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石
油
机
械
2014 年
第 42 卷
第 11 期
制面板集中了采油树各类阀件及阀组控制元件 ，用 于人工或 ＲOV 控制。 立式双管式水下采油树整体 设计结构紧凑，安装拆卸方便，密封性良好，可实 现远程控制或水下 ＲOV 控制， 能够有效地服务于 水下复杂的作业环境。 1. 4 水下采油树配置参数 主通径： 130. 2 mm； 旁通径： 52. 4 mm； 最大适用水深： 300 m； 温度等级： 2 ～ 121 ℃ 。
水下采油系统是一种通过水下完井系统和安装 在海底的生产设施、管汇系统及海底管线组成的一 套水下油气采输系统。该系统通过地面和水下控制 系统的操作控制，将井口采出的油气从海底输送到 采收设备或陆上终端，属于技术密集、多学科综合 协调的海洋工程高技术领域，有着极其广泛的应用 前景。水下采油树是水下采油系统的核心部件 ，主 要由连 接 器、 采 油 树 本 体 （ 包 括 相 应 的 各 式 阀 组） 、管道及其接头、 控制模块及其相应连线、 井 口安全阀、节流阀、采油树帽、导引导向结构以及 采油树总成等组成。 1. 1 水下采油树分类 水下采油树作为实现海上油气田开发的重要设 备之一，其工作状态直接决定了整个水下生产系统 的运行状态。近年来，水下采油树的使用量逐年大 幅增加，不同海域、不同油田区块及采油操作工况 下所使用的水下采油树类型不同
Abstract： Subsea christmas tree is a critical equipment for offshore oilfield development ， and its conditions can determine the operations of the whole subsea production system. A dualtubing vertical subsea christmas tree was designed on the basis of injection and production technology ， with hydraulicallydriven underwater emergency shutdown valves and hydraulicallydriven underwater stepping throttle valves. All valves and actuators are integrated into the valve package，which is simple and easily assembled with excellent seal performance ，and can be operated remotely or via underwater ＲOV. The experiment results indicate that the underwater shutdown valves and throttle valves are subject to PＲ2 level in API 6A，and the subsea control module meets the control requirements in water environment with high reliability. Key words： subsea christmas tree； injectionproduction technology ； valve package ； subsea shutdown valve； throttle valve； subsea control module 表的发展中国家正在加快海洋石油装备国产化进 程。我国海洋石油装备业起源于 20 世纪 70 年代， 但目前国内石油装备制造企业真正涉足海洋 、具有 较大影响力和规模制造能力的单位相对较少 。随着 国家海洋强国建设力度的加大和对海洋石油装备的 深入思考，我国大规模实施海洋油气资源勘探开发 的条件已经成熟，今后 5 —10 a 将是海洋装备实现 大发展的关键时期。 我国现阶段近海边际油田及将来南海中部深海 区域的石油开采需要大量的使用注采技术的水下采
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， 如边际油田距离
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技术分析
油气采集设备过远造成的油气采输困难 、项目后期 井下压力下降引起产量下降、深水和边际油田开发 项目投入产出比小等，基于注采技术的水下采油系 统为边际油气田的开发提供了一种新模式 。 注采技术通过向油藏地层注入水或其他介质， 可以提高地层压力和渗透率，提高油藏的采收率以 及延长油田寿命。对于边际油气田和非常规油气田 的开发，以及符合条件的后期油田实现稳产增产， 注采技术更体现出它的优越性。立式双管式水下采 油树即是在注采技术的基础上进行设计制造的 。 1. 3 水下采油树的设计分析 立式双管式水下采油树的结构如图 1 所示， 包 括导向架、组合阀、注入阀、出油管线、采油树框 架、水下控制模块及控制面板等部件。导向架上有 导向杆，用于与水下井口对正安装； 组合阀布置在
和环空翼阀之间。生产压力监测孔安装压力传感器 和温度传感器，可以实时监测生产通道内油气压力 和温度情况； 环空压力监测孔安装压力传感器，可 监测环空通道内压力情况。 主阀和翼阀集成安装在组合阀上， 结构紧凑， 避免了单个阀之间通过管路连接，以降低产生泄漏 的风险。在油气正产生产的状态下，生产抽汲阀关 闭，将生产通道堵住，在修井作业时，将生产抽汲 阀打开，进行检修； 生产通道与下部油管连通，井 下的油气经过油管流入生产通道，依次流经生产主 阀、生产翼阀、出油管线，出油管线上安装有水下 节流 阀， 水 下 节 流 阀 的 出 口 端 连 接 出 油 管 线 连 接器。 环空通道和环空侧通道为单井注气或注水提供 通道，注入水或气从环空侧通道的出口注入 ，依次 流经环空翼阀、环空主阀，然后注入井下，促动油 气产出； 环空翼阀和环空主阀均为可远程控制的常 闭阀门， 在油气正常生产状态下， 环空抽汲阀关 闭，将环空通道上部堵住，在修井作业时，可以将 环空抽汲阀打开进行检修 2. 2 水下闸阀和节流阀
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1 —组合阀； 2 —采油树框架； 3 —水下控制模块； 4—配重块； 5 —导向架； 6 — 导向杆； 7 — 出油管线； 8—控制面板； 9 —水下节流阀； 10 —注入阀。
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Fig. 1
常规的海洋水下立式采油树油管悬挂器为双通 径，安装时，需在水面设备 （ 如浮式钻井平台等 ） 上通过特殊的双通径隔水管将油管悬挂器下入 ，安 装在水下井口头内，并由其锁紧机构锁紧，堵上油 管，移去防喷器后， 再将采油树安装在水下井口 头上。 1. 2 注采技术原理及应用 水下采油系统应用逐渐增加的趋势不会改变，
这是油气消耗日益增加、 陆地油气资源相对短缺、 油价上涨的趋势决定的。一方面正在开发的油田要 求尽量延长寿命，利用新技术提高采收率和开发其 边际油田； 另一方面，原先经过勘探评价认为不经 济的边际油田经过重新评价采用新技术将获得开发 机会。在海洋油气开发中，尤其是中小区块和边际 油田，经常会遇到各种问题
* 基金项目： 上海市科学技术委员会科研计划项目 “基于注采技术的水下采油树” （ 13dz1203600 ） 。
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第 42 卷
第 11 期
冯素敬等: 立式双管式水下采油树设计分析
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油树。上海神开钻采石油设备有限公司是有着多年 从事石油装备研发、制造、应用的专业公司，有着 雄厚的技术积累，公司联合多家技术力量雄厚的科 研院所，加大对海洋油气开采设备的研发力度 ，根 据我国海洋油气资源开发的配套要求 ，在消化国外 公司的先进经验之上，自主研制了基于注采技术的 立式双管式水下采油树。
图1
立式双管式水下采油树结构示意图
Structure of dualtubing vertical subsea christmas tree
水下采油树的中央，安装各类阀组及执行器，考虑 到水下设备维修和检测的要求，所有阀门和执行器 均可切断回路进行试验和诊断； 出油管线与组合阀 生产侧通道相连，安装水下节流阀，是生产油气与 集输设备的连接通道； 水下控制模块配备蓄能器作 为辅助液源，可在地面或平台上实现远程控制； 控
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引
言
海洋工程装备是国家重点发展战略新兴产业中 的高端装备，是当代油气资源开发的前沿性技术， 有着广阔的应用前景。从当前情况来看，世界海洋 石油装备技术领域已经形成了 3 级格局： 一是以美 国等为代表的西方国家在海洋装备发展方面呈主导 地位； 二是以韩国和新加坡等国家为代表的新兴势 力，正在日益追赶国际先进水平； 三是以我国为代
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2. 1
关键技术
双管式组合阀设计分析
采油树的主体部分是组合阀，组合阀的安装位 置如图 2 所示。组合阀上有 2 个通道贯穿阀体， 分 别为生产通道和环空通道； 生产通道上部安装生产 抽汲阀，下部安装生产主阀，生产主阀是远程液压 控制的故障关断阀； 生产通道上开生产侧通道穿出 阀体，安装生产翼阀； 环空通道上部设置环空抽汲 阀，下部安装环空主阀； 环空通道上开环空侧通 道，正常情况下生产通道和环空通道相互隔离 、互 不相通，两者之间布置换向阀， 当换向阀开启时， 生产通道孔和环空通道相连通。
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水下采油树的关键组件是水下闸阀和水下节流 阀。作为流体管路的控制装置，技术含量高，其性 能直接关系到水下采油树的可靠性和安全性 ，水下 闸阀的基本功能是接通或切断管路介质通道 ，水下 节流阀的基本功能是控制和调节产出油气的流量和 压力。目前水下阀的驱动方式有机械、液压、电气 等多种方式
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