水下采油树类型及应用现状分析

水下采油树又称圣诞树（Christmas tree）^[1]，是深海油气开采的重要设备，主要用于隔离海水，引导井内流体产出，控制生产井口的压力和调节油（气）井口流量，实现油气的可控采收。对于卧式采油树，可悬挂下入井中的油管柱，密封油层套管与油管之间的环形空间；也可用于酸化压裂、注水、测试等特殊作业。其外形结构如图1所示。典型水下采油树的组成包括：采油树连接器、采油树本体、生产模块、环空模块、采油树阀门、阀门驱动器、多路快速接头、ROV操控面板、控制系统、节流阀模块、管道、转换接头、加注阀门、导向架、采油树帽、纺织渔网拖拽保护装置、安装回收工具和传感器等。

图1 水下采油树外形结构

水下采油树系统经历了干式、干/湿混合型、沉箱式、湿式采油树四个发展阶段^[2]。干式水下采油树把采油树置于一个密封的常温常压舱里，维修人员像在陆地上一样在舱内进行工作；湿式水下采油树完全暴露在海水中；干/湿式水下采油树可以转换干/湿，正常生产时采油树呈湿式状态，维修时由一个服务舱与水下采油树连接，排空海水，使其变成常温常压的干式采油树；沉箱式水下采油树包括主阀、连接器和水下井口，均置于海床以下的导管内。

近年来，水下采油树的使用量逐年大幅增加，但是不同的海域、不同的油田区块及采油操作工况下所使用的水下采油树的类型有所不同。我们将应用广泛的湿式采油树按修井方式分为过油管式（TFL）和非过油管式；按照湿式采油树上三个主要阀门（生产主阀、生产翼阀及井下安全阀）布置方式分为立式采油树和卧式采油树；按安装方式分为潜水员作业、ROV/潜水员作业和ROV作业。水下采油树的类型以湿式为主，干式只占极少数。在数量上立式采油树占多数，但卧式采油树发展更为迅速。(www.xing528.com)

自1967年第一套水下采油树研制至今，包括水下井口装置及采油树在内的水下生产系统因其所具有的独特优势，已经得到了长足的发展。特别是20世纪90年代以来，常规式和卧式采油树的进一步发展，使得海洋水下生产系统关键装备的可靠性和可维护性显著提高，有效提升和扩大了水下生产系统在世界多个海域的广泛应用。截至目前，全球已有超过3600套的水下采油树应用在250多个油田项目开发当中。其关键技术主要掌握在FMCTECHNOLOGIES、COOPER CAMERON、AKER KVAERNER、VETCO GRAY等几个著名公司手中。美国FMC、Ca-meron和挪威Aker Kvaerner Subsea三大厂商占有世界采油树市场90%以上的份额^[3]。

随着我国石油企业向深海油气田进军步伐的加快，水下采油树在我国深海油气田开发中将发挥越来越大的作用。但目前水下采油树项目的设计、制造、安装基本由国外公司主导。由于水下采油树的结构复杂，对材料性能和密封技术的要求很高，控制系统和阀等单元部件容易出现问题，加之国外的专利保护和技术封锁等原因，我国水下采油树的研制工作才刚刚起步。因此，为满足深海油气田开发的需要，应利用与国外合作项目的机会提高水下采油树的制造水平和施工、安装能力。同时，应培养专业的水下采油树安装队伍，以及研发与水下采油树安装相配套的安装设备和机具。

目前，水下采油树在工作水深200m或控制线路长度1000m以内，大多发展直接控制和先导液压控制^[4]，对于300m以上水深海域多采用多路传输、电液控制技术。未来大型海上油气田开发采用的远程全电式控制技术、全自动控制及系统智能检测技术将成为水下采油树发展的趋势，而第一台全电操控水下采油树由Cameron公司生产，已在北海K5F气田投入使用^[2]。随着越来越多的深海油气田投入开发，对采油树标准压力及控制方面的要求会越来越高，研究开发具有高安全性和适应性的水下采油树，必将成为今后很长一段时间内需进一步研究的重点和热点。