葉永彪，王　勇，張玉勇，方　霖

水下采油樹(shù)DP船吊機(jī)下放安裝方法研究

葉永彪1，王勇1，張玉勇2，方霖1

（1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067；2.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）①

介紹了水下臥式采油樹(shù)的結(jié)構(gòu)組成及主流類(lèi)型。通過(guò)比較水下采油樹(shù)安裝方法得出DP船吊機(jī)下放安裝方法的優(yōu)越性。對(duì)水下采油樹(shù)DP船下放安裝所需的設(shè)備資源進(jìn)行分析，探討了水下采油樹(shù)采用DP船吊機(jī)下放安裝的施工程序，并總結(jié)水下采油樹(shù)采用DP船吊機(jī)下放安裝的幾個(gè)要點(diǎn)。對(duì)我國(guó)水下采油樹(shù)的自主安裝提供借鑒。

水下臥式采油樹(shù)；船吊機(jī)；采油樹(shù)下放工具；井口帽；安裝

水下采油樹(shù)是海上油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的重要設(shè)備之一，按照閥的方向可以分為立式采油樹(shù)和臥式采油樹(shù)2種類(lèi)型［1］。立式采油樹(shù)閥組安置在1條垂線上，是早期使用最多形式的采油樹(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品成熟可靠，成本相對(duì)低廉。主要缺點(diǎn)是占用了軸向空間高度而不便于布設(shè)安裝，修井時(shí)必須將采油樹(shù)取出、移開(kāi)才能進(jìn)行修井作業(yè)，從而增大了修井成本。臥式采油樹(shù)的應(yīng)用起始于20世紀(jì)90年代，此后在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于立式采油樹(shù)而言，臥式采油樹(shù)的油管懸掛器安裝在采油樹(shù)內(nèi)部，頂部阻塞器代替生產(chǎn)抽汲閥對(duì)油管內(nèi)部實(shí)現(xiàn)堵塞，使井下原油不能向上流通，只能從油管掛側(cè)面開(kāi)口流出而到達(dá)各個(gè)生產(chǎn)管匯。臥式采油樹(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是不占用井孔垂直空間高度而便于采油樹(shù)的布設(shè)安裝，修井時(shí)不需要將采油樹(shù)取出、移開(kāi)，方便從井孔下入修井工具進(jìn)行修井，明顯降低了修井時(shí)間和成本；主要缺點(diǎn)是下放安裝過(guò)程復(fù)雜，安裝成本較高，且產(chǎn)品本身價(jià)格相對(duì)較高［2-5］。立式采油樹(shù)和臥式采油樹(shù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1～2所示。

圖1　水下立式采油樹(shù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2　水下臥式采油樹(shù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

全球的水下采油樹(shù)技術(shù)主要被FMC、Cameron和Aker Kraemer Subsea 3家公司壟斷，控制了水下采油樹(shù)90%的市場(chǎng)［6-7］。目前，國(guó)內(nèi)采用的采油樹(shù)的生產(chǎn)廠家有FMC、Cameron及Aker Solution，且均為臥式采油樹(shù)［8］。FMC公司生產(chǎn)的臥式采油樹(shù)已經(jīng)形成系列化，主要有68.966 MPa （10 000 psi）和103.448 MPa（15 000 psi）2種壓力等級(jí)，目前其主要產(chǎn)品為2002年推出的改進(jìn)型臥式采油樹(shù)。Cameron公司與Schlumberger公司共同擁有1家公司——OneSubsea，自1994年臥式采油樹(shù)得到開(kāi)發(fā)，OneSubsea公司已供應(yīng)超過(guò)1000個(gè)采油樹(shù)系統(tǒng)，其采油樹(shù)的類(lèi)型有68.966 MPa （10000 psi）的淺水型、68.966 MPa（10000 psi）及103.448 MPa（15000 psi）的深水型。Aker Solution的臥式采油樹(shù)也有有淺水和深水2種類(lèi)型，設(shè)計(jì)壓力為68.966 MPa（10000 psi），油管懸掛器孔徑有127 mm（5英寸）和177.8 mm（7英寸）2種規(guī)格，旁側(cè)出口孔徑也是這2種規(guī)格。

FMC、Cameron及Aker Solution 3家公司的水下臥式采油樹(shù)均采用吊機(jī)下放安裝，安裝的部分主要為采油樹(shù)主體。

1　采油樹(shù)DP船吊機(jī)安裝優(yōu)勢(shì)

隨著海洋油氣開(kāi)采規(guī)模的日益擴(kuò)大，水下采油樹(shù)及其相關(guān)組件的下放安裝難度日益突出。采用合適的下放方式，設(shè)計(jì)合理的安裝機(jī)具，也逐漸成為水下油氣開(kāi)采過(guò)程的難點(diǎn)。采油樹(shù)安裝通常可采用鉆桿下放安裝或采用吊機(jī)下放安裝，如圖3～4所示。

圖3　鉆桿安裝方法示意

圖4　DP船吊機(jī)安裝示意

借助鉆桿的安裝方法主要是考慮操作船是否攜帶鉆桿以及是否容易操作。采用鉆桿安裝方法穩(wěn)定性好，水下采油樹(shù)在下放工程中不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)［9］。如果水深較深，所需鉆桿較長(zhǎng)，鉆桿本身重力會(huì)抵消到鉆桿的承載能力，通常情況下，采用鉆桿安裝采油樹(shù)的水深在1000 m以?xún)?nèi)。鉆桿安裝方法可安裝采油樹(shù)主體、防噴器、油管懸掛器、采油樹(shù)帽，若作業(yè)船上有絞車(chē)，還可安裝頂部阻塞器。目前，國(guó)內(nèi)采用鉆桿安裝采油樹(shù)的方法已經(jīng)成熟。

采用吊機(jī)安裝水下采油樹(shù)需要用到鋼絲繩機(jī)具，相對(duì)于鉆桿而言，鋼絲繩機(jī)具收放簡(jiǎn)便快捷，且對(duì)船舶要求相對(duì)較低，更具經(jīng)濟(jì)性。采用吊機(jī)安裝水下采油樹(shù)的部分僅限于采油樹(shù)主體。因此，選用DP船吊機(jī)進(jìn)行水下采油樹(shù)的安裝及回收，其他諸如油管懸掛器、采油樹(shù)帽等的安裝及回收工作還需要利用鉆桿來(lái)完成。近年，國(guó)內(nèi)采油樹(shù)安裝作業(yè)中，已有國(guó)內(nèi)DP船舶安裝水下采油樹(shù)的案例［10］。但總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)尚未充分掌握水下采油樹(shù)安裝技術(shù)。

從性能上看，由于鉆井船通常都比較大，采用鉆井船鉆桿安裝采油樹(shù)，對(duì)海況的要求較低，理論上，6級(jí)海況下仍可采用鉆井船鉆桿安裝作業(yè)。相對(duì)而言，DP船對(duì)海況要求較高，采油樹(shù)從DP船舷側(cè)下放時(shí)，海況應(yīng)為3～4級(jí)，但是對(duì)于采油樹(shù)從甲板月池下放時(shí)，海況可為5級(jí)。因此，在對(duì)作業(yè)要求上鉆井船鉆桿安裝方式稍微占優(yōu)。

但是從經(jīng)濟(jì)上看，DP船吊機(jī)安裝方法具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。由于DP船日費(fèi)用一般低于鉆井船的日費(fèi)用，安裝1個(gè)采油樹(shù)DP船只需要約12 h（以水深1 500 m為例），而鉆井船鉆桿卻需要36 h，費(fèi)用相差數(shù)倍。海上的鉆井一般也是批鉆批完，也即首先鉆完全部井眼，再進(jìn)行完井的工作，這一作業(yè)順序也有利于DP船進(jìn)行安裝采油樹(shù)，從而降低施工費(fèi)用及工程投資［11］。

2　DP船吊機(jī)安裝方法設(shè)備要求

2.1船舶資源

采用DP船安裝水下采油樹(shù)，DP船應(yīng)能滿足必要的一些要求。例如，DP船的甲板面積和尺寸需要滿足采油樹(shù)裝船的甲板布置要求；DP船的動(dòng)力定位等級(jí)應(yīng)在DP2級(jí)以上，以滿足定位要求；DP船配備吊機(jī)，以吊放回收水下采油樹(shù)等設(shè)備；采油樹(shù)安裝作業(yè)中，需要ROV作業(yè)，因此所選用的DP船應(yīng)具備ROV支持系統(tǒng)，以便裝備ROV。目前，國(guó)內(nèi)滿足條件的船舶主要有深圳海油工程水下技術(shù)有限公司的HYSY289船、HYSY286船、HYSY291船，中海油服公司的HYSY708船、HYSY709船等。

2.2吊機(jī)

吊機(jī)是采油樹(shù)下放安裝的關(guān)鍵設(shè)備之一，由于吊機(jī)通常是作業(yè)船舶上的固定設(shè)施，因而在選定作業(yè)船舶時(shí)，要考慮吊機(jī)要求。吊機(jī)具備足夠的吊裝能力，能滿足水下采油樹(shù)吊裝作業(yè)中的承重要求；吊機(jī)具備主動(dòng)升沉補(bǔ)償功能，以確保采油樹(shù)安裝作業(yè)平穩(wěn)安全及良好定位；吊機(jī)鋼絲繩具有足夠長(zhǎng)度和強(qiáng)度，能滿足作業(yè)水深要求。

2.3ROV

采油樹(shù)吊機(jī)安裝作業(yè)中，需要用到的ROV作業(yè)內(nèi)容包括作業(yè)開(kāi)始前海底的預(yù)調(diào)查、井口帽拆除與安裝、作業(yè)過(guò)程的監(jiān)控、采油樹(shù)位置姿態(tài)的調(diào)整、采油樹(shù)的液壓控制、采油樹(shù)下放工具的液壓控制、作業(yè)完成后的完工調(diào)查。ROV的要求為：作業(yè)ROV數(shù)量為2臺(tái)，且均為工作級(jí)ROV，能滿足作業(yè)水深要求。

ROV的配套設(shè)備主要有作業(yè)工具（例如，轉(zhuǎn)矩工具（torque tool）、hot stab、夾持工具）及支持設(shè)備（例如ROV起吊設(shè)備等）。ROV停靠在水下采油樹(shù)或采油樹(shù)下放工具上，通過(guò)torque tool打開(kāi)或關(guān)閉門(mén)閥；ROV通過(guò)hot stab與采油樹(shù)或采油樹(shù)下放工具實(shí)現(xiàn)液壓聯(lián)系。

2.4采油樹(shù)下放工具

臥式采油樹(shù)的下放工具有多種，為實(shí)現(xiàn)水下采油樹(shù)采用DP船吊機(jī)下放安裝，必須選用適于吊裝作業(yè)的采油樹(shù)下放工具。不同公司生產(chǎn)的下放工具也存在差異，但功能上相同。

Aker Solution公司的下放工具有TRT（Tree RunningTool）和 LTRT（LightTreeRunning Tool）2種，如圖5～6所示。TRT的構(gòu)成包括中央體、鎖緊裝置及上部適應(yīng)器，以快速連接吊纜，其MQC（多功能快速接頭）面板上有多個(gè)接口，可連接臍帶纜接收信號(hào)，也有hot stab接口，可與ROV建立聯(lián)系。TRT可用于采油樹(shù)的下放、回收機(jī)壓力測(cè)試。LTRT通過(guò)其內(nèi)部鎖緊裝置與采油樹(shù)進(jìn)行連接。連接操作中，通過(guò)將LTRT上面的執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)（actuator ring）從非鎖緊位置轉(zhuǎn)到鎖緊位置實(shí)現(xiàn)連接；解脫操作中，可利用ROV拔出LTRT上的安全鎖緊螺栓，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)從鎖緊位置轉(zhuǎn)到非鎖緊位置，實(shí)現(xiàn)LTRT與采油樹(shù)解脫。

圖5　TRT模型

圖6　LTRT模型

2.5其他設(shè)備資源

采油樹(shù)下放安裝中需要的其他設(shè)備主要有絞車(chē)、定位系統(tǒng)及一些輔助機(jī)具。在用鋼絲繩下放采油樹(shù)過(guò)程中，吊機(jī)為主要起吊工具。吊機(jī)下放采油樹(shù)的過(guò)程中，需連接絞車(chē)進(jìn)行牽引，絞車(chē)起輔助作用。船舶定位、ROV作業(yè)、采油樹(shù)等設(shè)備下放過(guò)程中，除船舶自身攜帶的定位系統(tǒng)以外，還需要海底應(yīng)答架、吊機(jī)吊鉤信標(biāo)、熒光棒等提供參考。鋼絲繩連接可能用到的其他輔助機(jī)具有吊環(huán)、吊鉤、卸扣、吊索、浮體模塊、配重塊等。

3　DP船吊機(jī)安裝動(dòng)員及準(zhǔn)備工作

3.1陸地測(cè)試

采油樹(shù)裝船前，對(duì)采油樹(shù)、下放工具進(jìn)行測(cè)試，確保功能正常。測(cè)試內(nèi)容包括采油樹(shù)、下放工具自身測(cè)試及與ROV連接后的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。其他設(shè)備也應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行針對(duì)性的測(cè)試。測(cè)試工作應(yīng)由廠家測(cè)試人員進(jìn)行。

3.2甲板布置及裝船

甲板布置對(duì)海上作業(yè)影響巨大，布置時(shí)，要考慮到甲板各個(gè)區(qū)域的載荷能力、熱工區(qū)域遠(yuǎn)離動(dòng)火區(qū)域、設(shè)備之間是否會(huì)影響、設(shè)備存放空間是否足夠、是否留有安全通道、吊機(jī)半徑是否滿足工作需求等因素。設(shè)備設(shè)施裝船固定時(shí)，固定前應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析；在必要的地方放置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，確保所有連接部位有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；必要時(shí)，設(shè)置隔離和緩沖裝置，確保采油樹(shù)等不受損傷。

3.3船舶DP測(cè)試

船舶航行至采油樹(shù)安裝位置附近，進(jìn)行DP調(diào)試，包括DP系統(tǒng)的推進(jìn)裝置、手動(dòng)／自動(dòng)控制單元、電力系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、報(bào)警裝置、定位單元、備用電池、航跡記錄等的調(diào)試工作。該項(xiàng)工作為常規(guī)調(diào)試工作，一般作業(yè)船舶此項(xiàng)工作施工前都會(huì)進(jìn)行，經(jīng)驗(yàn)豐富，但必須按調(diào)試要求進(jìn)行。

3.4甲板測(cè)試

船舶駛?cè)氩捎蜆?shù)安裝位置后，再一次檢查采油樹(shù)、采油樹(shù)下放工具等設(shè)備，確保運(yùn)輸過(guò)程中采油樹(shù)等設(shè)備設(shè)施完好無(wú)損。

4　DP船吊機(jī)安裝程序

DP船吊機(jī)安裝水下采油樹(shù)的工作主要包括井口帽的拆除、水下臥式采油樹(shù)的下放安裝以及井口帽的重新安裝。其他可能涉及到的作業(yè)內(nèi)容可能有PGB導(dǎo)向柱的安裝、VX墊圈的安裝、頂部阻塞器的安裝，視安裝需求確定。有些井口有時(shí)需要先于采油樹(shù)安裝永久導(dǎo)向基盤(pán)PGB，則視PGB類(lèi)型而定，PGB通常采用鉆桿安裝，但有的類(lèi)型可采用吊機(jī)安裝。

4.1井口帽拆除

在鉆井完成后，需對(duì)井口安裝井口帽，以防止雜物進(jìn)入井口。安裝采油樹(shù)之前，默認(rèn)PGB已經(jīng)裝好。安裝水下采油樹(shù)時(shí)，需要先拆除井口帽，該工作由ROV完成。ROV利用機(jī)械手夾持井口帽，使采油樹(shù)帽從井口上移除，并放置海底合適位置，以便再次安裝。

4.2采油樹(shù)下放安裝

采油樹(shù)安裝為安裝作業(yè)的核心，作業(yè)中需要采用2臺(tái)ROV，考慮到國(guó)內(nèi)采油樹(shù)一般較大，下放工具選取為T(mén)RT，其施工程序如下：

1）DP船甲板上連接采油樹(shù)及TRT。

2）對(duì)吊機(jī)吊鉤安裝信標(biāo)、熒光棒，并激活應(yīng)答器。

3）起吊準(zhǔn)備工作，吊機(jī)索具安裝，與TRT上面的吊點(diǎn)連接，絞車(chē)鋼絲繩連接。

4）移除采油樹(shù)在甲板上的固定設(shè)施，激活吊鉤信標(biāo)，吊起水下采油樹(shù)。

5）打開(kāi)月池，將采油樹(shù)慢慢吊起，下放采油樹(shù)。

6）輔助ROV停留在船體以下水深50 m處。

7）對(duì)主ROV裝備hot stab，準(zhǔn)備好TRT、采油樹(shù)操作所需的液壓系統(tǒng)；主ROV上安裝好轉(zhuǎn)矩工具，下放主ROV至海床面以上20 m處。

8）下放采油樹(shù)至50 m水深，輔助ROV監(jiān)控采油樹(shù)，檢查采油樹(shù)姿態(tài)及吊裝索具連接狀態(tài)，如無(wú)問(wèn)題，繼續(xù)下放采油樹(shù)。

9）在安全路徑下，以0.5 m／s的速度繼續(xù)下放采油樹(shù)至水下最高設(shè)施上方20 m處，開(kāi)啟吊機(jī)AHC模式。

10）下降采油樹(shù)至海床面5 m處，同時(shí)調(diào)整船舶位置，使采油樹(shù)進(jìn)一步接近井口，但距井口仍有一定距離；定位過(guò)程中，懸浮的采油樹(shù)不能穿越任何水下設(shè)施。

11）安裝主ROV轉(zhuǎn)矩工具至采油樹(shù)頂部中間的凹槽中，停靠在采油樹(shù)上以便調(diào)整采油樹(shù)位置，使采油樹(shù)位于井口正上方，且朝向準(zhǔn)確。

12）輔助ROV檢查確認(rèn)采油樹(shù)連接器完全解鎖。

13）吊機(jī)繼續(xù)下放采油樹(shù)，直至采油樹(shù)完全落在井口上；下放的過(guò)程中，要考慮吊纜上的任何升沉運(yùn)動(dòng)。

14）主ROV通過(guò)hot stab與采油樹(shù)建立液壓交流，驅(qū)動(dòng)采油樹(shù)井口連接器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使采油樹(shù)連接器與井口鎖緊。

15）進(jìn)行采油樹(shù)鎖緊及其他壓力測(cè)試。

16）主ROV從采油樹(shù)上解脫；?？吭赥RT ROV面板上，通過(guò)hot stab與TRT建立液壓交流，使TRT與采油樹(shù)解脫分離。

17）輔助ROV和主ROV離開(kāi)采油樹(shù)，保持安全距離，監(jiān)控索具。

18）回收TRT、索具、主ROV至甲板。

4.3井口帽重新安裝

采油樹(shù)安裝完成后，需要將從井口拆下的井口帽重新安裝在采油樹(shù)頂部，防止雜物落入采油樹(shù)內(nèi)部，保護(hù)采油樹(shù)。有時(shí)也會(huì)根據(jù)需要下放安裝新的井口帽，其過(guò)程多了甲板上的吊裝連接和下放。通常的做法是，直接利用之前從井口拆下的井口帽，通過(guò)還在海底的輔助ROV找到，并夾持放置在采油樹(shù)頂部的井口上。

5　結(jié)論

1）采油樹(shù)、井口帽的下放都需要相應(yīng)的下放工具，只有采用適于鋼絲繩作業(yè)的下放工具，才能保證鋼絲繩下放安裝采油樹(shù)作業(yè)的實(shí)現(xiàn)。

2）只有充分熟知采油樹(shù)、下放工具的連接原理，特別是鎖緊裝置的構(gòu)造和操作方法，才能在具體連接環(huán)節(jié)安全順利地實(shí)現(xiàn)連接分離工作。

3）水下采油樹(shù)作業(yè)水深一般相對(duì)較深，鋼絲繩機(jī)具在水中受環(huán)境的影響敏感，提高鋼絲繩操作熟練程度，對(duì)作業(yè)的順利進(jìn)行具有重要意義。

4）采油樹(shù)安裝過(guò)程中，調(diào)整采油樹(shù)、井口帽位置，連接hot stab，操縱鎖緊裝置等工作，對(duì)ROV操作技術(shù)要求較高，因此需熟練ROV操作技術(shù)。

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Study of Subsea Tree Deployment and Installation by DP Vessel Crane Method

YE Yongbiao1，WANG Yong1，ZHANG Yuyong2，F(xiàn)ANG Lin1
（1．COOEC Subsea Technology Co．，Ltd．，Shenzhen 518067，China；2．CNOOC Ltd．Shenzhen，Shenzhen 518067，China）

The main composition of subsea horizontal tree is introduced，and several current products as well.Comparison of subsea tree’s deployment and installation methods was made，which shows DP vessel crane method has great advantage.Requirement on equipments and tools necessary for the deployment of subsea horizontal tree was analyzed then.The main work focused on the preparation job and deployment procedure.Finally，several key points related to the deployment of subsea tree using DP vessel crane method were concluded.This p rovides reference andguidance for deployment of subsea horizontal tree.

subsea horizontal tree；vessel crane；tree running tool；debris cap；mounting

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.004

1001-3482（2015）10-0015-05