0 引言

水下采油树系统是水下生产系统的核心设备，主要包括水下采油树、水下油管挂和水下控制系统3部分。其主要功能是对生产的油气或注入储层的水/气进行流量控制，监测生产压力、环空压力、温度、地层出砂量及含水量等油气井参数，向井筒注入化学药剂改善流体流动性能，提供测试和修井期间进入油气井筒的通道，支撑油管柱并密封井下油管和生产套管之间的环形空间，同时和水下井口系统一起构成井下储层与环境之间的隔离屏障^[1-3]。

从20世纪60年代开始应用水下采油树以来，全球已经应用5 000多套水下采油树。目前，水下采油树的最大设计工作水深达到3 000 m，温度范围-46~180 ℃，额定压力高达103.5 MPa。2008年壳牌石油公司在墨西哥湾Perdido项目的Tobago油田使用FMC Technologies的深水采油树，安装水深创世界纪录，达到2 934 m。我国南海油气田从1996年开始应用水下采油树，目前已有9个油气田采用水下井口采油树完井，应用最大水深达1 457 m。

目前，国外的5家水下采油树供应商(FMC Technologies、Cameron、Vetco Gray (GE Oil & Gas)、Aker Solutions和Dril-Quip)占据了市场的垄断地位。国内有多家知名制造企业正在研制水下采油树，其关键在于能否顺利通过相关标准规范所要求的压力循环测试、高低温循环测试、载荷循环测试及外部高压测试等，以鉴定产品各个部件的设计、材质，选择及制造工艺能否满足额定工作条件的要求。笔者拟在此介绍国外水下采油树的发展现状和结构特点，以期为我国的水下采油树设计和应用提供参考。

1 标准规范

美国石油学会API标准已成为石油行业事实上的国际标准，是国际标准化组织ISO制修订石油石化设备标准的主要参考对象，特别是API采取的产品会标认证制度，影响力远超ISO标准^[4]。

水下生产系统的设计制造标准规范为API 17A、B、C……系列，ISO-13628标准系列等同采用了API 17系列，如表 1所示。但从2012年开始，API停止与ISO的等同采用，直接与水下采油树相关的标准为API RP17A、API Spec 17D、API Standard 17F、API RP 17H、APIRP 17N和API Spec 6A^[5]。API和ISO标准经常规范性引用挪威船级社DNV、美国防腐工程师协会NACE、美国材料与试验协会ASTM、美国机械工程师学会ASME及美国焊接学会AWS等标准。这些标准是支撑海洋钻采装备设计、制造和使用的重要技术文件。另外，还包括相关的质量管理体系标准，即质量管理体系API Q1和ISO 9001、管理体系ISO 14001 HSE及HSE管理体系OHSAS 18001等。

2 水下采油树的结构类型

水下立式采油树的应用始于20世纪60年代，在电泵举升的油井及复杂储层井应用时，由于电泵损坏需要频繁起出生产管柱更换电泵的大修井作业，或由于高含水等原因后期需要侧钻，则需要先起出立式采油树才能起出生产管柱，导致修井时间较长，费用高。为了克服立式采油树大修井费用高的缺点，20世纪90年代，采油树供应商开始制造卧式采油树。

2.1 水下卧式采油树与立式采油树^[6] 2.1.1 卧式采油树

主阀位于垂直通道的水平侧，油管挂坐挂于树本体内部，先安装采油树再安装生产管柱。大修井可直接起出生产管柱，适合于大修井(电泵井和复杂储层井)与后期有侧钻需求的井；而且由于树本体内部已知的坐挂位置和密封面，油管挂更容易坐挂密封。尽管水下采油树故障率远低于生产管柱(如电潜泵和滑套等)的故障率，一旦采油树发生故障，还是要先回收生产管柱，才能起出采油树。

2.1.2 立式采油树

主阀位于采油树的垂直通道，油管挂坐挂于高压井口头内部或高压井口头上方的油管四通内部。相比于卧式采油树在海上安装内树帽/堵塞器作为垂直通道的两道隔离屏障，立式采油树的2个主阀作为隔离屏障的可靠性更高，且可直接回收出现故障的立式采油树(小概率事件)，无需起出生产管柱。再者，大修井回收生产管柱之前，必须先回收立式采油树，因此不适合大修井频率较高且后期有侧钻需求的井；当油管挂坐挂于高压井口头内部时，下入生产管柱之前，需要单独下钻1趟，用铅印确认油管挂在高压井口头内部的坐挂位置^[1]。

图 1和图 2分别为水下卧式采油树和立式采油树结构示意图。由于2种采油树各有优势，通常一种型式的水下采油树在某一海域的应用占有优势，且2种类型的水下采油树应用总数量大致相当。FMC Technologies的水下采油树项目的统计数据表明，墨西哥湾20~2 300 m水深2种类型的水下采油树都有应用，巴西深水主要应用立式采油树，挪威北海水深小于400 m的油气田主要应用卧式采油树，英国北海以卧式采油树为主，北非2种采油树都有应用。

2.2 水下采油树的结构演变 2.2.1 钻通式卧式(钻通式)采油树

在安装高压井口头后，立即安装钻卧式采油树，然后在树上安装水下防喷器组进行后续的钻井和完井作业。因此，钻卧式采油树仅需起下防喷器组1次，而普通卧式采油树需起下防喷器组2次，如表 2所示。另外，多口井的批钻井和批完井时(Batch Drilling/Completion)，采用钻通式采油树能减少移船次数，如图 3所示，3口井的批钻井和批完井作业，普通卧式采油树需移船8次，而钻通式树仅需移船4次。英国石油公司BP等在英国北海应用多套Cameron钻通式采油树。

钻通式采油树需选用425.45或346.08 mm的小通径高压井口头，采油树顶部采用标准的476.25 mm (18 ¾ in)井口头方便套管通过，同时在采油树内部为油管挂提供坐挂台阶。小通径的高压井口头限制了_∅339.7 mm套管井眼段钻进的钻头尺寸，但可以通过井下膨胀钻头和扩眼器等解除该限制。另外，需合理设计采油树的抗磨补心，减轻因后续的钻完井作业可能对钻通式采油树内腔密封区域及孔道造成的损伤^[1]。

2.2.2 改进型卧式采油树

普通卧式采油树由内树帽和1个堵塞器构成垂直通道的2道隔离屏障，安装内树帽之前需要下入冲洗管柱，清洁位于油管挂顶部的内树帽的坐落剖面，再用安装管柱安装内树帽。改进型卧式采油树“EHXT”(Enhanced Horizontal Christmas Tree)直接用钢丝绳作业，在油管挂内部安装2个堵塞器作为垂直通道的2道隔离屏障，安装2个堵塞器仅需要数小时即可，消除内树帽及其安装时间。FMC和Aker Solutions均有改进型卧式采油树。

2.2.3 复合型水下采油树

Cameron公司的复合型采油树“HyFlex”获得2016年度海洋技术大会(Offshore Technology Conference)海洋新技术大奖。该型采油树的结构包括：①含有井口连接器和隔离阀组的油管四通；②卧式采油树的油管挂，安装在油管四通的内部；③采油树组块，组块包含所有的液控驱动阀、节流阀、控制系统、传感器、流量计和其他仪器。图 4为Cameron公司复合型水下采油树结构图。

复合型水下采油的特点：采油树位于油管四通顶部，油管挂与采油树彼此独立，因此油管挂与采油树均可单独回收；同时，具备立式采油树回收采油树不扰动生产管柱，以及卧式采油树回收生产管柱不扰动采油树的优点，安装顺序和修井作业具有更大的柔性。

3 水下采油树的控制系统类型

水下采油树控制系统的类型可概括为3种^[5]：纯液控系统(直接式和先导式)、电液控制系统及纯电控系统。应根据控制距离选择合适的控制系统，实现对水下采油树的远程控制。

纯液控系统简单可靠，但不具备数据监测能力，且由于响应速度较慢，仅适合于5 km之内的控制距离；电液控制系统响应时间较快，是当前应用最广泛的控制系统，最多可提供46个水下控制功能，FMC Technologise公司的电液控制系统可应用于145 km的远程控制距离；纯电控制系统无液压控制设施及其费用，且响应速度最快，是新一代的水下控制系统。

美国Cameron和FMC Technologies公司均可提供纯电控制系统。Cameron公司从1999年开始研发纯电控的水下电采油树(All Electric Tree)，研制的第1代电控制模块具备16个水下控制功能，正在研发的第2代电控制模块具备32个水下控制功能。目前，仅有1个纯电控水下采油树开发项目，即道达尔公司(Total)2008年在荷兰北海水深44 m的K5F气田项目。该气田首次商业化应用Cameron公司提供的2套直流电控水下泥线采油树(见图 5)，采用纯电控的闸板阀门及驱动器、电控的节流阀和化学药剂注入阀。Cameron公司2016年研发出第2代纯电控水下采油树(增加井下安全阀的电控功能)，具备3 000 m的设计水深等级，25 a的设计寿命，并计划在K5F3项目进行商业化应用。

4 水下采油树系统安装技术 4.1 安装管柱 4.1.1 采油树系统的安装管柱

卧式采油树的安装管柱相对简单，可在浮式钻井装置(钻井平台或钻井船)上利用钻柱通过月池进行安装，甚至可用能力足够的钻井平台的悬臂绞车进行安装。另外，可用工程船的大吨位吊机进行安装。由于动力定位的工程船机动性强，且无拖航抛锚等工程时间，与钻井平台的安装时效相比，具有更高的安装效率，节省作业费用，是深水水下采油树新的安装途径和方式^[6]。中海油深圳分公司最近的2个新水下开发项目中的采油树均采用工程船安装方式。

立式采油树的安装需要使用完井/修井隔水管、紧急解脱总成EDP (Emergency Disconnect Package)和下部完井修井隔水管总成LRP (Lower Riser Package)^[7]。图 6为立式采油树安装装置。双通道立式采油树的安装使用双通道完井/修井隔水管，或者使用经济性更好的单通道完井/修井隔水管。单通道立式采油树使用单通道完井/修井隔水管进行安装。

单通道隔水管可由钻杆柱或套管柱构成，需要在LRP的上方配置孔选择器(Bore Selector)，通过管柱外侧的软管或在修井脐带缆里增加1条软管提供环空通道^[1]。

4.1.2 油管挂的安装管柱

卧式采油树和立式采油树的油管挂都需要使用坐落管柱(Landing String)在钻井隔水管内部进行安装。坐落管柱是用于油管挂安装及油气测试的水下安全装置，通常包含水下测试树SSTT、承留阀RV、防喷阀LV和送入套管柱。图 7为油管挂的安装管柱与防喷器组的配备界面。水下测试树具备紧急解脱功能和钢丝/连续管的剪切功能，从水下测试树位置紧急解脱断开坐落管柱之前，承留阀使坐落管柱与外部环境隔离，并将承留阀以上的流体封闭在坐落管柱内部。防喷阀通常位于转盘面以下27.4 m，也可紧接着安装于承留阀的上方。

4.1.3 内树帽的安装管柱

用安装油管挂的坐落管柱进行内树帽的安装，也可用送入套管和内树帽的专用安装工具安装。

4.2 安装及修井控制系统

安装水下采油树和完井与修井作业期间，在钻井平台上面使用安装及修井控制系统IWOCS (Installation and Workover Control System)，以达到对水下采油树操作和监控的目的。IWOCS有2种控制类型(液压控制和电液复合控制)，应根据控制距离和作业装置选择合适的控制类型。液压控制系统响应速度较慢，适用于水深915 m以内的控制距离；电液复合控制系统响应速度快，具备数据监控功能，可应用于水深3 050 m以内的控制距离，且动力定位的钻井平台需要配置电液复合控制的IWOCS系统，以满足快速解脱对响应时间的要求。

5 发展趋势 5.1 超深水采油树

2008年，FMC technologies公司的深水立式单通道采油树“EVDT”(Enhanced Vertical Deepwater Tree)安装在Shell墨西哥湾Perdido项目的Tobago油田，安装水深创世界纪录，达到2 934 m。Perdido项目也是墨西哥湾首个完全采用水下分离和增压系统的水下项目。

5.2 超高温高压水下采油树

2014年，FMC technologies公司与阿纳达科、英国石油、康菲及壳牌等石油公司形成联合开发项目组，预计2018年将研发出压力138 MPa、工作温度180 ℃的超高温高压水下生产装备，以开发泥线压力温度高达138 MPa, 180 ℃的深水储藏。基于此，2015年7月壳牌决定开发墨西哥湾水深2 195 m的“Appomattox”深水项目，井口流温180 ℃，将采用FMC technologies公司的高温高压深水采油树“EVDT”，预计2020年投产。

5.3 其他新工艺与技术 5.3.1 水下处理组件的模块化设计

Cameron公司的水下处理组件“RPM”(Subsea Retrievable Process Module)采用模块化设计，根据需求进行弹性配置，可包括流量计、节流阀、取样器、传感器、地层砂探测器、化学药剂计量阀及高完整性压力保护系统等。标准化的水下采油树的接口适用于各类水下采油树，可单独生产，利于缩短采油树的供货周期。

5.3.2 跨接管式电泵增压系统

2014年, Aker Solutions公司与Baker Hughes公司结成的水下生产联盟开发出了跨接管式电泵增压系统，电泵与跨接管组合在一起的模块化设计便于电泵的安装与回收，是一种新型泥线增压系统。

5.3.3 跨接管式流量计

GE Oil Gas公司将多相流量计安装在连接采油树与中心管汇的跨接管，可减少水下采油树的接口与复杂程度。另外，还研发了水下虚拟计量技术^[8]。

5.3.4 高完整性压力保护系统

HIPPS (High Integrity Pressure Protection System)组件是一种安全装置，它通过切断压力源，防止超压，保护下游设备，允许高压生产井安全地回接至已有的低压力等级的下游设备和管线。HIPPS组件包括安全阀、压力传感器和控制系统。通过选择安全可靠的HIPPS，可以降低下游设备和管线的压力等级，从而降低工程投资^[9]。

6 结论

(1)当前的水下采油树的最大设计工作水深达3 050 m，温度范围-46~180 ℃，额定压力103.5 MPa，安装水深达到2 934 m。

(2)卧式采油树和立式采油树各有优势，通常一种结构形式的水下采油树在某一海域的应用占有优势，且应用总数大致相当。水下采油树的结构在逐步发展演变，未来新型水下采油树将结合卧式采油树和立式采油树的优点。

(3)应根据控制距离选择合适的水下生产控制系统类型，目前电液控制系统应用最广泛。纯电控制系统无液压控制设施及其费用，且响应速度最快，是新型控制系统。

(4)卧式采油树可用浮式钻井装置的钻柱或用工程船的大吨位吊机的钢丝进行安装，立式采油树需要使用完井/修井隔水管、紧急解脱总成EDP和下部完井修井隔水管总成LRP进行安装；油管挂使用坐落管柱在钻井隔水管内部进行安装；内树帽可用安装油管挂的坐落管柱或使用送入套管和内树帽的专用安装工具进行安装。

(5)液压控制的安装及修井控制系统IWCOS仅适用于水深915 m以内的控制距离；电液复合控制的IWOCS系统可应用于水深3 050 m以内的控制距离，且动力定位的钻井平台需要配置电液复合控制的IWOCS系统。

(6)超深水和超高温高压的水下采油树是水下采油树的未来发展方向。水下采油树的模块化设计可缩短采油树的供货周期，跨接管式电泵增压系统、跨接管式流量计和高完整性压力保护系统等新工艺技术的出现，将有利于降低水下采油树和水下开发项目的综合成本。