0 引言

随着各大石油公司对深水油气资源的勘探开采，作为深水油气开发主要模式之一的水下生产系统得到广泛应用。水下生产系统包括水下井口、水下采油树、管汇、跨接管、水下控制系统、脐带缆和海底管线等^[1]。水下采油树是水下生产系统的关键生产设施，可以实现水下井口和管汇等设施的连接。因此，水下采油树是水下生产系统中必不可少的组成部分，是保障水下生产和安全的重要设备。

水下采油树系统的选型对于油气田的初期成本和整个寿命期的运行维护成本有重要影响，各石油公司和水下设备供应商都比较关注这个问题。2002年FMC公司进行了各类水下采油树在油气田全寿命周期中的各阶段的成本对比案例分析^[2]；2013年Cameron公司开发出一套能够根据经济性、性能特性和预期风险进行采油树选型的软件，并且提供水下采油树的50多个功能和性能要求。

随着国内水下油气资源的开采，水下采油树的采购数量也随之增加，但是目前水下采油树的大部分关键技术仍然掌握在国外各大石油公司手里，因此针对油田自身的特性选择合适的水下采油树对降低深水油气开发项目的综合成本至关重要。

郑利军等^[3]分析了水下采油树、水下管汇和水下跨接管等选型的影响因素，从油藏条件、水下维护要求、水下压力等级、井口数目、装备类型、经济成本和操作方的习惯7个方面分析了采油树的选型。周凯等^[4]给出水下采油树选型流程图，阐述了卧式和立式水下采油树的显著区别，指出了水下卧式采油树的功能设计要求，并针对PY35-1等油气田详细分析了水下采油树的选型及功能设计要求。王宇等^[5]总结了水下采油树、油管悬挂器和采油树帽的结构形式及其适用范围，并分析了井口连接器和水下阀门等关键部件选型时应考虑的因素及其配置要求，并给出了材料等级、压力等级、温度等级、产品规范等级和性能要求等级等关键工作参数的确定方法。

陵水17-2(LS17-2)气田位于我国南海琼东南盆地深水区的陵水凹陷，距离海南岛约150 km，是我国南海第1个自营超深水高产气田。笔者将针对LS17-2气田的环境参数选择合适的水下采油树类型和采油树所需的材料等级、压力等级、温度等级、产品规范等级、性能要求等关键工作参数，并在此基础上选择合适的采油树产品，最后对水下采油树中的油管悬挂器和采油树帽等关键部件进行设计分析。

1 水下采油树功能与类型 1.1 水下采油树的功能与选择原则

在选择水下采油树时，需要综合考虑开发油气田的操作简便性、安全可靠性和经济合理性等方面。在操作可行性方面，需要根据钻井、修井、弃井和完井难易程度等因素选择水下采油树类型。水下采油树系统在油田寿命期内应该可操作、免计划性维修。在安全可靠性方面，所选水下采油树在全寿命周期内在使用功能及寿命上应满足油气田开发要求。在经济合理性方面，修井频率和开发成本等都应该在考虑的范围内。

1.2 水下采油树的类型

目前常用的水下采油树有2种类型，分别为立式水下采油树和卧式水下采油树，其结构分别如图 1a和1b所示。

从图 1可以看出，卧式采油树的主阀位于垂直通道的水平侧，油管悬挂器坐挂于树本体内部。而立式采油树的主阀位于采油树的垂直通道内部，油管悬挂器通常坐挂于高压井口头内部。

2种水下采油树因结构的不同而具有不同的优势，后面在选型的过程中将详细分析2种水下采油树的优缺点。

2 国外水下采油树产品介绍

国内在海洋水下井口及采油装备的技术研究方面起步较晚，目前仍处于勘探开发深水海域油气资源的初期，尚无国产水下采油树应用于海上油气田的实例。国外的FMC、Cameron、GE和Aker等4家水下采油树供应商占据了水下采油树90%的市场，其产品成功地应用于全球的浅水和深海领域^[6-7]。

2.1 GE公司的水下采油树

GE公司的水下采油树自1963年开始已有1 400个在世界范围内使用。该公司的水下采油树产品按照水深划分主要有3大类：S系列浅水立式/卧式采油树、M系列中深水立式/卧式采油树和D系列深水立式/卧式采油树。其中D系列又分为标准生产树、增强型生产树及气举生产树3种。表 1列出了GE公司的主要采油树产品及相应特性。

2.2 FMC公司的水下采油树

FMC公司是世界领先的水下生产系统制造商和供应商，该公司的采油树在全球成功安装数量超过1 000套。其采油树产品主要有卧式采油树、立式采油树和深水高温高压水下采油树3大类。其中卧式采油树分为深水卧式采油树和增强型水下卧式采油树2种，立式采油树分为双筒立式采油树和增强型水下立式采油树2种。表 2列出了FMC公司的主要采油树产品及特性。

2.3 Cameron公司的水下采油树

Cameron公司为满足深水水下生产要求，对浅水、深水和高温高压油气田的采油树均进行了相应研究，至今已在全球的安装数量超过1 000套。该公司的水下采油树主要产品有卧式采油树、立式采油树和高温高压采油树。其中卧式采油树包括浅水采油树和深水采油树，立式采油树包括双筒采油树和单筒采油树。表 3列出了Cameron公司的采油树产品及相关参数。

2.4 Aker公司的水下采油树

Aker公司在水下采油树研究方面已有超过20 a的经验，目前在全球已有700多套水下采油树在服役，主要包括高温高压采油树、立式采油树和卧式采油树。立式采油树有浅水型和深水型，卧式采油树有浅水型、深水型和大井眼型。表 4列出了Aker公司的采油树产品及相关参数。

3 基于LS17-2气田的水下采油树选型分析 3.1 LS17-2气田参数

LS17-2气田位于中国南海，水深为1 220~1 560 m，LS17-2气田产区有11口井，气田投产后地层压力将会逐渐降低，投产后初年地层压力(初始地层压力)见表 5。

从表 5可以看出，最高地层压力为40 MPa。另外，LS17-2气田11口井的地层温度为原始气藏温度，即86.0~95.5 ℃。

3.2 水下采油树类型选型分析

钻、产、弃、修井和应急等不同的操作工况都对水下采油树的类型选型有一定的要求。另外，开发模式、油藏特性和成本也对水下采油树的类型选型有一定影响。下面将从这些方面分别介绍。

3.2.1 不同工况下采油树类型选型分析

(1) 钻井工况。钻井工况下，无论是立式采油树还是卧式采油树均能较好地完成采油工作，不同之处在于不同采油树之间的结构以及修井的难易程度不同。

(2) 常规修井工况。在常规修井工况下，针对地层能量衰减、产层出砂出水而气井产量降低导致不能正常生产的情况，常采用捞砂作业和检泵作业；针对井内流体的侵蚀作用导致生产管柱损坏或气井出水而无法生产的情况，常采用更换生产管柱作业；针对固井质量差、地层垮塌或套管强度不够导致套管变形、破裂和错断，常采用修补套管作业；针对腐蚀性气体和盐水造成生产管柱腐蚀穿孔、断裂，使钻具掉落，常采用清理井下落物作业。综合来看，修井时需要下井作业，而卧式采油树在修井时不需要回收采油树而更具有优势。

(3) 生产工况。生产工况下，需要考虑油管尺寸以及油管悬挂器是否需要含有控制通路、测试通路、生产通道和电缆通等多种因素，进而选择合适的水下采油树类型。

(4) 弃井工况。对于弃井工况，可以参考Q/SY 36—2007^[8]执行。对比2种采油树后发现，卧式采油树在弃井方面表现更好。

(5) 应急修井工况。对于海上油气田的开发，应急修井工况常常涉及到钻井井喷和生产溢流2种情况。压井液流失导致井内压力不平衡、油井检测与应急失效和BOP失效都会导致钻井井喷，通常采取合理的井身结构，提高固井质量，加强井控设备检查维修以及控制气井内压力，必要时采取及时关井的方法。另外，腐蚀和冲蚀导致的渗漏、穿孔破裂以及密封失效的问题都会导致气田发生生产溢流，防止生产溢流的措施主要包括合理设计井口及采油树，例如采油树结构形式、压力等级和密封可靠性等多方面。

3.2.2 不同影响因素下采油树类型选型分析

(1) 水深及油藏的影响。LS17-2的深水条件，对所选水下采油树的压力等级提出一定的要求。深水条件下，海水温度降低，容易产生水合物，所选采油树需有水合物溶解介质主入端口；另外，深水腐蚀更容易发生，对所选水下采油树的材料等级提出一定的要求。

对于LS17-2油藏特性来说，需要在采油树的压力等级、温度等级和材料等级等方面提出要求。

(2) 开发模式的影响。水下生产系统主要有单井卫星井开发、多井卫星井开发和底盘井开发3种开发模式，开发模式对水下井口和采油树的特定要求直接决定了设备的类型和外输设备的结构。LS17-2有11口井口，卧式采油树更适合LS17-2气田这种多井口开发模式。

(3) 作业风险的影响。在清井方面，对于卧式采油树来说，井筒可以快速封闭，管柱可以快速解脱，管柱在脱开后易回接，而立式采油树在清井时有安全解脱工具，但脱开后再次对接较困难。

在生产过程中的保护方面，对于卧式采油树来说，在打开产层前下入采油树(水平井)，后续整个过程均有BOP组的保护；而对于立式采油树来说，在起出BOP组至下采油树期间，井筒仅有钢丝堵塞器封堵，一旦出现堵塞器密封不严，则缺乏对井筒的有效处理手段。

(4) 井口的影响。在井口兼容性方面，卧式采油树可与不同供应商的井口头匹配，而立式采油树在与不同供应商的井口头连接时必须要有转接头连接，极大地增加了成本与安装时间。

在井口承重方面，卧式采油树质量25~60 t，而立式采油树质量常低于30 t，部分井口对水下采油树的重力提出一定要求。

(5) 安全因素的影响。在安全可靠性方面，所选水下采油树在全寿命周期内需要在使用功能及寿命上满足油气田开发要求。除了满足在密封锁紧、冲蚀腐蚀和结构安全等方面的要求外，考虑到海底立管、BOP和LRP等坐落在采油树的上部与水下采油树相接触的装置，所选择的水下采油树的承载力需要满足要求。

(6) 经济因素的影响。选择采油树需综合考虑安装工期，安装工序复杂与否，购置费用和工具服务费用。

调研结果表明，LW3-1深水气田采用卧式树购置和工具服务费低于立式采油树的相应费用。另外，在工期方面，卧式采油树相比立式采油树，安装工期节约35.2 d。

(7) 安装工具的影响。在安装工具方面，立式采油树的安装工具较为复杂，可用资源和作业经验较少，卧式采油树的安装工具比较简单。

3.2.3 水下采油树类型选型推荐

结合前面所述的不同操作工况和影响因素下采油树选型分析，综合采油树的类型选型见表 6。

综合来看，卧式采油树更具有优势，因此LS17-2气田采用卧式采油树。

3.3 水下采油树工作条件和等级选型分析

美国石油学会标准API Spec 17D^[9]和API Spec 6A^[10]中给出了有关水下采油树的工作条件(压力等级、温度等级和材料等级)和产品性能等级的选择方法，并部分给出了采油树工作条件的选择实例。

3.3.1 压力等级

ISO 13628-4^[11]规定采油树的压力等级有3种：34.50(5 000 psi)、68.94(10 000 psi)和103.45 MPa(15 000 psi)。

根据Q/HS 2028—2010^[12]，井口设备额定工作压力不应低于最大地层孔隙压力，压力等级不能低于后续作业的最大压力值。另外，根据Q/HS 14024—2015^[13]，对于采气井来说，采油树额定工作压力应不低于最大地层孔隙的1.2倍。结合LS17-2气田的最高地层压力，所选采油树的额定压力应该不低于48 MPa，将经济因素考虑在内，选用的压力等级为68.94 MPa(10 000 psi)。

3.3.2 温度等级

温度等级指设备可以承受的温度范围，采油树有10个温度等级，如表 7所示。

LS17-2气田气藏温度为86.0~95.5 ℃，根据API 6A要求，考虑井口温度和海底泥线等环境温度，咨询厂家，U级(-18~121 ℃)为通用的常规标准等级，故推荐采油树温度等级选用U级。

另外，对于有冲击韧性要求(PSL3G等)的承压件，温度等级至少为U级；生产油嘴下游的设备，包括油嘴本体，设计温度应该到-40 ℃，以便供应低温流体输送。

3.3.3 材料等级

采油树有7个材料等级，分别为AA、BB、CC、DD、EE、FF和HH，等级越高说明所应对的环境越恶劣。对于LS17-2气田来说，H₂S和CO₂含量并不高，但是结合中国南海近年开发的水下油气田的水下采油树材料等级实例，出于安全与可靠性考虑，总结出水下采油树部件的材料等级优先选择如下：水下采油同生产介质表面相接触的部位选择HH级材料，环空通道采用EE级(或以上)材料。

3.3.4 采油树PSL等级

采油树PSL等级指的是设备在产品质量控制和试验中应该达到的等级要求。

API-6A中规定PSL包含1、2、3、3G和4这5个等级，等级越高，对应的技术质量要求越高。

考虑到LS17-2是气田，气田的水下采油树各项参数是水下采油树中要求最为苛刻的。产品质量控制和试验应符合ISO 10423^[14]中规定的PSL 3G的要求，并要求气密性试验。

3.3.5 采油树PR等级

鉴定部件所具有的设计、尺寸/公差、制造工艺及材质，证明产品的操作性能满足设计运行寿命和运行条件的要求。API-6A中规定有PR1和PR2 2个等级，其中PR2等级的采油树安全性和可靠性远高于PR1等级的采油树。表 8列出了PR2等级的不同测试要求^[10]。

3.4 采油树选型推荐

根据国外采油树的调研结果，选择其中满足各个等级要求的卧式采油树见表 9，其设计压力均为68.94 MPa(10 000 psi)，油管尺寸均为通径127.0 mm(5 in)，环空50.8 mm(2 in)。

目前，国内采用水下采油树生产的油气田有流花4-1 & 11-1油田、惠州26-1 & 32-5油田、荔湾3-1气田和崖城13-4气田^[15]等。表 10为国内水下采油树选用情况表。

对比表 9和表 10可以看出，国内油气田采油树的使用情况与笔者推荐的LS17-2气田水下采油树的选型结果保持一致。

4 采油树关键部件功能设计 4.1 油管悬挂器

油管悬挂器的作用是悬挂油管，为井下操作提供通道；为生产油流提供通道，并保证足够的屏障；提供井下电气液压、化学注入和SCSSV控制线路的贯穿等。采油树油管悬挂器由主体、锁紧机构、定位机构、密封机构和液压穿越系统组成，其结构见图 2。

4.1.1 设计油管悬挂器需要考虑的因素

设计油管悬挂器时，油管悬挂器的结构类型、工作条件(压力等级、材料等级和温度等级等)应与所选卧式采油树匹配；最大外径应与钻井隔水管和防喷器组的内径相匹配；油管悬挂器的本体满足井下管线穿越孔数量以及环空通道的要求。

4.1.2 基于LS17-2的油管悬挂器结构设计

基于采油树设计，依据LS17-2气田的实际情况和对水下采油树的技术要求，油管悬挂器的主要设计要求如下：①结构尺寸方面，油管悬挂器主体结构内径的选取需要综合考虑流量和生产过流通道内径的影响。根据ASME Ⅷ-2^[16]规范，计算LS17-2气田环境下油管悬挂器的最小厚度，并将腐蚀裕量考虑在内。②锁紧机构方面，油管悬挂器需要承受其上油管等的拉力载荷(通常超过1 000 kN)，推荐利用油管悬挂器下放工具直接推动的机械式锁紧机构，操作简单、结构可靠。③密封机构方面，考虑到生产油管悬挂在树体内部，油管悬挂器密封位于出油口上、下并由主要的金属对金属密封以及次级弹性密封组成。④油管悬挂器内部阻塞器方面，卧式采油树的油管悬挂器有单堵塞器油管挂和双堵塞器油管挂2种。推荐使用双阻塞器，下部阻塞器的作用是实现生产通路的隔离，顶部阻塞器的作用是实现注气通路与外部环境的隔离。

4.2 采油树帽设计选择

采油树帽为油管悬挂器上方的第2道压力屏障。考虑到采油树油管悬挂器内部阻塞器选用的为双阻塞器，因此可选择非承压的外部树帽，其结构如图 3所示。

基于采油树设计，依据LS17-2气田的实际情况和对水下采油树的技术要求，采油树帽的主要设计要求如下：①密封设计方面，密封选用MEC密封形式。②锁紧结构方面，锁紧机构包括推动环和C型锁紧环2个零件，锁紧机构有锁紧和解锁2个功能。

4.3 阀门设计选择

水下阀门是水下采油树关键部件，通过阀门的开启与关闭可以完成原油采集与化学物质注射等工艺动作。水下卧式采油树主要包括以下阀门：生产主阀(PMV)、生产翼阀(PWV)、修井阀(AAV)、环空主阀(AMV)、转换阀(XOV)、节流阀(PCV)和环空翼阀(AWV)，相关阀门的位置如图 4所示。

水下卧式采油树的阀门选择主要依据为水下卧式采油树使用的环境状况，应满足油气压力68.94 MPa、介质为油气混合物质、温度-18~121 ℃的主体要求。ISO 10423^[14]标准规定的水下阀门通径尺寸为46.0 mm( in)、52.4 mm( in)、65.1 mm( in)、77.8 mm( in)、103.2 mm( in)和130.2 mm( in)，额定压力均为69 MPa。

对于垂直通道的阀门来说，除了满足流量要求外，还应允许堵塞器和其余的工具通过，根据LS17-2生产通道的要求，生产主阀、翼阀、环空翼阀、生产隔离阀以及油管悬挂器出油口的公称直径均选为130.2 mm。另参照相关标准, 修井阀、转换阀和化学抑制剂注入阀(HIV)公称直径均为52.4 mm( in)。

5 结论

(1) 卧式和立式这2种结构形式的水下采油树各有优势，包括LS17-2气田在内的任何油气田均需要选用一种最合适的采油树。

(2) 在进行采油树结构类型选择时，需要充分考虑作业环境、井口影响、水深、开发模式等参数和钻、修、产、弃、应急等工况，这将进一步为工程节省时间成本。

(3) 采油树材料等级、压力等级、温度等级和产品规范等级等关键工作条件参数等级需要参照API相关规范来进行。

(4) 水下采油树的功能设计需要基于相关设计标准，根据目标油田对采油树总体性能要求和工程要求等方面进行设计。