0 引言

水下采油树系统是海洋油气生产系统中的关键设备，也是制约我国海洋深水油气开发的瓶颈，水下采油树配套工具的研制和安装作业的工艺研究是水下采油树系统研发的重要组成部分。水下采油树配套工具种类繁多，涉及水下采油树和油管悬挂器等水下设备的吊装、运输、安装、回收、测试、试运转及使用维护等多种功能需要。目前，国外水下采油树系统配套工具的研究日趋成熟，并逐渐向系统化、系列化和标准化方向发展，相继研发出适用于不同水深和压力条件下的配套工具。我国在相关领域的技术研究尚处于起步阶段，国内海洋油气田开采过程中多采用联合开采或租用国外各种水下工具产品模式，导致海上开采作业耗资巨大、成本高，难以摆脱海洋油气开采受制于他国的局面，严重阻碍了我国海洋钻采技术的发展。通过对水下采油树系统完井程序、配套工具设计关键技术、加工制造技术以及性能验证试验技术的研究，可进一步明确未来水下采油树配套工具的研究重点和发展方向。

1 国内外技术现状

目前，深水水下采油树及其配套工具供应商主要集中在欧美等发达国家，例如美国FMC、DRIL-QUIP和Vetco Gray，挪威Aker Solutions等公司，控制了全球约90%的海洋钻采设备市场份额。上述公司的水下采油树及其配套工具基本同步发展，工具仅适用于本公司的水下采油树系统，具备不同的优势和产品特点^[1]。FMC公司在该领域起步较早，其产品种类齐全，安全性和可靠性高；挪威Aker Solutions公司产品作业水深和耐压等级高，具有水下采油树测试和紧急断开等功能；DRIL-QUIP公司研制的测试桩、油管挂下放工具、清洗工具和Vetco Gray公司研制的水下采油树偏心下放工具、防磨补心下放工具等也有工程应用业绩。

经过多年的努力，国内水下采油树及配套工具的研究取得了一定进展，逐渐摆脱了“水下采油树及配套工具研发的主、辅脱节”现象。例如宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称宝石机械)完成了可满足1 500 m工作水深的典型无导向绳式水下卧式采油树及配套工具(见图 1)的研制，并于2018年底完成了水下卧式采油树浅水试验，效果良好，如图 2所示。宝石机械与重庆前卫海洋工程设备有限公司联合开发了满足500 m工作水深的导向柱式水下立式采油树及配套工具^[2-3]，并于2020年1月完成立式采油树出厂试验和浅水试验。江汉石油钻头股份有限公司研发了卧式采油树油管悬挂器的对接定位装置和导向基座井口锁紧装置。江苏金石机械集团于2010年与美国Argus公司采用联合研发模式，在中国市场推出了国内首个AZ-10型单孔式水下采油树。国内部分高校，如中国石油大学(北京)和中国石油大学(华东)等也在水下采油树和油管悬挂器的安装作业流程、可靠性分析、配套工具关键结构设计及测试技术等方面做了大量基础研究^[4-7]。

2 采油树系统结构及配套工具的功能和组成

水下采油树系统的发展历经了干式、干/湿混合型、沉箱式和湿式采油树等四个阶段，与其配套的工具也随采油树系统的发展而发展。湿式采油树根据生产流道布局形式和油管悬挂器(Tubing Hanger，TH)的坐放位置不同，分为水下卧式采油树和水下立式采油树两种，如图 3所示。油管悬挂器不同的安放位置决定了水下采油树及油管悬挂器的安装回收工艺流程，也直接影响了采油树系统配套工具的种类和使用。

水下采油树配套工具由一系列工具组成，是水下采油树系统在吊装、运输、安装、回收、测试、使用及维护等过程中的关键设备，工具之间相对独立，又相互关联，其性能的好坏直接影响安装作业的成本、安全及环境要求等。以宝石机械研制的水下卧式采油树配套工具为例，工具组成如图 4所示。配套工具可实现水下采油树在工厂内吊装、检查、测试和在甲板上的吊运、安装前测试、下入安装测试和回收等功能，主要分为安装回收、吊装运输、检查测试和紧急处理4大类工具。例如水下采油树和油管悬挂器安装回收工具用于远程安装、锁紧后测试和回收采油树及油管悬挂器；采油树测试桩用于在厂内或甲板作为模拟井口，实现对VX密封垫环、悬挂器密封组等进行压力测试，以及采油树的预安装和功能测试；冲洗工具则用于水下采油树和油管悬挂器锁紧槽和密封面冲洗；防喷器测试工具用于在水下防喷器组与水下采油树连接后，作为测试堵头，完成连接密封的压力测试。

3 配套工具核心技术 3.1 设计技术

由于水下采油树工具类型较多，功能差异性大，所以其设计技术难点较多，但通过分析，其核心关键技术主要表现在以下几个方面。

3.1.1 安装回收设计技术

根据水下采油树和油管悬挂器的下入回收工艺和使用环境，其安装回收工具设计需解决远程导向、锁紧解锁和软着陆问题^[8]。从锁紧解锁机构形式分，水下采油树安装回收工具有机械式和液控式两种，如图 5所示。两种采油树安装回收工具可承载能力相近，各有千秋，机械式工具质量轻、结构简单、操作方便，避免了液控式工具液缸和锁块的动作不同步及液压系统高依赖性等问题，但不具备紧急解锁功能；而液控式工具常采用活塞运动驱动锁紧机构，多液压缸结构致使其质量大，结构复杂。油管悬挂器安装回收工具(Tubing Hanger Running Tool，THRT)设计主要包括工具主体设计、油管悬挂器锁紧解锁机构设计、工具锁紧解锁机构设计和密封结构设计^[9]。该工具连接油管悬挂器后，需穿过完井立管和防喷器组的中心通道下放至目标锁定位置，因此该工具结构设计受通道最小通径的限制。同时，工具需提供多个控制流道，以满足油管悬挂器的锁紧解锁、密封测试、井下管线和阀门的功能测试要求，不仅导致工具上执行机构多，而且使得本体上的液压流道错综复杂，如图 6所示。紧急回收类工具的回收机构设计往往通过远程ROV辅助转动、连接热刺液压驱动或钻杆转动等驱动方式实现锁紧机构解锁，使设备脱离后回收。

3.1.2 锁紧解锁技术

配套工具与采油树或油管悬挂器之间，以及工具之间需要可靠连接和有效锁紧，其锁紧与解锁形式多样，按锁紧形式可分为内锁式和外锁式，按执行机构的结构形式可分为锁块、开口锁环和卡爪等，如图 7所示。外锁式开口锁环接触面积大，可提供较大的锁紧力，解锁时锁环自动弹开，多用于深水工具。内锁式锁块接触面积较小，解锁时需要施加拉力以实现解锁，多用于浅水或陆地工具。虽然结构和锁紧方式不同，但是工作原理相似，通过锁紧齿面位置的变化，实现锁紧机构与被连接件的锁紧或解锁。锁紧机构关键是确定锁块的锁紧角度、解锁角度以及锥面角，使其既能有效锁紧，又不会自动解锁^[10]；其次，还可增加指示机构，用于远程观测锁紧机构状态；增加二次锁定机构，防止工作过程中意外解锁脱离，提高连接的可靠性。

3.1.3 远程导向定位技术

根据导向方式的不同，配套工具也可分为外部导向工具和内部导向工具两类。水下采油树安装回收工具就是典型的外部导向工具；油管悬挂器安装回收工具、孔保护器及铅印工具等在隔水管内部作业的工具属于典型的内部导向工具。外部导向类工具有导向架导向和锥形体导向两种结构形式，例如DRIL-QUIP公司的水下立式采油树及其四臂导向架工具，安装深度小于500 m的浅水采油树，安装回收工具与导向架一起沿水下永久导向基座上的导向柱内的导向索移动实现导向；深水采油树的安装回收工具则常采用工具底部的锥形导向体导向。内部导向类工具的导向结构有导向槽、导向凸块和导向销，能够满足精确导向定位的要求。

3.2 加工制造技术

配套工具对可靠性和稳定性要求高，且结构复杂、加工制造和装配精度要求严格，而普通机床和制造技术无法完成特定结构的加工。经过不断探索，宝石机械在生产路线、工艺方案、加工流程和制造过程控制等方面形成了独有的加工技术。以油管悬挂器安装回收工具本体超深细长孔加工为例，通过刀杆减振技术与机床配套设计技术，解决了由于外悬刀杆过长产生的机械振动无法保证尺寸控制和加工质量的问题；再以冲洗工具中深度的异形沟槽曲面的加工为例，通过在机床上增加机电复合平旋盘装置，并结合控制元件和执行元件的一致性试验，成功打破了机床U轴结构仅适用于孔口端部复杂曲面加工的限制；针对工具中承压件的密封、液体防漏等零件表面需达到镜面、亚镜面的要求，通过开发特殊结构的刀杆和刀头，采用表面光整加工工艺，有效保证了工件表面质量。

3.3 试验技术

对于配套工具，除按出厂试验的要求试验外，还需进行性能验证试验和浅水试验，以验证设计及加工制造的准确性，检验配套工具性能指标是否满足标准要求。但目前国内关于试验流程、试验参数和设备，以及试验注意事项等细节信息较少。首先，API 17D及API 6A系列标准只给出了水下采油树及配套工具制造和试验等环节过程控制和衡准依据的关键要点^[11]；其次，国内厂家自主研制的水下采油树完成的试验内容较单一^[12]，还没有已完成整套试验的记录；再次，缺少满足试验条件的专业试验设备和试验场地。宝石机械通过试验规范明确了试验验证方法和流程，并在已有试验设备的基础上，新研制了弯曲载荷试验机和外压试验高压舱等试验装置，搭建了试验平台，顺利完成了配套工具载荷试验、静水压试验、密封试验等功能及性能试验。

4 配套工具发展建议

一套精良的水下采油树配套工具为水下采油树安全可靠作业和海洋油气顺利开采提供了重要保障，现就配套工具未来的发展提出以下建议。

4.1 专业化设计

水下采油树配套工具的结构和功能与相对应的水下采油树系统匹配，其设计具有专属性和排它性。为加快配套工具的研发速率，在国产化发展前期，应针对特有海域使用工况、水下采油树系统的结构特点和下放安装回收工艺，进行配套工具专业化设计，保证配套工具种类和功能的完整性。在发展后期，通过工业性试验和工程应用积累经验，待相关技术成熟后，配套工具再向通用化方向发展。

4.2 模块化设计

进行水下采油树系统作业时，存在油管悬挂器、采油树内帽、孔保护器和钢丝绳塞等多种水下设备的下入、安装、检测和回收要求，在设计该类设备的安装回收工具时，可对不同结构的转换接头进行模块化设计，通过连接相同结构的工具主体，实现一种工具用于多种水下设备。另外，为了简化工艺流程，将冲洗装置设计成独立模块，可灵活与安装、测试、回收类工具自由组合并连接，达到单次下放主体工具就能完成冲洗作业和其他作业的目的，节省时间。

4.3 集成化设计

海洋水下采油树系统建设周期长、造价高、风险大，如果单种工具能够集成冲洗、安装、检测和应急解脱等功能，实现一具多用或多井共用，就可简化操作流程、降低成本，提高安全性和可靠性。例如水下采油树和油管悬挂器配套的下入回收工具，集成安装锁紧反馈装置，实现安装状态的可视化监测；集成紧急解锁功能，如出现突发状况时不下入剪断工具，实现主设备的快速解锁和脱离。

5 结束语

本文对水下采油树配套工具的国内外发展状况及配套工具研制的重要性和必要性进行了分析，以宝石机械研制的水下卧式采油树配套工具为例，研究了配套工具的种类、功能和技术特点，详细阐述了水下采油树安装回收工具和油管悬挂器安装回收工具的设计技术，以及远程锁紧解锁技术、导向定位技术和关键件强度分析等技术，形成了系统的水下采油树配套工具设计技术，为系统的设计和使用水下采油树配套工具提供了理论依据。在制造试验方面，宝石机械通过开发刀杆减振技术、机电复合平旋盘装置以及表面光整加工技术等，解决了复杂结构件、异形曲面和高精表面的加工难题；通过形成一套完整的产品验证方法和搭建试验平台，完成了出厂试验、性能检验试验及浅水试验等系列试验，验证了配套工具结构和制造的准确性。最后针对工具研制中的技术难题，提出了专业化设计、模块化设计和集成化设计的水下采油树配套工具发展建议，这些建议对水下采油树配套工具的研发具有一定的指导意义。