深水油气井测试海底控制系统及其关键设备.pdf

． - 40 ．． 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 3年第 4 1 卷第 5期 ●海洋石油装备 深水油气 井测试海底控制系统及其关键设备 刘清友唐洋 西南石油大学机电工程学院 摘要 长期以来我国海洋油气井测试主要依靠引进 国外技术，严重制约 了该项技术在 我国的 发展。为此，研究了海洋油气井测试系统及其关键设备，并分析 了海底控制 系统应急作业流程。 分析结果表明，海底控制 系统对于深水测试过程起着决定性作用 ，其关键设备包括水下测试树 、 止 回阀、防喷阀、立管控制模块和蓄能器模块等。平 台综合控制系统可通过 电液信号对海底控制 系统的设备进行有序控制 ，并做 出迅速响应，以保证在危 险情况下对深水测试管柱 内液体 有效封 堵 ，以及迅速断开与撤离测试管柱。最后指 出海洋油气测试 系统对我国深水油气钻采装备发展 的 重要意义。 关键词深水 ；测试 ；海洋油气井；海底控制系统；应急作业 中图分类号T E 9 5 3 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 1 0 S e a Be d Co nt r o l S y s t e m f o r De e pwa t e r Oi l - g a s W e l l Te s t a n d Ke y Ap pa r a t u s L i u Q i n g y o u T a n g Y a n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g， S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y Ab s t r a c t T h e d o me s t i c o f f s h o r e o i l g a s we l l t e s t ha s be e n ma i n l y d e pe n d e n t o n f o r e i g n t e c h n o l o g i e s f o r a l o n g t i me ． Th i s s e rio u s l y r e s t r i c t s t h e d e v e l o p me n t o f t he t e c hn o l o g y i n Ch i n a ．Th e r e f o r e，t h e c o n s t i t u t i o n o f t h e o f f s h o r e o i l g a s we l l t e s t s y s t e m a n d t h e k e y a p p a r a t us we r e s t u d i e d． T he u r g e n c y o pe r a t i o n p r o c e d u r e o f t h e s e a be d c o n t r o l s y s t e m wa s a n a l y z e d ． T h e fi n d i n g s s h o w t h a t t h e s e a b e d c o n t r o l s y s t e m p l a y s a d e c i s i v e r o l e i n t h e p r o c e s s o f d e e p wa t e r t e s t ． Th e k e y a p pa r a t u s i n c l u d e s u n d e r wa t e r t e s t i ng t r e e，c h e c k v a l v e，BOP v a l v e，ris e r c o n t r o l mo d ul e，e n e r gy a c c umu l a t o r mo d u l e，a n d S O o n ． Th e c o mp r e h e ns i v e p l a tf o r m c o n t r o l s y s t e m c o n d u c t s a n o r d e r e d c o n t r o l o f t h e s e a b e d c o n t r o l s y s t e m t h r o u g h e l e c t r o h y d r a u l i c s i g n a l s ． I t ma k e s r a p i d r e s p o ns e s i n o r d e r t o e n s u r e a n e f f e c t i v e b l o c k i n g o f t h e l i q u i d i n t h e d e e p wa t e r t e s t s t rin g i n d a n g e r o us c o n di t i o ns ． I t c a n d i s c o n n e c t a n d e v a c u a t e t h e t e s t s t rin g r a p i d l y ． I t i s o f g r e a t s t r a t e g i c s i g n i fic a n c e a n d e c o n o mi c b e n e fi t t o s t r e n g t h e n t h e i nd e p e n d e n t d e v e l o p me n t a nd ma n u f a c t u r e o f t h e s u p p o r t i n g a pp a r a t u s f o r t h e de e p wa t e r o i l g a s we l l t e s t s y s t e m． Ke y wo r d s d e e p wa t e r；o f f s h o r e o i l - g a s we l l ； t e s t ； s e a be d c o n t r o l s y s t e m ； u r g e n c y o p e r a t i o n 0 引 言 深水区油气开采将成为未来油气勘探开发的主 战场 ，必须掌握与深水油气作业相关 的钻 完井 技 术 ，因此 ，开展深水油气开采相关技术和设备基础 研究就显得十分重要⋯。油气测 试是油 田开发与 生产过程中的一个重要环节，其作用突出，效果显 著。但 我 国在深 水 海洋 油 气测 试 工具 方 面较 落 后 J 。长期以来，我国海洋油气井测试主要依靠 国外 ，或购买国外测试工具和仪器 ，或请外国公司 完成 ，这样不仅花费大量的外汇 ，而且制约了我国 海洋油气井测试技术及相关 领域的发展 。因此 开展深水油气井测试相关系统和设备的研究对于我 基金项 目国家科技重大专项子课题 “ 深水 油气井测试关键技术研究 ” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 0 0 1 0 7 。 一 4 2一 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 5期 2 海底控制系统主要设备介绍 2 ． 1 水 下测试 树 水下测试树是深水油气井测试最典型的设备 ， 主要应用于深水浮式钻井平台完井测试 ，同时也应 用于井筒排液替喷 、水下维修和其他修井作业 中。 水下测试树随测试管柱下人 ，安装于水下防喷器组 内部 ，要求其外部轮廓与防喷器组内部结构配合 ， 以便在关井过程中使防喷器组与水下测试树对井眼 环空实现紧密封堵 ，防止井内油气喷出 ，实现在紧 急情况下防喷器剪切闸板对测试管柱剪切短节部位 剪切、快速撤离。水下测试树 由液压双球阀机构和 液压闩锁机构 2部分组成 见图 3 E s ] ，由前者对 测试管柱内部油气进行封堵 ，后者实现测试管柱 的 快速断开与连接。 图 3水 下 测 试树 结 构 图 F i g ． 3 S t r u c t u r d i a g r a m o f u n d e r w a t e r t e s t i n g t r e e l 一 闩锁机构 ；2 一上部球 阀；3 --下部球 阀。 水下测试树是深水油气井测试海底控制系统中 保证测试过程安全的关键设备 ，具有如下功能与特 点 。 1 双球阀处 于常闭状态，具有失效保护特 性 ；在液压作用下解锁 ，双球 阀实行独立闭合／ 开 启机制 ，具有双级球阀保护特性 。 2 在正压力 一定的情况下 ，双球 阀机构 可 实现泵通。 3 双球阀机构中，其中 1 个球阀具有剪断 3 8 ． 1 m m 1 i n 连续管的能力。 4 在测试树上端有 2个化学剂注人 口，可 将化学剂注入到测试树 内部 双级止回阀 。 5 测试树具有控制 断开功能，通过其上端 闩锁机构实现测试管柱 的断开 ，测试树 、止 回阀关 闭时间以及测试树断开时间不超过 1 5 s 。 6 应用于3 0 0 0 m水深时，若电信号失效则 可以直接采用液压对其进行控制。 7 实时数据 井压 、温度等采集能力 。 8 测试树外观轮廓设计要保证其能和水 下 防喷器组很好地结合。 2 ． 2止 回阀 止 回阀安装于水下测试树闩锁机构上部 。深水 测试过程中需紧急撤离时，在测试树 闩锁机构解锁 前 ，先通过平台控制系统关闭止回阀，在上部管柱 与水下测试树解脱后 ，保证其 内的油气水不会回流 造成测试管柱和污染海洋环境 。止回阀主要包含液 动球阀和双级密封机构 见图 4 。 深水油气井测试过程中，由于测试管柱 内极可 能含有高压气体 ，一旦止回阀不能对测试管柱内的 高压气体有效封堵 ，在测试管柱上提过程中，高压 气体就会不断排放到隔水管中，随着高压气体不断 上窜 ，将替换掉隔水管 中的介质 ，导致隔水管一段 空间内形成负压 ，在深水测试作业中，外界海水的 高压就可能导致隔水管爆裂。为了有效测试管柱 中 的高压油气，止 回阀应具有如下功能与特点 J 。 1 失效保护特性。 2 在紧急情况下实施关 闭，阻断测试管柱 上部流体流人隔水管。 3 可排放止 回阀球 阀和水下测试树上部球 阀间的高压流体 ，降低圈闭压力。 4 止 回阀结构 中有备 用密封和隔板 ，可实 现双级密封和双级隔板阻断 。 5 系统液压控制管线通过止 回阀端 口穿过 其主体连到水下测试树上 ，消除了控制管线被损坏 的风险。 图 4止 回 阀 结构 图 F i g ． 4 S t r u c t u r d i a g r a m o f c h e c k v a l v e 1 一液动球阀；2 --双密封机构 。 2 ． 3 防喷阀 防喷阀的作用是为测试管柱靠近测试平台段建 立 1 个可操作的屏障或为下放的测试工具提供润滑 油。基于在进行电缆或钢丝作业时 ，井 口防喷管的 长度可能受井架高度的限制或安全考虑 ，不能满足 电缆仪器或钢丝作业工具长度 的要求，因此将其置 石 油机械 2 0 1 3年第4 1卷第5期 3 在下入 或起 出作业 中，为保证控制 管线 不受损坏或不 出现卡壳甚至脱落，在蓄能器模块 中 沿长度方向开 了夹槽用以保护控制管线。 4 预充作业 可直接在钻机上进行 ，从 而缩 短下水后通过控 制管线进行充气 的时 间，减少充 气量。 3 国内外研究及应用现状 在近 5 0年海洋油气开发过程 中，深水测试海 底控制系统在欧美 国家 已拥有 了较为成熟 的研 发、 制造和专利技术 ，并广泛应用于西非 、巴西、爱尔 兰和安哥拉等深水油气测试作业过程 中。在国外进 行水下测试树研究 的主要是油气 田技术服务公 司， 如 E X P R O、S c h l u m b e r g e r 、B a k e r Hu g h e s 、P T S 和 H a l l i b u r t o n等全球五大石油服务公司。上述几大石 油服务公司基本都掌握了深水油气测试先进工艺技 术 ，并拥有先进深水测试相关设备研 发和制造能 力 。目前 ，在 国外进行深水测试海底控制系统生产 制造的公司主要是 E X P R O 、S c h l u mb e r g e r 和 P T S等 公司，各公司都制造出了具有自主知识产权的关键 设备系列化产 品，并在深水测试 中得到广泛应用 ， 例如 E X P R O公司的 E L S A系列、S c h l u m b e r g e r 公 司 的 S e n T R E E系列 以及 P T S公 司 的 S S T MO D U T r e e 水下测试树 。 国内 由于进行深水油气资源勘探开发时间较 短 ，在深水测试作业 时一般 以对外合作的方式进 行 ，导致 目前对于深水油气测试相关装备的研究非 常有限 ，只在少部分深水测试相关文献中对深水测 试海底控制系统有所报道。 4 结束语 与陆上油气测试系统相 比，海洋油气测试系统 除了在泥线 以下采用与陆相测试相似的设备外 ，还 要特别考虑复杂工况下海水段的设备 ，涉及测试管 柱安全问题和防止海洋污染 问题 ，所以海洋测试设 备比陆地上更为复杂。海洋测试系统中的大部分仪 器与设备将直接与井底喷出物接触 ，因此既要求设 备能承受高温和高压，还要求能够耐硫化氢腐蚀和 海水腐蚀。海洋油气井测试系统比陆上油气井测试 系统具有更苛刻的要求 。 随着我国 “ 十二五” 期间对南海深水油气开 发的战略部署和实施 ，深水油气开发相关技术以及 相关装备亟需掌握与运用。因此 ，大力开展与深水 油气井测试系统相配套装备的自主研发和生产制造 具有极大的战略意义和经济价值 ，也将是我 国深水 油气钻采装备发展过程中具有历史性的一步 。 参考文献 张晓涛 ．深水完井测试管柱结构设计 [ D]．东营 中国石油大学 ，2 0 1 0 ． Ex p r o ．Co s t e f f e c t i v e s o l u t i o n s f o r de e p wa t e r t e s t i ng [ E B ／ O L ]．[ 2 0 1 1 0 3 0 4 ]． h t t p ∥w e n k u ． b a i d u ． c o m／ v i e w ／ 4 2 a 6 6 6 6 8 2 5 c 5 2 c c 5 8 b d 6 b e d 8 ． h t m1 ． 中国石油 大学 ．海 上油气 井测 试 [ E B ／ O L]． [ 2 0 1 01 1 2 0 ]． h t t p ∥w w w ． d o c i n ． c o m ／ p一 9 8 9 4 4 791 ． h t m． S t o mp R J ，F r a s e r G J ，Ac t i s S C，e t a 1 ． D e e p wa t e r D S T p l a n n i n g a n d o p e r a t i o n s f r o m a D P v e s s e l[ R]． S PE 9 05 5 7， 2 0 04 ． E x p r o ． S u b s e a s a f e t y s y s t e m s[ E B ／ O L ]．[ 2 0 1 20 6 2 3 ]． h t t p ∥ e x p r o g r o u p ． c o m ／ w p c o n t e n t ／ u p l o a d s ／ E l s a DH Di r e c t Hy d r a u l i c ． p d f ． Ga t h e r a r N，C o l l i e G J ． Di v i c e f o r i n s t a l l a t i o n a n d fl o w t e s t o f s u b s e a c o m p l e t i o n s U S ，7 1 1 4 5 7 1[ P ]． 2 0 0 6 031 0 ． Ho e 1 K W ． S u b s e a l u b r i c a t o r d e v i c e a n d me t h o d s o f c i r c u l at i n g f l u i d s i n a s u b s e a l ubr i c a t o r U S ，7 3 3 1 3 9 3[ P ]． 2 0 080 21 9 ． 杨少坤，代一丁，吕音 ，等 ．南海深水天然气测 试关键技术 [ J ]．中国海上油气 ，2 0 0 9 4 2 3 7 2 41 ． Et c h e v e r r y C F， C l a u d i o R F ． I n n o v a t i v e a d a p t a t i o n o f s u bs e a t e s t t r e e s u c c e s s f ul l y t e s t s u l t r a de e p wa t e r we l l s i n t h e C a m p o s B a s i n ，B r a z i l[ R]． S P E 5 3 9 4 5 ，1 9 9 9 ． 刘俊霞 ．深层气井试气工艺设计研究 [ D]．东 营中国石油大学，2 0 0 8 ． 于振华 ．深水浮式平台试油测试技术 [ J ]．油气 井测试 ，2 0 0 7 6 3 8 3 9 ． 孙合朋，李四江 ．海上试油测试的一些特殊设备 及工艺简介 [ J ]．中国石油和化工标准与质量， 2 0 1 1 ，3 1 9 1 0 51 0 6 ． 第一作者简介刘清友，教授，博士研究生导师，生 于 1 9 6 5年 ，现从事油气装备设计与仿真研究及相关工作。 地址 6 1 0 5 0 0 四川省成都市。电话 0 2 8 8 3 0 3 7 2 2 7 。E ma i l l i uq y 66 y a ho o ．c o n． e n。 收稿 日期 2 0 1 21 21 8 本文编辑南丽华 1 { ] ] ] ] ] ] ] ] ] 0 1 2 IJ