2.2.5.1 水下井口
水下井口是深水钻井和采油的关键装置，每口水下探井或开发井需要一个水下井口。水下井口通常从浮式钻井装置下入，安装在泥线处或泥线附近。水下防喷器或水下采油树通过水下连接器与水下井口装置连接在一起工作。图2-25为深水井口结构示意图。
1）水下井口主要功能
钻井时水下井口与导管或套管一起下入，起支撑防喷器和密封套管环空作用；生产时水下井口连接采油树，起支撑采油树和油管悬挂器的作用。水下井口主要功能如下：
图2-25 深水井口结构示意图
①提供布置在井口上的钻采装备的高程基准面。
②支撑和密封套管柱。
③承受安装采油树过程中来自钻井、完井和生产操作的所有载荷，包括安装采油树过程中的偶然、极端和悬挂载荷。
⑤完井之后支撑上部水下采油树总成及油管挂。
水下井口装置与锁定、密封高压井口头的水下防喷器组一起使用。在完井之后，水下采油树锁定和密封高压井口头。水下井口主要由低压井口头、高压井口头、套管悬挂器和环空密封总成、公称外径保护器、防磨补芯、防腐帽等部件组成。
2）水下井口国内外研发概况
国际上的主要水下井口系统制造商包括美国的FMC公司、GE-Vetco公司、Cameron公司、Dril-Quip公司及挪威的Aker Solutions公司等。其中，FMC公司是最早研制水下井口和采油装置的企业，多年来该公司在海洋水下装备技术研究及产品开发方面积累了丰富的经验，企业规模较大，其主要业务包括水下井口、水下集输和水下管汇等多个方面，主要水下产品系统包括UWD-10型水下井口系统、UWD-15型水下井口系统、UWD-HC型水下井口系统等。GE-Vetco公司和Cameron公司以生产研制陆地和海洋井口、井控类产品、水下采油及海洋钻井隔水管等技术见长，其产品在国际市场占有较大份额，GE-Vetco公司水下井口主要有SG-5型和MS-700型，Cameron公司水下井口主要有STC型和STM型。Dril-Quip公司最主要的产品是水下井口，其在水下井口研发和服务方面有一定特色，国内使用该公司的水下井口装置较多，该公司的水下井口主要有SS-10型和SS-15型。
目前，水下井口应用的最大作业水深为3 411 m，为道达尔石油公司在乌拉圭钻的Ray-1井，该井为探井。水下井口在开发井中应用的最大作业水位为2 943 m，为壳牌公司的Perdido油田，位于墨西哥湾。
我国采用水下生产系统进行油气开采的时间较晚，而且国内工业基础与国外先进水平有一定差距，因此水下井口装置研发也起步较晚。近年来，我国不少企业在国家和石油公司的支持下大力开展水下钻采装备的技术研究工作，水下井口装置也是国内研制的重点设备之一。
3）水下井口的未来发展方向
（1）向高温、高压发展
海洋油气勘探开发正经历着一个从浅水到深水、从浅地层到深地层、从简单地层到复杂地层的过程，这就必然对海洋水下井口装置的性能不断提出新的要求，从而促进该产品的技术不断向前发展。当前，该产品的额定工作压力已从34.5MPa和69.0MPa发展到103.5MPa。不仅如此，2008年FMC公司已完成了额定压力达140MPa、试验压力为210MPa、适应温度达177℃及最大悬挂载荷为18 140kN海洋水下井口装置的研制开发工作。由此不难看出，今后海洋水下井口装置将向高温、高压方向发展。
（2）向多种类、系列化发展
随着钻井平台技术、小井眼钻井技术、大通径技术、岩屑回注技术及尾管悬挂技术的不断发展，相继出现了各类不同形式的海洋水下井口装置。例如，针对张力腿（TLP）平台和单挂式（SPAR）平台，出现了抗拉抗疲劳的海洋水下井口装置；针对小井眼钻井技术，FMC公司相继推出了通径为346.08 mm、374.65 mm及425.45 mm的系列化海洋水下井口装置；Dril-Quip公司还推出了可满足914 mm×660.4 mm×558.8 mm×457.2 mm×406.4 mm×346.07 mm×250.83 mm套管程序的大通径海洋水下井口装置；针对钻井岩屑回注需要，Dril-Quip公司和Aker Kvaerner公司相继推出了专用的具有带岩屑回注功能的海洋水下井口装置等。另外，随着钻井新技术、新工艺的不断出现，必将使海洋水下井口装置朝着多种类、系列化的方向发展。
（3）提高安全、可靠性
海洋水下井口装置属于井口、井控类产品，对海底油气井口起到密封保压的作用。由于井内产出的油气不仅具有易燃、易爆性，还伴随有大量H2S、氯等有毒有害物质，这都可能对海洋环境及钻井平台、工作人员的安全造成直接威胁。
（4）向更深水域发展
随着陆地和浅海油气资源的逐渐枯竭，世界主要海洋装备制造强国均已开始研究并制造大型化的海洋油气开发装备，目前水深范围已达到3 000 m以上，海洋油气开发装备的最大钻井深度可以达到9 000～12 000 m。根据美国权威机构统计分析，截至2018年全世界投入的海洋油气开发项目为530个，近5年投产的油气田中深水占40%。各大石油公司在深海领域的投资有不断增加的趋势。因此，海洋水下井口、采油装备将向超深水领域发展。(www.daowen.com)
2.2.5.2 水下采油树
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、油管挂和控制系统三部分。
1）水下采油树主要功能
水下采油树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，并和水下井口系统一起构成井下储层与环境之间的压力屏障。图2-26为两种典型的水下采油树结构示意图。除了远程控制方式外，水下采油树与地面采油树功能基本一样，具体包括：
①引导生产的油气进入海底管线，或引导注入地层的水／气进入井筒。
②通过对水下采油树阀门的远程控制，调节流体流量大小，必要时关井终止油气生产。
图2-26 水下采油树结构示意图
③油管挂用来支撑油管柱，并密封井下油管和生产套管之间的环形空间。
④监测油气井参数，如生产压力、环空压力、温度、地层出砂量、含水量等。
⑤提供测试和修井期间进入油气井筒的通道。
⑥向井筒或海底管线注入化学药剂，如防腐剂、防垢剂或水合物抑制剂，改善流体流动性能。
2）水下采油树国内外研发概况
据不完全统计，从20世纪60年代开始应用水下采油树以来，全球已经应用6 000多套水下采油树。表2-6列出国外水下采油树供应商及产品参数。由于水下采油树系统技术含量高，国外水下采油树制造商FMC公司、GE-Vetco公司、Aker Solutions公司、Cameron公司和Dril-Quip公司占据了市场的垄断地位。采油树的设计最大工作水深达3 000 m，温度范围-46～177℃，额定压力高达15 000psi。目前，已经应用的最深的水下采油树系统安装于墨西哥湾，水深2 934 m。国内经过10余年的国产化攻关，已基本具备锻件原材料供应、设计和机械加工能力，但由于起步晚，而且电液控制部件的相关配套产业底子相对薄弱，工程产品认证技术体系尚须完善。
表2-6 水下采油树供应商及产品参数
3）水下采油树的未来发展方向
目前水下采油树的最大应力等级为15 000psi，水下采油树的设计水深最大为3 000 m，因此须开发出满足20 000psi和超过3 000 m工况需求的水下采油树。另外，由于全电控采油树具备响应速度更快的优点，也是水下采油树控制方式的新发展方向。
（1）超高温高压采油树
2014年，FMC公司、Anadarko Solutions公司、英国石油公司、康菲石油公司和壳牌公司成立联合研发项目以开发新一代HTHP水下井口采油树，于2018年成功开发出井口压力20 000psi、井口温度177℃的水下采油树设备。
（2）水深等级大于3 000 m的水下采油树
道达尔石油公司于2016年3月底在乌拉圭水深3 411 m的Pelotas盆地钻探一口探井Raya-1井。须开发水深等级大于3 000 m的水下采油树。
（3）全电控的水下采油树
目前，Cameron公司、FMC公司等供应商能够提供全电控的水下采油树。由于采油树阀门无液压执行机构和液控管线，因此可减少控制脐带缆的尺寸和费用，且具备响应速度更快、重量相对较轻的优势。2008年道达尔石油公司在北海采用了2套Cameron公司制造的全电控水下采油树（井下安全阀仍需液压管线控制）。
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