水下采油树线性覆盖工具方案设计及优选
程友祥+曹伟枫
[摘 要]为了满足我国海洋石油的战略发展需求，海上油气田的开发重点逐渐从浅水走向深水。深水线性覆盖工具具有在水下可以高效利用水下ROV的优点，其对操作线性覆盖工具的水下ROV要求较低，能提高修井/完井的工作效率；在保养期间可以将主活塞缸与基座等分开保养，降低工具保养的难度和成本。深水线性覆盖工具具有技术创新性高、操作简单的特点。选择线性覆盖工具产品的产业化，将创造客观的经济效益，同时它还有利于打破国外的技术封锁，填补国内空白，增强国际市场竞争力。
[关键词]线性覆盖工具；方案设计；工作原理；对比分析
[中图分类号] TE95 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）04-0088-03
引言
据资料分析，从2013年-2017年，5年内的深水石油开发投入将超过海上油气开发总投入的50%。[1]我国南海的石油地质储量占中国石油储量的1/3，其中70%以上蕴藏在深水区域。[2]但是我国的大洋工作始于20世纪70年代，起步较晚，深海海洋科学技术研究和发达国家相比还存在着不小的差距。目前，我国的深海石油作业项目基本上依靠国外的技术和装备实现，不但施工费用昂贵，而且工期由国外的大公司掌握，难以保证要求。
在水下生产系统过程中，由于油气生产的过程会产生水化物，极易堵塞采油树连接管道及采油树树体内部管道，因此，修井/完井系统是水下生产系统中必不可少的系统之一。在修井/完井系统中，涉及水下采油树阀门的打开或关闭，及如何可靠的保证阀门打开或关闭状态的问题，而线性覆盖工具就是操作阀门必不可少的工具之一，它具有保证水下阀门的打开或关闭状态的能力。对于修井/完井系统来说，线性覆盖工具具有非常关键的作用。若其不能正常的打开或关闭采油树阀门和保持打开与关闭采油树阀门状态，水下采油将树不能正常完成修井/完井过程，这会导致采油树泄漏等灾难性后果，造成巨大的经济损失，甚至危害到国家海洋的战略利益。
因此，研发具有自主知识产权的水下采油树线性覆盖工具及其相应的配套系统，对于提升我国水下生产技术竞争力，促进我国国内深水油气开发，保障深水油气田安全运行具有重要的意义。而在深水工作的采油树，其打开或关闭采油树阀门的线性覆盖工具是油气开发中的关键设备之一，被广泛用于水下采油树的阀门操作过程中。虽然目前国内外出现了类似的线性覆盖工具，但其对水下ROV操作要求较高，且操作过程较为繁琐，同时其操作压力较小，应用前景不广，技术创新性不高。
一、国内外线性覆盖工具分析
目前国内市场上的线性覆盖工具是对国外的线性覆盖工具的简单复制。其在实际应用过程中，出现了线性覆盖工具液压推力大小过低不能打开或关闭阀门，线性覆盖工具液压油泄漏严重等问题，造成了严重的海洋污染；且在实际操作过程中，其对水下ROV操作不友好，导致水下ROV操作过于繁琐，影响到完井/修井的效率，增加了采油成本。
在国外市场上，目前线性覆盖工具技术主要由Ocea-neering、Subsea 7等海洋石油装备公司所掌握。Oceaneering公司的线性覆盖工具如图1所示。该线性覆盖工具由标准A型接口、旋转限位销、接口适配器、活塞保护套、活塞缸、活塞杆、活塞缸后端盖、D型把手，即插式液压插头组成。
其工作原理如下。水下ROV携带线性覆盖工具至水下采油树需操作阀门前，通过操作ROV定位，将线性覆盖的A型接口与阀门接口配合，此时旋转ROV从而带动线性覆盖工具旋转，由于A型接口上安装有旋转限位销，故使得线性覆盖工具旋转45°后得到限位。此时连接有液压线的即插式液压插头插入插孔中，接通线性覆盖工具与水下ROV，形成液压通路。此时，水下ROV提供液压，液压进入活塞缸中，推动活塞杆，进而推动阀门内的操作杆，从而使得采油树阀门打开或关闭。而此时旋转高压球阀组件可以对液压通路进行保压，从而达到液压锁定活塞杆，保证阀门打开或关闭状态。
如图2为Subsea 7公司研发的线性覆盖工具。该线性覆盖工具由标准阀门接头、活塞缸、活塞缸后端盖、活塞保护壳组成，该线性覆盖工具在水下操作时，需要其和水下扭转工具配合使用。其工作原理如下：水下ROV携带装配好的工具组件，至水下采油树阀门端口，操作水下ROV，使得线性覆盖工具接口与阀门接口配合，在进入配合位置后，扭转工具旋转，使得线性覆盖工具整体旋转，使其阀门接口旋转至锁定位置。当完成接头的锁定后，水下ROV提供液压力，液压油进入线性覆盖工具活塞缸，活塞杆运动，推动阀门内杆运动，从而打开或关闭阀门。在保持阀门打开或关闭状态时，只能够通过水下ROV提供液压，保持阀门打开或锁定状态。
二、线性覆盖工具方案设计
本文针对以上线性工具存在的问题，设计出一种操作压力大，技术创新性高，水下ROV操作友好的线性覆盖工具。
为实现打开或关闭水下采油树阀门的功能，线性覆盖工具的总体设计方案如图3所示。线性覆盖工具主要结构为受力情况较好的轴对称圆柱形结构。线性覆盖工具主体设计时考虑了海水的静压力作用，能够承受深水及超深水的静压力作用。线性覆盖工具通过左边的标准A型接口与水下阀门接头配合，标准A型接头通过接口适配器与主活塞缸连接，在主活塞缸后端盖上连接有快速推进活塞缸装置，用于线性覆盖工具在对接过程中的快速移动。线性覆盖工具旋转运动的实现，是通过最右面的液压旋转器连接旋轉传递轴、十字形盘、快速移动活塞缸从而将旋转器的旋转运动传递给线性覆盖工具的主活塞缸与标准A型接头，进而实现线性覆盖工具的旋转锁定。
线性覆盖工具工作过程如下。水下ROV携带线性覆盖工具至采油树阀门接口前，水下ROV上单对接点TDU装置与采油树插孔配合，从而保证了线性覆盖工具轴线与采油树阀门组件在同一轴线上。此时，连接在水下ROV上的液压中心提供液压力，线性覆盖工具的快速移动活塞缸工作，推动活塞缸及A型接口组件向阀门方向移动一定距离，此时液压中心提供液压给液压旋转器，旋转器通过传动机构带动旋转轴、十字形连接盘、快速移动活塞缸及主活塞缸旋转，通过基座内的45°限位旋转槽及A型标准接头上的限位销，从而保证线性覆盖工具旋转锁定时只转动45°。当锁定工具锁定在阀门上后，主活塞缸通入液压油并开始工作，活塞杆推动阀门内操作杆移动，从而实现阀门的打开或关闭。
三、设计产品与现有产品对比分析
通过分析目前深水阀门应用的主流线性覆盖工具，针对其在实际操作中遇到的一些操作困难，笔者提出本文的设计方案，即针对操作水下ROV操作不友好的方面，提出一种操作壓力大，技术创新性高，水下ROV操作友好的深水线性覆盖工具。
四、结语
通过对比可以看出，本文提出的深水线性覆盖工具具有在水下可以高效利用水下ROV的优点，对操作线性覆盖工具的水下ROV要求较低，能提高修井/完井的工作效率；在保养期间可以将主活塞缸与基座等分开保养，降低了工具保养的难度和成本。同时本文提出的深水线性覆盖工具具有技术创新性高、操作简单的优点。
随着我国海洋石油战略的发展，海上油气田的开发重点逐渐从浅水走向深水。随着我国南海海域的水下项目逐渐增长，水下的生产系统主要依赖于国外进口，由于进口的水下产品售价高昂，这大大提高了我国深水油气田开发的技术成本。所以，选择线性覆盖工具产品的产业化，能在创造客观的经济效益的同时，打破国外的技术封锁，填补国内空白，增强国际市场竞争力。同时，这也能够带动液压、金属材料、机械制造等周边相关产品的发展，从而取得显著的社会效益。可见，水下线性覆盖工具产业的应用前景十分广阔。[3]
[ 参 考 文 献 ]
[1] Offshore，deep，ultra-deepwater capex to coninue growing to 2017[EB/OL].http：//www.offshore-mag.com/content/os/en/articles/print/volume-73/issue-8/departments/subsea_syste-ms/deep_ultra-deepwater-capex-to-conue-growing-to-2017.html.2013-08-08.
[2] 付剑波，曹为.深水水下回接系统的选择[J].中国造船，2010（增刊2）：202-206.
[3] 魏彦，程涛，韩雁凌.深水水下连接器工作原理及选型对比[J].中国造船，2014（增刊1）：346-349.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]为了满足我国海洋石油的战略发展需求，海上油气田的开发重点逐渐从浅水走向深水。深水线性覆盖工具具有在水下可以高效利用水下ROV的优点，其对操作线性覆盖工具的水下ROV要求较低，能提高修井/完井的工作效率；在保养期间可以将主活塞缸与基座等分开保养，降低工具保养的难度和成本。深水线性覆盖工具具有技术创新性高、操作简单的特点。选择线性覆盖工具产品的产业化，将创造客观的经济效益，同时它还有利于打破国外的技术封锁，填补国内空白，增强国际市场竞争力。
[关键词]线性覆盖工具；方案设计；工作原理；对比分析
[中图分类号] TE95 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）04-0088-03
引言
据资料分析，从2013年-2017年，5年内的深水石油开发投入将超过海上油气开发总投入的50%。[1]我国南海的石油地质储量占中国石油储量的1/3，其中70%以上蕴藏在深水区域。[2]但是我国的大洋工作始于20世纪70年代，起步较晚，深海海洋科学技术研究和发达国家相比还存在着不小的差距。目前，我国的深海石油作业项目基本上依靠国外的技术和装备实现，不但施工费用昂贵，而且工期由国外的大公司掌握，难以保证要求。
在水下生产系统过程中，由于油气生产的过程会产生水化物，极易堵塞采油树连接管道及采油树树体内部管道，因此，修井/完井系统是水下生产系统中必不可少的系统之一。在修井/完井系统中，涉及水下采油树阀门的打开或关闭，及如何可靠的保证阀门打开或关闭状态的问题，而线性覆盖工具就是操作阀门必不可少的工具之一，它具有保证水下阀门的打开或关闭状态的能力。对于修井/完井系统来说，线性覆盖工具具有非常关键的作用。若其不能正常的打开或关闭采油树阀门和保持打开与关闭采油树阀门状态，水下采油将树不能正常完成修井/完井过程，这会导致采油树泄漏等灾难性后果，造成巨大的经济损失，甚至危害到国家海洋的战略利益。
因此，研发具有自主知识产权的水下采油树线性覆盖工具及其相应的配套系统，对于提升我国水下生产技术竞争力，促进我国国内深水油气开发，保障深水油气田安全运行具有重要的意义。而在深水工作的采油树，其打开或关闭采油树阀门的线性覆盖工具是油气开发中的关键设备之一，被广泛用于水下采油树的阀门操作过程中。虽然目前国内外出现了类似的线性覆盖工具，但其对水下ROV操作要求较高，且操作过程较为繁琐，同时其操作压力较小，应用前景不广，技术创新性不高。
一、国内外线性覆盖工具分析
目前国内市场上的线性覆盖工具是对国外的线性覆盖工具的简单复制。其在实际应用过程中，出现了线性覆盖工具液压推力大小过低不能打开或关闭阀门，线性覆盖工具液压油泄漏严重等问题，造成了严重的海洋污染；且在实际操作过程中，其对水下ROV操作不友好，导致水下ROV操作过于繁琐，影响到完井/修井的效率，增加了采油成本。
在国外市场上，目前线性覆盖工具技术主要由Ocea-neering、Subsea 7等海洋石油装备公司所掌握。Oceaneering公司的线性覆盖工具如图1所示。该线性覆盖工具由标准A型接口、旋转限位销、接口适配器、活塞保护套、活塞缸、活塞杆、活塞缸后端盖、D型把手，即插式液压插头组成。
其工作原理如下。水下ROV携带线性覆盖工具至水下采油树需操作阀门前，通过操作ROV定位，将线性覆盖的A型接口与阀门接口配合，此时旋转ROV从而带动线性覆盖工具旋转，由于A型接口上安装有旋转限位销，故使得线性覆盖工具旋转45°后得到限位。此时连接有液压线的即插式液压插头插入插孔中，接通线性覆盖工具与水下ROV，形成液压通路。此时，水下ROV提供液压，液压进入活塞缸中，推动活塞杆，进而推动阀门内的操作杆，从而使得采油树阀门打开或关闭。而此时旋转高压球阀组件可以对液压通路进行保压，从而达到液压锁定活塞杆，保证阀门打开或关闭状态。
如图2为Subsea 7公司研发的线性覆盖工具。该线性覆盖工具由标准阀门接头、活塞缸、活塞缸后端盖、活塞保护壳组成，该线性覆盖工具在水下操作时，需要其和水下扭转工具配合使用。其工作原理如下：水下ROV携带装配好的工具组件，至水下采油树阀门端口，操作水下ROV，使得线性覆盖工具接口与阀门接口配合，在进入配合位置后，扭转工具旋转，使得线性覆盖工具整体旋转，使其阀门接口旋转至锁定位置。当完成接头的锁定后，水下ROV提供液压力，液压油进入线性覆盖工具活塞缸，活塞杆运动，推动阀门内杆运动，从而打开或关闭阀门。在保持阀门打开或关闭状态时，只能够通过水下ROV提供液压，保持阀门打开或锁定状态。
二、线性覆盖工具方案设计
本文针对以上线性工具存在的问题，设计出一种操作压力大，技术创新性高，水下ROV操作友好的线性覆盖工具。
为实现打开或关闭水下采油树阀门的功能，线性覆盖工具的总体设计方案如图3所示。线性覆盖工具主要结构为受力情况较好的轴对称圆柱形结构。线性覆盖工具主体设计时考虑了海水的静压力作用，能够承受深水及超深水的静压力作用。线性覆盖工具通过左边的标准A型接口与水下阀门接头配合，标准A型接头通过接口适配器与主活塞缸连接，在主活塞缸后端盖上连接有快速推进活塞缸装置，用于线性覆盖工具在对接过程中的快速移动。线性覆盖工具旋转运动的实现，是通过最右面的液压旋转器连接旋轉传递轴、十字形盘、快速移动活塞缸从而将旋转器的旋转运动传递给线性覆盖工具的主活塞缸与标准A型接头，进而实现线性覆盖工具的旋转锁定。
线性覆盖工具工作过程如下。水下ROV携带线性覆盖工具至采油树阀门接口前，水下ROV上单对接点TDU装置与采油树插孔配合，从而保证了线性覆盖工具轴线与采油树阀门组件在同一轴线上。此时，连接在水下ROV上的液压中心提供液压力，线性覆盖工具的快速移动活塞缸工作，推动活塞缸及A型接口组件向阀门方向移动一定距离，此时液压中心提供液压给液压旋转器，旋转器通过传动机构带动旋转轴、十字形连接盘、快速移动活塞缸及主活塞缸旋转，通过基座内的45°限位旋转槽及A型标准接头上的限位销，从而保证线性覆盖工具旋转锁定时只转动45°。当锁定工具锁定在阀门上后，主活塞缸通入液压油并开始工作，活塞杆推动阀门内操作杆移动，从而实现阀门的打开或关闭。
三、设计产品与现有产品对比分析
通过分析目前深水阀门应用的主流线性覆盖工具，针对其在实际操作中遇到的一些操作困难，笔者提出本文的设计方案，即针对操作水下ROV操作不友好的方面，提出一种操作壓力大，技术创新性高，水下ROV操作友好的深水线性覆盖工具。
四、结语
通过对比可以看出，本文提出的深水线性覆盖工具具有在水下可以高效利用水下ROV的优点，对操作线性覆盖工具的水下ROV要求较低，能提高修井/完井的工作效率；在保养期间可以将主活塞缸与基座等分开保养，降低了工具保养的难度和成本。同时本文提出的深水线性覆盖工具具有技术创新性高、操作简单的优点。
随着我国海洋石油战略的发展，海上油气田的开发重点逐渐从浅水走向深水。随着我国南海海域的水下项目逐渐增长，水下的生产系统主要依赖于国外进口，由于进口的水下产品售价高昂，这大大提高了我国深水油气田开发的技术成本。所以，选择线性覆盖工具产品的产业化，能在创造客观的经济效益的同时，打破国外的技术封锁，填补国内空白，增强国际市场竞争力。同时，这也能够带动液压、金属材料、机械制造等周边相关产品的发展，从而取得显著的社会效益。可见，水下线性覆盖工具产业的应用前景十分广阔。[3]
[ 参 考 文 献 ]
[1] Offshore，deep，ultra-deepwater capex to coninue growing to 2017[EB/OL].http：//www.offshore-mag.com/content/os/en/articles/print/volume-73/issue-8/departments/subsea_syste-ms/deep_ultra-deepwater-capex-to-conue-growing-to-2017.html.2013-08-08.
[2] 付剑波，曹为.深水水下回接系统的选择[J].中国造船，2010（增刊2）：202-206.
[3] 魏彦，程涛，韩雁凌.深水水下连接器工作原理及选型对比[J].中国造船，2014（增刊1）：346-349.
[责任编辑：陈 明]
