CN115788403A - 水下采油树测试系统及水下采油树测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下采油树测试系统及水下采油树测试方法，该水下采油树测试系统包括：井筒系统、水下采油树系统和供油系统，所述水下采油树系统安装于所述井筒系统的上部，所述井筒系统包括竖向布置的油管，所述水下采油树系统具有采油通道，所述采油通道设置有采油节流阀，所述采油通道与所述油管的上端连接，所述油管的下端与所述供油系统的出油口连接，所述供油系统用于按照设定条件向所述油管供油，解决了现有技术中难以检测水下采油树的功能是否正常，难以验证水下采油树的安全性与可靠性的技术问题。

Description

水下采油树测试系统及水下采油树测试方法

技术领域

本发明涉及深水钻采装备的技术领域，尤其涉及一种水下采油树测试系统及水下采油树测试方法。

背景技术

深水油气田钻井的技术难度、投资及风险很大，深水钻采装备在深水油气开发方面扮演着重要角色，深水勘探开发相关技术和装备仍属于世界级难题。深水装备研发中存在对使用目的、运行指标及操作环境的认识不够的问题，普遍缺乏测试认证与技术保障；工程应用风险大，形成样机的技术成熟度较低，整体处于研制阶段，系统性不足，无法满足工程化应用需求。

水下采油树作为水下生产系统的关键设备，是指安装于海底井口头上的由阀门、本体、管路、井口连接器及其相关配套设备构成的采油系统，其功能主要是控制和调节油气生产，实现各种井下作业，如测试、化学试剂注入以及井下维修等。

水下采油树本体工作环境及其功能本水下采油树长期工作于深水、海水近于0℃的酸性环境中，内部承受高温高压的油气环境。作业过程中面临的实际工况更复杂，主要包括安装、生产、钻完井和修井工况等，同时也面临着更加恶劣的环境载荷，如波浪、海流、钻井船漂移、循环内压、隔水管的张力和弯矩等，这些因素严重威胁着水下采油树的操作安全，严重时会影响水下采油树的正常工作乃至原油泄漏，造成巨大的经济损失和环境灾难。

综上所述，水下采油树的实际工况比较复杂，目前缺少测试认证与技术保障，难以检测水下采油树的功能是否正常，难以验证水下采油树的安全性与可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下采油树测试系统及水下采油树测试方法，以解决现有技术中难以检测水下采油树的采油功能是否正常，难以验证水下采油树的安全性与可靠性的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种水下采油树测试系统，包括：井筒系统、水下采油树系统和供油系统，所述水下采油树系统安装于所述井筒系统的上部，所述井筒系统包括竖向布置的油管，所述水下采油树系统具有采油通道，所述采油通道设置有采油节流阀，所述采油通道与所述油管的上端连接，所述油管的下端与所述供油系统的出油口连接，所述供油系统用于按照设定条件向所述油管供油。

在优选的实施方式中，所述井筒系统包括技术套管，所述油管设置于所述技术套管内，所述油管与所述技术套管之间设置有第一环空；所述技术套管与所述油管之间设置有第一水泥环，所述第一水泥环位于所述第一环空的底部，所述第一水泥环上设置有用于检测所述第一环空内温度的温度传感器和用于检测所述第一环空内压力的压力传感器。

在优选的实施方式中，所述油管的外壁与所述技术套管的外壁分别设置有应变片。

在优选的实施方式中，所述井筒系统包括表层套管，所述技术套管设置于所述表层套管内，所述技术套管与所述表层套管之间设置有第二环空；所述表层套管与所述技术套管之间设置有第二水泥环，所述第二水泥环位于所述第二环空的底部，所述第二水泥环上设置有用于检测所述第二环空内温度的温度传感器和用于检测所述第二环空内压力的压力传感器。

在优选的实施方式中，所述井筒系统包括表层导管，所述表层套管设置于所述表层导管内，所述表层套管与所述表层导管之间设置有第三环空；所述表层导管与所述表层套管之间设置有第三水泥环，所述第三水泥环位于所述第三环空的底部，所述第三水泥环上设置有用于检测所述第三环空内温度的温度传感器和用于检测所述第三环空内压力的压力传感器。

在优选的实施方式中，所述表层套管的外壁与所述表层导管的内壁分别设置有应变片。

在优选的实施方式中，所述井筒系统包括承载装置，所述承载装置用于承载所述油管、所述技术套管、所述表层套管和所述表层导管。

在优选的实施方式中，所述承载装置包括环形钢板和外层套筒，所述环形钢板固接于所述外层套筒，所述表层导管的上端与所述环形钢板通过焊接相连，所述表层套管通过机械锁紧在所述表层导管上端的低压井口头上，所述技术套管的上端坐挂在所述表层套管上端的高压井口头上。

在优选的实施方式中，所述供油系统包括恒温油箱、出油管线和回流管线，所述油管的下端与所述出油管线连接，所述出油管线上设有高温泵；所述采油通道与所述回流管线连接，以将油液回收至所述恒温油箱。

本发明提供一种水下采油树测试方法，采用上述的水下采油树测试系统，所述水下采油树测试方法包括：所述供油系统向所述油管内供油；所述油管内的油液向上流动并进入所述水下采油树系统；观测所述水下采油树系统是否出现泄漏现象；改变所述采油节流阀的开度，检测所述水下采油树系统的出油流量大小。

本发明的特点及优点是：

供油系统提供设定温度的原油，原油从油管的下端进入并向上流动，然后进入水下采油树系统的采油通道并排出。改变采油节流阀开度，检测采油节流阀是否能改变流量大小。原油流经井筒系统及水下采油树系统，通过输入不同温度不同流量的原油，以确定水下采油树系统能否满足预期生产制度。对于出厂或者维修过后的水下采油树系统开展生产测试，检测高温采油场景下水下采油树系统的功能是否正常，验证水下采油树系统的安全性与可靠性，防止水下采油树系统失效带来巨大经济损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的水下采油树测试系统的结构示意图；

图2为本发明提供的水下采油树测试系统中水下采油树系统的结构示意图；

图3为本发明提供的水下采油树测试系统中井筒系统的结构示意图；

图4为图3的局部放大图；

图5为本发明提供的水下采油树测试系统中供油系统的结构示意图；

图6为本发明提供的水下采油树测试系统中数据采集系统的结构示意图。

附图标号说明：

1、土体；

2、井筒系统；201、密封圈；

202、油管；205、表层导管；207、技术套管；208、表层套管；

224、第一环空；225、第二环空；226、第三环空；

227、第一水泥环；228、第二水泥环；229、第三水泥环；

221、水泥塞；212、注油口；211、进油管线；

204、承载装置；2041、环形钢板；222、外层套筒；

2051、低压井口头；

203、高压井口头；206、套管悬挂器；

209、应变片；210、第一应力数据传输线；

215、温度传感器；216、压力传感器；223、第一温压数据传输线；

213、地层；214、固井水泥；

3、水下采油树系统；31、采油通道；

301、采油树内帽；302、堵塞器；303、油管悬挂器；304、采油树本体；305、采油树框架；306、采油节流阀；307、出油口；

4、供油系统；

401、温度表；402、恒温油箱；403、原油；404、高温泵；405、阀门；406、出油管线；407、流量计；408、回流管线；

5、数据采集系统；501、第二温压数据传输线；502、第二应力数据传输线；

503、信号采集装置；504、数据记录装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

方案一

本发明提供了一种水下采油树测试系统，如图1-图6所示，该水下采油树测试系统包括：井筒系统2、水下采油树系统3和供油系统4，水下采油树系统3安装于井筒系统2的上部，井筒系统2包括竖向布置的油管202，水下采油树系统3具有采油通道31，采油通道31设置有采油节流阀306，采油通道31与油管202的上端连接，油管202的下端与供油系统4的出油口连接，供油系统4用于按照设定条件向油管202供油。供油系统4提供设定温度的原油，原油从油管202的下端进入并向上流动，然后进入水下采油树系统3的采油通道31并排出。改变采油节流阀306开度，检测采油节流阀306是否能改变流量大小。原油流经井筒系统2及水下采油树系统3，通过输入不同温度不同流量的原油，以确定水下采油树系统3能否满足预期生产制度。对于出厂或者维修过后的水下采油树系统3开展生产测试，检测高温采油场景下水下采油树系统3的功能是否正常，验证水下采油树系统3的安全性与可靠性，防止水下采油树系统3失效带来巨大经济损失。

井筒系统2可以设置在地下，井筒系统2通过固井水泥与土体胶结，井筒系统2上部与水下采油树系统3的下部通过液压锁紧连接，井筒系统2对整个测试系统起到承重支撑作用。

如图1和图2所示，水下采油树系统3包括采油树框架、采油树本体和连接器，采油树本体304通径中有采油树内帽301、油管悬挂器303和堵塞器302，水下采油树系统3下部通过连接器与井筒系统2实现液压锁紧，其中油管悬挂器303悬挂井筒系统2中的油管202，实现原油从井筒系统2中运移到水下采油树系统3中，采油树本体304设置有采油通道31并设有出油口307。采油树框架305承载整个水下采油树系统3，并通过连接器与井筒系统2中的高压井口头203进行液压锁紧，水下采油树系统3与高压井口头203之间设有密封圈201。

在一实施方式中，井筒系统2包括技术套管207，油管202设置于技术套管207内，油管202与技术套管207之间设置有第一环空224；技术套管207与油管202之间设置有第一水泥环227，第一水泥环227位于第一环空224的底部，第一水泥环227上设置有用于检测第一环空224内温度的温度传感器215和用于检测第一环空224内压力的压力传感器216。通过第一水泥环227上的温度传感器215和压力传感器216，可以检测第一环空224的温度压力情况，保障生产过程中的井筒完整性。

进一步地，油管202的外壁与技术套管207的外壁分别设置有应变片209。油管202的外壁与技术套管207的外壁上的应变片209沿油管202的纵向布置。

在一实施方式中，井筒系统2包括表层套管208，技术套管207设置于表层套管208内，技术套管207与表层套管208之间设置有第二环空225；表层套管208与技术套管207之间设置有第二水泥环228，第二水泥环228位于第二环空225的底部，第二水泥环228上设置有用于检测第二环空225内温度的温度传感器215和用于检测第二环空225内压力的压力传感器216。通过第二水泥环228上的温度传感器215和压力传感器216，可以检测第二环空225的温度压力情况，保障生产过程中的井筒完整性。

进一步地，井筒系统2包括表层导管205，表层套管208设置于表层导管205内，表层套管208与表层导管205之间设置有第三环空226；表层导管205与表层套管208之间设置有第三水泥环229，第三水泥环229位于第三环空226的底部，第三水泥环229上设置有用于检测第三环空226内温度的温度传感器215和用于检测第三环空226内压力的压力传感器216。通过第三水泥环229上的温度传感器215和压力传感器216，可以检测第三环空226的温度压力情况，保障生产过程中的井筒完整性。

进一步地，表层套管208的外壁与表层导管205的内壁分别设置有应变片209。表层套管208的外壁与表层导管205的内壁上的应变片209沿表层套管208的纵向布置。

如图3和图4所示，井筒系统2以多层套管组合为主体，多层套管组合包括从外向内依次分布的表层导管205、表层套管208、技术套管207和油管202，井筒系统2还包括低压井口头2051、高压井口头203和套管悬挂器206，共同组成一套可以实现油气流动的水下井口装置；第一环空224、第二环空225、第三环空226中为钻井液。

井筒系统2下部用水泥塞221、第一水泥环227、第二水泥环228和第三水泥环229封固，第一水泥环227、第二水泥环228和第三水泥环229呈环形，水泥塞221成型于油管202的底部并预制了注油口212，注油口212通过进油管线211连接供油系统4，以将原油注入油管202中。多组温度传感器215、压力传感器216和应力数据传输线分别预埋于第一水泥环227、第二水泥环228和第三水泥环229。通过第一水泥环227、第二水泥环228和第三水泥环229上的温度传感器215和压力传感器216，测试生产管柱的力学性能和环空带压情况，并通过第一温压数据传输线223将信号传输至外部，验证水下采油树系统3的安全性与可靠性，防止水下采油树性失效带来巨大经济损失。

如图4所示，油管202、技术套管207、表层套管208及表层导管205的管壁从上到下粘贴了3组应变片209，并通过第一应力数据传输线210将信号传输至外部。该测试系统具备测定并记录应力、温度和压力的功能，能够测定不同温度和流量原油流经井筒系统2时各层环空及套管的温度、压力和应力数值，为高温采油过程中环空压力管理提供数据支撑。

应变片209附着在油管202和各层套管上，通过应力数据传输线引至下部水泥环，温度传感器215和压力传感器216预制在环形的水泥环中。数据采集系统5包括信号采集装置503和数据记录装置504，信号采集装置503连接到数据记录装置504，用于读取并记录数据。信号采集装置503通过应力数据传输线和温压数据传输线采集应变片209、温度传感器215和压力传感器216的信号，并将信号转换成数据传递给数据记录装置504记录保存。具体地，第二温压数据传输线501、第二应力数据传输线502分别与井筒系统2中的第一温压数据传输线223、第一应力数据传输线210相连接，另一端连接至信号采集装置503，用于采集环空中的温度压力数据和油管202、各层套管的应力数值。

如图3所示，井筒系统2包括承载装置204，承载装置204用于承载油管202、技术套管207、表层套管208和表层导管205。进一步地，承载装置204包括环形钢板2041和外层套筒222，环形钢板2041固接于外层套筒222，表层导管205的上端与环形钢板2041通过焊接相连，表层套管208通过机械锁紧在表层导管205上端的低压井口头2051上，技术套管207的上端坐挂在表层套管208上端的高压井口头203上。具体地，环形钢板2041坐落于外层套筒222上，外层套筒222环向和轴向分别通过固井水泥214与地层213胶结，下部置于混凝土地基上，用于承载整个测试系统的重量。表层导管205的上端连接有低压井口头2051，低压井口头2051上部边缘焊接于环形钢板2041，环形钢板2041环形分布设置8组加强肋，并置于外层套筒222和固井水泥214之上，环形钢板2041通过焊接与多层套管组合连接。环形钢板2041上有2个圆形开孔，用以第一温压数据传输线223、第一应力数据传输线210等管线通过。具体地，高压井口头203及表层套管208坐落于低压井口头2051及表层导管205的台阶上，并由锁紧机构进行锁紧。套管悬挂器206坐落于高压井口头203上，并由锁紧机构进行锁紧，套管悬挂器206下部连接有技术套管207，技术套管207中间为油管202。

供油系统4能够按照设定条件供油，该设定条件可以包括温度、流量和压强。供油系统4包括恒温油箱402和出油管线406，油管202的下端与出油管线406连接，出油管线406上设有高温泵404，油管202的下端与出油管线406连接，出油管线406上设有高温泵404，出油管线406将原油送至井筒系统2并控制原油通断。恒温油箱402其中装有原油403，恒温油箱402可以将原油加热到设定温度，原油被耐高温泵404通过出油管线406泵入到井筒系统2的油管202中，到达水下采油树内部。供油系统4还包括阀门405和流量计407，阀门405可以用来调节泵出原油流量，流量计407显示流量。恒温油箱402上部设置有温度表401，显示其中原油温度。出油管线406中间连接的有阀门405，用于调节注入流量。

进一步地，供油系统4还包括回流管线408，采油通道31与回流管线408连接，以将油液回收至恒温油箱402，供油系统4从井筒系统2下部泵油进入，原油流经水下采油树系统3，并经采油节流阀306输出，通过回流管线408回流进入恒温油箱402，形成高温原油循环的通道。水下采油树系统3通过采油节流阀306与供油系统4连接，供油系统4一端与井筒系统2连通，一端与水下采油树系统3连通，实现不同温度和流量原油循环通过井筒系统2和水下采油树系统3，用于验证在高温采油工况下水下采油树系统3功能正常性和可靠性。

该水下采油树测试系统还具有可重复性强的优点，能够充分测试水下采油树系统3高温采油场景下的功能性和井筒完整性，保障深水石油开采安全。

方案二

本发明提供了一种水下采油树测试方法，采用上述的水下采油树测试系统，该水下采油树测试方法包括：供油系统4向油管202内供油；油管202内的油液向上流动并进入水下采油树系统3；观测水下采油树系统3是否出现泄漏现象；改变采油节流阀306的开度，检测水下采油树系统3的出油流量大小。该水下采油树测试方法能够产生上述水下采油树测试系统的全部技术效果，在此不再赘述。

具体地，该水下采油树测试方法的具体操作步骤包括：

(1)完成测试系统的组装调试；

(2)开启恒温油箱，将温度设定为100摄氏度，当温度表401显示原油403温度保持在100摄氏度时，开启高温泵404，调节阀门405，将流量维持在50m³/h，通过流量计407进行监测；

(3)高温原油403沿着出油管线406泵入至注入口，进入油管202中，并向上运移，经过油管悬挂器303，流入生产主阀和生产翼阀，至采油节流阀306，从出油口307流出；

(4)通过水下采油树系统3自带的温度压力传感器，监测温度与压力，同时观测水下采油树系统3是否出现原油泄漏现象，改变采油节流阀306开度，检测采油节流阀306是否能改变流量大小，判断是否正常工作；

(5)井筒系统2底部的温度传感器215、压力传感器216通过第一温压数据传输线223将信号传输至信号采集装置503，并转换为数据存储至数据记录装置504中，监测第一环空224、第二环空225、第三环空226的温度和压力；

(6)应变片209通过第一应力数据传输线210将信号传输至信号采集装置503，并转换为数据存储至数据记录装置504中，监测油管202、技术套管207、表层套管208、表层导管205的受力状况；

(7)将恒温油箱温度分别设定为150摄氏度、200摄氏度，调节阀门405改变流量至100m³/h、150m³/h、200m³/h，重复进行步骤(4)-(6)操作，监测水下采油树系统3及井筒系统2在高温采油场景下的工作状态及温度、压力、应力等特征变化。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水下采油树测试系统，其特征在于，包括：井筒系统、水下采油树系统和供油系统，所述水下采油树系统安装于所述井筒系统的上部，所述井筒系统包括竖向布置的油管，所述水下采油树系统具有采油通道，所述采油通道设置有采油节流阀，所述采油通道与所述油管的上端连接，所述油管的下端与所述供油系统的出油口连接，所述供油系统用于按照设定条件向所述油管供油。

2.根据权利要求1所述的水下采油树测试系统，其特征在于，所述井筒系统包括技术套管，所述油管设置于所述技术套管内，所述油管与所述技术套管之间设置有第一环空；

所述技术套管与所述油管之间设置有第一水泥环，所述第一水泥环位于所述第一环空的底部，所述第一水泥环上设置有用于检测所述第一环空内温度的温度传感器和用于检测所述第一环空内压力的压力传感器。

3.根据权利要求2所述的水下采油树测试系统，其特征在于，所述油管的外壁与所述技术套管的外壁分别设置有应变片。

4.根据权利要求2所述的水下采油树测试系统，其特征在于，所述井筒系统包括表层套管，所述技术套管设置于所述表层套管内，所述技术套管与所述表层套管之间设置有第二环空；

所述表层套管与所述技术套管之间设置有第二水泥环，所述第二水泥环位于所述第二环空的底部，所述第二水泥环上设置有用于检测所述第二环空内温度的温度传感器和用于检测所述第二环空内压力的压力传感器。

5.根据权利要求4所述的水下采油树测试系统，其特征在于，所述井筒系统包括表层导管，所述表层套管设置于所述表层导管内，所述表层套管与所述表层导管之间设置有第三环空；

所述表层导管与所述表层套管之间设置有第三水泥环，所述第三水泥环位于所述第三环空的底部，所述第三水泥环上设置有用于检测所述第三环空内温度的温度传感器和用于检测所述第三环空内压力的压力传感器。

6.根据权利要求5所述的水下采油树测试系统，其特征在于，所述表层套管的外壁与所述表层导管的内壁分别设置有应变片。

7.根据权利要求5所述的水下采油树测试系统，其特征在于，所述井筒系统包括承载装置，所述承载装置用于承载所述油管、所述技术套管、所述表层套管和所述表层导管。

8.根据权利要求7所述的水下采油树测试系统，其特征在于，所述承载装置包括环形钢板和外层套筒；

所述环形钢板固接于所述外层套筒，所述表层导管的上端与所述环形钢板通过焊接相连，所述表层套管通过机械锁紧在所述表层导管上端的低压井口头上，所述技术套管的上端坐挂在所述表层套管上端的高压井口头上。

9.根据权利要求1所述的水下采油树测试系统，其特征在于，所述供油系统包括恒温油箱、出油管线和回流管线，所述油管的下端与所述出油管线连接，所述出油管线上设有高温泵；所述采油通道与所述回流管线连接，以将油液回收至所述恒温油箱。

10.一种水下采油树测试方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的水下采油树测试系统，所述水下采油树测试方法包括：

所述供油系统向所述油管内供油；

所述油管内的油液向上流动并进入所述水下采油树系统；

观测所述水下采油树系统是否出现泄漏现象；

改变所述采油节流阀的开度，检测所述水下采油树系统的出油流量大小。

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