修鉆井作業(yè)系統(tǒng)在圓筒形FPSO上的應(yīng)用研究

曾 冬，莫 辛，李雄巖，勞景水，王少平，朱 沫

(1．湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 湛江，524057； 2. 中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300457)

0 引 言

圓筒形浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、外輸多功能于一體，同時(shí)具有易搬遷、可重復(fù)利用等特點(diǎn)，可以稱為“流動(dòng)的生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)”，其在英國北海和巴西海域已經(jīng)有很多的成功應(yīng)用。圓筒形FPSO結(jié)構(gòu)可靠，對環(huán)境方向性不敏感，整體運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良[1]，可以容納更多的立管和電纜，抵御環(huán)境荷載的能力也遠(yuǎn)優(yōu)于船形FPSO。更為特別的是，相比船型FPSO，圓筒形FPSO可以設(shè)中央月池區(qū)，這就為在其基礎(chǔ)上集成一套能修鉆井的作業(yè)系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的前提條件。中海石油(中國)有限公司看到了圓筒形FPSO應(yīng)用于南海邊際油田開發(fā)的巨大潛力，以科研立項(xiàng)的方式來助力研究其功能擴(kuò)展為FWPSO(兼具修井功能的FPSO)的可行性。圓筒形FWPSO關(guān)鍵技術(shù)的研究以中國南海某區(qū)域油田為目標(biāo)油田，水深約330 m，最大井深約3 555 m，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)與FPSO聯(lián)合的開發(fā)模式。圓筒形FWPSO的研究也分幾個(gè)方面，包括船體和上部設(shè)施、修鉆井系統(tǒng)、外輸方案、水下生產(chǎn)系統(tǒng)以及裝置本身的建造和安裝方案。目前圓筒形船體的主尺度(筒體外直徑為88 m，中央月池直徑為12 m)已基本確定。本文以此研究背景為基礎(chǔ)，主要介紹在該圓筒形FPSO上設(shè)計(jì)的一套可修井、可鉆調(diào)整井的作業(yè)系統(tǒng)。

1 修鉆井作業(yè)系統(tǒng)的主要配置

在海洋石油與天然氣勘探開發(fā)的日常運(yùn)營中，修井作業(yè)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，油、氣井在自噴、抽油或注水、注氣過程中,隨時(shí)會(huì)發(fā)生故障,造成油井減產(chǎn)甚至停產(chǎn)。出現(xiàn)故障后,只有通過井下作業(yè)來排除故障、更換設(shè)備、調(diào)整油井參數(shù),才能恢復(fù)油井正常生產(chǎn)。然而，目前采用水下井口進(jìn)行開發(fā)的油田，要完成修井及后期的鉆調(diào)整井作業(yè)，均需要依賴浮式鉆井船，而鉆井船的動(dòng)復(fù)員費(fèi)用和作業(yè)費(fèi)用相當(dāng)昂貴，如果平臺(tái)自身帶修井機(jī)或鉆機(jī)，則可以立即進(jìn)行修井作業(yè)，及時(shí)恢復(fù)油田生產(chǎn)，可節(jié)省大量的作業(yè)費(fèi)用。

本文的應(yīng)用研究，立足南海某目標(biāo)油田的開發(fā)，擬在圓筒形FPSO有限的甲板空間上，配備一套修鉆井作業(yè)系統(tǒng)，從而擺脫對鉆井船的依賴，顯著降低油田開發(fā)和運(yùn)營的作業(yè)費(fèi)用。由于目標(biāo)油田擬采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，隔水管系統(tǒng)宜采用水下防噴器(BOP)與常壓隔水管的組合。下面根據(jù)油田作業(yè)水深、井身結(jié)構(gòu)和作業(yè)功能需求來確定修鉆井作業(yè)系統(tǒng)的主要配置參數(shù)。

1.1 大鉤荷載

最大鉤載Q應(yīng)滿足以下條件：

Q≥1.2Fgz+300=1.2×max(Fgz1,Fgz2)+300=2 936 kN，

(1)

式中：Fgz1為最大鉆柱重量(412 kN);Fgz2為最大隔水管套管重量(2 197 kN);Fgz為Fgz1和Fgz2中的較大者；300 kN為處理事故余量。

因而，修井作業(yè)提升系統(tǒng)按照315噸級標(biāo)準(zhǔn)配置，其相應(yīng)的井架、絞車、輔助剎車、天車、游車、大鉤等均以此噸位進(jìn)行配置。

1.2 高壓泥漿泵排量與泵壓

高壓泥漿泵最大排量應(yīng)滿足

(2)

式中：D為井眼直徑，mm；d為鉆桿直徑，mm；V返為各井段環(huán)形空間中泥漿的最大返回速度，m/s;Qmax為最大排量，L/S鉆井泵的最大排量應(yīng)大于上式計(jì)算所得各井段所需排量的最大值。

最大泵壓需滿足

P泵=(N1+L2N2+L3N3+L4N4+L5N5)B+Pdρ,

(3)

式中：P泵為正常值循環(huán)的泵壓，kPa；L2～L5為不同段的長度，hm;ρ為密度，kg/L；B為系數(shù)，取2.08N1～N5分別為地面設(shè)備、鉆桿、鉆鋌、井眼與鉆鋌間環(huán)空以及井眼與鉆桿間環(huán)空的壓耗系數(shù)，kPa/hm。

根據(jù)計(jì)算并結(jié)合規(guī)范[2]，設(shè)計(jì)選用兩臺(tái)1 000 hp(1 hp=0.735 kw)的高壓泥漿泵，一臺(tái)備用，高壓泥漿泵的最大壓力為5 000 psi(1 psi=6.895 kPa)，最大排量150 m3/h(表壓13.8 MPa時(shí))。泥漿循環(huán)系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行配置，具體的設(shè)備包括高壓泥漿泵、立管管匯、灌注泵、混合泵、混合漏斗等。

1.3 泥漿池容量

修井作業(yè)所需泥漿循環(huán)量等于井眼容積與循環(huán)量(宜至少取30 m3)之和為190 m3。

泥漿容量取為200 m3，考慮到后期打調(diào)整井的需要，泥漿罐的容量需提前預(yù)留40 m3循環(huán)量，固控系統(tǒng)的泥漿處理需要50 m3，故總的泥漿容量為290 m3。

1.4 其他配置

以上通過核算，確定了修鉆井作業(yè)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，確定了提升系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)的核心配置。其余七大系統(tǒng)[3]以此為基礎(chǔ)，根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行配置，具體說來，還包括旋鉆系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力供給系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、作業(yè)控制系統(tǒng)、修井機(jī)底座和修井輔助設(shè)備系統(tǒng)。其中值得一提的是動(dòng)力供給系統(tǒng)。為節(jié)約占用甲板面積，修井機(jī)將不設(shè)電站，動(dòng)力由上部設(shè)施統(tǒng)一提供；井控系統(tǒng)則采用水下防噴器；修井機(jī)的底座框架結(jié)構(gòu)將在第4節(jié)詳細(xì)介紹和分析。

因目標(biāo)油田采用的是水下生產(chǎn)系統(tǒng)，除以上各大系統(tǒng)之外，要完成修井作業(yè)，另外還需要幾套設(shè)備來輔助水下作業(yè)，包括鉆井導(dǎo)向繩張力器、測試安裝與回收工具(MIR)張力器、BOP行吊及BOP控制軟管、水下機(jī)器人(ROV)系統(tǒng)等。

僅僅配備修井作業(yè)系統(tǒng)，并不能很好地適應(yīng)油田的生產(chǎn)及運(yùn)營的要求。為了適應(yīng)目標(biāo)油田油藏的變化和后期開發(fā)，在前文介紹的修井作業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，預(yù)留后期鉆調(diào)整井的作業(yè)，還需要增加的系統(tǒng)[4]和設(shè)備如下。

(1)泥漿循環(huán)系統(tǒng)：同功率的高壓泥漿泵(1～2臺(tái))、同容積的泥漿罐(1個(gè))。

(2)泥漿處理系統(tǒng)(固控系統(tǒng))：包括振動(dòng)篩、復(fù)合振動(dòng)篩、離心機(jī)、離心機(jī)供液泵、除砂泵、除泥泵、真空除氣器及相應(yīng)的儲(chǔ)存罐(沉砂罐、除氣罐、除砂罐、除泥罐、離心機(jī)處理罐、回流罐)等。

(3)輸灰系統(tǒng)：水泥罐(3個(gè))、重晶石罐(1個(gè))及配套緩沖罐(1個(gè))，用于鉆井作業(yè)時(shí)的固井和輸灰配漿。

(4)固井系統(tǒng)：固井泵橇(1套)，配合固井管匯、混漿系統(tǒng)完成固井作業(yè)。

(5)頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)：可租用頂驅(qū)(1套)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)法鉆進(jìn)的操作，提高鉆井效率。

2 浮式平臺(tái)鉆修井作業(yè)所必備的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)

以上介紹的修井、鉆井作業(yè)系統(tǒng)只適用于常規(guī)固定式平臺(tái)，而要在圓筒形FPSO上實(shí)現(xiàn)修鉆井作業(yè)，還滿足不了要求。因?yàn)閳A筒形FPSO是浮式平臺(tái)，受風(fēng)、浪、流、潮等各種惡劣環(huán)境的影響，會(huì)產(chǎn)生橫搖、縱蕩、升沉等運(yùn)動(dòng)，其中升沉運(yùn)動(dòng)會(huì)引起隔水管及井內(nèi)鉆柱的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不但大大降低了鉆修井作業(yè)的效率，而且縮短了隔水管的使用壽命，甚至造成斷管事故，因此要在圓筒形FPSO上進(jìn)行修井作業(yè)，必需增加升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。升沉補(bǔ)償系統(tǒng)主要包括鉆柱升沉補(bǔ)償裝置和隔水管張緊器。鉆柱升沉補(bǔ)償裝置作用于鉆柱，保證鉆壓恒定用以減小平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)對鉆柱的影響；隔水管張緊器則用于保持隔水管系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定，對隔水管系統(tǒng)提供恒張力。

鉆柱升沉補(bǔ)償裝置根據(jù)安裝位置不同分為伸縮鉆桿型、游車型、天車型、死繩型、絞車型等5種類型[5]，它們的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。

表1 鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)對比

通過對比分析得出結(jié)論：游車型和天車型是應(yīng)用比較廣泛的成熟產(chǎn)品，但是天車型需要另外特制井架和天車，費(fèi)用較高，綜合考慮，推薦在圓筒形FPSO上采用游車型鉆柱升沉補(bǔ)償裝置。

隔水管張緊器主要由主體、控制架、固定滑輪組、空氣壓力容器、主控制臺(tái)、慣性控制系統(tǒng)、蓄能器液體補(bǔ)充系統(tǒng)等部件組成，主要有平衡錘型、鋼絲繩型、液壓缸直接作用型等3種類型[6]。它們的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表2所示。

表2 隔水管張緊器的優(yōu)缺點(diǎn)對比

通過對比分析得出結(jié)論：鋼絲繩型和液壓缸直接作用型都有一定的適用性，但從檢測維護(hù)的便捷性、成本及有利于設(shè)備國產(chǎn)化角度考慮，推薦在圓筒形FPSO上采用鋼絲繩型隔水管張緊器。

3 修鉆井作業(yè)系統(tǒng)在圓筒形FPSO上的整體布置

前文介紹了修鉆井作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)備配置及升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的選用類型，接下來是要研究它們?nèi)绾螄@圓筒形FPSO的中央月池區(qū)進(jìn)行布置。整體布置時(shí)除了考慮操作方便及節(jié)省空間，還需要考慮以下幾方面因素。

(1)空間利用因素：由于圓筒形FPSO主甲板上集成了生產(chǎn)設(shè)施、外輸設(shè)施以及新增加的修井、鉆井設(shè)施，空間比較有限，應(yīng)考慮部分甲板面積共用的原則，盡量采用疊放布置，以彌補(bǔ)空間的不足。

(2)通風(fēng)因素：需考慮通風(fēng)的要求，需有利于修鉆井時(shí)有害氣體的擴(kuò)散。

(3)安全因素：修鉆井系統(tǒng)中含危險(xiǎn)源的設(shè)備應(yīng)該與電氣房間或其他不含危險(xiǎn)源的設(shè)備分居月池兩側(cè)布置。

(4)功能擴(kuò)展因素：需要為后期鉆調(diào)整井的功能預(yù)留適當(dāng)?shù)目臻g和接口。

(5)吊機(jī)工作能力因素；應(yīng)考慮吊機(jī)的工作能力和范圍，要能滿足修井及鉆井作業(yè)時(shí)的需求。

綜合以上的原則和因素，在圓筒型FPSO主甲板以上規(guī)劃的整體布置方案如圖1～3所示，圖中不僅融入了后期鉆調(diào)整井需要增加的系統(tǒng)和設(shè)備，也整合了水下作業(yè)的各輔助設(shè)備。整體布置從立面圖分為三個(gè)部分：鉆臺(tái)面甲板、下底座、管堆場甲板，其中鉆臺(tái)面甲板的面積為232 m2，下底座占用主甲板(包含中央月池區(qū))(圖3)面積約 705 m2，管堆場甲板的面積為564 m2(圖3)。

圖1 總體布置圖Fig.1 Overall layout

圖2 立面布置圖Fig.2 Elevation layout

從圖1可以看出，完整的修鉆井作業(yè)系統(tǒng)分布在2個(gè)區(qū)域，主要的作業(yè)系統(tǒng)集中在中央月池區(qū)，而配合水下作業(yè)的ROV系統(tǒng)由于要下放ROV必須布置在甲板舷外側(cè)。從圖2中的立面圖布置來看，在西側(cè)布置了有可能出現(xiàn)危險(xiǎn)氣體源的系統(tǒng)，從下到上分別是泥漿循環(huán)系統(tǒng)、泥漿處理系統(tǒng)、以及輸灰系統(tǒng)，東側(cè)則主要布置了一些房間和升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的支持組件，從下到上分別是水下BOP控制間、升沉補(bǔ)償系統(tǒng)氣瓶組、中層甲板的房間(應(yīng)急開關(guān)間、變頻控制房、材料房等)以及升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的壓縮機(jī)組、控制柜等。

需要特別強(qiáng)調(diào)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的布置，其中游車大鉤型鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償液壓缸、控制面板已分別集成在游車大鉤系統(tǒng)和司鉆房內(nèi)，只需在鉆臺(tái)面布置儲(chǔ)能器，于其他甲板處布置氣瓶組和空壓機(jī)即可；而鋼絲繩型隔水管張緊器則需要在開敞甲板布置其主要的4組張緊器(圖3)，其他的支持組件如氣瓶組、空壓機(jī)、控制柜則和鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的支持組件一起，集中布置在月池右側(cè)下底座的底層甲板(圖2)。

圖3 頂層布置圖Fig.3 Top deck layout

結(jié)合圖2和圖3可以看出，隔水管升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的4組張緊器布置在下底座的頂層甲板，鉆臺(tái)面坐落在月池東、西兩側(cè)的下底座框架結(jié)構(gòu)上，集中布置了主要的鉆井設(shè)備(包括井架、絞車、轉(zhuǎn)盤、司鉆房等)，管堆場甲板則坐落于東側(cè)下底座和上部設(shè)施電氣房間模塊的房頂。另外要注意的是，由于目標(biāo)油田采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)，所以還需要在月池的南、北兩側(cè)分別預(yù)留水下采油樹和水下防噴器的布置區(qū)域。此外，從圖2和圖3還可以看出，鉆調(diào)整井所需要增加的泥漿處理系統(tǒng)、輸灰系統(tǒng)和固井泵橇均布置在開敞甲板，為這些系統(tǒng)設(shè)備的海上安裝創(chuàng)造了有利條件。

4 修鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架的在位分析

根據(jù)以上介紹的總體布置方案，本文設(shè)計(jì)了能容納該修鉆井作業(yè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，如圖4所示。它主要由下底座、鉆臺(tái)面、管堆場三部分主要的甲板結(jié)構(gòu)組成。其中下底座甲板結(jié)構(gòu)直接坐落于圓筒形FPSO中央月池區(qū)的主工藝甲板，由月池東、西兩側(cè)的各自獨(dú)立的框架甲板結(jié)構(gòu)組成，下底座的頂層甲板與鉆臺(tái)面甲板中間還設(shè)置了4個(gè)隔水管張緊器的維修操作層，也兼用于鉆臺(tái)面與下底座之間的樓梯轉(zhuǎn)臺(tái)；鉆臺(tái)面甲板結(jié)構(gòu)主要由下底座的4根腿柱支撐；管堆場甲板結(jié)構(gòu)的支撐立柱，則由下底座的2根立柱和生根在FPSO上部工藝設(shè)施模塊房頂?shù)闹Ф战Y(jié)構(gòu)組成。

修鉆井系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的4根主腿立柱為Φ762×25(mm)，次立柱為Φ508×19(mm)和Φ406×16(mm)，斜撐為Φ325×13(mm)，鉆臺(tái)面甲板結(jié)構(gòu)大梁為板拼接梁PG1200×450×25×38(mm),其他各處甲板均采用各種常規(guī)型材(H588，H440，H400，H300A/B)建造而成?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在位分析的邊界條件為：主腿立柱與主工藝甲板連接處考慮鉸性連接，甲板結(jié)構(gòu)除了要考慮各設(shè)備荷載和功能荷載外，還需要考慮環(huán)境荷載和船體的慣性加速度?？紤]的各荷載值如下。

設(shè)備荷載：鉆臺(tái)面3 400 kN，下底座7 670 kN，管堆場1 050 kN。

功能荷載：大鉤荷載3 150 kN，立根荷載1 970 kN，轉(zhuǎn)盤荷載3 150 kN，泥漿荷載3 565 kN。

環(huán)境荷載：取一年一遇3 s陣風(fēng)風(fēng)速37.9 m/s為操作工況，取百年一遇3 s陣風(fēng)風(fēng)速65.7 m/s為極端工況。

船體運(yùn)動(dòng)慣性加速度：一年極值為(0.138，0.136，0.029)m/s2，100年極值為(0.524，0.511，0.919)m/s2。

框架結(jié)構(gòu)的在位分析需要考慮結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備荷載、功能荷載之和分別與一年一遇、百年一遇的環(huán)境荷載和船體運(yùn)動(dòng)慣性力組合，校核工況分別為操作工況(總荷載值35 600 kN)和極端工況(總荷載值32 780 kN)。兩種工況下框架結(jié)構(gòu)桿件的強(qiáng)度UC值均小于1，甲板的變形量也能滿足規(guī)范要求[7]。由此可見，圓筒形FPSO用于布置修鉆井作業(yè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)合理可靠。

圖4 修鉆井系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)模型圖Fig.4 Structural model of the workover or drilling operation system tower

5 結(jié) 語

圓筒形FPSO本身因?yàn)樯a(chǎn)、儲(chǔ)油、外輸三個(gè)功能的存在，決定了其主甲板的布置規(guī)模。本文聯(lián)合上部設(shè)施和船體的設(shè)計(jì)進(jìn)行了統(tǒng)籌規(guī)劃，在設(shè)置中央月池區(qū)的有限甲板區(qū)域內(nèi)，配備了一套適合圓形FPSO的修鉆井作業(yè)系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了各系統(tǒng)設(shè)備配置及關(guān)鍵的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的選用類型，最后對支撐該修鉆井作業(yè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在位模擬分析。分析結(jié)果表明，框架結(jié)構(gòu)可靠，布置方案合理，成功實(shí)現(xiàn)了圓筒形FPSO第四個(gè)功能(W，修井及在一定條件下鉆調(diào)整井)的集成，成為FWPSO。值得一提的是，總體布置思路上，將修井和鉆井分為兩個(gè)階段，鉆調(diào)整井的系統(tǒng)和設(shè)備可以在海上安裝，為油田開發(fā)運(yùn)營管理和其投資經(jīng)濟(jì)評價(jià)提供了極為靈活的基礎(chǔ)方案，也是對海洋石油開發(fā)裝置非常規(guī)化所做的探索，為中國南海邊際油田的開發(fā)提供了新的思路和關(guān)鍵的技術(shù)儲(chǔ)備。

[1] 景江成，羅子良. 圓筒形FPSO特點(diǎn)與總體布置策略分析[J].中國機(jī)械,2015(9): 184.

[2] 中國海洋石油總公司. Q/HS 2037.1-2007. 海上石油平臺(tái)鉆機(jī) 第1部分：選型方法[S]. 2007.

[3] 中國海洋石油總公司. Q/HS 2007.1-2013. 海上石油平臺(tái)修井機(jī) 第1部分：設(shè)計(jì)[S]. 2013.

[4] 中國海洋石油總公司. Q/HS 9002.1-2009. 海上石油模塊鉆機(jī) 第1部分：設(shè)備配置及技術(shù)要求[S]. 2009.

[5] 陳祖波, 呂巖，李志剛, 等. 浮式鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償概述[J]. 石油礦場機(jī)械, 2011, 40(10): 28.

[6] 任鋼峰, 王定亞，鄧平, 等. 海洋鉆井隔水管張緊器技術(shù)分析[J]. 石油機(jī)械, 2013, 41(10): 43.

[7] American Petroleum Institute. API RP-2A-WSD. Recommended practice for planing, designing and constructing fixed offshore platforms: working stress design[S]. 2007.