自升式鉆井平臺防臺風井口安裝探討

江 巖，王 林

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201206）

中國是世界上少數(shù)幾個受臺風影響嚴重的國家之一，其中南海北部、臺灣海峽、東海西部和黃海都是臺風通過的高頻區(qū)域。每年影響中國沿海的臺風平均有20.2個，登陸7.4個，時間主要集中在6月份到10月份[1]，臺風的等級最高可達到17級，對于在海上進行生產(chǎn)作業(yè)的鉆井平臺來說，無疑是具大的挑戰(zhàn)。

而對于自升式鉆井平臺，因為其自身結構設計原因，在探井作業(yè)中的表開隔水套管都是靠平臺配備的導管張緊器去承重支撐，這就使得臺風來時，平臺無法正常回收懸臂梁，而井口相關的設施，也只能維持和鉆井時狀態(tài)一樣。而由臺風引起的強風巨浪，將通過隔水管給井口相關裝置帶來具大的沖擊，這就要求平臺在進行井口安裝時，要充分考慮該沖擊力帶來的影響，結合鉆井工藝利用好井口相關設備自身的功能與能力，減少臺風對平臺設備及井下安全造成的影響。

1 自升式鉆井平臺井口裝置概況

對于自升式鉆井平臺井口裝置，除了通用的防噴器組和不同尺寸的套管頭外，還配有緩沖隔水管浮沉升降的一級張緊器（即導管張緊器（Conductor Tensioning Unit），以下簡稱CTU）和保證防噴器組垂直不偏斜的二級張緊器，下面簡要介紹兩者的結構和功能原理。

CTU系統(tǒng)（圖1）由承重盤、隔水管補心和補償液缸組成，并配有液壓泵站和儲能瓶。隔水管下入至最后一根時，安裝補心，將最后一根隔水管的接箍坐于補心上。通過調整液缸進油壓力伸長液缸，使隔水管在海里的自由段受到向上的拉力，減少隔水管因海浪沖擊造成的橫向上的晃動，以確保隔水管的連接及密封受到保護。進油壓力則可通過折算在控制面板上以噸位顯示。儲能瓶則用于維持液缸內的油壓，使得CTU液缸能夠隨著因涌浪造成的隔水管浮沉而上下動作，從而起到補償作用。

圖1 CTU系統(tǒng)

1.1 二級張緊器

二級張緊器（圖2）結構相對簡單，主要由固定在鉆臺底部的兩個補償液缸及配套的不同長度的鋼絲繩組成，一般與CTU共用一套液壓泵站及控制面板（圖3）。其主要作用為給防噴器組一個向上的拉力，從而減輕防噴器組及每層套管作用于導管張緊器上的壓力，同時保證防噴器組不會因井口管串的晃動發(fā)生傾斜。

圖2 二級張緊器示意圖

圖3 導管張緊器和二級張緊器控制面板

2 現(xiàn)場作業(yè)描述及臺風過后井口狀況

在東海某井生產(chǎn)作業(yè)過程中，下入13-3/8＂套管后進行三開前的組裝井口作業(yè)，在安裝21-1/4＂套管頭時，發(fā)現(xiàn)其下部只有支撐環(huán)板，并沒有防止其橫向晃動的定位塊，為了提高作業(yè)時效，現(xiàn)場商議決定先繼續(xù)進行安裝井口，后期再加工定位塊進行安裝。

13-3/8″套管采用坐底固井，其在30＂隔水管內有相當長度的自由段，后期防噴器坐上后，13-3/8″套管及21-1/4″套管頭由于受壓，整體有些偏向船首左舷側，此時整個井口管串已經(jīng)連接完畢，無法將其再拉至居中，且后期加裝的定位塊局限于材料及焊接環(huán)境，其焊接強度和定位能力有限。受臺風“派比安”影響，平臺人員進行撤離，撤臺前井口狀況如圖4所示。

圖4 “派比安”臺風撤臺前井口照片

復臺后井口照片如圖5所示，很明顯由于風浪原因，井口已發(fā)生了偏移，部分加工的定位塊已經(jīng)損壞。

圖5 “派比安”臺風復臺后井口照片

受臺風“瑪利亞”影響，本井進行第二次撤臺，撤臺前井口拍攝照片如圖6所示。

復臺后，21-1/4＂套管頭下部環(huán)板已經(jīng)變形開焊，且套管上有泥漿滲漏流出，說明13-5/8＂套管頭的BT密封已經(jīng)失效?，F(xiàn)場組織討論后，決定重新拆裝井口，更換BT密封，以保證后期作業(yè)井控安全，復臺后井口照片如圖7所示，更換下來的損壞的BT密封照片如圖8所示。

圖6 “瑪利亞”臺風撤臺前井口照片

圖7 “瑪利亞”臺風復臺后井口照片

圖8 損壞的13-5/8＂套管頭BT密封照片

在此次復臺后下鉆作業(yè)過程中，鉆頭經(jīng)過套管頭處有刮碰現(xiàn)象，但并不嚴重，初步懷疑是由于井口偏斜，導致13-3/8″套管打磨的坡口露出形成一個臺階面，阻礙鉆頭通過。一周后，臺風 “安比”形成，根據(jù)氣象預報，該臺風等級并未達到撤臺條件，現(xiàn)場組織進行抗臺工作。但當臺風抵達工區(qū)時，現(xiàn)場實測臺風等級高于預報等級，涌浪達到7～8 m。雖然此前已對井口區(qū)域進行多次加固，但經(jīng)過此次臺風后，井口損壞嚴重，21-1/4″套管頭下部環(huán)板徹底變形，失去支撐和套管居中的作用，整個井口管串偏向左舷側，照片如圖9所示。

圖9 臺風“安比”過后井口照片

臺風過后雖然嘗試了多種辦法，但無法將13-3/8″套管拉正。在之后的下鉆過程中，套管頭處阻掛現(xiàn)象明顯。進行9-5/8″套管下入作業(yè)時，浮鞋經(jīng)過套管頭處便被擱住無法下放，需轉動管串才勉強通過，每根套管的接箍都會在套管頭處發(fā)生阻掛。后期安裝套管密封卡瓦時，發(fā)現(xiàn)13-3/8″套管端面已被刮碰變?yōu)榕_階面，說明由臺風造成的井口偏斜導致13-3/8″套管坡口端面已經(jīng)偏出13-5/8″套管頭BT密封處的腔體（圖10），形成臺階面阻礙鉆頭及套管的下放。

圖10 13-3/8＂套管坡口端面偏出

3 原因分析

由上可知，在三開井口組裝時，21-1/4″套管頭未配備扶正定位塊，為了保證施工時效，在安裝好21-1/4″套管頭后未立刻加工并焊接具有相應強度的定位塊。而13-3/8″套管下入后通常采用坐底固井方式[2]，套管存在相當長度的自由段。防噴器連接安裝后，除去二級張緊器提拉的部分載荷，仍有30t到60t左右重量壓在13-3/8″套管上，而13-3/8″套管與30＂隔水管之間環(huán)空間隙較大，受壓后自然會倒向一邊，且受壓越大，側向分力也就越大，對扶正塊強度要求也越高。21-1/4″套管頭下部環(huán)板與隔水管端面接觸，隔水管則坐在CTU（導管張緊器）上，雖然CTU已經(jīng)撐起隔水管自由段的重量，從而起到緩沖風浪作用，但當風浪大時隔水管依然會有橫向和縱向的伸縮晃動，從三次臺風過后的井口照片可以看出，每經(jīng)歷一次大的風浪，井口的偏斜程度就逐步增加，直到最后環(huán)板被徹底壓變形。井口管串傾斜嚴重，13-3/8″套管端面偏出21-1/4″套管頭腔體，導致BT密封損壞，若正在油氣井段進行鉆進作業(yè)，井控工作無法保證。

4 作業(yè)總結

根據(jù)上述井口偏移問題和原因分析，結合自升式井口設備原理、參數(shù)和目前國內海上鉆井的常規(guī)做法，提出組裝井口時的建議和需要注意的問題如下。

4.1 二開井口安裝

二開井口示意圖如圖11所示，一開為海水開路鉆進，在下入最后一根30″隔水管并將接箍坐于CTU補心上，將CTU液缸先伸出15cm左右。根據(jù)以往的觀察和經(jīng)驗，即使風浪再大，隔水管的升降都不會超過5cm，液缸伸出太多會使裸露在外的液缸被海水和泥漿腐蝕，且橫向擺動幅度加大，不利于液缸保護。30″隔水管固好井后，根據(jù)水深即隔水管自由段長度，算出CTU應撐起的噸位，以東海作業(yè)為例，通常為100千磅（Kips）左右。

圖11 二開井口示意圖

4.2 三開井口安裝

三開井口示意圖如圖12所示，二開17-1/2″井眼完鉆后，下入13-3/8″套管坐底固井，一般采用單級雙封方式，但為了保證后期回收套管作業(yè)正常，固井首漿返高一般不會太高[3]，因此13-3/8″套管存在較長的自由段。

圖12 三開井口示意圖

在安裝21-1/4″套管頭后，將套管及套管頭拉正使其在30″隔水管內居中，安裝高強度定位塊，防噴器組自身重量通過套管頭壓在隔水管上，確保其坐上重量后不發(fā)生偏移。裝好井口后，尤其在臺風季節(jié)，要再加焊定位塊，并對環(huán)板支撐進行加固，以確保隔水管搖晃產(chǎn)生的橫向切力不會對環(huán)板及定位塊造成損壞。

若采用正規(guī)做法，13-3/8″套管也應該通過密封卡瓦坐掛在21-1/4″套管頭內，從而保證13-3/8″套管的自由段處于拉直的狀態(tài)[4]。具體施工方案為固井結束后，先粗切割13-3/8″套管，安裝就位21-1/4″套管頭，等待水泥完全凝結（以保證水泥凝固過程中充分釋放上頂?shù)淖饔昧Γ┖?，?3-3/8″套管上端徑向對稱割孔，使用卸扣吊索或專用工具，用頂驅將套管上提20～40t（具體噸位根據(jù)套管自由段重量確定），然后坐掛密封卡瓦，放松吊索具，進行精割套管。

但上述做法等待時間較長，由于海上作業(yè)成本高，現(xiàn)場實際操作時，13-3/8″套管通常不坐密封卡瓦，這就要求在安裝井口時要盡量保證13-3/8″套管不受壓而偏向一邊。以水深100 m為例，安裝好13-5/8″套管頭后，進行BT密封試壓，連接防噴器及二級張緊器。此時整個井口管串的載荷為隔水管自由段100Kips和防噴器組重量220Kips，總計320Kips。根據(jù)CTU和二級張緊器能力，建議CTU承重170～200Kips，相應的二級張緊器承重150～120Kips。

還需注意的是，在安裝13-5/8″套管頭時，精割13-3/8″需注意打磨坡口角度不要太大，在保證不切到13-5/8″套管頭下部腔體內BT密封的同時，盡量保留13-3/8″套管上端面的厚度，以防止套管上端面從套管頭下腔內滑出，從而避免對下鉆工具產(chǎn)生刮碰影響。

4.3 四開井口安裝

四開井口示意圖如圖13所示，三開12-1/4″井眼完鉆后，下入9-5/8″套管，為了保證固井質量，通常9-5/8″套管密封卡瓦坐掛40t左右重量在13-5/8″套管頭內，此時整個井口管串的載荷為隔水管自由段100Kips、防噴器重量220Kips和9-5/8″套管坐掛重量90Kips，總計410Kips。為保證各層套管所受拉力不變，建議CTU承重250～280Kips，相應的二級張緊器承重160～130Kips。

圖13 四開井口示意圖

對應前文正常做法，若13-3/8″套管也有30t左右重量坐掛在21-1/4″套管頭內，則此時整個井口管串的載荷為隔水管自由段100Kips、防噴器重量220Kips、13-3/8″套管坐掛重量70Kips和9-5/8″套管坐掛重量90Kips，總計480Kips。根據(jù)CTU和二級張緊器能力，理論上建議CTU承重290～320Kips，相應的二級張緊器承重190～160Kips。以“勘探七號”平臺為例，其配備的CTU額定載荷為600Kips，二級張緊器額定載荷為300 Kips，滿足上述作業(yè)能力要求。但現(xiàn)場操作時，還要結合設備的實際功能狀況和每口井不同的鉆井設計，找到最適合最優(yōu)化的作業(yè)方案[5]。

在安裝好密封卡瓦釋放9-5/8″套管剩余懸重時，要有專人觀察21-1/4″套管頭下部環(huán)板情況，若發(fā)現(xiàn)環(huán)板有損傷或變形，應及時焊接支撐加固環(huán)板后再下放懸重。安裝防噴器時，應先連接好二級張緊器并上提一定噸位（180～150Kips），在下放使其坐在套管頭上的過程中，要有專人觀察21-1/4″套管頭下部環(huán)板和CTU液缸情況，從而及時做出調整[6]。在打磨9-5/8″套管坡口時，與前文提到的13-3/8＂套管一樣，盡量保留上端面厚度。

5 結束語

為了確保自升式鉆井平臺在臺風期的井口作業(yè)安全，需預先設計好各開次的井口套管坐卡噸位，并通過井口張緊裝置作業(yè)能力合理分配載荷，保證整個管串處于受拉狀態(tài)，由CTU和二級張緊器的液缸伸縮來補償海上風浪縱向上的影響。同時，可對井口套管頭扶正裝置進行加固，以抵消管串因橫向受力而發(fā)生偏斜；對套管頭內的套管端面坡口精細打磨，以便于后續(xù)下鉆作業(yè)的順利進行。在實際作業(yè)過程中，該文提到的一些作業(yè)方式和操作細節(jié)，都需要結合現(xiàn)場具體的設備和工具的實際情況進行適當調整。