賀日欣
中海油田服務股份有限公司 天津 300459
在海上油氣開發(fā)過程中,為保證油氣井的持續(xù)生產,普遍采用在固定式平臺上安裝修井機的方式。但是常規(guī)的修井機存在著體積和質量巨大的問題,需要設計建造大型的固定式油氣開采平臺,資金投入量大,提高了海洋油氣開采的成本。同時,固定式油氣開采平臺上單獨配置的修井機使用效率不高,在老齡油氣田中,修井機使用率不到35%;而新油氣田則僅有7%左右,造成嚴重的資產閑置。而使用修井船或修井時再安裝修井機的方式,則存在著修井成本高、鉆井船調度繁瑣、作業(yè)時效低等難題。因此,從節(jié)約修井作業(yè)成本、提升設備使用效率等方面考慮,需要一種結構簡單緊湊、占地面積較小、運輸組裝快速便捷的修井機,來滿足海上油氣開采平臺的修井作業(yè)需求,液壓舉升恰好能滿足這一需求。
液壓舉升裝置的主要由液壓舉升系統(tǒng)、液壓旋轉系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)和固控系統(tǒng)四大部分組成,其主要工作原理是利用兩組或多組液壓缸進行往復式運動,直接驅動游動卡瓦進行循環(huán)往復的上下運動,實現鉆桿或油管的上提下放,其結構原理如圖1 所示。
圖1 液壓舉升裝置結構圖
液壓舉升裝置的工作原理如圖2 所示,利用黑色和白色小方塊表示固定卡瓦和移動卡瓦的工作狀態(tài),其中黑色表示卡瓦夾緊管柱,而白色表示卡瓦放開管柱。在步驟一、步驟二和步驟三中,固定卡瓦和移動卡瓦的交替夾緊、放開管柱和液缸循環(huán)往復的上下運動,驅動游動卡瓦上下循環(huán)工作,實現了管柱的提升下放。使用液壓舉升裝置的鉆修井機取消了鉆井絞車、井架、天車和游車組成的游動系統(tǒng),結構簡單,占地面積小,避免了傳統(tǒng)鉆修井機需要復雜的游動系統(tǒng)的特點。且由于液缸行程有限,能夠有效防止游動系統(tǒng)在井架內上下作業(yè)過程中發(fā)生碰撞天車和擺臂鉤掛二層臺造成高空落物等問題,提升了作業(yè)過程中的安全系數。
圖2 液壓舉升裝置工作原理
為了滿足陸地、海洋等不同自然環(huán)境和不同地質條件下油氣資源的開發(fā),國內外相繼研發(fā)出車載模塊式修井機、海洋石油修井船等各種類型的鉆修井機,采用液壓舉升裝置的修井機也隨之出現。相關資料顯示,目前已經有上百臺液壓舉升裝置投入到油氣資源開發(fā)之中。四川石油管理局于1989 年設計建造出的DY- 30 型全液壓山地鉆修井機,是我國首次研發(fā)制造液壓鉆修井。1995 年,隨著中石化勝利石油管理局研發(fā)出我國第一臺車載式液壓舉升修井機,開創(chuàng)了我國自主研發(fā)液壓修井機的先河,之后我國液壓修井機事業(yè)不斷發(fā)展。
我國自主研發(fā)的用于海洋無人平臺液壓修井機于2011 年投入使用,采用“電機+ 液泵”作為動力源提升單根進行作業(yè)的模式。2012 年初采用液壓舉升裝置進行邊際油田修井作業(yè)獲得圓滿成功,拉開了液壓舉升裝置在我國海洋石油事業(yè)中推廣的序幕。2017 年在我國某淺海區(qū)域油田首次投入使用液壓滑移底座和一體化井口裝置,實現了我國高端海洋液壓舉升裝置零的突破。2018 年3 月,在我國某近海油田中使用液壓鉆機,標志著液壓舉升裝置的應用從淺海走向了近海油氣田區(qū)域。
液壓舉升裝置因為搬遷便捷、結構緊湊、利用率高等特點,在邊際油田和油井作業(yè)得到廣泛應用。目前國際上已形成了包括Superior Energy Services、Hallibuton、Basic Energy Services 等企業(yè)在內的液壓舉升裝置生產廠家,產品系列包含140K、150K、170K、225K、240K、340K、460K 等,舉升力從140klbs 到460klbs。在諸多的產品中,尤其以美國Hydra Rig 公司的225K 型液壓舉升裝置和ISS 公司的340K 型液壓舉升裝置應用最廣泛。2019 年4 月,在國內淺海區(qū)域某油田的注水井中修井作業(yè)中完成了管柱更換作業(yè),充分體現出了該型液壓修井裝置結構緊湊、組裝快速便捷、運輸方便、使用效率高等優(yōu)勢。
液壓舉升裝置在海上油氣開采平臺上具有很強的適應性,能夠便捷地實現運輸和拆卸安裝,并可根據場地特點進行布局,滿足采油管柱起下、電潛泵更換、射孔作業(yè)等各類修井和鉆完井作業(yè)。修井機相關參數如表1 所示。
表1 液壓舉升裝置基本參數
國內某邊際油田以往的修井作業(yè)需要協調修井機或鉆井船,近期在對該平臺某井進行換大泵作業(yè)中,根據其井內起管柱作業(yè)所需最大上提力(35t),解封生產封隔器是最大上提力(55t),計算分析后使用液壓舉升裝置進行換泵作業(yè)。該液壓舉升裝置包括液壓舉升模塊(含液壓轉盤、游動卡瓦和固定卡瓦)、上工作籃(含操作臺)、下工作籃、可伸縮式雙絞車桅桿、液壓油管鉗和液壓站等部分,而最大吊裝重量僅為8t。
3.1.1 吊裝步驟
通過對該井相關參數及平臺的載荷分析后,作業(yè)設計采用將液壓舉升裝置直接安裝在井口套管頭的方法。在完成壓井等前序作業(yè)后,直接使用平臺吊車對液壓舉升裝置進行吊裝。具體步驟如下:
(1)組裝下部工作籃;
(2)組裝液壓舉升模塊和拓展工作臺;
(3)安裝下部工作籃支撐桿和照明系統(tǒng);
(4)安裝相關液壓管線到動力單元;
(5)組裝上部工作籃;
(6)組裝液壓舉升裝置各樓梯和支撐桿;
(7)安裝桅桿、液壓鉗吊臂和液壓鉗;
(8)聯合調試運轉液壓舉升裝置。
該過程相對于傳統(tǒng)修井機能夠節(jié)約6h 的組裝時間。
3.1.2 換泵作業(yè)的關鍵點
在該井的換泵作業(yè)過程中的關鍵的作業(yè)點為:
(1)在下操作臺處進行附屬電纜和液控管線的安裝和回收;
(2)通過游動卡瓦和固定卡瓦的循環(huán)抱緊和釋放,以及液缸的循環(huán)伸縮,實現管柱的起放;
(3)在下工作籃工作臺處的固定卡瓦抱緊7”電泵管串后,直接剪斷電纜拆卸快速接頭后,逐級拆解出電泵;
(4)使用桅桿和吊車,逐級組裝并下入電泵管串和電纜到井內,安裝好BIW 電纜穿越密封和快速接頭,組裝7”油管后依次下入。
該作業(yè)程序雖然是下單根油管,但作業(yè)時間和傳統(tǒng)修井機作業(yè)時間持平。
經過綜合費用結算,使用液壓舉升裝置修井,相對于傳統(tǒng)修井機和鉆井船開展修井作業(yè),分別可節(jié)約費用近百萬和超兩百萬元,極大地縮減了換泵作業(yè)的費用。同時,修井作業(yè)中承載受力部位為該井的套管頭,只有液壓站等附屬設備的載荷承載于平臺甲板面上,極大地減少了平臺所受的載荷,且各附屬設備尺寸小,能夠適應平臺甲板有限的場地。
我國淺海區(qū)域某井側鉆作業(yè),該井管柱垂直投影長度為1200m 左右、水平投影長度2600m 左右、摩擦系數0.25。根據海洋石油模塊鉆機和海洋石油修井機的相關標準,對該井完成鉆井作業(yè)中的最大鉤載進行計算,可以得出該井的最大鉤載為136.713t。而液壓舉升裝置最大舉升力為340klbs,約合153t,最大鉤載尚不足液壓舉升裝置的90%,故液壓舉升裝置完全能夠滿足該井側鉆要求。
在該油氣田區(qū)域,在進行8- 1/ 2”和6”井眼正常鉆井作業(yè)時,鉆具轉速一般不高于60r/ min,低于液壓舉升裝置100 r/ min 的最大轉速。且在該轉速下,液壓舉升裝置能夠提供30kN·m 的扭矩,該數據已經大于傳統(tǒng)40/ 225型鉆機能夠提供的最大連續(xù)輸出扭矩(19kN·m)和最大間歇輸出扭矩(24kN·m),能夠保證鉆井作業(yè)中提供給鉆具足夠的扭矩。
在鉆井作業(yè)中,為保證泥漿循環(huán)系統(tǒng)的正常工作,根據該油田近年使用傳統(tǒng)液壓修井機進行側鉆作業(yè)的相關數據,可知2400L/ min 的鉆井液供給和20MPa 的泵壓就能滿足側鉆作業(yè)所需。故根據海洋石油模塊鉆機和海洋石油修井機的相關標準,利用公式(1)和相關參數進行計算,結果表明僅需要配置644HP 的泥漿泵就能滿足鉆井作業(yè)的需要。
式中:ηy——泥漿泵的容積效率,0. 95;
ηj——鉆井泵的機械效率,0. 90;
Q——各井段的排量,L/ s;
P——各井段與排量相對應的泵壓,MPa;
J——為經驗系數,0.80。
常規(guī)的ZJ20/ 135 型和ZJ30/ 180 型模塊鉆機在該作業(yè)區(qū)域使用5”鉆桿進行側鉆作業(yè)時,鉆井井深一般在1100~2500m 之間。對比相關參數之后可以發(fā)現,液壓修井機參數覆蓋了這兩型模塊鉆機的作業(yè)范圍。同時,根據該油田近年來使用修井機進行側鉆作業(yè)的相關數據(表2)可知,液壓舉升裝置已經幾乎能夠覆蓋所有的側鉆作業(yè)。
表2 修井機側鉆作業(yè)井眼參數
液壓舉升裝置具有結構緊湊、占用空間小、操作簡單方便、拆裝及運輸迅速等優(yōu)點,在國內外已經得到一定的應用。實踐應用表明,液壓舉升裝置配備齊全的泥漿循環(huán)系統(tǒng)等關鍵附屬設備后,能夠順利完成我國淺海、近海區(qū)域內相關平臺的修井、完井和側鉆作業(yè),而且可有效減輕平臺載荷,對老舊平臺、小型無人平臺更具有顯著的優(yōu)勢。從而解決海上無修井機的固定式油氣生產平臺的修井、完井和側鉆作業(yè),縮短油氣井躺井待修的等待作業(yè)時間,為提升我國海上油氣產量提供巨大的助力,具有廣闊的應用前景。