液壓舉升裝置在海上平臺(tái)側(cè)鉆作業(yè)的可行性研究

王莉，張勝寶，陳學(xué)立，張瑞綱，黃志力

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司（天津 300452）

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司（天津 300452）

0 引言

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中海油國(guó)內(nèi)油田無(wú)修井機(jī)平臺(tái)約有30個(gè)，控制的油井?dāng)?shù)量接近300口[1]，由于沒(méi)有修井機(jī)，當(dāng)油井需要進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)時(shí)通常要用鉆井平臺(tái)來(lái)完成。另外，海上油田修井機(jī)平臺(tái)中有相當(dāng)一部分配置的修井機(jī)作業(yè)能力為90 t及以下，作業(yè)能力有限，滿(mǎn)足不了側(cè)鉆要求[2]，當(dāng)需要進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)時(shí)，只能動(dòng)用鉆井平臺(tái)或者搬遷作業(yè)能力更強(qiáng)的修井機(jī)。此外，海上油田經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)及改造，目前部分有側(cè)鉆作業(yè)需求的平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)的靠泊就位。

上述情況會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題：①作業(yè)成本過(guò)高（僅鉆井平臺(tái)的動(dòng)復(fù)員費(fèi)用就接近1 000萬(wàn)元，修井機(jī)搬遷需動(dòng)用浮吊，單次浮吊的使用費(fèi)用約為500萬(wàn)元），使得側(cè)鉆作業(yè)不具備經(jīng)濟(jì)性；②鉆井平臺(tái)資源有限，協(xié)調(diào)困難；③會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)長(zhǎng)停井或低產(chǎn)低效井，從而嚴(yán)重影響油田產(chǎn)量。目前中海油已將穩(wěn)產(chǎn)作為重要的工作目標(biāo)，因此，解決這些問(wèn)題就顯得非常迫切。

依靠現(xiàn)有傳統(tǒng)作業(yè)模式和技術(shù)是無(wú)法經(jīng)濟(jì)有效地解決上述平臺(tái)側(cè)鉆難題，必須尋找、開(kāi)發(fā)新的技術(shù)。新的技術(shù)必須滿(mǎn)足現(xiàn)有平臺(tái)的工作條件，且具備以下特點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，占用場(chǎng)地小、安裝方便，安全可靠且能夠滿(mǎn)足現(xiàn)有行業(yè)規(guī)范，筆者及研究團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了大量的調(diào)研及論證工作后，發(fā)現(xiàn)使用液壓舉升裝置在海上平臺(tái)進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)具有較大的可行性。

1 液壓舉升設(shè)備及其優(yōu)點(diǎn)

液壓舉升裝置（Hydraulic Workover Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)HWU或HWO）是一種通過(guò)液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)提升、下放井下工具的設(shè)備，是不壓井作業(yè)裝置的一種變形[3]，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓舉升設(shè)備簡(jiǎn)圖

目前，常見(jiàn)的液壓舉升裝置的作業(yè)能力范圍為68~227 t，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 液壓舉升設(shè)備參數(shù)

液壓舉升裝置與傳統(tǒng)井架式修井機(jī)、儲(chǔ)能式修井機(jī)、液壓修井機(jī)及帶壓設(shè)備[3]相比，主要優(yōu)勢(shì)為：①模塊化設(shè)計(jì)，單件重量輕，易于拆裝，運(yùn)輸方便；②作業(yè)所需場(chǎng)地小，滿(mǎn)足小甲板作業(yè)要求；③對(duì)平臺(tái)配套資源要求低；④可適應(yīng)套管頭承載和導(dǎo)軌滑移兩種作業(yè)模式。

早在2004年，迪拜石油公司就使用液壓舉升裝置完成了95.25 mm(334″)及104.78 mm(418″)井段側(cè)鉆作業(yè)。2018年6月中海油引進(jìn)液壓舉升裝置技術(shù)，并順利完成了潿洲某井的檢泵作業(yè)，該井的成功作業(yè)，代表液壓舉升裝置在海上平臺(tái)檢泵修井作業(yè)的應(yīng)用獲得了極大的成功，但國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)使用液壓舉升裝置進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)的案例。

通過(guò)對(duì)海上平臺(tái)215.9 mm(812″)及152.4 mm（6″）井眼側(cè)鉆作業(yè)鉆完井工藝的分析，發(fā)現(xiàn)側(cè)鉆作業(yè)的機(jī)具需要具備旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、起下鉆具及清洗井底。在《適用于海上鉆修機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的液壓舉升裝置適用性分析》[2]一文中，針對(duì)液壓舉升裝置及關(guān)鍵配套裝置的鉆井作業(yè)規(guī)范符合性進(jìn)行了分析論證，結(jié)果表明液壓舉升裝置滿(mǎn)足海上鉆完井作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 海上平臺(tái)修井機(jī)側(cè)鉆作業(yè)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)渤海油田使用修井機(jī)作業(yè)的側(cè)鉆井進(jìn)行了不完全統(tǒng)計(jì)分析，截至2019年5月，使用修井機(jī)作業(yè)的井共計(jì)229口，其中，側(cè)鉆作業(yè)井73口。對(duì)單一井眼使用修井機(jī)側(cè)鉆作業(yè)井眼為215.9 mm(812″)及152.4 mm（6″）的井進(jìn)行篩選，共計(jì)26口，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 單一井眼使用修井機(jī)側(cè)鉆作業(yè)統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

通過(guò)對(duì)上表的分析可知，修井機(jī)已鉆單一井眼為215.9 mm(812″)及152.4 mm(6″)的井側(cè)鉆點(diǎn)的范圍為1 740~3 169 m，轉(zhuǎn)速為60~110 r/min，扭矩為4~29 kN·m，鉆完井作業(yè)時(shí)最大懸重為40~96 t。

從設(shè)備的極限能力來(lái)看，典型340K液壓舉升設(shè)備的提升能力為154 t（根據(jù)SY/T 7089—2016《海洋平臺(tái)鉆機(jī)選型推薦方法》[4]，設(shè)備可使用的最大鉤載為86.7 t），扭矩29.8 kN·m，能夠滿(mǎn)足修井機(jī)單一井眼側(cè)鉆已鉆井90%以上側(cè)鉆作業(yè)的設(shè)備能力需求，針對(duì)部分對(duì)作業(yè)設(shè)備能力需求更高的井，可采用500K的液壓舉升裝置進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)。

3 液壓舉升設(shè)備在海上平臺(tái)抗風(fēng)能力計(jì)算

作為一種全新的鉆完井側(cè)鉆作業(yè)機(jī)具，除了設(shè)備的作業(yè)能力以外，決定其能否應(yīng)用于海上平臺(tái)的關(guān)鍵因素為設(shè)備的抗風(fēng)能力是否滿(mǎn)足海上作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

為減少使用液壓舉升裝置施工的盲目性和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，并為海上工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)和安全保證，運(yùn)用SAFI有限元分析軟件對(duì)液壓舉升裝置進(jìn)行了抗風(fēng)載能力計(jì)算（液壓舉升裝置采用套管頭承載模式）。其中，環(huán)境條件按照API Spec 4F—2013（第4版）標(biāo)準(zhǔn)[5]規(guī)定3秒陣風(fēng)，考慮工作狀態(tài)為21.6 m/s，非預(yù)期風(fēng)速為36 m/s（有/無(wú)主載荷兩種工況），預(yù)期臺(tái)風(fēng)狀態(tài)風(fēng)速為47.8 m/s，最大作業(yè)扭矩參考SY/T 7089—2016《海洋平臺(tái)鉆機(jī)選型推薦方法》[4]設(shè)置為24 kN·m，液壓舉升裝置考慮按照有繃?yán)K輕便井架進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。

按照最新API Spec 4F—2013設(shè)計(jì)載荷要求，按照表3進(jìn)行載荷組合設(shè)計(jì)。

表3 標(biāo)準(zhǔn)載荷組合設(shè)計(jì)

計(jì)算過(guò)程中，在SAFI有限元軟件中按照0°～360°每隔45°進(jìn)行定義，工作狀態(tài)和安裝狀態(tài)風(fēng)速為21.6 m/s、非預(yù)期狀態(tài)風(fēng)速為36 m/s、預(yù)期臺(tái)風(fēng)狀態(tài)風(fēng)速為47.8 m/s，搭建了有限元計(jì)算模型，如圖2所示。表4為SAFI有限無(wú)計(jì)算結(jié)果。

圖2 有限元模型示意圖

表4 液壓舉升裝置SAFI有限元計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算過(guò)程中，共考慮3種載荷設(shè)計(jì)工況，分別為：載荷工況1，工作狀態(tài)，風(fēng)力21.6 m/s，每隔45°進(jìn)行風(fēng)力加載，上卡瓦載荷1 540 kN，最大扭矩24 kN·m；設(shè)計(jì)載荷工況2，預(yù)期狀態(tài)，風(fēng)力47.8 m/s，每隔45°進(jìn)行風(fēng)力加載，下卡瓦載荷1 540 kN；設(shè)計(jì)載荷工況3，非預(yù)期，風(fēng)力36 m/s，每隔45°進(jìn)行風(fēng)力加載，下卡瓦載荷1 540 kN。

通過(guò)對(duì)液壓舉升設(shè)備預(yù)期帶主載荷狀態(tài)（21.6 m/s）及非預(yù)期帶主載荷狀態(tài)（36 m/s)的ULS值計(jì)算（圖3、圖4）可知，液壓舉升裝置最大的ULS值單元為M1360，ULS值為0.78，ULS值均未達(dá)到或超過(guò)1，滿(mǎn)足API Spec 4F—2013強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，且液壓舉升裝置主體在最大工況下豎直方向變形量為8 mm，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 預(yù)期帶主載荷狀態(tài)（21.6 m/s）ULS值

圖4 非預(yù)期帶主載荷狀態(tài)（36 m/s)ULS值

通過(guò)上述分析和論證得出如下結(jié)論：在最大風(fēng)力載荷、最大舉升載荷及作業(yè)扭矩綜合工況下，設(shè)備的強(qiáng)度及變形量都能滿(mǎn)足安全鉆井作業(yè)的要求，液壓舉升裝置可應(yīng)用于海上平臺(tái)進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)。

4 液壓舉升設(shè)備在海上平臺(tái)應(yīng)用展望

液壓舉舉升裝置在海上平臺(tái)的側(cè)鉆應(yīng)用，可有效降低目前已投產(chǎn)的無(wú)修井機(jī)平臺(tái)或低配置修井機(jī)平臺(tái)的側(cè)鉆費(fèi)用。以1口明化鎮(zhèn)的側(cè)鉆井為例，244.475 mm(958″)套管開(kāi)窗側(cè)鉆點(diǎn)深度為1 600 m，215.9 mm(812″)井眼鉆進(jìn)至2 400 m。如果使用鉆井平臺(tái)（92系列）進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)，側(cè)鉆費(fèi)用約為1 800萬(wàn)（含鉆井平臺(tái)動(dòng)復(fù)員費(fèi)約900萬(wàn)）；如果使用液壓舉升裝置進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)，側(cè)鉆費(fèi)用可降至約1 400萬(wàn)元（含液壓舉升設(shè)備及相關(guān)配套設(shè)備動(dòng)復(fù)員費(fèi)200萬(wàn)元）以下，降低幅度達(dá)20%以上。

除了能解決無(wú)修井機(jī)平臺(tái)、低配修井機(jī)平臺(tái)及靠泊受限平臺(tái)的修井、側(cè)鉆難題，液壓舉升裝置還可用于替代設(shè)備老化的鉆修機(jī)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，截至2018年，僅渤海地區(qū)工作年限為15年以上的鉆修機(jī)就多達(dá)15套，面臨設(shè)備老化、維護(hù)成本高、升級(jí)改造費(fèi)用增加等一列問(wèn)題。建議后期可使用液壓舉升裝置取代這部分鉆修機(jī)進(jìn)行修井、側(cè)鉆作業(yè)，既可解決甲方的維護(hù)、升級(jí)成本等問(wèn)題，又可降低相關(guān)費(fèi)用。

5 結(jié)論和建議

1）從設(shè)備的作業(yè)能力來(lái)看，典型340K液壓舉升設(shè)備的提升能力為154 t（設(shè)備可使用的最大鉤載為86.7 t），扭矩29.8 kN·m，能夠滿(mǎn)足渤海油田使用修井機(jī)側(cè)鉆已鉆井（側(cè)鉆215.9 mm或152.4 mm井眼）90%以上側(cè)鉆作業(yè)的需求。

2）通過(guò)SAFI有限元分析軟件計(jì)算可知，在最大風(fēng)力載荷、最大舉升載荷及最大作業(yè)扭矩綜合工況下，液壓舉升裝置的強(qiáng)度及變形量都能滿(mǎn)足安全鉆井作業(yè)的要求。

3）液壓舉升設(shè)備可應(yīng)用于海上平臺(tái)進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)。如采用套管頭承載模式，后續(xù)需針對(duì)目標(biāo)井隔水導(dǎo)管的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)對(duì)目標(biāo)作業(yè)平臺(tái)的可變承載力進(jìn)行校核，以確保作業(yè)安全。