深水中型修井系統(tǒng)設(shè)計與整體強(qiáng)度分析

王金龍 盛磊祥 李婷婷 王名春

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 2.2H海洋工程公司)

0 引 言

海洋是全球石油戰(zhàn)略接替的重點(diǎn)區(qū)域之一。我國南海的油氣資源極為豐富，海洋油氣開發(fā)正在向深遠(yuǎn)海延伸[1-7]。水下井口開發(fā)模式已成為深水油氣田開發(fā)的主流開發(fā)模式。隨著深水油氣的持續(xù)開發(fā)和水下開發(fā)模型的持續(xù)應(yīng)用，在海洋油氣田開發(fā)周期內(nèi)的作業(yè)和運(yùn)維全壽命周期(鉆井、完井、生產(chǎn)及再生產(chǎn)等)中，水下井口修井作業(yè)成為必不可少的一部分，通過修井作業(yè)可以提高油氣采收率，增加油氣田的經(jīng)濟(jì)效益。隨著南海流花、荔灣及陵水等深水油氣田的持續(xù)開發(fā)，我國已經(jīng)具備深水勘探、開發(fā)、生產(chǎn)裝備和技術(shù)研發(fā)能力，油田生產(chǎn)后期的修井技術(shù)需求強(qiáng)烈，應(yīng)用前景廣闊。

當(dāng)前深水修井系統(tǒng)從修井裝備類型來看主要有3種：輕型修井系統(tǒng)、中型修井系統(tǒng)及重型修井系統(tǒng)[8]。深水輕型修井系統(tǒng)作業(yè)始于2000年，由于沒有修井隔水管，亦稱無隔水管修井系統(tǒng)。輕型修井系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量輕，操作靈活，所搭載的輕型工程船舶配備吊機(jī)輔助工作，修井效率高、成本低；但其作業(yè)范圍有限，主要進(jìn)行鋼絲或電纜修井作業(yè)(測井、錄取井下資料、補(bǔ)射孔、下橋塞、隔離閥等)。深水中型修井系統(tǒng)一般配備小尺寸修井隔水管，設(shè)備較輕型修井系統(tǒng)大，對輕型工作船舶的甲板空間需求較大，而且輕型船舶需配置井架或其他提升機(jī)構(gòu)。深水中型修井系統(tǒng)不僅能夠進(jìn)行鋼絲或電纜修井作業(yè)，還可實(shí)現(xiàn)連續(xù)管作業(yè)(井下化學(xué)藥劑注入、循環(huán)井筒、沖砂、增產(chǎn)措施及采油樹安裝等)。2016年Helix公司首次利用單體修井船配備深水中型修井系統(tǒng)，使用修井隔水管實(shí)施了連續(xù)管修井作業(yè)。深水重型修井系統(tǒng)使用深水鉆井隔水管實(shí)現(xiàn)平臺和井下設(shè)備的連接，可進(jìn)行任何類型的修井作業(yè)(包含側(cè)鉆井、更換采油樹、重新完井等)；但因需要動用深水鉆井船或鉆井平臺，作業(yè)成本高。據(jù)統(tǒng)計，世界范圍內(nèi)70%的修井作業(yè)主要為鋼絲、電纜及連續(xù)管作業(yè)，可采用中型修井系統(tǒng)完成。中型修井系統(tǒng)進(jìn)行修井作業(yè)能在作業(yè)類型和成本上取得平衡，是深水水下井口修井作業(yè)未來的發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)缺乏深水油氣田的修井技術(shù)裝備、作業(yè)能力及經(jīng)驗(yàn)，深水油氣田的修井主要依賴國外技術(shù)服務(wù)公司。

為此，筆者基于輕型工程船舶，開發(fā)了一套針對水下井口的深水油氣井中型修井系統(tǒng)設(shè)計方案，并分析了深水修井系統(tǒng)整體強(qiáng)度。這對建立我國自主的深水中型修井系統(tǒng)技術(shù)裝備和作業(yè)能力，有效降低我國深水油氣田修井費(fèi)用和開發(fā)成本具有重要意義。

1 修井系統(tǒng)設(shè)計

1.1 整體設(shè)計方案

基于輕型工程船舶的深水中型修井系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示，包括底部總成、修井隔水管系統(tǒng)和提升框架。

圖1 深水中型修井系統(tǒng)整體設(shè)計方案示意圖

整套系統(tǒng)主要為深水修井提供從船舶到水下油氣井筒的流體流動通道，使得鋼絲繩、修井液及連續(xù)管等能在修井隔水管內(nèi)通道進(jìn)行修井作業(yè)。該深水中型修井系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：適用水深1 000 m，修井隔水管內(nèi)部通徑187 mm，壓力等級34.5 MPa，耐溫等級U級(-18～121 ℃)。底部總成主要功能是實(shí)現(xiàn)修井系統(tǒng)與水下采油樹的連接，配備水下控制系統(tǒng)和水下蓄能器系統(tǒng)，并具備應(yīng)急情況下的解脫功能。水下控制系統(tǒng)控制水下蓄能器系統(tǒng)供液，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急情況下的剪切、關(guān)井及解脫的連續(xù)動作。修井隔水管系統(tǒng)由常規(guī)的修井隔水管單根、配長短節(jié)、帶防噴閥的短節(jié)及防磨保護(hù)單根等單根串聯(lián)連接，主要功能是連接水下井口和修井船上的修井裝備，形成流體流動通道。頂部提升框架一般為井口關(guān)井/防噴裝置、連續(xù)管注入頭、連續(xù)管等常規(guī)修井裝置提供固定的框架，整體懸掛在輕型船舶的提升系統(tǒng)上。提升系統(tǒng)一般為天車或游車系統(tǒng)，修井隔水管應(yīng)急解脫工況下的回彈控制可通過天車或游車補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

基于輕型工程船舶的深水中型修井系統(tǒng)設(shè)計方案具有如下特點(diǎn)：

(1)采用高壓輕型隔水管連接水下井口/采油樹和輕型船舶，利用井架提升系統(tǒng)提供修井隔水管的張緊力。

(2)正常作業(yè)期間與鋼絲作業(yè)、連續(xù)管作業(yè)等配合，井筒的壓力控制通過上部的防噴設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

(3)底部總成除用于連接水下井口采油樹外，另一個功能主要用于應(yīng)急工況，實(shí)現(xiàn)船舶漂移等緊急情況下的應(yīng)急解脫，具備剪切鋼絲、連續(xù)管等井內(nèi)修井作業(yè)管柱以及密封隔水管和井筒的能力；修井隔水管應(yīng)急解脫后不在位工況時，提供應(yīng)急壓井通道。

(4)修井隔水管底部總成控制采用無臍帶纜的設(shè)計，水下設(shè)置水下蓄能器動力系統(tǒng)供液及控制系統(tǒng)，可以通過過提隔水管切斷底部總成連接銷釘，進(jìn)而以遠(yuǎn)程觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)快速啟動應(yīng)急解脫功能，并快速封井。

1.2 底部總成

底部總成是深水中型修井系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，結(jié)構(gòu)如圖2所示，具備連接水下井口、緊急脫離時自動觸發(fā)封井剪切閥和封井剪切閘板關(guān)閉的功能，進(jìn)行快速封井。

圖2 底部總成示意圖

底部總成主要包括應(yīng)力短節(jié)、承流止回閥、應(yīng)急解脫連接器、封井剪切閥、封井剪切閘板、控制系統(tǒng)及橇裝架體總成等部件。底部總成的應(yīng)力短節(jié)是內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒為圓形直筒，固定在底部總成上；外筒為錐形圓筒結(jié)構(gòu)，上端使用隔水管連接器與常規(guī)修井隔水管進(jìn)行連接。應(yīng)力短節(jié)采用的錐形結(jié)構(gòu)能使隔水管底部系統(tǒng)保持足夠的強(qiáng)度和剛度，過渡到與水下采油樹的連接，具有很好的減小局部應(yīng)力效果，可大幅延長疲勞壽命并擴(kuò)大系統(tǒng)的安全作業(yè)窗口。

底部總成控制系統(tǒng)采用無臍帶纜模式，通過水下高壓蓄能器作為控制系統(tǒng)動力源。蓄能器的動力通過安裝在應(yīng)急解脫連接器內(nèi)的機(jī)械換向閥、液壓管線及接頭等連接到封井裝置(封井剪切閥和封井剪切閘板)。正常修井作業(yè)工況時，液壓控制系統(tǒng)中的機(jī)械換向閥處于截止閥位，水下蓄能器組的動力液無法連通并進(jìn)入封井剪切裝置液壓驅(qū)動腔(見圖3a)。圖3中黑色液壓管線表示截止?fàn)顟B(tài)，紅色液壓管線表示連通狀態(tài)。當(dāng)修井作業(yè)過程中出現(xiàn)由于環(huán)境工況或其他緊急情況需要作業(yè)工程船快速撤離的應(yīng)急解脫情況下，利用隔水管上提解脫產(chǎn)生的較大載荷剪斷應(yīng)急解脫連接器內(nèi)連接銷釘；與隔水管相連的應(yīng)力短節(jié)外筒開始慢慢脫離與井口相連的內(nèi)筒(見圖3b)，應(yīng)急解脫連接器向上移動觸發(fā)控制系統(tǒng)的機(jī)械換向閥換向到開位，蓄能器的動力液快速通過控制系統(tǒng)管線進(jìn)入封井剪切裝置(封井剪切閥、封井剪切閘板)的液壓驅(qū)動腔，剪切正在修井作業(yè)的鋼絲/連續(xù)管并密封井筒壓力，啟動封井動作，保證油井安全。

圖3 底部總成不同工況下工作狀態(tài)

繼續(xù)上提隔水管帶著錐形短節(jié)外筒向上移動，內(nèi)外筒繼續(xù)脫離，但內(nèi)外筒之間的承流止回閥工作，可以保證深水隔水管內(nèi)的流體不會泄漏到海里。錐形應(yīng)力短節(jié)內(nèi)外筒的設(shè)計長度需要保證在完成井口的封井裝置關(guān)閉之前接觸和密封，保證整個過程中井筒流體以及隔水管內(nèi)的流體不會泄漏到海里。如圖3c所示。

1.3 修井隔水管

修井隔水管主要連接水上的修井設(shè)備和水下的底部總成及下面井口采油樹，將生產(chǎn)井筒與環(huán)空從水下采油樹或油管掛延伸到地面，完井或修井過程中循環(huán)井眼流體，同時為鋼絲繩或連續(xù)管作業(yè)提供聯(lián)通生產(chǎn)井筒與環(huán)空的垂直通道。安裝在輕型工程船舶上的中型修井系統(tǒng)很少會專門配備隔水管張緊系統(tǒng)，主要利用工程船的鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)提供修井隔水管的頂張力以及升沉補(bǔ)償，從而節(jié)約月池附近的空間和工程船的可變載荷。修井隔水管系統(tǒng)主要有常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)單根、配長短節(jié)、帶防噴閥的短節(jié)、防磨保護(hù)單根等。標(biāo)準(zhǔn)隔水管單根為無縫鋼管，長度一般為13.716 m，兩端焊接有高強(qiáng)度和耐疲勞性能的接頭。隔水管配長單根用于對隔水管系統(tǒng)進(jìn)行配長，配長單根為一系列，長度范圍1.524～12.192 m，長度間隔為1.524 m，配長單根的接頭與標(biāo)準(zhǔn)隔水管單根的接頭相同。月池保護(hù)單根也稱耐磨保護(hù)單根，如圖4所示，用于避免在隔水管及控制管纜穿過月池轉(zhuǎn)盤時發(fā)生損壞。耐磨保護(hù)單根一般為雙層，外表面光滑，減輕單根在作業(yè)船升沉運(yùn)動時產(chǎn)生的摩擦。

圖4 修井隔水管月池保護(hù)單根

1.4 提升框架

提升框架頂端懸掛在輕型工程船舶的游車或天車系統(tǒng)上，底部懸掛著修井隔水管，配合過提操作要求，驗(yàn)證底部總成設(shè)備已坐放和連接到位。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 提升框架結(jié)構(gòu)示意圖

提升框架處主要為地面測試樹、表面防噴器、防噴盒、油管注入頭等常規(guī)修井作業(yè)工具提供安裝位置，起到承載作用。

2 修井系統(tǒng)整體分析

2.1 分析方法

深水中型修井系統(tǒng)的整體動力學(xué)響應(yīng)對修井作業(yè)安全有著重要意義。修井系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)——隔水管系統(tǒng)及錐形應(yīng)力短節(jié)，在整體動態(tài)分析時可視為管狀梁結(jié)構(gòu)。修井隔水管的長徑比很大，其橫向位移遠(yuǎn)小于其長度，近似垂直狀態(tài)，可視為小變形梁。根據(jù)小變形梁理論，修井隔水管系統(tǒng)的控制方程為[9-11]：

(1)

式中：E為彈性模量，Pa；I(x)為截面慣性矩，m4；cr為阻尼系數(shù)；T(x)為軸向有效張力，N；mr(x)為修井隔水管單位長度質(zhì)量，kg/m；Fsea(x，t)為作用在單位長度隔水管上的水動力載荷，N/m。

軸向有效張力T(x)為：

(2)

式中：L為修井隔水管總長度，m；wr(x)為單位長度隔水管濕重，N/m。

水動力載荷Fsea(x，t)計算式為：

(3)

根據(jù)有限元理論，修井隔水管系統(tǒng)的控制方程在離散后得到線性代數(shù)方程進(jìn)行求解：

(4)

式中：{ue}為位移矢量，m；{Fe}為力矢量，N；[Me]、[Ce]、[Ke]分別為質(zhì)量(kg)、阻尼(N·s/m)和剛度矩陣(N/m)。

2.2 分析結(jié)果

利用上述方法對1 000 m水深條件下的深水中型修井系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，得到修井隔水管系統(tǒng)的有效張力、最大彎矩和最大等效應(yīng)力/屈服強(qiáng)度等整體強(qiáng)度分析結(jié)果，如表1所示?？傮w來看，隨著船舶偏移量δ(水深h的百分比)的增加，修井隔水管主體處的彎矩和應(yīng)力總體變化較小。修井系統(tǒng)的最大張力在月池保護(hù)單根頂部，最大彎矩和最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在底部總成的錐形應(yīng)力短節(jié)底部，如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知，隨著輕型工作船舶偏移量的增大，在錐形應(yīng)力短節(jié)處的等效應(yīng)力和彎矩隨之增大。

表1 修井隔水管在作業(yè)船舶10%水深偏移下的極限強(qiáng)度結(jié)果

圖6 不同船舶偏移量下錐形應(yīng)力短節(jié)最大彎矩分布

圖7 不同船舶偏移量下錐形應(yīng)力短節(jié)等效應(yīng)力/屈服強(qiáng)度變化

3 結(jié)論及認(rèn)識

(1)深水中型修井系統(tǒng)主要包括頂部提升框架、修井隔水管系統(tǒng)和底部總成，可為深水修井作業(yè)提供流體流動通道，使得修井液、連續(xù)管等能在修井隔水管內(nèi)的通道進(jìn)行修井作業(yè)。

(2)整體極限強(qiáng)度分析結(jié)果顯示，整套修井系統(tǒng)的最大彎矩和最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在錐形應(yīng)力短節(jié)的底部，在后續(xù)詳細(xì)設(shè)計中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注底部錐形應(yīng)力短節(jié)的受力狀況。