水下修井立管及其關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：隨著我國海洋油氣的開發(fā)逐步從淺水邁向深水，深水水下設(shè)備的國產(chǎn)化需求越來越迫切。其中針對水下修井立管的研究，其國內(nèi)研究水平與國際先進(jìn)水平之間還存在較大差距?，F(xiàn)介紹了不同類型的水下修井技術(shù)，闡明了水下修井立管作為頂端張緊式立管基礎(chǔ)研究模型的重要性，同時對修井立管的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了總結(jié)，可為我國開發(fā)深水油氣提供參考。

關(guān)鍵詞：海洋油氣開發(fā);深水修井;修井立管;修井隔水管;頂端張緊式立管

0 引言

在深水油氣開發(fā)領(lǐng)域，盡管我國正積極開展水下裝備的國產(chǎn)化研究，并在部分設(shè)備上取得了顯著進(jìn)展[1]，但一些關(guān)鍵設(shè)備離工業(yè)化應(yīng)用仍存在一定差距[2]，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心設(shè)備仍然依賴進(jìn)口。如我國海洋石油開采的重點(diǎn)項(xiàng)目南海流花16-2和陵水17-2[3]，其中流花16-2是中海油第一個深水FPSO開發(fā)項(xiàng)目，采用的是英國TechnipFMC公司的水下采油樹和水下控制系統(tǒng);陵水17-2作為我國首個自主勘探、完全自營的大型深水項(xiàng)目，采用的是挪威Aker Solutions公司的水下采油樹和水下控制系統(tǒng)。作為深水油氣開發(fā)工程的重要組成部分和技術(shù)瓶頸，水下修井立管一直是工業(yè)界的研究熱點(diǎn)，但在國內(nèi)這一領(lǐng)域尚無明顯成果。

1 水下修井系統(tǒng)

1.1? ? 水下修井作業(yè)

目前國內(nèi)海洋油氣開發(fā)的項(xiàng)目集中在淺水區(qū)域，開發(fā)模式以“導(dǎo)管架固定平臺+干式井口+干式采油樹”為主，修井作業(yè)通過干式井口進(jìn)行。但在水深超過300 m的油氣田，通過建設(shè)導(dǎo)管架固定平臺的開發(fā)模式經(jīng)濟(jì)性很差[4]。隨著我國海洋石油開發(fā)的重點(diǎn)從淺水走向中深水，適合深水油氣田的開發(fā)模式，如“半潛式平臺+濕式井口”將變得日益重要。

當(dāng)前世界范圍內(nèi)針對濕式井的水下修井作業(yè)主要集中于西非、巴西、英國、挪威和美國。根據(jù)國外項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，按修井所需修井平臺的大小，可以把水下修井作業(yè)分為3類：

（1）無立管修井：這類修井只需要小型作業(yè)船只，修井作業(yè)使用鋼絲纜。

（2）輕型修井：這類修井需要更專業(yè)的修井船或平臺，平臺上需要一定空間，修井作業(yè)一般使用連續(xù)油管;需要修井立管，不需要水下防噴器。

（3）重型修井：這類修井需要大型船只，一般是全尺寸的鉆井船或平臺，用于大型作業(yè);需要鉆井立管和水下防噴器。

鑒于重型修井所需大型鉆井船或平臺的高昂成本，無立管修井和輕型修井成為深水修井的技術(shù)熱點(diǎn)。目前國外已研發(fā)出較為穩(wěn)定的無立管修井技術(shù)，其中挪威和英國最為熱衷，因?yàn)檫@兩國都有眾多步入成熟期或衰退期的油田，存在大量修井或棄井的需求。其研發(fā)的無立管修井技術(shù)已經(jīng)過多個油田項(xiàng)目的驗(yàn)證，但無立管修井技術(shù)在深水中的應(yīng)用仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)和使用限制，尚未在北美地區(qū)大面積應(yīng)用[5]。

輕型修井方式在國際上的使用越來越普遍，并逐步取代重型修井的市場份額。相比重型修井，輕型修井用較輕的井控設(shè)備代替了水下防噴器，用10寸左右的修井立管代替了21寸的鉆井立管，減小技術(shù)難度，大大縮短作業(yè)時間，從而大幅降低修井成本。

1.2? ? 水下修井立管系統(tǒng)

輕型修井模式涉及的主要裝備是水下修井立管系統(tǒng)，這是一套可以應(yīng)用于油田全生命周期的裝備，主要有3種典型的應(yīng)用場景：

（1）油田開發(fā)：完井時，配合鉆井立管和水下防噴器下入或回收油管和油管掛。

（2）油田作業(yè)：安裝、測試與回收水下采油樹，修井時提供鋼絲纜或連續(xù)油管的通道。

（3）油田棄井：棄井時，填塞油井。

根據(jù)國標(biāo)《石油天然氣工業(yè) 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與操作 第7部分：完井或修井隔水管系統(tǒng)》（GB/T 21412.7—2018），一種典型的修井立管系統(tǒng)布局如圖1所示。

水下修井立管系統(tǒng)中有以下幾個關(guān)鍵部件：立管下部總成、緊急斷開總成、防噴閥、承流閥和各種不同類型的立管節(jié)。

立管節(jié)的類型包括：保護(hù)節(jié)、張緊節(jié)、安全節(jié)、應(yīng)力節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和用于配長的立管短節(jié)。

2 水下修井立管關(guān)鍵技術(shù)

2.1? ? 立管制造試驗(yàn)技術(shù)

海洋立管根據(jù)應(yīng)用場景通常分為鉆井立管和生產(chǎn)立管。常見的鉆井立管和修井立管都是頂端張緊式立管，而生產(chǎn)立管也可以用頂端張緊式立管來實(shí)現(xiàn)。由此多家業(yè)內(nèi)公司提出，把頂端張緊式立管通用于鉆井、修井、生產(chǎn)、棄井等，形成應(yīng)用于全生命周期的“組合立管”概念。不同類型的頂端張緊式立管可同時用于鉆井、修井和生產(chǎn)，因?yàn)楦鞣N立管系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上存在相似性。如修井立管系統(tǒng)與鉆井立管系統(tǒng)相比，除了結(jié)構(gòu)尺寸上的差異，修井立管系統(tǒng)用張緊節(jié)代替了鉆井立管的伸縮裝置，用應(yīng)力節(jié)代替了鉆井立管的柔性接頭。盡管頂端張緊式立管的關(guān)鍵技術(shù)相通，如材料、制造、焊接、接頭設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等，修井立管可以部分借鑒鉆井立管或生產(chǎn)立管的經(jīng)驗(yàn)[6]，但因?yàn)橐话愕你@井立管或生產(chǎn)立管是雙隔層設(shè)計(jì)，而主流的修井立管是單隔層設(shè)計(jì)，所以修井立管在性能和監(jiān)測上有更高要求。

水下修井立管面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)有：（1）深水高溫高壓環(huán)境;（2）海洋酸性環(huán)境;（3）隨著水深而增大的外部壓力;（4）因不斷的船體/波浪運(yùn)動、渦激振動和周期性載荷而帶來的高強(qiáng)度疲勞積累。

解決上述問題，主要的手段有：

（1）管體設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一體化無焊接接頭的立管或者使用耐疲勞的焊接技術(shù)。

（2）接頭設(shè)計(jì)：接頭設(shè)計(jì)要考慮裝拆難易度和多次裝拆后的耐疲勞強(qiáng)度。

（3）密封：因?yàn)榻饘倜芊庖蕾嚱饘俚膹椥孕巫?，如果金屬間有強(qiáng)烈的擠壓則密封效果更好，但會導(dǎo)致形變過大且因疲勞問題而無法多次使用;如果金屬間擠壓較輕則可以多次密封，但密封效果較差。

（4）重量：雖然水下修井立管越輕，經(jīng)濟(jì)性越好，但過于輕薄的立管的耐腐蝕、耐疲勞性能又相對較差。

（5）其他：熱隔離，耐腐蝕涂層，渦激抑制側(cè)板。

2.2? ? 失效模式

目前世界范圍內(nèi)大部分的剛性立管都是頂端張緊式立管。不同于鉆井立管的失效主要是因?yàn)殂@激振動導(dǎo)致的疲勞和與鉆桿碰撞所產(chǎn)生的磨損，修井立管因?yàn)槿∠藫闲越宇^和伸縮裝置，其失效主要是因?yàn)槠脚_和洋流運(yùn)動所產(chǎn)生的反復(fù)位移，導(dǎo)致立管節(jié)大角度擾動和其積累的疲勞損傷。

根據(jù)國外公司的經(jīng)驗(yàn)，所有的立管節(jié)都會有疲勞損傷，只是根據(jù)其在系統(tǒng)中的位置不同而損傷程度不同。其中保護(hù)節(jié)與鉆臺上的轉(zhuǎn)盤存在相對沖擊碰撞，每次使用過后都會產(chǎn)生不小的形變，是整個立管系統(tǒng)中最容易疲勞失效的部件[7]。又因?yàn)榇嬖谂鲎驳年P(guān)系，無法在保護(hù)節(jié)的關(guān)鍵部位安裝傳感器，所以很難實(shí)時監(jiān)測保護(hù)節(jié)的工作狀況。

對于其他類型的立管節(jié)，業(yè)界正積極發(fā)展疲勞監(jiān)測系統(tǒng)，以隨時掌握立管的性能狀況。監(jiān)測系統(tǒng)會記錄每一節(jié)立管的運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合立管的疲勞曲線、應(yīng)力集中系數(shù)等進(jìn)行綜合分析，計(jì)算得出立管的累計(jì)疲勞損傷，并預(yù)測疲勞壽命，為立管的檢測和修復(fù)提供依據(jù)。

3 結(jié)語

頂端張緊式立管作為應(yīng)用數(shù)量最多的剛性立管，可以用于鉆井、修井、生產(chǎn)等，在我國深水開發(fā)項(xiàng)目中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。而水下修井立管是頂端張緊式立管的基礎(chǔ)研究模型，通過研究水下修井立管，可以明確深水修井作業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向，為我國研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的組合立管奠定基礎(chǔ)，為我國未來開發(fā)深水油氣提供有力支撐。

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[6] 周建良，許亮斌.深水鉆井隔水管關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國海上油氣，2018，30（4）：135-143.

[7] VINDENES A.Parametric Studies of Dynamic Response for a Workover Riser[D].Trondheim：Norwegian University of Science and Technology，2014.

收稿日期：2021-01-11

作者簡介：張順（1986—），男，江蘇南京人，碩士研究生，海工項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，研究方向：海洋工程裝備研發(fā)。