深水水下井口完井作業窗口分析

張偉國韋紅術暢元江李家儀逄淑華

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067；2.中國石油大學（華東）海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東青島 266580）

深水水下井口完井作業窗口分析

張偉國1韋紅術1暢元江2李家儀2逄淑華1

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067；2.中國石油大學（華東）海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東青島 266580）

引用格式：張偉國，韋紅術，暢元江，等. 深水水下井口完井作業窗口分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：44-48.

完井作業窗口是進行完井作業的各種極限環境條件，對于指導深水海底井口完井作業具有重要意義，根據完井作業模式可分為下鉆刮管窗口、完井管串下放窗口和極限連接窗口等。完井作業時，隔水管強度、井口與導管強度、井口傾斜角度、完井工具的通過性以及撓性接頭的轉角等都是限制完井作業的重要因素。通過建立張緊器-隔水管柱-井口及導管和土壤的耦合模型，研究并量化影響深水海底井口完井作業最重要的限制條件隔水管上、下撓性接頭轉角，并結合其他限制條件形成海底井口完井作業的作業窗口確定方法。對南海某探井進行了實例計算，明確了該井完井作業各種模式所允許的極限環境條件，為深水油氣田開發的完井作業提供參考。

深水；水下井口；完井；作業窗口

水下井口是海上油氣田鉆完井和生產作業重要的下入和連接通道。完井作業時，首先用鉆桿下放采油樹至海底并與井口完成對接，采油樹安裝完成后，采用鉆井隔水管下放隔水管底部總成（LMRP）/防噴器組（BOP）至海底并坐于采油樹上后鎖緊，然后即可進行完井作業。此時，水下井口需要承擔采油樹、 LMRP/ BOP的質量，還要承擔隔水管傳遞給井口的水平與垂直方向的載荷等，這些都將導致井口以及導管與套管產生較大的彎矩和應力，嚴重影響井口與導管的強度和穩定性。

國內外對海底井口完井作業過程、鉆完井期間井口與導管的強度和穩定性、隔水管作業窗口等進行了較多研究。B. A. Lennon等［1］研究了自浮式鉆井設備下放立管的作業過程和典型工況，提出了相關的計算模型和計算方法。程仲等［2］介紹了南海東部深水氣田完井作業實踐，對深水完井作業難點及施工措施進行了系統的梳理，形成了一套完善的深水完井作業技術。蘇堪華等［3］對海底淺部地層性質對深水鉆井井口穩定性的影響、深水鉆井水下井口力學穩定性等進行了研究；羅勇等［4］對海上探井鉆井井口穩定性關鍵影響因素進行了研究；張偉國等［5］進行了水下導管出泥高度對井口穩定性的影響研究；鞠少棟等［6-7］進行了深水鉆井隔水管連接作業窗口分析和懸掛作業窗口分析，給出了隔水管相關作業窗口的分析方法和流程。彭作如等［8］進行了南海M深水氣田完井關鍵技術分析，指出完井設計和作業管理要以保障作業安全和提高作業效率為原則。但目前國外深水完井作業多依賴經驗進行，國內外文獻調研也沒有發現針對完井作業窗口方面的理論研究，完井作業缺乏相應的理論依據。

隨著越來越多的探井轉為生產井進行開發，水下井口完井作業的安全作業窗口已成為重要的研究課題，通過研究明確可以進行完井作業的極限環境條件，對于提高完井作業的時效性和安全性、保證作業期間水下井口的強度和穩定性具有重要意義。筆者針對南海水下井口完井作業的需要，研究張緊器-隔水管柱-水下井口及導管和土壤的耦合模型建模方法，以及完井模式各種作業的安全作業窗口確定方法，并以南海某油井為例進行分析計算，明確了該井完井作業所允許的海流流速和平臺偏移范圍，為該井完井作業的順利進行提供了技術支持。

1　隔水管-井口-導管與土壤耦合分析模型

完井作業時，鉆井平臺-隔水管-井口系統包括浮式鉆井裝置、上部撓性接頭、伸縮節、鉆井隔水管、LMRP/BOP、采油樹、井口、導管以及土壤等，鉆井平臺-隔水管-井口與導管等結構模型如圖1所示。

對上述結構建立的隔水管-井口與土壤整體計算模型如圖2所示。計算模型的上部邊界終止于上撓性接頭與張緊器，浮式鉆井裝置運動作為強迫位移邊界條件施加于上撓性接頭和張緊器，下部邊界終止于導管和土壤。完井時水下井口系統所承受的作用力主要包括隔水管底部撓性接頭處產生橫向和豎向作用力、防噴器及套管柱的重力、防噴器與井口所受橫向海流力、泥線以下土壤對套管的豎向和橫向承載力，以及LMRP/BOP組由于井口傾斜而產生的附加彎矩等。位于水面以下泥面以上的隔水管和井口則承受波浪和海流載荷的聯合作用。

圖1　完井作業隔水管-井口系統結構模型

圖2　隔水管-井口系統整體計算模型

采用有限元分析軟件ABAQUS建立上述完井隔水管-井口系統有限元分析模型。有限元模型建立過程中，需要確定隔水管所需張緊力并作為集中力施加于隔水管的頂部，采用管單元模擬隔水管柱，采用彈簧單元模擬導管與土的相互作用，采用AQUA模塊模擬波流載荷對隔水管的作用，采用管單元模擬井口、導管、表層套管以及水泥環等。具體相關理論模型、算法等見參考文獻［6］。

2　完井作業窗口限制準則

完井作業工況主要包括下鉆刮管作業、完井管串下放作業以及極限連接狀態等。下鉆刮管作業的限制準則與正常鉆井作業的限制準則并無明顯不同。完井管串下放作業的送入工具在隔水管內的通過性是限制完井管串下放作業的重要因素。極限連接狀態是指下鉆刮管作業或者完井管串下放作業的極限狀態。

完井管串下放作業的限制準則主要考慮送入工具在隔水管內的通過性，其通過隔水管系統的上、下撓性接頭示意見圖3，此時允許的隔水管上、下撓性接頭最大轉角為完井管串下放工況的限制條件。假設允許的撓性接頭轉角為θ，則完井管串送入工具通過上、下撓性接頭時允許的撓性接頭最大轉角為

圖3　完井管串送入工具下放示意圖

式中，max（θ）為撓性接頭轉角的最大值，dt為完井管串送入工具的外徑，Lt為完井管串送入工具的長度。根據作業工藝過程，對于上撓性接頭，D為分流器內徑；對于下撓性接頭，D為鉆井隔水管內徑。

根據完井管柱幾何參數、隔水管幾何參數、API相關規范［9］以及井口、導管的材料強度等，通過計算得到完井作業模式下鉆刮管作業、完井管串下放作業和極限連接狀態各自的限制準則（見表1）。

表1　水下井口完井作業限制準則

同時，上述3種作業工況還必須同時滿足以下限制條件：（1）隔水管應力不能超過其許用應力；（2）高壓井口頭彎矩小于其許用彎矩；（3）低壓井口頭彎矩小于其許用彎矩；（4）導管應力小于其許用應力；（5）套管轉換接頭應力小于其許用應力；（6）套管應力小于其許用應力。

為了得到各種作業模式下的平臺偏移值和海流流速值，需要先按不同的作業極限準則劃分工況，采用有限元軟件進行計算并提取相關計算結果，并采用搜索算法求出不同海流流速下的鉆井平臺臨界偏移值，計算完一種工況后，進行極限準則和海流流速的更新，直至完成所有工況的分析。完井作業窗口確定流程如圖4所示［6］。

圖4　完井作業窗口確定流程

3　算例

3.1算例描述

南海某油田某探井位于南海珠江口盆地西南部29/04區塊，水深268 m。該井表層?762 mm導管和低壓井口頭采用鉆入法下入，然后鉆?406 mm井眼下入?476.25 mm高壓井口頭和?508 mm套管，然后經轉換接頭變換為?339.7 mm套管。該井的井身結構如圖5所示。

圖5　南海某井井身結構設計

該井完井作業依托平臺為南海深水某鉆井平臺，補心海拔為23 m，平臺所配置隔水管外徑為533.4 mm，壁厚為12.7 mm。通過計算確定正常完井作業時隔水管所需的張緊力為1 657 kN［10］。環境載荷采用此井所在區塊季風一年一遇海況條件，有效波高為6 m，海流表面流速為1.48 m/s。

需要特別指出，在探井鉆井階段，該井口傾斜角度達到2.8°，遠超出作業所允許的最大井口傾斜角度1°。于是在完井階段，井口不僅要承擔前述垂直和橫向載荷，還要承擔由于采油樹和LMRP/BOP組傾斜造成的附加彎矩，故在分析完井作業窗口時，要分別考慮井斜方向和垂直于井斜方向由于井口和導管的受力狀態不同而引起的作業窗口差異。

3.2結果與討論

結合該井的井身結構、隔水管串排列設計和作業張緊力，針對該井的具體情況，確定該井完井作業模式各工況的作業窗口限制準則（除表1要求外）為：（1）隔水管單根屈服強度358.54MPa；（2）?476.25 mm高壓井口頭可承受最大彎矩為7.8 MN·m；（3）?762 mm低壓井口頭可承受最大彎矩為4.2 MN·m；（4）?726 mm導管屈服強度358.54 MPa；（5）?339.7 mm套管轉換接頭屈服強度379.3 MPa；（6）?339.7 mm套管屈服強度551.6 MPa。

采用前述的有限元分析模型，考慮季風一年一遇海況條件，依據前述的作業窗口限制準則，通過計算分別得到完井作業各工況的作業窗口。

下鉆刮管作業工況下，井斜方向和垂直于井斜方向下鉆刮管作業、連接非作業和極限連接狀態窗口如圖6所示。

圖6中3種顏色代表平臺偏移與海況條件的組合，在綠色區域內可進行下鉆刮管作業；在黃色區域內需要停止下鉆刮管作業，此時隔水管柱與井口處于連接非作業（等待）狀態；在紅色區域內處于極限作業狀態，需要準備進行隔水管與海底井口的應急解脫，如果超出紅色區域則緊急解脫應已完成，否則水下井口有可能出現強度或者穩定性不足。由圖6可知，井斜方向不同表面流速作用下，下鉆刮管作業、連接非作業和極限連接狀態的作業窗口隨流速增大都是先變大后變小。而垂直于井斜方向，下鉆刮管作業工況下，下鉆刮管作業的作業窗口隨流速增大都是先變大后變小，總體上成倒錐形，連接非作業和極限連接狀態的作業窗口隨流速增大向逆流方向偏移。

完井管串下放作業窗口如圖7所示。黃色區域內，完井管串送入工具可順利通過隔水管上部撓性接頭；綠色區域內送入工具可通過隔水管下部撓性接頭；紅色區域內，完井管串送入工具不能順利通過上、下部撓性接頭，處于等待狀態且要準備隔水管與井口的應急解脫，紅色區域之外表示應急解脫應已順利完成。由圖7可知，井斜方向，完井管串送入工具通過下撓性接頭時作業窗口隨流速增大向逆流方向偏移，送入工具通過上撓性接頭時作業窗口隨流速增大而不斷變小，極限連接狀態的作業窗口隨流速的增大先變大后變小。而垂直于井斜方向，送入工具通過下撓性接頭時作業窗口隨流速增大不斷減小，送入工具通過上撓性接頭的作業窗口隨流速增大向順流方向偏移。

圖6　不同表面流速下鉆刮管作業窗口

4　結論

（1）影響完井作業最重要的限制條件是隔水管上、下部撓性接頭轉角。通過研究下鉆刮管作業、完井管串下放作業（包括完井管串通過隔水管上、下部撓性接頭）的作業特點，對不同作業方式下允許的上、下部撓性接頭極限轉角進行了量化。

（2）由于水下井口傾斜，完井作業窗口要從井斜方向和垂直于井斜方向兩個方面進行考慮。對于下鉆刮管作業來說，井斜方向和垂直于井斜方向，隨流速增大，下鉆刮管作業窗口均是先變大后變小，總體上呈倒錐形。對于完井管串下放作業，井斜方向和垂直于井斜方向，其窗口則表現出不同特點。

（3）無論下鉆刮管作業還是完井管串下放作業，無論井斜方向還是垂直于井斜方向，井口抗彎能力是極限連接作業窗口最重要的限制條件。

圖7　不同表面流速完井管串下放作業窗口

［1］LENNON B A，MAXWELL S D，RAWLES J M. Analysis for running and installation of marine risers with end-assemblies［C］. International Conference on Computation Methods in Marine Engineering，Barcelona，2005.

［2］程仲，牟小軍，張俊斌，等. 南海東部深水氣田完井作業實踐［J］. 石油鉆采工藝，2014，36（3）：33-38.

［3］蘇堪華，管志川，蘇義腦. 深水鉆井水下井口力學穩定性分析［J］. 石油鉆采工藝，2008，30（6）：1-4.

［4］羅勇，楊進. 海上探井鉆井井口穩定性關鍵影響因素分析［J］. 石油礦場機械，2012，41（7）：78-79.

［5］張偉國，謝華，楊進，等. 水下導管出泥高度對井口穩定性的影響研究［J］. 石油機械，2012，40（4）：68-70.

［6］鞠少棟，暢元江，陳國明，等. 深水鉆井隔水管連接作業窗口分析［J］. 石油勘探與開發，2012，39（1）：105-110.

［7］鞠少棟，暢元江，陳國明，等. 深水鉆井隔水管懸掛作業窗口確定方法［J］. 石油學報，2012，33（1）：133-136.

［8］彭作如，張俊斌，程仲，等. 南海M深水氣田完井關鍵技術分析［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（1）：124-128.

［9］API RP 16Q. Recommended practice for design selection operation and maintenance of marine drilling riser systems［S］. 1993.

［10］鞠少棟，暢元江，陳國明等. 超深水鉆井作業隔水管頂張力確定方法［J］. 海洋工程，2011，29（1）： 100-104.

（修改稿收到日期 2015-10-17）

〔編輯 朱 偉〕

Analysis on completion operation window of deepwater subsea wellhead

ZHANG Weiguo1，WEI Hongshu1，CHANG Yuanjiang2，LI Jiayi2，PANG Shuhua1
（1. Shenzhen Branch of CNOOC（China） Co. Ltd.，Shenzhen 518067，China；2. Offshore Equipment and Safety Technology Centre，China Uniνersity of Petroleum（east china），Qingdao 266580，China）

The completion operation window，namely various extreme environmental conditions for implementation of completion operation，is of great significance for guiding the completion operation at deepwater subsea wellhead，and falls into running and scraping pipe window，production string running window and extreme connection window on the basis of completion operation modes. In the course of completion operation，the strength of riser，the strength of wellhead and conductor，the inclination angle of wellhead，accessibility of completion tool and the angle of flexible joint are the important factors which restrict the completion operation. By means of creating the coupling model of tensioner-waterproof string- wellhead and conductor and soil，the rotational angle of flexible joint at top and bottom of waterproof pipe which，as the most important limiting condition，affects the completion operation of deepwater subsea wellhead is researched and quantitated，and is used to form the determination method of operation window during the completion operation of subsea wellhead combining with other limiting conditions. Through the practical calculation for a prospecting well in the South Sea，this method definite the extreme environment conditions allowed for all modes of completion operation，which maybe the reference for the completion operation in the development of deepwater oil and gas field.

deepwater； subsea wellhead； completion； operation window

TE58

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0044-05 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.011

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）“深水海底井口-隔水管-平臺動力學耦合機理與安全控制”（編號：2015CB25120 3）；國家科技重大專項“深水油氣田開發鉆完井工程配套技術”（編號：2011ZX05026-001-05）。

張偉國，1979年生。2002年畢業于石油大學（華東）石油工程專業，現在從事深水鉆完井設計與管理工作。E-mail：zhangwg@cnooc.com.cn。