深水完井油管掛送入管柱技術(shù)及應(yīng)用研究

王 星

(中海油能源發(fā)展工程技術(shù)深水鉆采技術(shù)公司，深圳 518067)

0 引 言

深水油氣勘探開發(fā)除了要掌握深水鉆完采相關(guān)工藝技術(shù)外，與之配套的海洋工程裝備同樣不可或缺。以往我國(guó)深海油氣田主要采取對(duì)外聯(lián)合作業(yè)的方式進(jìn)行開發(fā)，通過高價(jià)租賃如Halliburton、 Expro、 Schlumberger等外國(guó)公司深水設(shè)備及雇傭人員提供技術(shù)服務(wù)，如早期南海東部的合營(yíng)荔灣3-1深海氣田和正在開發(fā)建設(shè)的南海西部自營(yíng)陵水17-2深海氣田，國(guó)外的這種技術(shù)加設(shè)備的服務(wù)模式以及核心技術(shù)“封鎖”嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)海洋油氣裝備發(fā)展，導(dǎo)致低油價(jià)形勢(shì)下國(guó)內(nèi)深水油氣田開發(fā)成本劇增，貿(mào)易戰(zhàn)的不確定性更是加大了深水油氣田的勘探開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。深水完井作為深水油氣開發(fā)過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用浮式平臺(tái)開展上部完井作業(yè)時(shí)必須考慮在發(fā)生緊急情況下，譬如水下管柱損壞或泄漏，臺(tái)風(fēng)、內(nèi)波流及動(dòng)力失效等引起平臺(tái)偏移過大時(shí)，需要在解脫水下BOP組之前快速解脫水下采油樹油管掛的送入管柱[1-2]。隨著我國(guó)深水油氣田開發(fā)步伐的不斷加快，作為上部完井作業(yè)中至關(guān)重要的安全應(yīng)急響應(yīng)裝備，深水油管掛送入管柱的使用將會(huì)愈加廣泛，然而其中核心工具所涉及的水下電磁閥、可插拔濕電接頭、精密金屬配件涂層、大尺寸密封及剪切球閥、小尺寸長(zhǎng)通道沖孔及配套控制軟件等關(guān)鍵技術(shù)和裝備國(guó)內(nèi)目前尚未有效攻克。

因此，大力開展深水電液控油管掛送入管柱“卡脖子”技術(shù)的研究與裝備制造勢(shì)在必行。鑒于國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏，研究及操作人員對(duì)管柱關(guān)鍵工具功能及技術(shù)原理等認(rèn)知不夠深入，應(yīng)急解脫與回接的邏輯順序不夠明晰，筆者結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐及國(guó)外主流產(chǎn)品理論研究與結(jié)構(gòu)分析，對(duì)電液控送入管柱所應(yīng)具備的功能、結(jié)構(gòu)組成、工具分析、管柱解脫和回接邏輯順序以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了深入分析與論述，為后續(xù)的國(guó)產(chǎn)化研究及現(xiàn)場(chǎng)安全高效應(yīng)用提供參考。

1 管柱功能及結(jié)構(gòu)組成

1.1 管柱功能

送入管柱是水下井口與地面井口之間的一段水下聯(lián)頂管串，主要功能如下： 為井下完井功能實(shí)現(xiàn)提供液壓和電氣通道；為清井返排及油氣田開發(fā)后期的措施作業(yè)提供連接至地面流程的垂直通道及井控安全屏障；安裝或回收油管掛并執(zhí)行油管掛與水下采油樹之間的鎖緊、解鎖及管柱自身與油管掛的連接與脫手；提供泥線附近和井下化學(xué)藥劑的注入通道；惡劣天氣海況下的快速應(yīng)急關(guān)井、解脫送入管柱及實(shí)現(xiàn)解脫后安全封存管柱內(nèi)部流體，防止油氣外泄造成海洋環(huán)境污染并確保井控安全；應(yīng)急剪切管柱內(nèi)鋼絲、電纜或一定尺寸和強(qiáng)度的連續(xù)油管；水下測(cè)試樹和防噴閥的球閥關(guān)閉后可正向泵通實(shí)現(xiàn)應(yīng)急循環(huán)壓井需求；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥面附近管柱內(nèi)外的溫度及壓力，為返排期間的水合物防治提供參考[3-4]。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

完井電液控油管掛送入管柱通徑大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作及技術(shù)應(yīng)用要求較高，核心工具須根據(jù)作業(yè)水深、地層溫壓、水下防噴器組配置等綜合選配。其結(jié)構(gòu)主體組成如下： ①水下測(cè)試樹，位于水下防噴器組內(nèi)部，具有兩個(gè)可獨(dú)立操作且失效關(guān)閉的球閥，承載送入管柱系統(tǒng)解脫和回接功能，具有電纜及各類管線穿越通道，自身可實(shí)現(xiàn)化學(xué)藥劑注入、電纜及連續(xù)油管剪切。球閥上部可承壓，實(shí)現(xiàn)送入管柱試壓。具備電路控制、液路控制、環(huán)空加壓及機(jī)械旋轉(zhuǎn)等四種解脫方式[5]。②承留閥，位于剪切短節(jié)上部，球閥上部可承壓，液壓失效時(shí)球閥狀態(tài)保持不變。用于管柱解脫時(shí)封閉送入管柱內(nèi)的流體，解脫前能夠快速泄放承留閥與水下測(cè)試樹球閥之間圈閉的壓力，避免脫開位置密封件受壓力沖擊而損壞。功能上與水下測(cè)試樹互鎖，保障管柱解脫邏輯順序。③防噴閥，位于隔水管伸縮節(jié)內(nèi)部或內(nèi)筒以下一定位置，單球雙向密封，液壓失效時(shí)球閥狀態(tài)保持不變。球閥關(guān)閉，可協(xié)助連續(xù)油管設(shè)備或鋼絲工具串井口設(shè)備拆裝以及試壓。④蓄能器模塊，位于立管控制模塊上部，由12個(gè)儲(chǔ)能瓶組成，10個(gè)用于操作水下測(cè)試樹液動(dòng)球閥，2個(gè)用于操作承留閥液動(dòng)球閥[6]。⑤立管控制模塊，位于儲(chǔ)能器模塊下部，是整個(gè)送入管柱的水下核心控制單元，用于實(shí)現(xiàn)電液信號(hào)轉(zhuǎn)換。通過控制電磁閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)水下測(cè)試樹及油管掛的快速操作，具有溫壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集及傳輸功能。包含上下兩個(gè)腔室，上部腔室由電磁閥、壓力傳感器、上下電子模塊及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，下部腔室由液動(dòng)閥組成。上、下腔室分別通過注滿絕緣液及干凈的控制液以保證電子元件絕緣和外罩內(nèi)外壓力平衡。⑥轉(zhuǎn)換接頭，用于管柱配長(zhǎng)、扣型轉(zhuǎn)換及管線穿越。⑦油管掛送入工具，用于連接及送入油管掛，結(jié)構(gòu)及功能與油管掛和水下測(cè)試樹相匹配[7-8]。

2 解脫與回接

在深水完井作業(yè)期間，如遇臺(tái)風(fēng)侵襲或者完井管柱工具損壞、送入管柱泄漏、平臺(tái)定位系統(tǒng)故障失效等復(fù)雜情況時(shí)，需要按照一定邏輯順序執(zhí)行水下測(cè)試樹和隔水管的解脫和回接程序。

(1) 解脫程序： 收到解脫指令，快速確認(rèn)水下測(cè)試樹控制面板壓力，釋放送入管柱過提懸重并下壓5 klbs；水下測(cè)試樹開線泄壓，關(guān)閉球閥，執(zhí)行解脫動(dòng)作，解脫前后如圖1所示；利用鉆柱補(bǔ)償器快速上提，將解脫部分起至隔水管下部撓性接頭以上；關(guān)閉BOP組剪切閘板，解脫BOP組及隔水管。

(2) 回接程序： 確認(rèn)控制面板壓力，打開鉆柱補(bǔ)償器，小排量循環(huán)并緩慢下放管柱，距離剪切閘板頂部約5 m時(shí)，打開剪切閘板并降低循環(huán)排量，下探水下測(cè)試樹下部閥體部分；確認(rèn)探到閥體，停止循環(huán)并繼續(xù)下壓送入管柱5 klbs，正轉(zhuǎn)管柱半圈進(jìn)行回接；泄掉解脫管線壓力以復(fù)位解脫活塞，過提20 klbs，確認(rèn)回接成功，釋放過提拉力；送入管柱試壓，確認(rèn)回接位置密封良好，打開水下測(cè)試樹球閥，設(shè)定系統(tǒng)壓力，繼續(xù)下一步作業(yè)。

圖1 水下測(cè)試樹解脫前后示意圖

3 應(yīng)用實(shí)踐

我國(guó)南海西部自營(yíng)陵水17-2深海氣田開發(fā)11口井，作業(yè)海域平均水深1 420 m，采用水下井口和臥式水下采油樹形式開發(fā)，泥線附近海底溫度為2～4℃。為滿足油管掛送入、清井放噴、大尺寸堵頭安裝及快速控制的響應(yīng)時(shí)間要求，選用內(nèi)通徑為187.33 mm的電液控制油管掛送入管柱，工作壓力為10 000 psi(1 psi=6.89 kPa)。深水作業(yè)快速反應(yīng)，3 000 m水深能夠在15 s內(nèi)完成水下測(cè)試樹和承留閥的關(guān)閉及送入管柱解脫。在應(yīng)急情況下，水下測(cè)試樹可剪切外徑為60.33 mm的連續(xù)油管。電控方式失效后，液控方式備用。實(shí)時(shí)溫壓監(jiān)控，選用加強(qiáng)型數(shù)采系統(tǒng)，數(shù)據(jù)刷新率達(dá)0.25秒/次，有效監(jiān)控和預(yù)防泥線附近管柱內(nèi)水合物的形成。

根據(jù)氣田及作業(yè)裝置深水奮進(jìn)號(hào)平臺(tái)水下設(shè)備配置情況，優(yōu)選與之相適應(yīng)的電液控油管掛送入管柱，整體組配如圖2所示。

圖2 電液控送入管柱整體組配示意圖

送入管柱下部在水下BOP組內(nèi)部的精準(zhǔn)配長(zhǎng)是管柱各項(xiàng)功能順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，要求下部密封短接、剪切短接和上部密封短接分別與BOP組內(nèi)的固定/可變閘板、剪切閘板及萬能防噴器對(duì)應(yīng)配合，上下密封短接內(nèi)部應(yīng)具有長(zhǎng)距離管線穿越通道，以防萬能和閘板防噴器關(guān)閉時(shí)損傷管線及電纜。關(guān)閉萬能可以建立應(yīng)急循環(huán)壓井通道，并協(xié)助管柱居中和坐掛到位，防止油管掛坐掛前在BOP組內(nèi)出現(xiàn)阻掛，關(guān)閉固定/可變閘板可以實(shí)現(xiàn)油管掛坐掛后的密封驗(yàn)封，剪切閘板可在水下測(cè)試樹不能正常解脫或在特殊情況下來不及解脫時(shí)快速剪斷剪切短接，以確保送入管柱和隔水管串可以應(yīng)急脫離。陵水17-2氣田目前已通過電液控坐落管柱順利完成6口深水開發(fā)井的油管掛坐掛及驗(yàn)封等工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 深水完井電液控送入管柱是一個(gè)先進(jìn)且復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，對(duì)上部完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管控起著至關(guān)重要的作用。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)前，應(yīng)根據(jù)作業(yè)水深和水下測(cè)試樹允許的偏移角度提前核算平臺(tái)允許偏移量，技術(shù)人員須明確送入管柱與水下BOP組兩者之間的解脫邏輯順序。

(3) 國(guó)內(nèi)應(yīng)加快電液控油管掛送入管柱相關(guān)“卡脖子”技術(shù)攻關(guān)，研制出適應(yīng)我國(guó)深水區(qū)域特征且滿足材料等級(jí)、產(chǎn)品規(guī)范等級(jí)以及性能要求的油管掛送入管柱系統(tǒng)及配套設(shè)備，完善深海油氣田開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈，改變高價(jià)租賃外方設(shè)備、技術(shù)及人員服務(wù)現(xiàn)狀。