吳紹偉，何長林，萬小進(jìn)，李 學(xué)，吳海俊

1中海石油（中國）有限公司湛江分公司2中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司湛江分公司

0 引言

當(dāng)前南海西部無修井機(jī)平臺(tái)10座，在生產(chǎn)井67口，年產(chǎn)油約170×104m3。隨著修井作業(yè)量大幅度增加，面臨如何使無修井機(jī)平臺(tái)躺井快速恢復(fù)問題。譚美［1］、張美榮［2］、劉?。?］等提出舊鉆井船改專用修井船，但通過對(duì)抗風(fēng)浪能力、氣隙/高度/懸臂梁覆蓋等方面分析，表明退役BH8鉆井船不滿足現(xiàn)場作業(yè)條件。韓樹杰［4］、李駿［5］等提出建造自升式修井平臺(tái)，經(jīng)核算后其經(jīng)濟(jì)成本高達(dá)5.73億元，盈虧平衡點(diǎn)為128 d/年，且運(yùn)營模式復(fù)雜。符翔［6］、鄭清華［7］等提出使用鉆井船修井模式，但存在“兩高、一慢、一難”等特點(diǎn)［8］。

而液壓舉升裝置具有占地較小、舉升力大、運(yùn)輸組裝便捷的特性，可實(shí)現(xiàn)多種類型作業(yè)［9］，最大化減少躺井時(shí)間，但此前中國海域暫無此應(yīng)用。南海西部首次結(jié)合液壓舉升裝置可行性評(píng)估和場地條件，成功在WZ11-1油田A8S2井完成液壓舉升裝置修井新模式的先導(dǎo)性試驗(yàn)，可為同類型井下作業(yè)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 WZ11-1-A8S2井基本概況

WZ11-1-A8S2井位于北部灣海域，目前生產(chǎn)層位為J2-Ⅰ油組低阻層。作業(yè)工況風(fēng)速24.1 m/s，極端工況風(fēng)速42.9 m/s。作業(yè)甲板面積405 m3，吊機(jī)能力10 t/15 m，作業(yè)甲板載荷等條件均滿足此次修井作業(yè)。

A8S2井井口套管懸掛載荷24 t，升高立管質(zhì)量6 t，防噴器質(zhì)量18 t，液壓舉升裝置質(zhì)量32 t。在上/中/下甲板、EL（水平面）+6 m、EL-8.6 m、EL-23.5 m位置處為固定構(gòu)件。

2018年5月30日測試產(chǎn)液量131 m3/d，產(chǎn)油量22 m3/d，含水83.4%?？紤]到目前含水率高，電泵排量小，而油藏具有提液增油的潛力，決定對(duì)該井進(jìn)行換大泵作業(yè)。

2 液壓舉升裝置可行性分析

本次作業(yè)原井生產(chǎn)管柱自重30 t，生產(chǎn)封隔器解封力30 t，參考設(shè)備舉升載荷選用225K型液壓舉升裝置。同時(shí)對(duì)WZ11-1平臺(tái)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)當(dāng)前液壓舉升裝置的底座與平臺(tái)滑軌不匹配，因此采用套管頭承載形式的安裝方案。為了論證此次方案的可行性，按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要從裝置的風(fēng)載計(jì)算［10］、繃?yán)K錨點(diǎn)布局［11］、隔水導(dǎo)管腐蝕檢測［12］、隔水導(dǎo)管和防噴器承載能力校核等5個(gè)方面進(jìn)行模擬校核與評(píng)估［13-14］。

2.1 液壓舉升裝置風(fēng)載計(jì)算

依據(jù)《淺海固定平臺(tái)規(guī)范》和“API RP 2A”規(guī)定，計(jì)算兩種工況、0°/45°/90°三個(gè)風(fēng)向風(fēng)載荷，開展液壓舉升裝置風(fēng)載計(jì)算。

其中：α＝0.613 N·S2/m4

式中：F—液壓舉升裝置承受的風(fēng)載荷，kN；

k—風(fēng)載荷形狀系數(shù)（梁及建筑物側(cè)壁取1.5）；

kz—海上高度變化系數(shù)；

p0—基本風(fēng)壓，N/m2；

Vt—風(fēng)速，m/s；

A—受風(fēng)面積，m2。

將組成液壓舉升裝置的每個(gè)構(gòu)件單元依次計(jì)算風(fēng)載荷，結(jié)果如表1所示（其中ZS為綜合距海平面高度，M為整體承受的風(fēng)載力矩）。

表1 液壓舉升裝置風(fēng)載計(jì)算

從表1中得出，在同種工況下風(fēng)向45°對(duì)液壓舉升裝置載荷和力矩最大，且極端工況風(fēng)載約為作業(yè)工況的3倍。為了保證設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減小風(fēng)載對(duì)設(shè)備的影響，作業(yè)現(xiàn)場在上工作籃底座處利用4條鋼絲繩將其固定在甲板上。在鋼絲繩抗拉強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的前提下，對(duì)液壓舉升裝置內(nèi)部構(gòu)件從風(fēng)向45°兩種工況條件下進(jìn)行強(qiáng)度校核，采用UC值作為參考依據(jù)（UC值是綜合機(jī)械強(qiáng)度性能的量度指標(biāo)）。

通過SAFI有限元模型校核，結(jié)果表明作業(yè)工況UC值均小于1，結(jié)構(gòu)滿足工況要求；極端工況由于工作籃下部支撐立柱單元UC值為1.06，整體結(jié)構(gòu)不滿足工況要求。因此為了確?，F(xiàn)場作業(yè)人員安全，要求在最大陣風(fēng)10級(jí)及以上停止作業(yè)。

2.2 液壓舉升裝置繃?yán)K錨點(diǎn)布局

為了挑選合適大小的繃?yán)K和錨點(diǎn)，對(duì)極端工況0°/45°/90°風(fēng)向使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元校核。采用LINK10單元模擬繃?yán)K，BEAM188單元模擬骨架結(jié)構(gòu)，PIPE16單元模擬液壓舉升裝置。在液壓舉升裝置與上層甲板連接處施加全約束，在繃?yán)K與上層甲板連接處施加鉸支約束，如圖1所示。

圖1 繃?yán)K有限元模型

結(jié)果表明繃?yán)K的最大軸向力為64.37 kN，考慮到預(yù)緊力、慣性力等因素影響，采取3倍安全系數(shù)，因此要求鋼絲繩的最小破斷拉力大于193.11 kN。根據(jù)API Spec 9A標(biāo)準(zhǔn)建議選用直徑16 mm的風(fēng)載繃?yán)K。

采用板厚為40 mm，材質(zhì)為Q345B的材質(zhì)設(shè)計(jì)繃?yán)K耳座，對(duì)其進(jìn)行有限元局部應(yīng)力分析，從圖2結(jié)果中可以看出耳座雖然產(chǎn)生顯示綠色區(qū)域的局部應(yīng)力，但最高為3.5×102N/mm2，整體強(qiáng)度滿足現(xiàn)場20 t拉應(yīng)力要求，符合現(xiàn)場應(yīng)用條件。

圖2 繃?yán)K耳座局部應(yīng)力

2.3 隔水導(dǎo)管腐蝕檢測

為了判斷隔水導(dǎo)管外部腐蝕狀況對(duì)其強(qiáng)度的影響，需進(jìn)行外觀檢測、測厚檢測和導(dǎo)波檢測。按照CCSI質(zhì)量體系，采用超聲測厚儀和導(dǎo)波檢測設(shè)備，對(duì)夾層甲板區(qū)和導(dǎo)管架區(qū)進(jìn)行檢測，如圖3。

圖3 MsS導(dǎo)波檢測管線曲線

隔水導(dǎo)管結(jié)果表明整體狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)板材明顯腐蝕反射波。但在距底甲板約8.65 m處顯示有弱微厚度變化，經(jīng)外觀及測厚發(fā)現(xiàn)剛好為焊縫上方一圈外腐蝕，大小為1 930 mm×110 mm的腐蝕麻坑，坑內(nèi)板材腐蝕量為0.6～l.9 mm，腐蝕未超標(biāo)。距下層甲板5.71 m處有150 mm×80 mm腐蝕麻坑，坑深2 mm，腐蝕未超標(biāo)。在水下15 m范圍內(nèi)，隔水導(dǎo)管未顯示明顯腐蝕反射信號(hào)。因此，判斷A8S2井的隔水導(dǎo)管整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度未受影響。

2.4 隔水導(dǎo)管承載力校核

在工作和極端工況下該隔水導(dǎo)管的樁基承載力安全系數(shù)均滿足要求。為了全面判斷隔水導(dǎo)管承載力的安全性，采用SACS軟件對(duì)在作業(yè)和極端工況風(fēng)向45°的隔水管承載力進(jìn)行校核。

通過對(duì)兩種工況校核結(jié)果分析可知，在作業(yè)工況下隔水導(dǎo)管最大UC值為0.694，出現(xiàn)在EL-23.5 m以下；在極端工況下，容許應(yīng)力可提高1/3，隔水導(dǎo)管最大UC值為0.416，同樣出現(xiàn)在EL-23.5 m以下。所有構(gòu)件的UC值小于1，判斷A8S2井的隔水導(dǎo)管強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

2.5 防噴器承載力校核

防噴器組通徑為279.0 mm，額定工作壓力35 MPa，頂蓋及防噴器材料均為AISI4340，屈服強(qiáng)度470 MPa。根據(jù)作業(yè)工況需要，在頂蓋法蘭面分別加載100/150/200 t載荷。將施加載荷后的防噴器組有限元模型提交給Abaqus軟件，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，最終得到三種加載情況下的應(yīng)力/應(yīng)變?cè)茍D。

從圖4和圖5中可知，施加載荷100/150/200 t的防噴器組最大應(yīng)力值分別為66.61/99.91/133.2 MPa，都在相同位置表現(xiàn)為應(yīng)力集中現(xiàn)象，且最大變形量分別為0.283 5/0.425 2/0.566 9 mm。

圖4 不同載荷下防噴器組應(yīng)力云圖

圖5 不同載荷下防噴器組應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)API 16A標(biāo)準(zhǔn)，要求設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度小于等于2/3的最小屈服強(qiáng)度。而在三種載荷下防噴器組產(chǎn)生的最大應(yīng)力為133.2 MPa，并且是在法蘭蓋面施加200 t載荷的情況下。結(jié)合材料屈服強(qiáng)度為470 MPa，判斷在施加200 t以內(nèi)載荷時(shí)防噴器組強(qiáng)度能夠滿足規(guī)范要求。

3 檢泵作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場作業(yè)情況

現(xiàn)場作業(yè)包括作業(yè)前準(zhǔn)備、鋼絲作業(yè)、壓井、拆采油樹、裝BOP組等。其中在鋼絲作業(yè)通井/開滑套過程中，由于工作筒堵塞大量地層砂，最后采取計(jì)劃外的銃孔作業(yè)。整個(gè)過程包含大風(fēng)影響和等待銃孔材料，累計(jì)耗時(shí)5.6 d。

在吊機(jī)配合下安裝液壓舉升裝置，總共花費(fèi)1.29 d。起原井管柱和下新電泵生產(chǎn)管柱，由于液壓舉升裝置液缸行程的限制，因此單根卸扣拆解和單根上扣下放，累計(jì)耗時(shí)分別為2.79 d和2.58 d。后續(xù)拆液壓舉升裝置和防噴器組、裝采油樹、座封/驗(yàn)封等作業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間、實(shí)際時(shí)間如表2所示。

表2 WZ11-1-A8S2井檢泵作業(yè)進(jìn)度

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用分析

3.2.1 作業(yè)時(shí)間分析

此次液壓舉升裝置修井作業(yè)時(shí)間共計(jì)15.23 d，比計(jì)劃完工時(shí)間多用3.48 d。此次影響作業(yè)時(shí)效原因主要有：

（1）鋼絲通井遇阻，無法打開滑套，實(shí)際作業(yè)時(shí)間比計(jì)劃作業(yè)時(shí)間多4.35 d。

（2）受天氣影響作業(yè)時(shí)效1.5 d。

（3）起下生產(chǎn)管柱由于設(shè)備本身原因，導(dǎo)致實(shí)際花費(fèi)時(shí)間超出計(jì)劃1.37 d。

如除去額外增加的銃孔作業(yè)，實(shí)際作業(yè)時(shí)間比計(jì)劃時(shí)間提前0.87 d，節(jié)省費(fèi)用17.4萬元；如再排除天氣影響，實(shí)際作業(yè)時(shí)間比計(jì)劃提前2.37 d，可節(jié)省費(fèi)用47.4萬元。

3.2.2 作業(yè)費(fèi)用分析

WZ11-1-A8S2井采取液壓舉升裝置修井的實(shí)際費(fèi)用為446.5萬元，僅超出作業(yè)前預(yù)算費(fèi)用69.44萬元，主要由于銃孔作業(yè)導(dǎo)致額外增加費(fèi)用。而采用鉆井船修井模式的預(yù)期計(jì)劃費(fèi)用達(dá)到1128.71萬元，比實(shí)際液壓舉升裝置高出682.21萬元。

3.2.3 作業(yè)效果分析

修井前A8S2井電泵排量為100 m3/1 200 m，產(chǎn)液量約為130 m3/d，產(chǎn)油量22 m3/d。6月23日換大泵后由于返排修井液、提高泵頻等因素，在6月30日產(chǎn)液量達(dá)到300 m3/d，產(chǎn)油45 m3/d，預(yù)計(jì)修井后累計(jì)增油為0.98×104m3。因此，采用液壓舉升裝置修井新模式同樣可以達(dá)到使油井快速恢復(fù)產(chǎn)量的效果。

4 結(jié)論

（1）無修井機(jī)平臺(tái)WZ11-1-A8S2井采用液壓舉升裝置修井新模式，比使用鉆井船修井模式，不僅保證預(yù)期作業(yè)時(shí)效，還降低作業(yè)費(fèi)用682.21萬元，達(dá)到降本增效的目的。

（2）通過對(duì)液壓舉升裝置風(fēng)載計(jì)算，表明在作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)滿足工況要求，在極端工況下因局部單元結(jié)構(gòu)失穩(wěn)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)不滿足工況要求。

（3）利用設(shè)備檢測A8S2井的隔水導(dǎo)管腐蝕情況，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，且隔水導(dǎo)管整體結(jié)構(gòu)正常。在兩種工況下校核其承載強(qiáng)度，所有構(gòu)件UC值均小于1，滿足規(guī)范要求。

（4）計(jì)算施加三種載荷的防噴器組強(qiáng)度，強(qiáng)度校核得到產(chǎn)生最大應(yīng)力133.2 MPa是在頂蓋法蘭面施加200 t載荷的情況，最大變形量滿足規(guī)范要求。