賀日欣

中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459

在海上油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為保證油氣井的持續(xù)生產(chǎn)，普遍采用在固定式平臺(tái)上安裝修井機(jī)的方式。但是常規(guī)的修井機(jī)存在著體積和質(zhì)量巨大的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)建造大型的固定式油氣開(kāi)采平臺(tái)，資金投入量大，提高了海洋油氣開(kāi)采的成本。同時(shí)，固定式油氣開(kāi)采平臺(tái)上單獨(dú)配置的修井機(jī)使用效率不高，在老齡油氣田中，修井機(jī)使用率不到35%；而新油氣田則僅有7%左右，造成嚴(yán)重的資產(chǎn)閑置。而使用修井船或修井時(shí)再安裝修井機(jī)的方式，則存在著修井成本高、鉆井船調(diào)度繁瑣、作業(yè)時(shí)效低等難題。因此，從節(jié)約修井作業(yè)成本、提升設(shè)備使用效率等方面考慮，需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、占地面積較小、運(yùn)輸組裝快速便捷的修井機(jī)，來(lái)滿足海上油氣開(kāi)采平臺(tái)的修井作業(yè)需求，液壓舉升恰好能滿足這一需求。

1 液壓舉升裝置簡(jiǎn)介

液壓舉升裝置的主要由液壓舉升系統(tǒng)、液壓旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)和固控系統(tǒng)四大部分組成，其主要工作原理是利用兩組或多組液壓缸進(jìn)行往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng)游動(dòng)卡瓦進(jìn)行循環(huán)往復(fù)的上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆桿或油管的上提下放，其結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 液壓舉升裝置結(jié)構(gòu)圖

液壓舉升裝置的工作原理如圖2 所示，利用黑色和白色小方塊表示固定卡瓦和移動(dòng)卡瓦的工作狀態(tài)，其中黑色表示卡瓦夾緊管柱，而白色表示卡瓦放開(kāi)管柱。在步驟一、步驟二和步驟三中，固定卡瓦和移動(dòng)卡瓦的交替夾緊、放開(kāi)管柱和液缸循環(huán)往復(fù)的上下運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)游動(dòng)卡瓦上下循環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)了管柱的提升下放。使用液壓舉升裝置的鉆修井機(jī)取消了鉆井絞車(chē)、井架、天車(chē)和游車(chē)組成的游動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，避免了傳統(tǒng)鉆修井機(jī)需要復(fù)雜的游動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)。且由于液缸行程有限，能夠有效防止游動(dòng)系統(tǒng)在井架內(nèi)上下作業(yè)過(guò)程中發(fā)生碰撞天車(chē)和擺臂鉤掛二層臺(tái)造成高空落物等問(wèn)題，提升了作業(yè)過(guò)程中的安全系數(shù)。

圖2 液壓舉升裝置工作原理

2 液壓舉升裝置的發(fā)展及現(xiàn)狀分析

2.1 液壓舉升裝置發(fā)展歷史

為了滿足陸地、海洋等不同自然環(huán)境和不同地質(zhì)條件下油氣資源的開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)出車(chē)載模塊式修井機(jī)、海洋石油修井船等各種類(lèi)型的鉆修井機(jī)，采用液壓舉升裝置的修井機(jī)也隨之出現(xiàn)。相關(guān)資料顯示，目前已經(jīng)有上百臺(tái)液壓舉升裝置投入到油氣資源開(kāi)發(fā)之中。四川石油管理局于1989 年設(shè)計(jì)建造出的DY- 30 型全液壓山地鉆修井機(jī)，是我國(guó)首次研發(fā)制造液壓鉆修井。1995 年，隨著中石化勝利石油管理局研發(fā)出我國(guó)第一臺(tái)車(chē)載式液壓舉升修井機(jī)，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)自主研發(fā)液壓修井機(jī)的先河，之后我國(guó)液壓修井機(jī)事業(yè)不斷發(fā)展。

我國(guó)自主研發(fā)的用于海洋無(wú)人平臺(tái)液壓修井機(jī)于2011 年投入使用，采用“電機(jī)+ 液泵”作為動(dòng)力源提升單根進(jìn)行作業(yè)的模式。2012 年初采用液壓舉升裝置進(jìn)行邊際油田修井作業(yè)獲得圓滿成功，拉開(kāi)了液壓舉升裝置在我國(guó)海洋石油事業(yè)中推廣的序幕。2017 年在我國(guó)某淺海區(qū)域油田首次投入使用液壓滑移底座和一體化井口裝置，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高端海洋液壓舉升裝置零的突破。2018 年3 月，在我國(guó)某近海油田中使用液壓鉆機(jī)，標(biāo)志著液壓舉升裝置的應(yīng)用從淺海走向了近海油氣田區(qū)域。

2.2 液壓舉升裝置發(fā)展的現(xiàn)狀

液壓舉升裝置因?yàn)榘徇w便捷、結(jié)構(gòu)緊湊、利用率高等特點(diǎn)，在邊際油田和油井作業(yè)得到廣泛應(yīng)用。目前國(guó)際上已形成了包括Superior Energy Services、Hallibuton、Basic Energy Services 等企業(yè)在內(nèi)的液壓舉升裝置生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品系列包含140K、150K、170K、225K、240K、340K、460K 等，舉升力從140klbs 到460klbs。在諸多的產(chǎn)品中，尤其以美國(guó)Hydra Rig 公司的225K 型液壓舉升裝置和ISS 公司的340K 型液壓舉升裝置應(yīng)用最廣泛。2019 年4 月，在國(guó)內(nèi)淺海區(qū)域某油田的注水井中修井作業(yè)中完成了管柱更換作業(yè)，充分體現(xiàn)出了該型液壓修井裝置結(jié)構(gòu)緊湊、組裝快速便捷、運(yùn)輸方便、使用效率高等優(yōu)勢(shì)。

3 國(guó)內(nèi)鉆修井作業(yè)中液壓舉升裝置的應(yīng)用狀況

液壓舉升裝置在海上油氣開(kāi)采平臺(tái)上具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠便捷地實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸和拆卸安裝，并可根據(jù)場(chǎng)地特點(diǎn)進(jìn)行布局，滿足采油管柱起下、電潛泵更換、射孔作業(yè)等各類(lèi)修井和鉆完井作業(yè)。修井機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 液壓舉升裝置基本參數(shù)

3.1 邊際油田中內(nèi)液壓舉升裝置的使用

國(guó)內(nèi)某邊際油田以往的修井作業(yè)需要協(xié)調(diào)修井機(jī)或鉆井船，近期在對(duì)該平臺(tái)某井進(jìn)行換大泵作業(yè)中，根據(jù)其井內(nèi)起管柱作業(yè)所需最大上提力（35t），解封生產(chǎn)封隔器是最大上提力（55t），計(jì)算分析后使用液壓舉升裝置進(jìn)行換泵作業(yè)。該液壓舉升裝置包括液壓舉升模塊（含液壓轉(zhuǎn)盤(pán)、游動(dòng)卡瓦和固定卡瓦）、上工作籃（含操作臺(tái)）、下工作籃、可伸縮式雙絞車(chē)桅桿、液壓油管鉗和液壓站等部分，而最大吊裝重量?jī)H為8t。

3.1.1 吊裝步驟

通過(guò)對(duì)該井相關(guān)參數(shù)及平臺(tái)的載荷分析后，作業(yè)設(shè)計(jì)采用將液壓舉升裝置直接安裝在井口套管頭的方法。在完成壓井等前序作業(yè)后，直接使用平臺(tái)吊車(chē)對(duì)液壓舉升裝置進(jìn)行吊裝。具體步驟如下：

（1）組裝下部工作籃；

（2）組裝液壓舉升模塊和拓展工作臺(tái)；

（3）安裝下部工作籃支撐桿和照明系統(tǒng)；

（4）安裝相關(guān)液壓管線到動(dòng)力單元；

（5）組裝上部工作籃；

（6）組裝液壓舉升裝置各樓梯和支撐桿；

（7）安裝桅桿、液壓鉗吊臂和液壓鉗；

（8）聯(lián)合調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)液壓舉升裝置。

該過(guò)程相對(duì)于傳統(tǒng)修井機(jī)能夠節(jié)約6h 的組裝時(shí)間。

3.1.2 換泵作業(yè)的關(guān)鍵點(diǎn)

在該井的換泵作業(yè)過(guò)程中的關(guān)鍵的作業(yè)點(diǎn)為：

（1）在下操作臺(tái)處進(jìn)行附屬電纜和液控管線的安裝和回收；

（2）通過(guò)游動(dòng)卡瓦和固定卡瓦的循環(huán)抱緊和釋放，以及液缸的循環(huán)伸縮，實(shí)現(xiàn)管柱的起放；

（3）在下工作籃工作臺(tái)處的固定卡瓦抱緊7”電泵管串后，直接剪斷電纜拆卸快速接頭后，逐級(jí)拆解出電泵；

（4）使用桅桿和吊車(chē)，逐級(jí)組裝并下入電泵管串和電纜到井內(nèi)，安裝好BIW 電纜穿越密封和快速接頭，組裝7”油管后依次下入。

該作業(yè)程序雖然是下單根油管，但作業(yè)時(shí)間和傳統(tǒng)修井機(jī)作業(yè)時(shí)間持平。

經(jīng)過(guò)綜合費(fèi)用結(jié)算，使用液壓舉升裝置修井，相對(duì)于傳統(tǒng)修井機(jī)和鉆井船開(kāi)展修井作業(yè)，分別可節(jié)約費(fèi)用近百萬(wàn)和超兩百萬(wàn)元，極大地縮減了換泵作業(yè)的費(fèi)用。同時(shí)，修井作業(yè)中承載受力部位為該井的套管頭，只有液壓站等附屬設(shè)備的載荷承載于平臺(tái)甲板面上，極大地減少了平臺(tái)所受的載荷，且各附屬設(shè)備尺寸小，能夠適應(yīng)平臺(tái)甲板有限的場(chǎng)地。

3.2 淺海區(qū)域內(nèi)液壓舉升裝置的使用

我國(guó)淺海區(qū)域某井側(cè)鉆作業(yè)，該井管柱垂直投影長(zhǎng)度為1200m 左右、水平投影長(zhǎng)度2600m 左右、摩擦系數(shù)0.25。根據(jù)海洋石油模塊鉆機(jī)和海洋石油修井機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該井完成鉆井作業(yè)中的最大鉤載進(jìn)行計(jì)算，可以得出該井的最大鉤載為136.713t。而液壓舉升裝置最大舉升力為340klbs，約合153t，最大鉤載尚不足液壓舉升裝置的90%，故液壓舉升裝置完全能夠滿足該井側(cè)鉆要求。

在該油氣田區(qū)域，在進(jìn)行8- 1/ 2”和6”井眼正常鉆井作業(yè)時(shí)，鉆具轉(zhuǎn)速一般不高于60r/ min，低于液壓舉升裝置100 r/ min 的最大轉(zhuǎn)速。且在該轉(zhuǎn)速下，液壓舉升裝置能夠提供30kN·m 的扭矩，該數(shù)據(jù)已經(jīng)大于傳統(tǒng)40/ 225型鉆機(jī)能夠提供的最大連續(xù)輸出扭矩（19kN·m）和最大間歇輸出扭矩（24kN·m），能夠保證鉆井作業(yè)中提供給鉆具足夠的扭矩。

在鉆井作業(yè)中，為保證泥漿循環(huán)系統(tǒng)的正常工作，根據(jù)該油田近年使用傳統(tǒng)液壓修井機(jī)進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，可知2400L/ min 的鉆井液供給和20MPa 的泵壓就能滿足側(cè)鉆作業(yè)所需。故根據(jù)海洋石油模塊鉆機(jī)和海洋石油修井機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用公式（1）和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明僅需要配置644HP 的泥漿泵就能滿足鉆井作業(yè)的需要。

式中：ηy——泥漿泵的容積效率，0. 95；

ηj——鉆井泵的機(jī)械效率，0. 90；

Q——各井段的排量，L/ s；

P——各井段與排量相對(duì)應(yīng)的泵壓，MPa；

J——為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，0.80。

常規(guī)的ZJ20/ 135 型和ZJ30/ 180 型模塊鉆機(jī)在該作業(yè)區(qū)域使用5”鉆桿進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)時(shí)，鉆井井深一般在1100～2500m 之間。對(duì)比相關(guān)參數(shù)之后可以發(fā)現(xiàn)，液壓修井機(jī)參數(shù)覆蓋了這兩型模塊鉆機(jī)的作業(yè)范圍。同時(shí)，根據(jù)該油田近年來(lái)使用修井機(jī)進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)（表2）可知，液壓舉升裝置已經(jīng)幾乎能夠覆蓋所有的側(cè)鉆作業(yè)。

表2 修井機(jī)側(cè)鉆作業(yè)井眼參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

液壓舉升裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、操作簡(jiǎn)單方便、拆裝及運(yùn)輸迅速等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到一定的應(yīng)用。實(shí)踐應(yīng)用表明，液壓舉升裝置配備齊全的泥漿循環(huán)系統(tǒng)等關(guān)鍵附屬設(shè)備后，能夠順利完成我國(guó)淺海、近海區(qū)域內(nèi)相關(guān)平臺(tái)的修井、完井和側(cè)鉆作業(yè)，而且可有效減輕平臺(tái)載荷，對(duì)老舊平臺(tái)、小型無(wú)人平臺(tái)更具有顯著的優(yōu)勢(shì)。從而解決海上無(wú)修井機(jī)的固定式油氣生產(chǎn)平臺(tái)的修井、完井和側(cè)鉆作業(yè)，縮短油氣井躺井待修的等待作業(yè)時(shí)間，為提升我國(guó)海上油氣產(chǎn)量提供巨大的助力，具有廣闊的應(yīng)用前景。