陳鵬飛，倪益民，吳事難，王莉，鄭偉

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

近年來，渤海油田加大勘探開發(fā)力度，增儲(chǔ)上產(chǎn)步伐隨之加速，縮短油氣井躺井時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速復(fù)產(chǎn)已經(jīng)成為重要研究課題。油氣井側(cè)鉆作為一種解決老井產(chǎn)量下降或停產(chǎn)的有效手段，在渤海地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[1-4]。在無鉆修機(jī)或鉆修機(jī)能力不足的生產(chǎn)平臺(tái)，單井進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)成本較高。為降低鉆井成本，往往需等待一段時(shí)間，采用批量鉆井模式降低作業(yè)成本，這種方式將延長老井側(cè)鉆等待時(shí)間。液壓舉升裝置作為一種潛在的側(cè)鉆機(jī)具，具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、占用場地小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在修井作業(yè)中得到很好應(yīng)用。為分析其在側(cè)鉆作業(yè)中的可行性，通過模擬仿真對(duì)比分析，優(yōu)選安裝方式，為液壓舉升裝置側(cè)鉆作業(yè)提供理論依據(jù)，減少施工的盲目性。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)

液壓舉升裝置起源于美國，分為輔助式和獨(dú)立式兩種類型。目前在北美、東南亞、非洲地區(qū)應(yīng)用較廣泛[5]，在側(cè)鉆、完井、起下電泵、打撈、套銑封隔器、鍛銑套管、鉆水泥塞、棄井作業(yè)等方面具有強(qiáng)大的功能。

液壓舉升裝置基本工作原理如圖1 所示。各部件依次安裝在井口上，游動(dòng)卡瓦與固定卡瓦相互配合，交替卡緊管柱后通過液壓油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)管柱上提或下放。當(dāng)起升管柱時(shí)，液壓大鉗將管柱連接，司鉆臺(tái)控制游動(dòng)卡瓦夾緊管柱，打開固定卡瓦，控制液壓油缸上行動(dòng)作，管柱隨之起出井口。當(dāng)上移行程至上止點(diǎn)時(shí)停止液壓油缸運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉固定卡瓦，打開游動(dòng)卡瓦，操作液壓油缸下放，液壓油缸下放到初始位置處。再次按上述操作步驟開關(guān)卡瓦，以控制液壓油缸運(yùn)動(dòng)，分多次起出單根管柱。下放管柱的過程與提升管柱操作步驟相反。

圖1 液壓舉升裝置工作原理示意圖

2 模型構(gòu)建

液壓舉升裝置在平臺(tái)上的安裝方式包括套管頭安裝方式與滑移底座安裝方式。渤海地區(qū)根據(jù)作業(yè)需求，引進(jìn)了340K 型號(hào)的液壓舉升裝置，最大提升能力154 t。液壓舉升裝置主要包括上工作籃、液壓油缸、下基座三部分，套管頭安裝方式包含有升高立管，如圖2所示。液壓舉升裝置物理模型采用ANSYS 軟件中的實(shí)體單元按照實(shí)物尺寸進(jìn)行建模，局部有所簡化。

圖2 模型的建立

3 通用載荷的施加與校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《石油天然氣工業(yè) 鉆井和采油設(shè)備鉆井和修井井架、底座》[6]和API SPEC 4F-2013 《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》[7]標(biāo)準(zhǔn)，并選取渤海某油田的海況條件，正常工作狀態(tài)最大風(fēng)速采用該油田1 年期三秒陣風(fēng)風(fēng)速21.6 m/s；極端條件采用100 年期三秒陣風(fēng)風(fēng)速37.4 m/s。相關(guān)載荷包括自重、主載荷、風(fēng)載、工具和人員載荷，其中風(fēng)載施加方向以桅桿為參考，如圖3 所示。

圖3 載荷施加圖

主載荷分為最大正常作業(yè)工況和極端作業(yè)工況。依據(jù)《海洋平臺(tái)鉆機(jī)選型推薦作法》[8]和《海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī) 第1 部分：設(shè)計(jì)》[9]標(biāo)準(zhǔn)，最大正常作業(yè)工況提升載荷87 t，扭矩24 kN·m。極端作業(yè)工況直接采用液壓舉升裝置的極限提升能力，即154 t，扭矩設(shè)置為0，用以應(yīng)對(duì)鉆進(jìn)過程中的復(fù)雜情況。

液壓舉升裝置液壓油缸屈服強(qiáng)度≥355 MPa，上工作籃、下基座鋼材屈服強(qiáng)度250 MPa，升高立管材質(zhì)屈服強(qiáng)度450 MPa。

4 不同安裝方式仿真分析

液壓舉升裝置安裝模式有套管頭安裝方式和滑移底座安裝方式：套管頭安裝方式是將液壓舉升裝置通過升高立管直接坐放于隔水導(dǎo)管之上；滑移底座安裝方式是將液壓舉升裝置安裝在導(dǎo)軌上。

套管頭安裝方式對(duì)套管頭和隔水導(dǎo)管的承載能力要求較高，可有效減少液壓舉升裝置的占平臺(tái)面積；可在無導(dǎo)軌平臺(tái)進(jìn)行安裝。其缺點(diǎn)是變換井位時(shí)，需拆裝一次，批量作業(yè)效率低。

滑移底座安裝方式批量作業(yè)時(shí)，無需拆裝液壓舉升裝置，作業(yè)效率高；可與懸掛的防噴器組一起滑動(dòng)。其缺點(diǎn)是采油平臺(tái)需有導(dǎo)軌才能使用滑移底座安裝方式。

為驗(yàn)證渤海地區(qū)側(cè)鉆作業(yè)可行性，針對(duì)兩種安裝方式，分別建立有限元分析模型，對(duì)比分析不同安裝方式的受力情況，優(yōu)選液壓舉升裝置的安裝方式。

4.1 套管頭安裝方式仿真分析

4.1.1 工況條件

最大正常作業(yè)工況：風(fēng)速21.6 m/s，提升載荷87 t，扭矩24 kN·m。極端作業(yè)工況：風(fēng)速37.4 m/s，提升能力154 t，無扭矩。約束條件：升高立管底部設(shè)置全約束，考慮上工作籃采用繃?yán)K，上工作籃繃?yán)K固定處橫向約束。

4.1.2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

(1)最大正常作業(yè)工況。最大正常作業(yè)工況，液壓油缸最大等效應(yīng)力為110.097 MPa； 下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力為109.661 MPa，位于升高立管與下基座連接處；套管頭安裝方式的液壓舉升裝置校核滿足作業(yè)需求，如圖4 所示。

(2)極端作業(yè)工況。極端作業(yè)工況，液壓油缸最大等效應(yīng)力為129.544 MPa； 下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力為206.725 MPa，位于升高立管與下基座連接處；套管頭安裝方式的液壓舉升裝置校核滿足作業(yè)需求，如圖5 所示。

圖4 最大正常作業(yè)工況下最大等效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

圖5 極端作業(yè)工況下最大等效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

4.2 滑移底座安裝方式仿真分析

液壓舉升裝置亦可通過滑移底座安裝方式進(jìn)行海上作業(yè)。渤海油田一部分無修井的采油平臺(tái)頂部甲板安裝有導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌通常用來安裝90 t 或者180 t常規(guī)修井機(jī)，根據(jù)液壓舉升裝置總載荷與常規(guī)修井機(jī)總載荷的對(duì)比，液壓舉升裝置對(duì)采油平臺(tái)頂部甲板導(dǎo)軌施加的總載荷小于常規(guī)修井機(jī)對(duì)采油平臺(tái)頂部甲板導(dǎo)軌施加的總載荷。因此，可利用采油平臺(tái)導(dǎo)軌承載液壓舉升裝置[10-12]。

4.2.1 工況條件

最大正常作業(yè)工況：風(fēng)速21.6 m/s，提升載荷87 t，扭矩24 kN·m。極端作業(yè)工況：風(fēng)速37.4 m/s，提升能力154 t，無扭矩。約束條件：下基座底部約束，不考慮繃?yán)K。

4.2.2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

(1)最大正常作業(yè)工況。最大正常作業(yè)工況，液壓油缸最大等效應(yīng)力為115.757 MPa；下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力為82.21 MPa，位于下基座底板；滑移底座安裝方式的液壓舉升裝置校核滿足作業(yè)需求，如圖6 所示。

圖6 最大正常作業(yè)工況下最大等效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

(2)極端作業(yè)工況。極端作業(yè)工況，液壓油缸最大等效應(yīng)力為136.405 MPa； 下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力為152.468 MPa，位于下基座底板；滑移底座安裝方式的液壓舉升裝置校核基本滿足作業(yè)需求，如圖7 所示。

圖7 極端作業(yè)工況下最大等效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

4.3 對(duì)比分析

液壓舉升裝置套管頭安裝方式(考慮繃?yán)K)相較于滑移底座安裝方式(不考慮繃?yán)K)，液壓油缸的最大等效應(yīng)力基本相近，滑移底座安裝方式相較于套管頭安裝方式，下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力明顯降低。因此，相較于套管頭安裝方式，滑移底座安裝方式的穩(wěn)定性更強(qiáng)。推薦在多井作業(yè)或者采油平臺(tái)有導(dǎo)軌時(shí)，采用滑移底座安裝方式。若采油平臺(tái)無導(dǎo)軌，且為單井側(cè)鉆作業(yè)，可考慮套管頭安裝方式。

5 結(jié)語

(1)在考慮繃?yán)K的情況下，最大正常作業(yè)工況與極端作業(yè)工況，不同方向風(fēng)載，套管頭安裝方式的液壓舉升裝置校核滿足作業(yè)需求。

(2)在不考慮繃?yán)K的情況下，最大正常作業(yè)工況與極端作業(yè)工況，不同方向風(fēng)載，滑移底座安裝方式液壓舉升裝置校核滿足作業(yè)需求。

(3)在多井作業(yè)或者采油平臺(tái)有導(dǎo)軌時(shí)，采用滑移底座安裝方式安裝液壓舉升裝置。若采油平臺(tái)無導(dǎo)軌，且為單井側(cè)鉆作業(yè)，可考慮套管頭安裝方式。

(4)為進(jìn)一步提高滑移底座安裝液壓舉升裝置作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，建議安裝過程中在上工作籃上采用繃?yán)K予以繃直固定，降低液壓舉升裝置的位移量。