修鉆井作業系統在圓筒形FPSO上的應用研究

曾 冬，莫 辛，李雄巖，勞景水，王少平，朱 沫

(1．湛江南海西部石油勘察設計有限公司，廣東 湛江，524057； 2. 中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300457)

0 引 言

圓筒形浮式生產儲卸油裝置(FPSO)集生產、儲油、外輸多功能于一體，同時具有易搬遷、可重復利用等特點，可以稱為“流動的生產儲油平臺”，其在英國北海和巴西海域已經有很多的成功應用。圓筒形FPSO結構可靠，對環境方向性不敏感，整體運動性能優良[1]，可以容納更多的立管和電纜，抵御環境荷載的能力也遠優于船形FPSO。更為特別的是，相比船型FPSO，圓筒形FPSO可以設中央月池區，這就為在其基礎上集成一套能修鉆井的作業系統創造了良好的前提條件。中海石油(中國)有限公司看到了圓筒形FPSO應用于南海邊際油田開發的巨大潛力，以科研立項的方式來助力研究其功能擴展為FWPSO(兼具修井功能的FPSO)的可行性。圓筒形FWPSO關鍵技術的研究以中國南海某區域油田為目標油田，水深約330 m，最大井深約3 555 m，采用水下生產系統與FPSO聯合的開發模式。圓筒形FWPSO的研究也分幾個方面，包括船體和上部設施、修鉆井系統、外輸方案、水下生產系統以及裝置本身的建造和安裝方案。目前圓筒形船體的主尺度(筒體外直徑為88 m，中央月池直徑為12 m)已基本確定。本文以此研究背景為基礎，主要介紹在該圓筒形FPSO上設計的一套可修井、可鉆調整井的作業系統。

1 修鉆井作業系統的主要配置

在海洋石油與天然氣勘探開發的日常運營中，修井作業是一個重要環節，油、氣井在自噴、抽油或注水、注氣過程中,隨時會發生故障,造成油井減產甚至停產。出現故障后,只有通過井下作業來排除故障、更換設備、調整油井參數,才能恢復油井正常生產。然而，目前采用水下井口進行開發的油田，要完成修井及后期的鉆調整井作業，均需要依賴浮式鉆井船，而鉆井船的動復員費用和作業費用相當昂貴，如果平臺自身帶修井機或鉆機，則可以立即進行修井作業，及時恢復油田生產，可節省大量的作業費用。

本文的應用研究，立足南海某目標油田的開發，擬在圓筒形FPSO有限的甲板空間上，配備一套修鉆井作業系統，從而擺脫對鉆井船的依賴，顯著降低油田開發和運營的作業費用。由于目標油田擬采用水下生產系統進行開發，隔水管系統宜采用水下防噴器(BOP)與常壓隔水管的組合。下面根據油田作業水深、井身結構和作業功能需求來確定修鉆井作業系統的主要配置參數。

1.1 大鉤荷載

最大鉤載Q應滿足以下條件：

Q≥1.2Fgz+300=1.2×max(Fgz1,Fgz2)+300=2 936 kN，

(1)

式中：Fgz1為最大鉆柱重量(412 kN);Fgz2為最大隔水管套管重量(2 197 kN);Fgz為Fgz1和Fgz2中的較大者；300 kN為處理事故余量。

因而，修井作業提升系統按照315噸級標準配置，其相應的井架、絞車、輔助剎車、天車、游車、大鉤等均以此噸位進行配置。

1.2 高壓泥漿泵排量與泵壓

高壓泥漿泵最大排量應滿足

(2)

式中：D為井眼直徑，mm；d為鉆桿直徑，mm；V返為各井段環形空間中泥漿的最大返回速度，m/s;Qmax為最大排量，L/S鉆井泵的最大排量應大于上式計算所得各井段所需排量的最大值。

最大泵壓需滿足

P泵=(N1+L2N2+L3N3+L4N4+L5N5)B+Pdρ,

(3)

式中：P泵為正常值循環的泵壓，kPa；L2～L5為不同段的長度，hm;ρ為密度，kg/L；B為系數，取2.08N1～N5分別為地面設備、鉆桿、鉆鋌、井眼與鉆鋌間環空以及井眼與鉆桿間環空的壓耗系數，kPa/hm。

根據計算并結合規范[2]，設計選用兩臺1 000 hp(1 hp=0.735 kw)的高壓泥漿泵，一臺備用，高壓泥漿泵的最大壓力為5 000 psi(1 psi=6.895 kPa)，最大排量150 m3/h(表壓13.8 MPa時)。泥漿循環系統以此為基礎進行配置，具體的設備包括高壓泥漿泵、立管管匯、灌注泵、混合泵、混合漏斗等。

1.3 泥漿池容量

修井作業所需泥漿循環量等于井眼容積與循環量(宜至少取30 m3)之和為190 m3。

泥漿容量取為200 m3，考慮到后期打調整井的需要，泥漿罐的容量需提前預留40 m3循環量，固控系統的泥漿處理需要50 m3，故總的泥漿容量為290 m3。

1.4 其他配置

以上通過核算，確定了修鉆井作業系統的主要技術參數，確定了提升系統、泥漿循環系統的核心配置。其余七大系統[3]以此為基礎，根據相應的設計規范進行配置，具體說來，還包括旋鉆系統、傳動系統、動力供給系統、井控系統、作業控制系統、修井機底座和修井輔助設備系統。其中值得一提的是動力供給系統。為節約占用甲板面積，修井機將不設電站，動力由上部設施統一提供；井控系統則采用水下防噴器；修井機的底座框架結構將在第4節詳細介紹和分析。

因目標油田采用的是水下生產系統，除以上各大系統之外，要完成修井作業，另外還需要幾套設備來輔助水下作業，包括鉆井導向繩張力器、測試安裝與回收工具(MIR)張力器、BOP行吊及BOP控制軟管、水下機器人(ROV)系統等。

僅僅配備修井作業系統，并不能很好地適應油田的生產及運營的要求。為了適應目標油田油藏的變化和后期開發，在前文介紹的修井作業系統的基礎上，預留后期鉆調整井的作業，還需要增加的系統[4]和設備如下。

(1)泥漿循環系統：同功率的高壓泥漿泵(1～2臺)、同容積的泥漿罐(1個)。

(2)泥漿處理系統(固控系統)：包括振動篩、復合振動篩、離心機、離心機供液泵、除砂泵、除泥泵、真空除氣器及相應的儲存罐(沉砂罐、除氣罐、除砂罐、除泥罐、離心機處理罐、回流罐)等。

(3)輸灰系統：水泥罐(3個)、重晶石罐(1個)及配套緩沖罐(1個)，用于鉆井作業時的固井和輸灰配漿。

(4)固井系統：固井泵橇(1套)，配合固井管匯、混漿系統完成固井作業。

(5)頂驅鉆井系統：可租用頂驅(1套)，進行旋轉法鉆進的操作，提高鉆井效率。

2 浮式平臺鉆修井作業所必備的升沉補償系統

以上介紹的修井、鉆井作業系統只適用于常規固定式平臺，而要在圓筒形FPSO上實現修鉆井作業，還滿足不了要求。因為圓筒形FPSO是浮式平臺，受風、浪、流、潮等各種惡劣環境的影響，會產生橫搖、縱蕩、升沉等運動，其中升沉運動會引起隔水管及井內鉆柱的上下往復運動，不但大大降低了鉆修井作業的效率，而且縮短了隔水管的使用壽命，甚至造成斷管事故，因此要在圓筒形FPSO上進行修井作業，必需增加升沉補償系統。升沉補償系統主要包括鉆柱升沉補償裝置和隔水管張緊器。鉆柱升沉補償裝置作用于鉆柱，保證鉆壓恒定用以減小平臺升沉運動對鉆柱的影響；隔水管張緊器則用于保持隔水管系統工作時的穩定，對隔水管系統提供恒張力。

鉆柱升沉補償裝置根據安裝位置不同分為伸縮鉆桿型、游車型、天車型、死繩型、絞車型等5種類型[5]，它們的優缺點對比如表1所示。

表1 鉆柱升沉補償裝置的優缺點對比

通過對比分析得出結論：游車型和天車型是應用比較廣泛的成熟產品，但是天車型需要另外特制井架和天車，費用較高，綜合考慮，推薦在圓筒形FPSO上采用游車型鉆柱升沉補償裝置。

隔水管張緊器主要由主體、控制架、固定滑輪組、空氣壓力容器、主控制臺、慣性控制系統、蓄能器液體補充系統等部件組成，主要有平衡錘型、鋼絲繩型、液壓缸直接作用型等3種類型[6]。它們的優缺點對比如表2所示。

表2 隔水管張緊器的優缺點對比

通過對比分析得出結論：鋼絲繩型和液壓缸直接作用型都有一定的適用性，但從檢測維護的便捷性、成本及有利于設備國產化角度考慮，推薦在圓筒形FPSO上采用鋼絲繩型隔水管張緊器。

3 修鉆井作業系統在圓筒形FPSO上的整體布置

前文介紹了修鉆井作業系統的設備配置及升沉補償系統的選用類型，接下來是要研究它們如何圍繞圓筒形FPSO的中央月池區進行布置。整體布置時除了考慮操作方便及節省空間，還需要考慮以下幾方面因素。

(1)空間利用因素：由于圓筒形FPSO主甲板上集成了生產設施、外輸設施以及新增加的修井、鉆井設施，空間比較有限，應考慮部分甲板面積共用的原則，盡量采用疊放布置，以彌補空間的不足。

(2)通風因素：需考慮通風的要求，需有利于修鉆井時有害氣體的擴散。

(3)安全因素：修鉆井系統中含危險源的設備應該與電氣房間或其他不含危險源的設備分居月池兩側布置。

(4)功能擴展因素：需要為后期鉆調整井的功能預留適當的空間和接口。

(5)吊機工作能力因素；應考慮吊機的工作能力和范圍，要能滿足修井及鉆井作業時的需求。

綜合以上的原則和因素，在圓筒型FPSO主甲板以上規劃的整體布置方案如圖1～3所示，圖中不僅融入了后期鉆調整井需要增加的系統和設備，也整合了水下作業的各輔助設備。整體布置從立面圖分為三個部分：鉆臺面甲板、下底座、管堆場甲板，其中鉆臺面甲板的面積為232 m2，下底座占用主甲板(包含中央月池區)(圖3)面積約 705 m2，管堆場甲板的面積為564 m2(圖3)。

圖1 總體布置圖Fig.1 Overall layout

圖2 立面布置圖Fig.2 Elevation layout

從圖1可以看出，完整的修鉆井作業系統分布在2個區域，主要的作業系統集中在中央月池區，而配合水下作業的ROV系統由于要下放ROV必須布置在甲板舷外側。從圖2中的立面圖布置來看，在西側布置了有可能出現危險氣體源的系統，從下到上分別是泥漿循環系統、泥漿處理系統、以及輸灰系統，東側則主要布置了一些房間和升沉補償系統的支持組件，從下到上分別是水下BOP控制間、升沉補償系統氣瓶組、中層甲板的房間(應急開關間、變頻控制房、材料房等)以及升沉補償系統的壓縮機組、控制柜等。

需要特別強調升沉補償系統的布置，其中游車大鉤型鉆柱升沉補償裝置的補償液壓缸、控制面板已分別集成在游車大鉤系統和司鉆房內，只需在鉆臺面布置儲能器，于其他甲板處布置氣瓶組和空壓機即可；而鋼絲繩型隔水管張緊器則需要在開敞甲板布置其主要的4組張緊器(圖3)，其他的支持組件如氣瓶組、空壓機、控制柜則和鉆柱升沉補償裝置的支持組件一起，集中布置在月池右側下底座的底層甲板(圖2)。

圖3 頂層布置圖Fig.3 Top deck layout

結合圖2和圖3可以看出，隔水管升沉補償系統的4組張緊器布置在下底座的頂層甲板，鉆臺面坐落在月池東、西兩側的下底座框架結構上，集中布置了主要的鉆井設備(包括井架、絞車、轉盤、司鉆房等)，管堆場甲板則坐落于東側下底座和上部設施電氣房間模塊的房頂。另外要注意的是，由于目標油田采用水下生產系統，所以還需要在月池的南、北兩側分別預留水下采油樹和水下防噴器的布置區域。此外，從圖2和圖3還可以看出，鉆調整井所需要增加的泥漿處理系統、輸灰系統和固井泵橇均布置在開敞甲板，為這些系統設備的海上安裝創造了有利條件。

4 修鉆井系統結構框架的在位分析

根據以上介紹的總體布置方案，本文設計了能容納該修鉆井作業系統的框架結構，如圖4所示。它主要由下底座、鉆臺面、管堆場三部分主要的甲板結構組成。其中下底座甲板結構直接坐落于圓筒形FPSO中央月池區的主工藝甲板，由月池東、西兩側的各自獨立的框架甲板結構組成，下底座的頂層甲板與鉆臺面甲板中間還設置了4個隔水管張緊器的維修操作層，也兼用于鉆臺面與下底座之間的樓梯轉臺；鉆臺面甲板結構主要由下底座的4根腿柱支撐；管堆場甲板結構的支撐立柱，則由下底座的2根立柱和生根在FPSO上部工藝設施模塊房頂的支墩結構組成。

修鉆井系統框架結構的4根主腿立柱為Φ762×25(mm)，次立柱為Φ508×19(mm)和Φ406×16(mm)，斜撐為Φ325×13(mm)，鉆臺面甲板結構大梁為板拼接梁PG1200×450×25×38(mm),其他各處甲板均采用各種常規型材(H588，H440，H400，H300A/B)建造而成。框架結構在位分析的邊界條件為：主腿立柱與主工藝甲板連接處考慮鉸性連接，甲板結構除了要考慮各設備荷載和功能荷載外，還需要考慮環境荷載和船體的慣性加速度?？紤]的各荷載值如下。

設備荷載：鉆臺面3 400 kN，下底座7 670 kN，管堆場1 050 kN。

功能荷載：大鉤荷載3 150 kN，立根荷載1 970 kN，轉盤荷載3 150 kN，泥漿荷載3 565 kN。

環境荷載：取一年一遇3 s陣風風速37.9 m/s為操作工況，取百年一遇3 s陣風風速65.7 m/s為極端工況。

船體運動慣性加速度：一年極值為(0.138，0.136，0.029)m/s2，100年極值為(0.524，0.511，0.919)m/s2。

框架結構的在位分析需要考慮結構自重、設備荷載、功能荷載之和分別與一年一遇、百年一遇的環境荷載和船體運動慣性力組合，校核工況分別為操作工況(總荷載值35 600 kN)和極端工況(總荷載值32 780 kN)。兩種工況下框架結構桿件的強度UC值均小于1，甲板的變形量也能滿足規范要求[7]。由此可見，圓筒形FPSO用于布置修鉆井作業系統的框架結構合理可靠。

圖4 修鉆井系統框架結構模型圖Fig.4 Structural model of the workover or drilling operation system tower

5 結 語

圓筒形FPSO本身因為生產、儲油、外輸三個功能的存在，決定了其主甲板的布置規模。本文聯合上部設施和船體的設計進行了統籌規劃，在設置中央月池區的有限甲板區域內，配備了一套適合圓形FPSO的修鉆井作業系統，并詳細介紹了各系統設備配置及關鍵的升沉補償系統的選用類型，最后對支撐該修鉆井作業系統的框架結構進行了在位模擬分析。分析結果表明，框架結構可靠，布置方案合理，成功實現了圓筒形FPSO第四個功能(W，修井及在一定條件下鉆調整井)的集成，成為FWPSO。值得一提的是，總體布置思路上，將修井和鉆井分為兩個階段，鉆調整井的系統和設備可以在海上安裝，為油田開發運營管理和其投資經濟評價提供了極為靈活的基礎方案，也是對海洋石油開發裝置非常規化所做的探索，為中國南海邊際油田的開發提供了新的思路和關鍵的技術儲備。

[1] 景江成，羅子良. 圓筒形FPSO特點與總體布置策略分析[J].中國機械,2015(9): 184.

[2] 中國海洋石油總公司. Q/HS 2037.1-2007. 海上石油平臺鉆機 第1部分：選型方法[S]. 2007.

[3] 中國海洋石油總公司. Q/HS 2007.1-2013. 海上石油平臺修井機 第1部分：設計[S]. 2013.

[4] 中國海洋石油總公司. Q/HS 9002.1-2009. 海上石油模塊鉆機 第1部分：設備配置及技術要求[S]. 2009.

[5] 陳祖波, 呂巖，李志剛, 等. 浮式鉆井鉆柱升沉補償概述[J]. 石油礦場機械, 2011, 40(10): 28.

[6] 任鋼峰, 王定亞，鄧平, 等. 海洋鉆井隔水管張緊器技術分析[J]. 石油機械, 2013, 41(10): 43.

[7] American Petroleum Institute. API RP-2A-WSD. Recommended practice for planing, designing and constructing fixed offshore platforms: working stress design[S]. 2007.