水下修井立管及其關鍵技術研究

摘 要：隨著我國海洋油氣的開發逐步從淺水邁向深水，深水水下設備的國產化需求越來越迫切。其中針對水下修井立管的研究，其國內研究水平與國際先進水平之間還存在較大差距。現介紹了不同類型的水下修井技術，闡明了水下修井立管作為頂端張緊式立管基礎研究模型的重要性，同時對修井立管的關鍵技術問題進行了總結，可為我國開發深水油氣提供參考。

關鍵詞：海洋油氣開發;深水修井;修井立管;修井隔水管;頂端張緊式立管

0 引言

在深水油氣開發領域，盡管我國正積極開展水下裝備的國產化研究，并在部分設備上取得了顯著進展[1]，但一些關鍵設備離工業化應用仍存在一定差距[2]，水下生產系統的核心設備仍然依賴進口。如我國海洋石油開采的重點項目南海流花16-2和陵水17-2[3]，其中流花16-2是中海油第一個深水FPSO開發項目，采用的是英國TechnipFMC公司的水下采油樹和水下控制系統;陵水17-2作為我國首個自主勘探、完全自營的大型深水項目，采用的是挪威Aker Solutions公司的水下采油樹和水下控制系統。作為深水油氣開發工程的重要組成部分和技術瓶頸，水下修井立管一直是工業界的研究熱點，但在國內這一領域尚無明顯成果。

1 水下修井系統

1.1? ? 水下修井作業

目前國內海洋油氣開發的項目集中在淺水區域，開發模式以“導管架固定平臺+干式井口+干式采油樹”為主，修井作業通過干式井口進行。但在水深超過300 m的油氣田，通過建設導管架固定平臺的開發模式經濟性很差[4]。隨著我國海洋石油開發的重點從淺水走向中深水，適合深水油氣田的開發模式，如“半潛式平臺+濕式井口”將變得日益重要。

當前世界范圍內針對濕式井的水下修井作業主要集中于西非、巴西、英國、挪威和美國。根據國外項目經驗，按修井所需修井平臺的大小，可以把水下修井作業分為3類：

（1）無立管修井：這類修井只需要小型作業船只，修井作業使用鋼絲纜。

（2）輕型修井：這類修井需要更專業的修井船或平臺，平臺上需要一定空間，修井作業一般使用連續油管;需要修井立管，不需要水下防噴器。

（3）重型修井：這類修井需要大型船只，一般是全尺寸的鉆井船或平臺，用于大型作業;需要鉆井立管和水下防噴器。

鑒于重型修井所需大型鉆井船或平臺的高昂成本，無立管修井和輕型修井成為深水修井的技術熱點。目前國外已研發出較為穩定的無立管修井技術，其中挪威和英國最為熱衷，因為這兩國都有眾多步入成熟期或衰退期的油田，存在大量修井或棄井的需求。其研發的無立管修井技術已經過多個油田項目的驗證，但無立管修井技術在深水中的應用仍面臨諸多技術挑戰和使用限制，尚未在北美地區大面積應用[5]。

輕型修井方式在國際上的使用越來越普遍，并逐步取代重型修井的市場份額。相比重型修井，輕型修井用較輕的井控設備代替了水下防噴器，用10寸左右的修井立管代替了21寸的鉆井立管，減小技術難度，大大縮短作業時間，從而大幅降低修井成本。

1.2? ? 水下修井立管系統

輕型修井模式涉及的主要裝備是水下修井立管系統，這是一套可以應用于油田全生命周期的裝備，主要有3種典型的應用場景：

（1）油田開發：完井時，配合鉆井立管和水下防噴器下入或回收油管和油管掛。

（2）油田作業：安裝、測試與回收水下采油樹，修井時提供鋼絲纜或連續油管的通道。

（3）油田棄井：棄井時，填塞油井。

根據國標《石油天然氣工業 水下生產系統的設計與操作 第7部分：完井或修井隔水管系統》（GB/T 21412.7—2018），一種典型的修井立管系統布局如圖1所示。

水下修井立管系統中有以下幾個關鍵部件：立管下部總成、緊急斷開總成、防噴閥、承流閥和各種不同類型的立管節。

立管節的類型包括：保護節、張緊節、安全節、應力節、標準節和用于配長的立管短節。

2 水下修井立管關鍵技術

2.1? ? 立管制造試驗技術

海洋立管根據應用場景通常分為鉆井立管和生產立管。常見的鉆井立管和修井立管都是頂端張緊式立管，而生產立管也可以用頂端張緊式立管來實現。由此多家業內公司提出，把頂端張緊式立管通用于鉆井、修井、生產、棄井等，形成應用于全生命周期的“組合立管”概念。不同類型的頂端張緊式立管可同時用于鉆井、修井和生產，因為各種立管系統在結構上存在相似性。如修井立管系統與鉆井立管系統相比，除了結構尺寸上的差異，修井立管系統用張緊節代替了鉆井立管的伸縮裝置，用應力節代替了鉆井立管的柔性接頭。盡管頂端張緊式立管的關鍵技術相通，如材料、制造、焊接、接頭設計、試驗等，修井立管可以部分借鑒鉆井立管或生產立管的經驗[6]，但因為一般的鉆井立管或生產立管是雙隔層設計，而主流的修井立管是單隔層設計，所以修井立管在性能和監測上有更高要求。

水下修井立管面臨的技術挑戰有：（1）深水高溫高壓環境;（2）海洋酸性環境;（3）隨著水深而增大的外部壓力;（4）因不斷的船體/波浪運動、渦激振動和周期性載荷而帶來的高強度疲勞積累。

解決上述問題，主要的手段有：

（1）管體設計：設計一體化無焊接接頭的立管或者使用耐疲勞的焊接技術。

（2）接頭設計：接頭設計要考慮裝拆難易度和多次裝拆后的耐疲勞強度。

（3）密封：因為金屬密封依賴金屬的彈性形變，如果金屬間有強烈的擠壓則密封效果更好，但會導致形變過大且因疲勞問題而無法多次使用;如果金屬間擠壓較輕則可以多次密封，但密封效果較差。

（4）重量：雖然水下修井立管越輕，經濟性越好，但過于輕薄的立管的耐腐蝕、耐疲勞性能又相對較差。

（5）其他：熱隔離，耐腐蝕涂層，渦激抑制側板。

2.2? ? 失效模式

目前世界范圍內大部分的剛性立管都是頂端張緊式立管。不同于鉆井立管的失效主要是因為鉆激振動導致的疲勞和與鉆桿碰撞所產生的磨損，修井立管因為取消了撓性接頭和伸縮裝置，其失效主要是因為平臺和洋流運動所產生的反復位移，導致立管節大角度擾動和其積累的疲勞損傷。

根據國外公司的經驗，所有的立管節都會有疲勞損傷，只是根據其在系統中的位置不同而損傷程度不同。其中保護節與鉆臺上的轉盤存在相對沖擊碰撞，每次使用過后都會產生不小的形變，是整個立管系統中最容易疲勞失效的部件[7]。又因為存在碰撞的關系，無法在保護節的關鍵部位安裝傳感器，所以很難實時監測保護節的工作狀況。

對于其他類型的立管節，業界正積極發展疲勞監測系統，以隨時掌握立管的性能狀況。監測系統會記錄每一節立管的運行數據、環境數據，結合立管的疲勞曲線、應力集中系數等進行綜合分析，計算得出立管的累計疲勞損傷，并預測疲勞壽命，為立管的檢測和修復提供依據。

3 結語

頂端張緊式立管作為應用數量最多的剛性立管，可以用于鉆井、修井、生產等，在我國深水開發項目中有著非常廣闊的應用前景。而水下修井立管是頂端張緊式立管的基礎研究模型，通過研究水下修井立管，可以明確深水修井作業的技術發展方向，為我國研發擁有自主知識產權的組合立管奠定基礎，為我國未來開發深水油氣提供有力支撐。

[參考文獻]

[1] 張晗亮，羅超，劉兆黎，等.中石油裝備制造業務技術創新發展與展望[J].石油機械，2016，44（11）：1-4.

[2] 李清平，朱海山，李新仲.深水水下生產技術發展現狀與展望[J].中國工程科學，2016，18（2）：76-84.

[3] 朱海山，李達，魏澈，等.南海陵水17-2深水氣田開發工程方案研究[J].中國海上油氣，2018，30（4）：170-177.

[4] 于成龍，李慧敏.水下采油樹在深海油氣田開發中的應用[J].天然氣與石油，2014，32（2）：53-56.

[5] STUKER J，RIVAS J，ASSIS J，et al.Step Changes in Deep Open-Water Riserless Coiled Tubing Operations[C]//

Abu Dhabi International Petroleum Exhibition & Conference，2018：12-15.

[6] 周建良，許亮斌.深水鉆井隔水管關鍵技術研究進展[J].中國海上油氣，2018，30（4）：135-143.

[7] VINDENES A.Parametric Studies of Dynamic Response for a Workover Riser[D].Trondheim：Norwegian University of Science and Technology，2014.

收稿日期：2021-01-11

作者簡介：張順（1986—），男，江蘇南京人，碩士研究生，海工項目負責人，研究方向：海洋工程裝備研發。