南海西部修井新模式的可行性研究與應用

吳紹偉，何長林，萬小進，李 學，吳海俊

1中海石油（中國）有限公司湛江分公司2中海油安全技術服務有限公司湛江分公司

0 引言

當前南海西部無修井機平臺10座，在生產井67口，年產油約170×104m3。隨著修井作業量大幅度增加，面臨如何使無修井機平臺躺井快速恢復問題。譚美［1］、張美榮［2］、劉健［3］等提出舊鉆井船改專用修井船，但通過對抗風浪能力、氣隙/高度/懸臂梁覆蓋等方面分析，表明退役BH8鉆井船不滿足現場作業條件。韓樹杰［4］、李駿［5］等提出建造自升式修井平臺，經核算后其經濟成本高達5.73億元，盈虧平衡點為128 d/年，且運營模式復雜。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［8］。

而液壓舉升裝置具有占地較小、舉升力大、運輸組裝便捷的特性，可實現多種類型作業［9］，最大化減少躺井時間，但此前中國海域暫無此應用。南海西部首次結合液壓舉升裝置可行性評估和場地條件，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性試驗，可為同類型井下作業提供理論指導和技術支持。

1 WZ11-1-A8S2井基本概況

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

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

2018年5月30日測試產液量131 m3/d，產油量22 m3/d，含水83.4%。考慮到目前含水率高，電泵排量小，而油藏具有提液增油的潛力，決定對該井進行換大泵作業。

2 液壓舉升裝置可行性分析

本次作業原井生產管柱自重30 t，生產封隔器解封力30 t，參考設備舉升載荷選用225K型液壓舉升裝置。同時對WZ11-1平臺調研后發現當前液壓舉升裝置的底座與平臺滑軌不匹配，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，按照相關規范標準，主要從裝置的風載計算［10］、繃繩錨點布局［11］、隔水導管腐蝕檢測［12］、隔水導管和防噴器承載能力校核等5個方面進行模擬校核與評估［13-14］。

2.1 液壓舉升裝置風載計算

依據《淺海固定平臺規范》和“API RP 2A”規定，計算兩種工況、0°/45°/90°三個風向風載荷，開展液壓舉升裝置風載計算。

其中：α＝0.613 N·S2/m4

式中：F—液壓舉升裝置承受的風載荷，kN；

k—風載荷形狀系數（梁及建筑物側壁取1.5）；

kz—海上高度變化系數；

p0—基本風壓，N/m2；

Vt—風速，m/s；

A—受風面積，m2。

將組成液壓舉升裝置的每個構件單元依次計算風載荷，結果如表1所示（其中ZS為綜合距海平面高度，M為整體承受的風載力矩）。

表1 液壓舉升裝置風載計算

從表1中得出，在同種工況下風向45°對液壓舉升裝置載荷和力矩最大，且極端工況風載約為作業工況的3倍。為了保證設備整體結構的穩定性，減小風載對設備的影響，作業現場在上工作籃底座處利用4條鋼絲繩將其固定在甲板上。在鋼絲繩抗拉強度滿足規范要求的前提下，對液壓舉升裝置內部構件從風向45°兩種工況條件下進行強度校核，采用UC值作為參考依據（UC值是綜合機械強度性能的量度指標）。

通過SAFI有限元模型校核，結果表明作業工況UC值均小于1，結構滿足工況要求；極端工況由于工作籃下部支撐立柱單元UC值為1.06，整體結構不滿足工況要求。因此為了確保現場作業人員安全，要求在最大陣風10級及以上停止作業。

2.2 液壓舉升裝置繃繩錨點布局

為了挑選合適大小的繃繩和錨點，對極端工況0°/45°/90°風向使用ANSYS軟件進行有限元校核。采用LINK10單元模擬繃繩，BEAM188單元模擬骨架結構，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，在繃繩與上層甲板連接處施加鉸支約束，如圖1所示。

圖1 繃繩有限元模型

結果表明繃繩的最大軸向力為64.37 kN，考慮到預緊力、慣性力等因素影響，采取3倍安全系數，因此要求鋼絲繩的最小破斷拉力大于193.11 kN。根據API Spec 9A標準建議選用直徑16 mm的風載繃繩。

采用板厚為40 mm，材質為Q345B的材質設計繃繩耳座，對其進行有限元局部應力分析，從圖2結果中可以看出耳座雖然產生顯示綠色區域的局部應力，但最高為3.5×102N/mm2，整體強度滿足現場20 t拉應力要求，符合現場應用條件。

圖2 繃繩耳座局部應力

2.3 隔水導管腐蝕檢測

為了判斷隔水導管外部腐蝕狀況對其強度的影響，需進行外觀檢測、測厚檢測和導波檢測。按照CCSI質量體系，采用超聲測厚儀和導波檢測設備，對夾層甲板區和導管架區進行檢測，如圖3。

圖3 MsS導波檢測管線曲線

隔水導管結果表明整體狀態良好，未發現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，經外觀及測厚發現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，坑內板材腐蝕量為0.6～l.9 mm，腐蝕未超標。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。在水下15 m范圍內，隔水導管未顯示明顯腐蝕反射信號。因此，判斷A8S2井的隔水導管整體結構強度未受影響。

2.4 隔水導管承載力校核

在工作和極端工況下該隔水導管的樁基承載力安全系數均滿足要求。為了全面判斷隔水導管承載力的安全性，采用SACS軟件對在作業和極端工況風向45°的隔水管承載力進行校核。

通過對兩種工況校核結果分析可知，在作業工況下隔水導管最大UC值為0.694，出現在EL-23.5 m以下；在極端工況下，容許應力可提高1/3，隔水導管最大UC值為0.416，同樣出現在EL-23.5 m以下。所有構件的UC值小于1，判斷A8S2井的隔水導管強度滿足規范要求。

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，屈服強度470 MPa。根據作業工況需要，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，并對其進行強度校核，最終得到三種加載情況下的應力/應變云圖。

從圖4和圖5中可知，施加載荷100/150/200 t的防噴器組最大應力值分別為66.61/99.91/133.2 MPa，都在相同位置表現為應力集中現象，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力云圖

圖5 不同載荷下防噴器組應變云圖

根據API 16A標準，要求設計應力強度小于等于2/3的最小屈服強度。而在三種載荷下防噴器組產生的最大應力為133.2 MPa，并且是在法蘭蓋面施加200 t載荷的情況下。結合材料屈服強度為470 MPa，判斷在施加200 t以內載荷時防噴器組強度能夠滿足規范要求。

3 檢泵作業現場應用

3.1 現場作業情況

現場作業包括作業前準備、鋼絲作業、壓井、拆采油樹、裝BOP組等。其中在鋼絲作業通井/開滑套過程中，由于工作筒堵塞大量地層砂，最后采取計劃外的銃孔作業。整個過程包含大風影響和等待銃孔材料，累計耗時5.6 d。

在吊機配合下安裝液壓舉升裝置，總共花費1.29 d。起原井管柱和下新電泵生產管柱，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，累計耗時分別為2.79 d和2.58 d。后續拆液壓舉升裝置和防噴器組、裝采油樹、座封/驗封等作業設計時間、實際時間如表2所示。

表2 WZ11-1-A8S2井檢泵作業進度

3.2 現場應用分析

3.2.1 作業時間分析

此次液壓舉升裝置修井作業時間共計15.23 d，比計劃完工時間多用3.48 d。此次影響作業時效原因主要有：

（1）鋼絲通井遇阻，無法打開滑套，實際作業時間比計劃作業時間多4.35 d。

（2）受天氣影響作業時效1.5 d。

（3）起下生產管柱由于設備本身原因，導致實際花費時間超出計劃1.37 d。

如除去額外增加的銃孔作業，實際作業時間比計劃時間提前0.87 d，節省費用17.4萬元；如再排除天氣影響，實際作業時間比計劃提前2.37 d，可節省費用47.4萬元。

3.2.2 作業費用分析

WZ11-1-A8S2井采取液壓舉升裝置修井的實際費用為446.5萬元，僅超出作業前預算費用69.44萬元，主要由于銃孔作業導致額外增加費用。而采用鉆井船修井模式的預期計劃費用達到1128.71萬元，比實際液壓舉升裝置高出682.21萬元。

3.2.3 作業效果分析

修井前A8S2井電泵排量為100 m3/1 200 m，產液量約為130 m3/d，產油量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日產液量達到300 m3/d，產油45 m3/d，預計修井后累計增油為0.98×104m3。因此，采用液壓舉升裝置修井新模式同樣可以達到使油井快速恢復產量的效果。

4 結論

（1）無修井機平臺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，不僅保證預期作業時效，還降低作業費用682.21萬元，達到降本增效的目的。

（2）通過對液壓舉升裝置風載計算，表明在作業工況下結構滿足工況要求，在極端工況下因局部單元結構失穩導致整體結構不滿足工況要求。

（3）利用設備檢測A8S2井的隔水導管腐蝕情況，未發現明顯腐蝕現象，且隔水導管整體結構正常。在兩種工況下校核其承載強度，所有構件UC值均小于1，滿足規范要求。

（4）計算施加三種載荷的防噴器組強度，強度校核得到產生最大應力133.2 MPa是在頂蓋法蘭面施加200 t載荷的情況，最大變形量滿足規范要求。