當(dāng)前位置：
首頁> 新技術(shù)縱覽
數(shù)字化與設(shè)計(jì)相結(jié)合優(yōu)化海上鉆井作業(yè)
時(shí)間：2020-08-10 10:37
來源：
作者:編譯 李智鵬
在規(guī)劃惡劣環(huán)境下的鉆探活動(dòng)時(shí)，將實(shí)際測(cè)量的響應(yīng)與作業(yè)參數(shù)重新納入設(shè)計(jì)循環(huán)，可獲得資金、物流和可持續(xù)的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
在一口海底探井的設(shè)計(jì)階段，必須廣泛考慮各種設(shè)計(jì)假設(shè)。參數(shù)高低估值的范圍，例如海底土壤支撐或隔水管和防噴器（BOP）以及阻尼力等都是應(yīng)考慮的范疇。一般來說，如若發(fā)生最壞的情況，可能還會(huì)再次導(dǎo)致有限的鉆井操作窗口，或出現(xiàn)更糟糕的情況，致使不得不采取高成本的補(bǔ)救或緩解措施，出現(xiàn)這種情況會(huì)阻止作業(yè)順利進(jìn)行，因此，設(shè)計(jì)過程中必須選擇保守的參數(shù)。
三年多來，設(shè)在挪威Asker的4Subsea技術(shù)服務(wù)公司一直在參與巴倫支海和北海連續(xù)7次的鉆井會(huì)戰(zhàn)，作業(yè)期間，該公司提供了作業(yè)前的評(píng)估和監(jiān)測(cè)服務(wù)。包括對(duì)導(dǎo)管和表層套管進(jìn)行的前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，以及作業(yè)期間進(jìn)行的海底油氣井健全性監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)稱SWIM。
測(cè)量的隔水管和BOP的響應(yīng)共計(jì)371個(gè)作業(yè)日，該BOP與兩部不同的半潛式鉆機(jī)連接在一口井上。通過將測(cè)量獲得的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，驗(yàn)證了油井基礎(chǔ)和土壤支撐結(jié)構(gòu)的健全性。移動(dòng)式鉆井平臺(tái)的隔水管和BOP上安裝了一組傳感器系統(tǒng)，用來監(jiān)測(cè)土壤和結(jié)構(gòu)的健全性。
減少保守主義
結(jié)構(gòu)化的操作數(shù)據(jù)和測(cè)量的響應(yīng)用于改進(jìn)分析模型，從而減少保守主義。對(duì)于采用重型設(shè)備重新對(duì)一口現(xiàn)有的探井進(jìn)行作業(yè)的情況，測(cè)量土壤支撐的方法可用來排除一些最壞的情況，啟動(dòng)即將投入的作業(yè)。一個(gè)通過設(shè)計(jì)循環(huán)啟動(dòng)勘探活動(dòng)的案例將在此予以展示。
在惡劣環(huán)境下鉆一口海底探井的典型做法是使用一部配有海上鉆井隔水管和海底BOP的半潛式鉆井平臺(tái)。在這類鉆井作業(yè)過程中，油井的導(dǎo)管作為井的基礎(chǔ)，因此，必須設(shè)計(jì)為能夠承受此類作業(yè)所帶來的載荷。
這種載荷的主要成分是海底隔水管柔性連接器（或關(guān)節(jié)連接器，簡(jiǎn)稱：柔性關(guān)節(jié)或可彎曲關(guān)節(jié)）因拉力和角度變化引起的彎曲負(fù)載。如前所述，井口彎曲負(fù)載的幅度大小由以下因素所致：海底BOP組件的高度；隨著BOP高度的增加，作用在BOP頂部剪切力的力矩臂也隨之增加，因此，力矩臂的增加會(huì)加劇井口彎矩的增加；下部海水隔水管裝置（LMRP）淹沒的重量；關(guān)于隔水管拉力的操作要求，通常需要LMRP連接器應(yīng)能承受給定的過拉力，以保證安全拆卸。LMRP淹沒重量的增加會(huì)導(dǎo)致海底BOP頂部的柔性關(guān)節(jié)拉力增加。由于拉力的增加，BOP頂部的剪切力也會(huì)增加，從而導(dǎo)致彎矩增加； BOP和LMRP裝置的總質(zhì)量；BOP的動(dòng)態(tài)振幅是BOP總質(zhì)量的函數(shù)。質(zhì)量的增加通常會(huì)使BOP井口系統(tǒng)的共振周期更接近氣象峰值周期，從而增加井口基準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)負(fù)載；海底BOP頂部柔性關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度；海底柔性關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度在BOP頂部產(chǎn)生彎矩，這會(huì)通過BOP直接向下傳遞到井口基準(zhǔn)，增加柔性關(guān)節(jié)的剛度可在井口基準(zhǔn)提供更高的彎曲載荷。由于更加嚴(yán)格的安全要求，BOP的高度和重量在過去的40年里已有了顯著增加。
此外，需要涵蓋更廣泛水深的移動(dòng)式海上鉆井平臺(tái)，這就要求在海底BOP頂端配置更高壓力等級(jí)的柔性關(guān)節(jié)。海底柔性關(guān)節(jié)更高壓力等級(jí)的結(jié)果是增加轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，隨著BOP尺寸和柔性關(guān)節(jié)額定壓力的增加，井口系統(tǒng)就需要更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圖1展示了導(dǎo)管分析的主要部件。
圖1
導(dǎo)管設(shè)計(jì)
導(dǎo)管的主要作用是扮演井口結(jié)構(gòu)載荷的一個(gè)基礎(chǔ)。因此，導(dǎo)管的設(shè)計(jì)必須能承受隔水管帶來的載荷。導(dǎo)管分析的目的是確保其設(shè)計(jì)堅(jiān)固，圖1概述了導(dǎo)管典型分析的主要內(nèi)容。
對(duì)于給定的鉆井作業(yè)，導(dǎo)管分析通常會(huì)給出一組操作要求。對(duì)于動(dòng)態(tài)負(fù)載較大的油氣井的施工作業(yè)，其要求通常是不同方案最大允許的沉入水下的容器體（簡(jiǎn)稱：水下沉體）的偏移量，以及作業(yè)期間最大允許的波浪高度。
隨著設(shè)計(jì)載荷的增加，導(dǎo)管外殼要求的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須相應(yīng)地增加。最常見的方法是將導(dǎo)管的尺寸從30in.（英寸）增至36in.，此外，這也增大了土壤暴露的面積，因此，土壤的支撐能力也應(yīng)隨著導(dǎo)管尺寸的增大而增加。不過，這將造成嚴(yán)重的成本負(fù)擔(dān)，需要特殊的處理設(shè)備和額外的鉆機(jī)時(shí)間，將上部井眼從36in.擴(kuò)大至42in.，同時(shí)，還會(huì)使水泥成本增加。
土壤支撐
對(duì)于衛(wèi)星井（衛(wèi)星井是在同一油田鉆探的多口近海油氣井）的導(dǎo)管設(shè)計(jì)，最重要的參數(shù)是所在井位的土壤支撐。在分析模型中，土壤支撐被建模為土壤反應(yīng)彈性，包括橫向的py彈性、t–z彈性（表皮摩擦）和軸向的q–z彈性（末端軸承），橫向土壤支撐通常掌控著導(dǎo)管的設(shè)計(jì)。
支撐土壤的特性通常是通過前期現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)建立的，多數(shù)情況下，勘測(cè)包括幾項(xiàng)錐體穿透測(cè)試（cone penetration tests 簡(jiǎn)稱CPTs），極少數(shù)情況下，由錐芯樣本（或巖體）所支撐。因此，必須根據(jù)CPTs的結(jié)果，結(jié)合該地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)來確定設(shè)計(jì)土壤參數(shù)。
一個(gè)典型的情況是土壤的上層被軟泥土所占據(jù)，海底以下3-15m過渡層下方才會(huì)出現(xiàn)稍微堅(jiān)固的地層，到此處為止，導(dǎo)管設(shè)計(jì)評(píng)估最重要的參數(shù)是向下至堅(jiān)固支撐層的距離。CPTs很少深至5-10m，往往沒有證實(shí)堅(jiān)固土壤層的高度。因此，很難確認(rèn)軟質(zhì)和硬質(zhì)土壤支撐之間的轉(zhuǎn)換或漂移深度。這往往會(huì)導(dǎo)致土壤設(shè)計(jì)參數(shù)高低估值之間的差異。圖2展示了土壤剖面上限和下限設(shè)計(jì)分析的典型響應(yīng)。
圖2
圖2的結(jié)果展示和說明了沿導(dǎo)管高剛度和低剛度設(shè)計(jì)土壤的一個(gè)典型的彎曲載荷分布。彎矩會(huì)隨導(dǎo)管深度的增加而增加，直到導(dǎo)管到達(dá)一個(gè)堅(jiān)固的土壤層，在此，負(fù)載被轉(zhuǎn)移至該土壤層。
同樣的數(shù)據(jù)集也被用來將設(shè)計(jì)分析中不同的土壤模型與實(shí)際測(cè)量的響應(yīng)進(jìn)行比較，包括低估和最佳估土壤參數(shù)的目的是說明在從有限的數(shù)據(jù)中建立土壤特性時(shí)所采取的保守主義的影響。
圖3為根據(jù)不同土壤剖面分析，相對(duì)于所有井施加載荷得到的沿導(dǎo)管的最大負(fù)載。給出了沿導(dǎo)管的峰值載荷與所施加負(fù)載的最大比值繪制為油井剛度的函數(shù)。表明從低估到最佳估土壤的效果是非常顯著的。因此，提高土壤現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)質(zhì)量可能有助于減少導(dǎo)管設(shè)計(jì)過程中的保守主義。
圖3
除了影響導(dǎo)管的負(fù)載分布外，井的支撐剛度也影響著隔水管的整體載荷，即動(dòng)態(tài)負(fù)載。兩種反向效應(yīng)驅(qū)動(dòng)著導(dǎo)管載荷，由于偏移和洋流的原因，靜態(tài)載荷隨著井的上部地層的變軟而減小，這是由于在較軟的地層支撐下，隔水管與BOP之間相對(duì)角度的減小所致。這導(dǎo)致了軟地層井井口基準(zhǔn)處的靜態(tài)彎曲載荷降低。反向效應(yīng)是BOP承載的動(dòng)態(tài)振幅放大。由于BOP的共振周期通常在1-5秒之間，低于波浪激動(dòng)力的峰值周期。因此，一口上部地層較軟的井會(huì)增大共振周期，從而使共振周期更接近波浪激動(dòng)周期。
例如，利用不同的土壤支撐，在對(duì)其中一口Hs=3.5（Hs為BOP的高度）以及波普峰值周期為4至20秒的井進(jìn)行的整體隔水管分析得到了最大動(dòng)態(tài)負(fù)載。隨著BOP共振周期的增加（較軟地層的支撐），井口的動(dòng)態(tài)負(fù)載也會(huì)隨之增加。
圖4
海底油氣井健全性監(jiān)測(cè)（SWIM）
所有報(bào)告的測(cè)量都是利用傳感器系統(tǒng)進(jìn)行的，圖4示意了SWIM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。示圖顯示了2017年的設(shè)置。從2019年開始，該系統(tǒng)還包括了一個(gè)應(yīng)變傳感器套件。測(cè)量系統(tǒng)由三個(gè)集成的運(yùn)動(dòng)裝置（integrated motion units 簡(jiǎn)稱IMU）組成，利用該系統(tǒng)測(cè)量了10 Hz采樣頻率下的加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速率。加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速率被轉(zhuǎn)換為角度。此外，還需計(jì)算井的一些健全性參數(shù)，例如，這些健全性參數(shù)假定，大多數(shù)探井采用海底BOP進(jìn)行的鉆井可表示為簡(jiǎn)化的鐘擺模型。每口井的健全性參數(shù)和測(cè)量響應(yīng)都進(jìn)行了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和結(jié)構(gòu)化處理，允許將這些數(shù)據(jù)用于未來的操作中。
重新進(jìn)入現(xiàn)有的探井
當(dāng)重新進(jìn)入一口現(xiàn)有的探井時(shí)，可以從測(cè)量中獲得進(jìn)一步的好處。在此例子中，來自現(xiàn)場(chǎng)的勘測(cè)得出，測(cè)量響應(yīng)可用來確定井的實(shí)際剛度，無需從不確定性中進(jìn)行保守的估計(jì)。通過結(jié)合健全性參數(shù)，如BOP共振周期、轉(zhuǎn)動(dòng)深度和井的剛度，可以排除較軟土壤支撐的方案。
圖5
圖5給出了這方面的示例，其中BOP的動(dòng)態(tài)振幅放大是通過區(qū)分隔水管與井口角度響應(yīng)幅度幽靈式變化1小時(shí)的響應(yīng)所發(fā)現(xiàn)的。虛曲線來自BOP的分析模型，對(duì)不同土壤剖面的分析與測(cè)量響應(yīng)進(jìn)行了比較。展示的三種不同的土壤剖面（下限、上線和最佳預(yù)測(cè)曲線），均是在采用API RP 2GEO土壤彈性配方基礎(chǔ)上建立的。給出了來自測(cè)量的兩種不同的放大波普（測(cè)量活動(dòng)中最硬和最軟的小時(shí)數(shù)），因?yàn)闇y(cè)量響應(yīng)顯示出一種隨時(shí)間軟化的情形。 比較清晰地表明，下限土壤支撐方案可以被排除。這一比較源自一次鉆井活動(dòng)，該井最初的作業(yè)是在一部移動(dòng)式海上鉆井平臺(tái)上進(jìn)行的，后來，另一部移動(dòng)式海上鉆井平臺(tái)回到該井完成了后續(xù)的作業(yè)。
圖6
在前面進(jìn)行的導(dǎo)管分析中，實(shí)際的油氣井支撐的知識(shí)被隨后用來提高這一作業(yè)的操作極限。圖6給出了不同土壤剖面分析對(duì)最大動(dòng)態(tài)彎矩的影響。圖6為導(dǎo)管彎矩、下限土壤剖面所產(chǎn)生的結(jié)果。
觀察到的最大導(dǎo)管彎矩降低了35%，第一導(dǎo)管連接器的彎矩減小接近于零。這對(duì)操作極限以及即將進(jìn)行的作業(yè)連接器的疲勞預(yù)測(cè)有著重大影響。疲勞預(yù)測(cè)的改善對(duì)于作業(yè)是積極的，因?yàn)橹胤翟摼某跏挤治鲲@示出不了可接受的疲勞損傷。
應(yīng)當(dāng)指出的是即使是最好的預(yù)測(cè)，上限的土壤支撐也太軟了。這表明設(shè)計(jì)中使用的土壤彈性應(yīng)當(dāng)更加堅(jiān)硬。來自多口井匯總的測(cè)量數(shù)據(jù)未來可用于開發(fā)和驗(yàn)證更復(fù)雜的土壤模型，以改進(jìn)未來的設(shè)計(jì)分析。
增值
使用一種方法，將設(shè)計(jì)分析中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與實(shí)際操作的測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，既有利于持續(xù)操作，也有利于未來的導(dǎo)管設(shè)計(jì)。這種方法的先決條件是以具有相關(guān)元數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)方式存儲(chǔ)所有的相關(guān)信息。這就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)學(xué)習(xí)過程，通過這種過程，將作業(yè)階段的知識(shí)納入到未來油氣井的設(shè)計(jì)中，從而改善作業(yè)窗口，減少油氣井導(dǎo)管設(shè)計(jì)中的保守主義。包括井口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和疲勞性能。這樣做的結(jié)果是有可能會(huì)降低導(dǎo)管的尺寸、減少導(dǎo)管接頭的數(shù)量、允許使用不太復(fù)雜的連接器以及簡(jiǎn)化海上作業(yè)的部分過程；總之，可能的效果是減少投資和降低運(yùn)營(yíng)成本。
在重返一口海底油井的情況下，這些測(cè)量可用來排除土壤支撐最保守的預(yù)測(cè)，增加允許的水下沉體的偏移量，為即將進(jìn)行的作業(yè)增加允許的波浪高度。這可能會(huì)再次減少等待天氣的時(shí)間，以及降低與鉆井平臺(tái)定位有關(guān)的費(fèi)用。此外，改進(jìn)的模型將提供改進(jìn)的井口疲勞預(yù)測(cè)，這將延長(zhǎng)井的使用壽命，從而使產(chǎn)量增加。對(duì)于那些挑戰(zhàn)土壤支撐條件、導(dǎo)致油氣井作業(yè)限制的井（Hs或偏移限制），測(cè)量響應(yīng)可用來排除最保守的土壤預(yù)測(cè)，擴(kuò)展操作窗口，從而降低作業(yè)成本。
微信公眾號(hào)
微信視頻號(hào)
京公網(wǎng)安備11010502053156號(hào)