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技術升級 Vallourec完井送入管柱輕松K.O超深水難題

技術升級 Vallourec完井送入管柱輕松K.O超深水難題

目前業內常用的完井送入管柱無法滿足深水作業要求,且由于生產設計的限制,管件規格通常無法滿足作業條件。Vallourec新型完井著落鉆桿的出現為操作人員和鉆井承包商帶來了更多的作業選擇。

來自 | World Oil
編譯 | 張德凱

在過去的幾十年中,海洋油氣開發進展迅速,其中超深水井出現的頻率越來越高,某些井的深度甚至超過了3000m。面對這些極端井況,業界迫切渴望一款既能滿足作業要求又不對作業人員、環境造成傷害的工具。

完井送入管柱一般為帶有氣密接頭的管柱組合,在深水油氣開發中可用于多種作業,如采油樹和油管掛的放置安裝、上部完井作業、井底設備下放、測井工作等,還可以全井生產周期內進行完井和干預作業。送入管柱最重要的功能是提供一條連接海床和平臺的密閉通道,通過送入管柱即可實現工具下放和液體循環。此外,送入管柱還具有保持管柱完整(包括人/設備的安全、混合負載下的機械設備工作性能、防腐等)、減少解堵過程地層位移、保持高水力效率和氣密性(尤其是管柱接頭的氣密性)等優點。

在以往的作業中,現場作業評價非常繁瑣且成本較高,若采用完井送入管柱,操作人員還可進行作業前評估,確定完井成本。完井送入管柱的出現正是滿足了開發商對于降本、增效工具的需求。

目前市面上已經出現了多種完井送入管柱工具,其中OCTG是此類產品中的首選,該公司在大尺寸鉆桿和氣密接頭方面有多年的工作經驗。但是OCTG也存在著一定缺點:鉆桿連接次數受限(接頭易磨損,出現漏失)、鉆桿連接時間過長、使用成本高(需要特殊操作人員操作)。

第二種完井送入管柱技術需要對常規鉆桿進行改裝:在鉆桿下端焊接螺紋接頭實現鉆桿間的密封連接。這種方法也存在著一定的缺點:首先,焊接接頭密封要求不能滿足深水高壓環境的要求;第二,由于使用焊接工藝和熱處理技術,鉆桿存在著一定的誤差;第三,鉆桿焊接區域的強度、彈性和抗腐蝕能力都較弱。

盡管上述技術存在著各種缺點,但鉆桿改裝的完井送入管柱在開放水域和立管條件下都可使用,其使用頻率正逐漸增加。此外,以鉆桿為基礎改裝的產品性能也可與OCTG相媲美。

與常規OCTG立管相比,鉆桿改裝的送入管柱能夠降低成本,在實際應用中,這兩種工具都與普通的鉆桿操作工具兼容。此外,鉆桿改裝的設備組裝效率更高、更加耐用、抗磨蝕性能更強(重復連接100次以內不會出現任何磨損問題),所以在實際應用中也更加靈活,甚至需要時也可以用于鉆井作業。

技術應用反饋

為了提高鉆桿改裝工具的性能,Vallourec公司研發推出了一款新型完井送入管柱,與現有同類產品相比,新產品的性能顯著提升,優勢更加明顯。Vallourec的新產品通徑可達6in,工作壓力(內部)最高可達20000psi。根據ISO 13628-7標準對20000psi級設備的要求,鉆桿接頭的測試壓力必須為額定工作壓力的1.5倍,也就是說Vallourec新產品的內部承載壓力實際可達30000psi。

為了滿足這一要求,Vallourec主要在三方面進行了創新改進:①增大管件的外徑到7-5/8in,這使得管件的通徑和拉伸能力達到了最佳平衡狀態;②全新的PFP管件生產工藝,包括熱處理、鍛造技術,保證管件具有高拉伸性能;③新型管件接頭VAM Express-M2M設計,性能優異,氣密性連接,氣密性更好。

異型管件鍛造

異型管件鍛造一直是生產的難點,主要挑戰是難以達到管件幾何形狀和原料性質的最佳組合。在最初設計階段,設計人員決定避免使用摩擦焊接工藝(工藝本身受限)。采用了新的鍛造技術后,目前管件外徑可達7-5/8in(原本為6-5/8in),內徑增大到6-1/4in,之前的技術則要以降低內徑為代價來實現焊接工作。

新設計無需焊接作業。徑向鍛造主要用于生產鍛造管件,此類管件一般具有連續的內、外徑分布,稱為PFP管。生產過程結合了鉆孔器(曼內斯曼效應)和徑向鍛造技術,另外還需要四坑錘鉆和圓柱軸配合使用。在R3管件(無焊接點管件)的鍛造中,設備、工藝、工具以及流程都已非常成熟。新工藝的出現大幅提高了PFP型管件的外徑,能夠滿足鉆具接頭的要求。同時,新型產品還可以根據開發商需要配置外部/內部配件,作業靈活性更高。

管件尺寸范圍更大?;阢@桿設計的送入管柱外徑通常要低于6-5/8in,工具接頭內徑最大為5.2in,而最新的完井送入管柱的內徑最低要求為6in(回收BOP堵頭),顯然常規工具無法滿足此要求。此外,大內徑管柱設計還能優化井筒液體循環的水力效率。通過使用鍛造工藝,完井送入管柱設計、生產都按照內徑6-1/4in進行,可以滿足上述作業的要求,管件的外徑上限也提高至7-5/8in。

總之,徑向鍛造技術提高了異型管件的整體性,并且管件的外徑種類更多,避免了焊接操作,還提高了管柱金屬材料的整體性,管柱尺寸可提高至7-5/8in。相比于采用焊接技術或機器生產,管柱的生產時間也大幅縮短,成本更低,競爭優勢明顯。

氣密接頭

以墨西哥灣為代表,深水鉆完井作業對于氣密性工具的要求越來越高。鉆桿測試、高壓完井、高壓增產作業、控壓鉆井、欠平衡鉆井作業頻率的增加更加劇了業內對于此類工具的需求。同時,開發商對安全性和井筒完整性有著較高的要求,不能因為使用氣密性工具而降低安全性和井筒完整性。

對于小井眼(低于5.102in)井,鉆桿已經成為了一種常規工具,在鉆桿立管系統出現之前,大多數開發商都使用常規鉆桿安裝和回收適配器接頭、水下采油樹罩。此類操作非常簡單,可直接暴露在海水中,無需復雜的環空控制、壓力控制和液體循環作業。偶然間,有開發商在作業中使用鉆桿作為工作管柱回收油管掛,在鉆桿上使用水力震擊器回收了油管掛。隨后又頻繁進行了此類操作,作業人員也逐漸發現了在立管內部進行水力壓裂作業的難點和危險。隨后技術人員進行了技術革新,降低了水力管線和鉆桿的相互干擾?,F在的鉆桿作業工具對于淺水完井作業已經非常理想,但是其在深水完井中的應用效果并不理想,隨著作業深度增加,立管成本更高,且作業效果也變差。

根據現場作業要求的不同,開發商的鉆桿立管選擇主要有兩個,而這兩種系統都采用了最先進的雙臺肩連接設計。第一種方案在1999年首次推出,密封元件與外臺肩相鄰。之后出現了一種新的設計,采用(銷尖)金屬面密封,密封性更好,能夠滿足更加苛刻的作業。

目前業內的鉆桿立管能夠滿足作業者的大部分要求,但是隨著作業難度的提高,開發商對于工具的氣密性有了更高的要求,尤其是在以下應用中:①高壓完井/高壓壓裂;②鉆柱測試;③控壓/欠平衡操作。

為了滿足這些要求,Vallourec公司開發了基于鉆桿的氣密連接技術—VAM Express-M2M,采用金屬面旋轉密封技術。VAM Express-M2M雙臺肩氣密連接是在Vallourec公司VAM Express產品的基礎上改進而來。VAM Express系列產品中VX-57和S135 DP(5?-in)是專門應用于大位移井的,這兩種產品的扭矩要求分別為API標準的1.5倍和2倍,性能明顯優于其它產品。

此類連接設計還具有另一個優勢,那就是快速的鉆桿組裝。常規的雙臺肩鉆桿連接要上扣6-7圈才能滿足扭矩要求,而新型設計在滿足API標準的同時操作速度提高了16%。此外,由于連接處的外徑更小、內徑更大,鉆井液、水泥等循環所需的水馬力更小,所以新式連接還能提高水力學性能。

VAM Express-M2M具有上一代產品VAM Express接頭的所有優點,還具有低成本、氣密性好的優點,在應用過程中能同時起到高壓鉆桿立管的作用,雙臺肩螺旋連接設計還增加了整體的耐用性。技術的結合提高了作業的靈活性,同一管柱即可用于鉆井也可用于完井作業,整個作業過程具有極高的安全性和有效性。

VAM Express-M2M是業內最可靠的接頭之一,內部承載壓力可達30000psi,外部承載壓力可達25000psi。全新的金屬面密封設計是業內最高等級的氣密密封,可降低磨損導致密封失效的風險,防止發生氣體截留現象(常見問題如H2S泄露對鉆臺工作人員造成傷害,一般由井下的高壓差引起)。使用VAM Express-M2M還可以進行多級壓裂作業,且作業過程無需維修,同時該工具具有流線型連接設計,打撈也非常簡單。

創新帶來的技術優勢

Vallourec的新設備采用了異型桿鍛造工藝和VAM Express-M2M接頭,完全可以滿足現有作業挑戰,是一種創新性的解決方案。其優勢包括:

1.更高的拉伸強度:新型的PFP管件外徑更大,避免了焊接作業;
2.抗疲勞程度提升:新型螺紋設計;
3.氣密性更強:新式工具為金屬面密封,性能可靠。

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白礬
石油圈認證作者
畢業于中國石油大學(華東),油氣井工程碩士,長期聚焦國內外石油行業前沿技術裝備信息,具有數十萬字技術文獻翻譯經驗。
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