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NOV大直徑完井管柱,不一樣的體驗

NOV大直徑完井管柱,不一樣的體驗

NOV推出7?英寸完井聯頂管柱(Completion Landing String),提供6? 英寸的內通徑和新的連接技術,大量節約安裝及修井操作時間。

來自 | World Oil
編譯 |?呂凡勝

早期海底油氣井借助鉆機上的標準API鉆桿,可以實現從船舶上往海底井口下生產套管和完井設備的操作。但是隨著水深達到30000英尺,水下壓力超出了標準API鉆桿及其旋轉接頭氣密性的承受范圍。所以從21世紀初,研究人員就開始研發更加精密的完井管具,不過目前仍需進一步完善。

為保證井口頂部堵塞器及完井管具的安裝方便,深水作業中的完井聯頂管柱內徑必須足夠大。目前的管柱不足以用于深海采油樹上頂部堵塞器的運行和回收,比如標準的6?英寸管柱,最大內通徑僅為5?英寸,這就要求操作人員在采油樹上使用帶有更大直徑頂部堵塞器的管柱,這樣一來,會使操作更加困難。

為解決這一弊端,NOV研發了一種7?英寸的新型聯頂管柱,即下圖所示的這一大通徑、具有額定工作壓力、氣密性良好、旋轉式連接的專用井下工具。該新型管具優化了外徑和上緊扭矩,能夠更好地實現與GOM鉆機上鐵鉆工和管具操作設備的兼容。

NOV大直徑完井管柱,不一樣的體驗

在海底采油樹安裝

在海底操作過程中,海底生產采油樹很大程度上決定了油管的規格大小。比如,海底垂直生產采油樹和水平采油樹的頂部堵塞器直徑的不同,影響到完井聯頂管柱和修井管柱的尺寸大小。海底垂直采油樹具有雙孔結構,環孔和生產管道均配有頂部堵塞器。與此相反,海底水平采油樹將兩孔合二為一,不通過頂部堵塞器而是通過閘閥控制采油樹本體。這種單孔設計中的頂部堵塞器比垂直采油樹的直徑大,這就要求完井聯頂管柱和修井管柱有更大的內通徑(高達6?英寸)。

新型完井聯頂管柱的優勢

海底水平采油樹大直徑頂部堵塞器要求比現有6?英寸標準完井聯頂管柱有更大的直徑。這一弊端意味著,如果管具通徑超過5?英寸,在進行海底完井作業時就必須頻繁使用高級套管。這些高級套管具有氣密性更高的金屬對金屬連接性能,并且具備穿過頂部堵塞器的必要大直徑。但是這同時也增加了安裝時間、人力成本以及維修成本。到目前為止,高級套管仍然是這類操作的唯一選擇,但是可喜的是,7?英寸新型完井聯頂管柱的出現改變了這一現狀,在該領域中體現出顯著優勢。

新型完井聯頂管柱可以與普通鉆機和管具操作系統兼容匹配,仍然可以使用標準的機械化管具操作系統、起升設備、鐵鉆工以及卡瓦等。旋轉式連接的堅固性確保連接可以多次安裝和拆卸,而不會損壞其性能;而傳統套管的連接多設計為盡量減少上扣數目,這樣就帶來了更高的后期維修成本。該新型完井聯頂管柱減少了高級連接技術人員和扭矩監測設備及人員,鉆臺上操作人員的減少提高了操作安全性,減少了HSE安全事故的發生。通過使用完井聯頂管柱的新型連接方式,實現更快速安裝,從而節約了成本。

管柱設計和連接方式的發展

為有效應對復雜多變的海底完井挑戰,完井聯頂管柱的外徑需要達到7?英寸,從而保證套管內通徑達到6?英寸。鉆具接頭的外部設計實現了內徑最大化,同時提供了必要的焊接面積。最大安裝扭矩為100000 ft/lb,最大鉆具接頭外徑為9?英寸,處于一般鐵鉆工工作負荷以內。

另外,該接頭的最低額定內壓必須為20000psi,最低額定外壓為10000psi,管體額定壓力等級大于等于接頭額定壓力等級。這是通過采用0.625英寸壁厚且最低屈服強度為150ksi材料來實現的。相比于Range2系列,Range3系列產品盡量減少接頭數目,從而減少安裝和拆卸時間,并進而降低成本。

我們的目標是為7?英寸完井管具設計高額定工作壓力、氣密性良好的旋轉接頭。采用徑向金屬對金屬密封技術以提供必要的額定壓力,并輔以優化的連接結構(錐度,間距,螺紋高度,ID倒角),確保使用相對較低的扭矩來安裝這樣一個大的接頭,滿足了該接頭的設計要求。主密封是銷尖徑向金屬對金屬密封,二級密封是臺肩密封。

內臺肩通常不起壓力密封作用,一般用作扭矩止停,確保在起下鉆操作過程中鉆桿提升到銷釘處而不破壞密封螺紋。這對于優化干涉具有重要作用,是徑向金屬對金屬密封件有效性的關鍵參數,用以確保密封表面的足夠的接觸應力。干涉過度可能會導致磨損,但是干涉不足會影響連接的密封性。

試驗驗證

在開發過程中,工程師采用有限元分析(FEA)驗證連接中的應力分布,并優化徑向密封干涉,如下圖所示。以額定最小屈服強度130000psi的材料為例,通過生成接頭的二維軸對稱模型和非線性應力-應變關系曲線數據來模擬彈塑性受力性能。

假設整個分析過程中接觸表面的摩擦系數為0.08,通過在臺肩及徑向密封處施加干涉可以模擬補償扭矩。FEA結果驗證了選定材料尺寸和耐度,證明在額定負載下材料的應力狀態符合標準。

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全面實驗模擬

對新的連接方式進行全面的物理性能測試,以證明其符合預期性能,是十分重要的環節。實驗借助API方法,進行兩級性能測試。第一階段為耐磨(通斷)測試,通過對接頭樣品進行多次安裝和拆卸,進而評估其耐磨性能。第二階段為密封性能測試,通過將上述樣品在一系列負載條件下進行測試,比如高溫、軸向張力、壓縮載荷和內外部壓力等。

實驗樣品成功通過了耐磨測試,卸扣扭矩與理論值密切相關。臺肩、螺紋以及徑向金屬對金屬密封無可見磨損。另外,在實驗檢測過程中未發現有任何泄露情況,產品成功通過了組合負載下的密封性檢測,驗證了接頭的內外額定壓力分別為20000psi和10000psi。

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現場測試

2016年5月,在超深水鉆井船上進行了對7?英寸完井聯頂管柱的現場認證測試。該認證測試的目的在于,確保這一新型大尺寸管具與鉆井船管具操作運行系統的兼容性,并且測試接頭在現場環境中的上卸扣情況?,F場操作人員、鉆井承包商、租賃公司人員以及設備生產人員參加了現場測試。

該7?英寸完井聯頂管柱額定內通徑為6? 英寸,內接套管直徑為6.076英寸。海底采油樹底部頂部堵塞器外徑為5.2英寸,頂部頂部堵塞器外徑為5.781英寸。進行上卸扣作業的鐵鉆工額定上卸扣載荷分別為100,000 ft/lb和120,000 ft/lb。鐵鉆工可以操作外徑為9?英寸的鉆具接頭。上卸扣扭矩值處于正常范圍內,鉆機鐵鉆工具備相應的載荷能力。

使用鉆機管具操作系統操作7?英寸完井聯頂管柱時,鉆井船的管具起下和運行系統一切正常,能夠合理地運移和操作新型管具。為保證與鉆機垂直排管系統兼容,管具在排列上選擇并排式排列。測試團隊在測試過程中未發現問題,鉆具接頭、管具外徑與鉆機管具排列系統完美兼容。目前與7?英寸完井聯頂管柱匹配的油管變扣接頭、短節、內防噴器閥門、安全閥及法蘭等配件已經生產面市。

實際應用

該7?英寸完井聯頂管柱已經在GOM公司完成四次完井作業。因為不需要額外的管具操作系統,該管具可以借助傳統鉆機操作系統起下和排放。這樣操作人員就可以利用鉆機空閑時間,在其他操作間隙進行鉆具的起下和排放。這樣一來,使用套管、額外管具操作系統以及相關設備等費用就可以避免。如果操作人員要求,制造商和租賃公司會派遣相關技術人員到現場指導。鉆井人員、制造商油田服務以及租賃公司為設備運行提供了有力保障。

鉆井人員樂于操作這種7?英寸完井聯頂管柱,并且隨著操作經驗的增加,他們更加愿意使用這種操作方便和高效的設備。接頭便于連接,且操作過程沒有出現任何問題。鉆臺操作人員和鉆井承包商一致認為,這一新型完井聯頂管柱相比于以前的管柱更加高效和安全。采用這一新型管具后,連接每個接頭的時間最低降到4分鐘/個;相比于以前的高級套管聯頂管柱,新型管具在整個完井過程中大約可以節約3.5-10個小時。

結論

該7?英寸完井聯頂管柱成功地研發,并進行了性能測試和實際應用。這一新型的大直徑、氣密性良好的特制完井和修井管具可以提供6? 英寸的內通徑和新的連接技術,并且該管具能夠很好地與目前GOM公司鉆機的鐵鉆工和管具操作設備相兼容。

該新型管柱僅僅借助現有的鉆機管柱上扣和操作設備,不需要額外的設備和人員,可以利用空閑時間完成上卸扣及排管工作,有效地提高了整體鉆機運行效率。相比于以前高級連接套管聯頂管柱,該管柱每個接頭運行速度提高大約4分鐘,如下圖所示。使用現有的設備和人員,該管具可以實現安全高效的井下起下鉆作業。

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未來計劃

GOM公司采用該新型管具的成功案例引起了該地區(墨西哥灣地區)和世界上其他地區采用該技術的興趣。許多大型油服公司也考慮在完井和修井作業中采用這一技術。除了在大通徑完井作業中的應用,7?英寸旋轉接頭的應用能夠提高聯頂管柱的載荷最高達到400萬磅。NOV已經著力于對7?英寸管柱作出改進,增加鉆桿接頭以下部分壁厚,用以防止在高負荷下卡瓦擠壞事故。最終,該7?英寸管柱將為未來超深和超高深鉆井帶來希望。

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