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水下井口轻型修井作业技术及设备发展概述 汪 迪,黄聪聪,常双利(中海油田服务股份有限公司,天津 3 0 0 4 5 9)摘要 随着海上油气资源开发规模不断扩大,国内海洋油气田或将大规模采用水下井口生产模式,而国内还未有与之配套的水下修井装备和技术。本文对比了国际上现行主流的两种修井作业技术,着重介绍了两种轻型修井作业系统及其优缺点,分析了国外现有的水下修井装备发展和作业情况。最后,归纳总结了国内相关技术的发展差距和应对策略。关键词 水下井口;轻型修井;重型修井中图分类号:T E 9 5 2 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 7 2 9 7(2 0 2 3)0 1 2 6 0 5d o i:1 0.1 2 0 8 7/o e e t.2 0 9 5-7 2 9 7.2 0 2 3.0 2.2 0O v e r v i e w o f S u b s e a W e l l I n t e r v e n t i o n T e c h n o l o g y a n d E q u i p m e n t D e v e l o p m e n tWA N G D i,HUA N G C o n g c o n g,C HA N G S h u a n g l i(C h i n a O i l f i e l d S e r v i c e s L t d.,T i a n j i n 3 0 0 4 5 9,C h i n a)A b s t r a c t A s t h e c o n t i n u o u s e x p a n s i o n o f t h e r e s o u r c e s d e v e l o p m e n t o f o f f s h o r e o i l a n d g a s,m o r e s u b s e a w e l l w i l l b e u s e d a t d o m e s t i c o f f s h o r e o i l a n d g a s f i e l d s.Y e t t h e r e i s s t i l l n o s u p p o r t i n g t e c h n o l o g y a n d e q u i p m e n t f o r s u b s e a w e l l i n t e r v e n t i o n i n C h i n a.T h i s p a p e r c o m p a r e s t h e t e c h n o l o g y o f w e l l i n t e r v e n t i o n a n d w o r k o v e r,i n t r o d u c e s t w o k i n d s o f l i g h t w e l l i n t e r v e n t i o n s y s t e m s,c o m p a r e,t h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s,a n d t h e n a n a l y z e s t h e d e v e l o p m e n t a n d o p e r a t i o n o f s u b s e a w e l l i n t e r v e n t i o n s y s t e m s i n t h e w o r l d.T h e d e v e l o p m e n t g a p a n d c o u n t e r m e a s u r e s o f r e l a t e d t e c h n o l o g i e s i n C h i n a a r e s u mm a r i z e d,a t t h e e n d.K e y w o r d s s u b s e a w e l l;w e l l i n t e r v e n t i o n;w o r k o v e r0 引 言随着海上油气资源开发规模不断扩大1,国内南海水域多个深水油气田已采用水下井口生产模式2、3。国内油气需求的增长,南海深水油气资源将得到大力开发,南海西部海域投入运营的深水油气逐步 增 加。随 之 而 来 的 是 深 水 修 井 成 本 压力4、5,作为深水油气田开发的配套技术,低成本修井技术具有市场应用前景6。轻型修井技术自2 0世纪8 0年代至今已有三十几年的发展历史,并在英国北海、墨西哥湾等海域已累计作业数千井次,单次作业可降低成本3 0%5 0%7。而国内随着深水油气田的不断开发和修井成本的压力,迫切需要低成本的轻型修井作业技术来保证油气田的低成本高效开发8。1 水下井口修井作业技术1.1 两类水下井口修井作业按是否允许水下井口继续维持在生产状态,国际上通常把修井作业分为两大类9:轻型修井作业(或干预修井作业)和重型修井作业(或动管柱修井作业)。直观上,两类修井作业的最大区别在于是否需要取回生产管柱和再完井。并且,前者较后者作者简介:汪迪(1 9 8 3),男,汉族,本科,现从事船舶修造、水下油气装备设备设计制造等工作。黄聪聪(1 9 9 5),男,汉族,硕士,现从事海洋钻修装备研发工作。第1 0卷 第2期 2 0 2 3年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E QU I P ME N T A N D T E C HN O L O G YV o l.1 0,N o.2J u n.,2 0 2 3第2期汪迪,等:水下井口轻型修井作业技术及设备发展概述1 2 7 作业方式更简单,作业投入更低。因此,国际上修井作业的一般原则是,通过油气井维护(即轻型修井作业),使油气井长期维持良好的生产状态,并尽可能减少或避免重型作业。(1)轻型修井作业轻型修井作业如图1所示。主要着眼于油气井的维护、测试和保养,是在油气井出现重大问题前,对井口进行干预,避免轻型问题的积累(如含水率高、出砂量大、井筒结垢等)造成重型问题(如井筒、装备的损坏等),使油气井增产增效,在全生命周期内,维持可观的日产量和最佳的总产量。图1 水下井口轻型修井作业无立管修井示意图F i g.1 L i g h t w e l l i n t e r v e n t i o n w i t h r i s e r l e s s s u b s e a w e l l i n t e r v e n t i o n s y s t e m(2)重型修井作业重型修井作业过程基本与完井作业相反,需要二次完井。作业过程中,将会对井筒结构造成很大的改变(如移除所有井口安全屏障),油气井和平台上所有作业都必须停止。没有单一的作业装备,一般需要配合使用钻井隔水管、水下防喷器、坐落管柱等装备,见表1。表1为两种修井作业的基本情况对比。表1 轻型、重型修井作业对比T a b.1 C o m p a r i s o n o f w e l l i n t e r v e n t i o n s a n d w o r k o v e r s轻型修井作业重型修井作业作业工具连续油管、钢丝/电缆工具、干预介质,以及一切可以在不动管柱的前提下进出井筒和环空的工具和物质无特定作业工具作业类型气举、冲砂、酸洗、酸化、清蜡、除垢、切割、修补、打捞、磨铣、射孔、井下测试等所有必须取回生产管柱的作业作业特点设备相对简单,动员部署迅速,井口无需停产,作业风险性低,作业周期较短设备多且复杂,动员部署较慢,井口必须停产,作业风(续表)轻型修井作业重型修井作业险性高,作业周期较长作业条件井筒畅通,全线不能有阻碍物(包括工具阻碍、气液介质阻碍等)无特定作业条件1.2 轻型修井作业国外发展现状截至2 0 2 0年底,I s l a n d O f f s h o r e统计数据显示,全球共有轻型修井作业船2 2艘,其中1 6艘工程船、6艘半潜式作业船。英国北海地区共有5 5 0个水下井口进行了轻型修井作业。2 0 0 6 2 0 1 6年,采收率从3 0%提高到5 0%,每年修井需求从1 1井增长到4 9井,1 0年累计3 6 5口井,作业总数2 3 9 0井次,平均单井作业6.5次,1 0年内单次修井作业时间下降6 0%。海上无钻机修井作业的全球领导者H e l i x公司,自2 0世纪8 0年代便开始专业从事水下井口轻型修井作业。图2所示为H e l i x公司1 9 8 72 0 1 9年主要业务线。旗下拥有专业修井船9艘(包括工程船和半潜式修井平台),修井作业装备9套,无立管水下井口专业弃井装备R O AM模块1套。在过去的3 0年间,世界范围内完成超过2 0 0 0多个各类型水下轻型修井、弃井项目,覆盖作业水深8 53 0 0 0m。尽管受全球疫情的影响,H e l i x近几年海上修井订单仍处于饱和状态。据全球船舶动态调查显 示,H e l i x旗 下 船 舶W e l l E n h a n c e r、S i e m H e l i x 1、S i e m H e l i x 2、Q 5 0 0 0、Q 7 0 0 0,目前分别在英国北海、墨西哥湾、巴西东南部海域、喀麦隆西部海域等,执行浅水、中深水水下井口轻型修井作业任务,而其他船舶也正处于动员状态。1.3 国内轻型修井作业发展趋势轻型修井作业在欧洲、美洲地区,如英国北海、墨西哥湾、巴西东部海域等,已应用超过3 0年,作业技术成熟。然而,在我国各海域水下油气田,仍没有进行过真正意义上的轻型修井作业。渤海海域探明未动用数亿吨储量将大部分采用水下生产模式;南海海域深水油气田中,现有水下井口一百余口。水下井口轻型修井作业系统、装备和技术有着巨大的发展机遇和市场前景,着力发展水下井口轻型修井作业技术以及配套作业载体和工具,是必然的发展趋势。1 2 8 海洋工程装备与技术第1 0卷图2 H e l i x公司1 9 8 7 2 0 1 9年主要业务线F i g.2 H e l i x t i m e l i n e f r o m 1 9 8 7 t o 2 0 1 92 水下井口修井作业系统2.1 两种水下井口修井作业基本系统(1)开放水域干预立管系统开放水域干预立管系统(O p e n-W a t e r I n t e r v e n t i o n R i s e r S y s t e m,OW I R S),如图3所示,是一套独立的进井系统,可利用全尺寸钻井船(或钻井平台)、带塔架和月池的单体工程船作为作业载体,以轻型修井作业(钢丝、电缆、连续油管、注液、注气等)为主,可兼顾增产、拆装水下采油树等作业。系统自身 图3 开放水域干预立管系统示意图F i g.3 O p e n-w a t e r i n t e r v e n t i o n r i s e r s y s t e m具备井控、大流量冲洗和环空循环功能,最大作业水深可达3 0 0 0m。作为独立系统,OW I R S直接面对水下环境(o p e n-w a t e r),具备独立、完整的井控装备,包括隔离、应急关断和应急解脱等。内承压能力满足井下最大工作压力需求,外承压能力满足水深需求。系统内具有相互独立的双通道,主通道一般为51/8 i n或7 3/8 i n,环空通道一般为2 1/1 6 i n。系统装备模块化设计,可根据需求进行灵活组装,适应不同海域和(或)不同类型作业需求。(2)过防喷器干预立管系统过防 喷 器 干 预 立 管 系 统(T h r o u g hB O P I n t e r v e n t i o n R i s e r S y s t e m,T B I R S),如图4所示,不是独立系统,必须有钻井隔水管、水下防喷器(B O P)以及独立I WO C S系统的配合才能作业。作业载体只可利用全尺寸钻井船(或钻井平台)。该系统井口装置有两种不同的形式,一是水下测试树(s u b s e a t e s t t r e e,S S T T),可用于轻型修井、增产等作业;二是防喷器中间连接器(B O P s p a c e r j o i n t),可用作完井、重型修井等的辅助工具。搭载水下测试树的T B I R S自身具有一定的井控功能,但无法实现大流量冲洗和环空循环,环空循环将通过B O P的节流压井管汇实现。作业水深一般取决于作业载体的能力。2.2 OW I R S在轻型修井作业中的优势在设备功能上,OW I R S和T B I R S均具备为轻型修井作业建立高耐压进井通道的能力。而实质上,全球各大海上油田服务公司更多采用OW I R S进行水下井口轻型修井作业。主要原因有:OW I R S是一套独立系统,不需要钻井隔水管和水下防喷器的配合,作业动、复员和水下部署、回收,过程较T B I R S更加简单和迅速;第2期汪迪,等:水下井口轻型修井作业技术及设备发展概述1 2 9 图4 过防喷器干预立管系统示意图F i g.4 T h r o u g h B O P I n t e r v e n t i o n R i s e r S y s t e m OW I R S是一套集成化系统,不需要独立I WO C S系统配合,便能实现作业过程中对水下采油树的控制;OW I R S可根据不同作业内容选择不同搭载船型,可以选用单体工程船,而T B I R S只能使用全尺寸钻井船(或钻井平台);OW I R S可根据不同作业内容和(或)海域灵活搭配组装。2.3 国外水下修井装备发展状况修井装备的发展与水下生产系统息息相关。几乎所有水下采油树国际制造商均开发了自己的水下修井装备。就OW I R S而言,全球目前拥有8家成熟制造商(见表2)。其中,以H e l i x公司产品保有量和业务量为最,旗下子公司S T L是全球的主要技术开发者和生产制造商,拥有的水下连接器和大尺寸水下液压接头等技术专利,均被其他设备生产厂家所采用。表2 全球OW I R S制造商统计T a b.2 M a n u f a c t u r e r o f OW I R S i n t h e w o r l d序号公司已制造套数1A k e r S o l u t i o n s12B a k e r H u g h e s5(续表)序号公司已制造套数3E x p r o G r o u p24H e l i x(S T L)95O c e a n e e r i n g26T e c h n i p F M C67T r e n d s e t t e r E n g i n e e r i n g48WOM(W o r l d w i d e O i l f i e l d M a c h i n e)4 国外开发和使用的OW I R S控制核心采用液压驱动,而总体控制系统已由过去的先导液压系统,升级到更为先进的电液控制系统。近年来,由于电子传感器可靠性的提升和价格的下调,在水下装备控制系统中的应用大幅增加,使得预见性维护和问题处理变得简单。虽然从初始成本上看,电液控制系统较为昂贵,但就水下装备,尤其是深水装备的全生命周期运维上来讲,其成本优势更加明显。OW I R S水下装备的主要功能是井控,用于修井而不需要预压井。在作业过程中,允许井下碳氢化合物进入设备,使井下和设备处于同样的压力等级,并最终将压力控制在水面。因此,OW I R S是真正意义上的高压系统,安全原则贯彻于设备的设计、制造、试验、操作和维护,从系统核心机械到液压控制设计。为满足安全屏障所具备的能力,已建立了一整套规范和行业标准、操作要求、质量和设计验证体系等。3 国内外技术差距及对策3.1 国内研究基础及技术差距虽然近几年国内对该项技术进行了多方面的研究,中海油研究总院水下钻完井科研团队,在该系统方面进行了部分理论研究,先后开展了多项相关课题,取得了一定成果1 0。但到目前为止,即使在理论研究方面,我国仍与国外先进水平有着较大的差距,尚处于起步阶段;在轻型修井作业技术方面,由于缺少相应的作业设备,尚未得到发展。2 0 2 1年底,广州海洋地质调查局借鉴日本可燃冰试采的相关经验,购买贝克休斯一套OW I R S。但该套系统全套设备均由国外进口,对我国的技术掌握和发展并没有实质性帮助,依然没能打破国外的技术垄断。3.2 国内技术发展策略国内现有油气井多采用故障性维护原则,重型1 3 0 海洋工程装备与技术第1 0卷修井占比过高,定期维护或预防性维护观念尚未建立。在水下修井作业系统研发、作业经验、作业载体等方面与国外技术存在较大差距。若想进一步推动水下井口轻型修井作业技术的研究和发展,应至少从以下几方面着手:成立相关科研基金,让更多有能力的企业和科研人员投入到水下轻型修井作业及其配套装备的研发中;整合国内现有水下装备厂商,梳理现有水下装备制造能力,研发满足中国海域要求的水下井口修井装备;着手相关基础学科和实验室的建设,完善水下复杂装备和关键零部件的设计能力;制定企业、行业标准,实现适用于水下井口轻型修井的作业装备从设计制造到现场作业的规范化、标准化。4 结 语国内目前还没有国产的水下轻型修井装备,仅购买了一套水下井口装备用于可燃冰的试采工作。受装备发展限制,鲜有相关的作业经历。随着国内越来越多的油气田采用水下生产系统的开发模式,水下井口数量将激增,相关的作业需求也会增加,而水下轻型修井装备将以其绝对的成本优势占据大部分市场。因此,国内亟需具有自主知识产权的水下轻型修井装备来满足我国海洋修井作业的发展需求。参 考 文 献1P a u l,A r m i t a g e,F e r n a n d o,e t a l.R i g l e s s T e c h n o l o g i e s A r e R e-S h a p i n g t h e S u b s e a W e l l I n t e r v e n t i o n M a r k e t J.O f f s h o r e:I n c o r p o r a t i n g t h e O i l m a n,2 0 1 7,7 7(7):3 6 3 7.2王宇,张俊斌,陈斌,等.水下采油树应用技术发展现状J.石油机械,2 0 1 6,4 4(1 2):5 9 6 4.3王立新,葛嵩,曾倩宜,等.浅谈南海西部修井技术前景与展望J.广东化工,2 0 2 0,4 7(2 3):7 6 7 7.4A g a M.E f f e c t i v e S u b s e a W e l l I n t e r v e n t i o n s U s i n g I MR V e s s e l f o r S u p p o r t A c t i v i t i e s J.R e s e a r c h D i s c l o s u r e,2 0 1 9,(6 5 9):1 7 6 1 7 8.5单彦魁,韦红术,张俊斌,等.南海深水油田智能井修井挑战及对策J.钻采工艺,2 0 1 7,4 0(6):6 3 6 5+9.6刘健,蒋世全,殷志明.深水修井技术与装备浅谈J.内蒙古石油化工,2 0 1 1,3 7(1 3):9 1 9 4.7J o h n A,P a t e r s o n A.S u b s e a W e l l I n t e r v e n t i o n:T a k i n g A d v a n t a g e o f G r o w t h O p p o r t u n i t i e s J.O f f s h o r e S u p p o r t J o u r n a l,2 0 1 5,1 8(7):6 1 6 2,6 4 6 4.8李俊.无隔水管修井作业装备发展概况及趋势J.海洋工程装备与技术,2 0 1 9,6(1):4 2 9 4 3 3.9D e s i g n a n d M a n u f a c t u r e o f S u b s e a W e l l I n t e r v e n t i o n E q u i p m e n t S.U S A:A P I S T D 1 7 G 2 0 1 9.1 0盛磊祥,许亮斌,刘书杰,等.一种深水轻型修井立管系统及其安装方法P.中国:C N 1 1 1 5 6 1 2 7 2 A,2 0 2 0 0 8 2 1.