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技术升级 Vallourec完井送入管柱轻松K.O超深水难题

技术升级 Vallourec完井送入管柱轻松K.O超深水难题

目前业内常用的完井送入管柱无法满足深水作业要求,且由于生产设计的限制,管件规格通常无法满足作业条件。Vallourec新型完井着落钻杆的出现为操作人员和钻井承包商带来了更多的作业选择。

来自 | World Oil
编译 | 张德凯

在过去的几十年中,海洋油气开发进展迅速,其中超深水井出现的频率越来越高,某些井的深度甚至超过了3000m。面对这些极端井况,业界迫切渴望一款既能满足作业要求又不对作业人员、环境造成伤害的工具。

完井送入管柱一般为带有气密接头的管柱组合,在深水油气开发中可用于多种作业,如采油树和油管挂的放置安装、上部完井作业、井底设备下放、测井工作等,还可以全井生产周期内进行完井和干预作业。送入管柱最重要的功能是提供一条连接海床和平台的密闭通道,通过送入管柱即可实现工具下放和液体循环。此外,送入管柱还具有保持管柱完整(包括人/设备的安全、混合负载下的机械设备工作性能、防腐等)、减少解堵过程地层位移、保持高水力效率和气密性(尤其是管柱接头的气密性)等优点。

在以往的作业中,现场作业评价非常繁琐且成本较高,若采用完井送入管柱,操作人员还可进行作业前评估,确定完井成本。完井送入管柱的出现正是满足了开发商对于降本、增效工具的需求。

目前市面上已经出现了多种完井送入管柱工具,其中OCTG是此类产品中的首选,该公司在大尺寸钻杆和气密接头方面有多年的工作经验。但是OCTG也存在着一定缺点:钻杆连接次数受限(接头易磨损,出现漏失)、钻杆连接时间过长、使用成本高(需要特殊操作人员操作)。

第二种完井送入管柱技术需要对常规钻杆进行改装:在钻杆下端焊接螺纹接头实现钻杆间的密封连接。这种方法也存在着一定的缺点:首先,焊接接头密封要求不能满足深水高压环境的要求;第二,由于使用焊接工艺和热处理技术,钻杆存在着一定的误差;第三,钻杆焊接区域的强度、弹性和抗腐蚀能力都较弱。

尽管上述技术存在着各种缺点,但钻杆改装的完井送入管柱在开放水域和立管条件下都可使用,其使用频率正逐渐增加。此外,以钻杆为基础改装的产品性能也可与OCTG相媲美。

与常规OCTG立管相比,钻杆改装的送入管柱能够降低成本,在实际应用中,这两种工具都与普通的钻杆操作工具兼容。此外,钻杆改装的设备组装效率更高、更加耐用、抗磨蚀性能更强(重复连接100次以内不会出现任何磨损问题),所以在实际应用中也更加灵活,甚至需要时也可以用于钻井作业。

技术应用反馈

为了提高钻杆改装工具的性能,Vallourec公司研发推出了一款新型完井送入管柱,与现有同类产品相比,新产品的性能显著提升,优势更加明显。Vallourec的新产品通径可达6in,工作压力(内部)最高可达20000psi。根据ISO 13628-7标准对20000psi级设备的要求,钻杆接头的测试压力必须为额定工作压力的1.5倍,也就是说Vallourec新产品的内部承载压力实际可达30000psi。

为了满足这一要求,Vallourec主要在三方面进行了创新改进:①增大管件的外径到7-5/8in,这使得管件的通径和拉伸能力达到了最佳平衡状态;②全新的PFP管件生产工艺,包括热处理、锻造技术,保证管件具有高拉伸性能;③新型管件接头VAM Express-M2M设计,性能优异,气密性连接,气密性更好。

异型管件锻造

异型管件锻造一直是生产的难点,主要挑战是难以达到管件几何形状和原料性质的最佳组合。在最初设计阶段,设计人员决定避免使用摩擦焊接工艺(工艺本身受限)。采用了新的锻造技术后,目前管件外径可达7-5/8in(原本为6-5/8in),内径增大到6-1/4in,之前的技术则要以降低内径为代价来实现焊接工作。

新设计无需焊接作业。径向锻造主要用于生产锻造管件,此类管件一般具有连续的内、外径分布,称为PFP管。生产过程结合了钻孔器(曼内斯曼效应)和径向锻造技术,另外还需要四坑锤钻和圆柱轴配合使用。在R3管件(无焊接点管件)的锻造中,设备、工艺、工具以及流程都已非常成熟。新工艺的出现大幅提高了PFP型管件的外径,能够满足钻具接头的要求。同时,新型产品还可以根据开发商需要配置外部/内部配件,作业灵活性更高。

管件尺寸范围更大。基于钻杆设计的送入管柱外径通常要低于6-5/8in,工具接头内径最大为5.2in,而最新的完井送入管柱的内径最低要求为6in(回收BOP堵头),显然常规工具无法满足此要求。此外,大内径管柱设计还能优化井筒液体循环的水力效率。通过使用锻造工艺,完井送入管柱设计、生产都按照内径6-1/4in进行,可以满足上述作业的要求,管件的外径上限也提高至7-5/8in。

总之,径向锻造技术提高了异型管件的整体性,并且管件的外径种类更多,避免了焊接操作,还提高了管柱金属材料的整体性,管柱尺寸可提高至7-5/8in。相比于采用焊接技术或机器生产,管柱的生产时间也大幅缩短,成本更低,竞争优势明显。

气密接头

以墨西哥湾为代表,深水钻完井作业对于气密性工具的要求越来越高。钻杆测试、高压完井、高压增产作业、控压钻井、欠平衡钻井作业频率的增加更加剧了业内对于此类工具的需求。同时,开发商对安全性和井筒完整性有着较高的要求,不能因为使用气密性工具而降低安全性和井筒完整性。

对于小井眼(低于5.102in)井,钻杆已经成为了一种常规工具,在钻杆立管系统出现之前,大多数开发商都使用常规钻杆安装和回收适配器接头、水下采油树罩。此类操作非常简单,可直接暴露在海水中,无需复杂的环空控制、压力控制和液体循环作业。偶然间,有开发商在作业中使用钻杆作为工作管柱回收油管挂,在钻杆上使用水力震击器回收了油管挂。随后又频繁进行了此类操作,作业人员也逐渐发现了在立管内部进行水力压裂作业的难点和危险。随后技术人员进行了技术革新,降低了水力管线和钻杆的相互干扰。现在的钻杆作业工具对于浅水完井作业已经非常理想,但是其在深水完井中的应用效果并不理想,随着作业深度增加,立管成本更高,且作业效果也变差。

根据现场作业要求的不同,开发商的钻杆立管选择主要有两个,而这两种系统都采用了最先进的双台肩连接设计。第一种方案在1999年首次推出,密封元件与外台肩相邻。之后出现了一种新的设计,采用(销尖)金属面密封,密封性更好,能够满足更加苛刻的作业。

目前业内的钻杆立管能够满足作业者的大部分要求,但是随着作业难度的提高,开发商对于工具的气密性有了更高的要求,尤其是在以下应用中:①高压完井/高压压裂;②钻柱测试;③控压/欠平衡操作。

为了满足这些要求,Vallourec公司开发了基于钻杆的气密连接技术—VAM Express-M2M,采用金属面旋转密封技术。VAM Express-M2M双台肩气密连接是在Vallourec公司VAM Express产品的基础上改进而来。VAM Express系列产品中VX-57和S135 DP(5½-in)是专门应用于大位移井的,这两种产品的扭矩要求分别为API标准的1.5倍和2倍,性能明显优于其它产品。

此类连接设计还具有另一个优势,那就是快速的钻杆组装。常规的双台肩钻杆连接要上扣6-7圈才能满足扭矩要求,而新型设计在满足API标准的同时操作速度提高了16%。此外,由于连接处的外径更小、内径更大,钻井液、水泥等循环所需的水马力更小,所以新式连接还能提高水力学性能。

VAM Express-M2M具有上一代产品VAM Express接头的所有优点,还具有低成本、气密性好的优点,在应用过程中能同时起到高压钻杆立管的作用,双台肩螺旋连接设计还增加了整体的耐用性。技术的结合提高了作业的灵活性,同一管柱即可用于钻井也可用于完井作业,整个作业过程具有极高的安全性和有效性。

VAM Express-M2M是业内最可靠的接头之一,内部承载压力可达30000psi,外部承载压力可达25000psi。全新的金属面密封设计是业内最高等级的气密密封,可降低磨损导致密封失效的风险,防止发生气体截留现象(常见问题如H2S泄露对钻台工作人员造成伤害,一般由井下的高压差引起)。使用VAM Express-M2M还可以进行多级压裂作业,且作业过程无需维修,同时该工具具有流线型连接设计,打捞也非常简单。

创新带来的技术优势

Vallourec的新设备采用了异型杆锻造工艺和VAM Express-M2M接头,完全可以满足现有作业挑战,是一种创新性的解决方案。其优势包括:

1.更高的拉伸强度:新型的PFP管件外径更大,避免了焊接作业;
2.抗疲劳程度提升:新型螺纹设计;
3.气密性更强:新式工具为金属面密封,性能可靠。

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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

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