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NOV大直径完井管柱,不一样的体验

NOV大直径完井管柱,不一样的体验

NOV推出7⅝英寸完井联顶管柱(Completion Landing String),提供6⅛ 英寸的内通径和新的连接技术,大量节约安装及修井操作时间。

来自 | World Oil
编译 | 吕凡胜

早期海底油气井借助钻机上的标准API钻杆,可以实现从船舶上往海底井口下生产套管和完井设备的操作。但是随着水深达到30000英尺,水下压力超出了标准API钻杆及其旋转接头气密性的承受范围。所以从21世纪初,研究人员就开始研发更加精密的完井管具,不过目前仍需进一步完善。

为保证井口顶部堵塞器及完井管具的安装方便,深水作业中的完井联顶管柱内径必须足够大。目前的管柱不足以用于深海采油树上顶部堵塞器的运行和回收,比如标准的6⅝英寸管柱,最大内通径仅为5½英寸,这就要求操作人员在采油树上使用带有更大直径顶部堵塞器的管柱,这样一来,会使操作更加困难。

为解决这一弊端,NOV研发了一种7⅝英寸的新型联顶管柱,即下图所示的这一大通径、具有额定工作压力、气密性良好、旋转式连接的专用井下工具。该新型管具优化了外径和上紧扭矩,能够更好地实现与GOM钻机上铁钻工和管具操作设备的兼容。

NOV大直径完井管柱,不一样的体验

在海底采油树安装

在海底操作过程中,海底生产采油树很大程度上决定了油管的规格大小。比如,海底垂直生产采油树和水平采油树的顶部堵塞器直径的不同,影响到完井联顶管柱和修井管柱的尺寸大小。海底垂直采油树具有双孔结构,环孔和生产管道均配有顶部堵塞器。与此相反,海底水平采油树将两孔合二为一,不通过顶部堵塞器而是通过闸阀控制采油树本体。这种单孔设计中的顶部堵塞器比垂直采油树的直径大,这就要求完井联顶管柱和修井管柱有更大的内通径(高达6⅛英寸)。

新型完井联顶管柱的优势

海底水平采油树大直径顶部堵塞器要求比现有6⅝英寸标准完井联顶管柱有更大的直径。这一弊端意味着,如果管具通径超过5½英寸,在进行海底完井作业时就必须频繁使用高级套管。这些高级套管具有气密性更高的金属对金属连接性能,并且具备穿过顶部堵塞器的必要大直径。但是这同时也增加了安装时间、人力成本以及维修成本。到目前为止,高级套管仍然是这类操作的唯一选择,但是可喜的是,7⅝英寸新型完井联顶管柱的出现改变了这一现状,在该领域中体现出显著优势。

新型完井联顶管柱可以与普通钻机和管具操作系统兼容匹配,仍然可以使用标准的机械化管具操作系统、起升设备、铁钻工以及卡瓦等。旋转式连接的坚固性确保连接可以多次安装和拆卸,而不会损坏其性能;而传统套管的连接多设计为尽量减少上扣数目,这样就带来了更高的后期维修成本。该新型完井联顶管柱减少了高级连接技术人员和扭矩监测设备及人员,钻台上操作人员的减少提高了操作安全性,减少了HSE安全事故的发生。通过使用完井联顶管柱的新型连接方式,实现更快速安装,从而节约了成本。

管柱设计和连接方式的发展

为有效应对复杂多变的海底完井挑战,完井联顶管柱的外径需要达到7⅝英寸,从而保证套管内通径达到6⅛英寸。钻具接头的外部设计实现了内径最大化,同时提供了必要的焊接面积。最大安装扭矩为100000 ft/lb,最大钻具接头外径为9¾英寸,处于一般铁钻工工作负荷以内。

另外,该接头的最低额定内压必须为20000psi,最低额定外压为10000psi,管体额定压力等级大于等于接头额定压力等级。这是通过采用0.625英寸壁厚且最低屈服强度为150ksi材料来实现的。相比于Range2系列,Range3系列产品尽量减少接头数目,从而减少安装和拆卸时间,并进而降低成本。

我们的目标是为7⅝英寸完井管具设计高额定工作压力、气密性良好的旋转接头。采用径向金属对金属密封技术以提供必要的额定压力,并辅以优化的连接结构(锥度,间距,螺纹高度,ID倒角),确保使用相对较低的扭矩来安装这样一个大的接头,满足了该接头的设计要求。主密封是销尖径向金属对金属密封,二级密封是台肩密封。

内台肩通常不起压力密封作用,一般用作扭矩止停,确保在起下钻操作过程中钻杆提升到销钉处而不破坏密封螺纹。这对于优化干涉具有重要作用,是径向金属对金属密封件有效性的关键参数,用以确保密封表面的足够的接触应力。干涉过度可能会导致磨损,但是干涉不足会影响连接的密封性。

试验验证

在开发过程中,工程师采用有限元分析(FEA)验证连接中的应力分布,并优化径向密封干涉,如下图所示。以额定最小屈服强度130000psi的材料为例,通过生成接头的二维轴对称模型和非线性应力-应变关系曲线数据来模拟弹塑性受力性能。

假设整个分析过程中接触表面的摩擦系数为0.08,通过在台肩及径向密封处施加干涉可以模拟补偿扭矩。FEA结果验证了选定材料尺寸和耐度,证明在额定负载下材料的应力状态符合标准。

NOV大直径完井管柱,不一样的体验

全面实验模拟

对新的连接方式进行全面的物理性能测试,以证明其符合预期性能,是十分重要的环节。实验借助API方法,进行两级性能测试。第一阶段为耐磨(通断)测试,通过对接头样品进行多次安装和拆卸,进而评估其耐磨性能。第二阶段为密封性能测试,通过将上述样品在一系列负载条件下进行测试,比如高温、轴向张力、压缩载荷和内外部压力等。

实验样品成功通过了耐磨测试,卸扣扭矩与理论值密切相关。台肩、螺纹以及径向金属对金属密封无可见磨损。另外,在实验检测过程中未发现有任何泄露情况,产品成功通过了组合负载下的密封性检测,验证了接头的内外额定压力分别为20000psi和10000psi。

NOV大直径完井管柱,不一样的体验

现场测试

2016年5月,在超深水钻井船上进行了对7⅝英寸完井联顶管柱的现场认证测试。该认证测试的目的在于,确保这一新型大尺寸管具与钻井船管具操作运行系统的兼容性,并且测试接头在现场环境中的上卸扣情况。现场操作人员、钻井承包商、租赁公司人员以及设备生产人员参加了现场测试。

该7⅝英寸完井联顶管柱额定内通径为6⅛ 英寸,内接套管直径为6.076英寸。海底采油树底部顶部堵塞器外径为5.2英寸,顶部顶部堵塞器外径为5.781英寸。进行上卸扣作业的铁钻工额定上卸扣载荷分别为100,000 ft/lb和120,000 ft/lb。铁钻工可以操作外径为9¾英寸的钻具接头。上卸扣扭矩值处于正常范围内,钻机铁钻工具备相应的载荷能力。

使用钻机管具操作系统操作7⅝英寸完井联顶管柱时,钻井船的管具起下和运行系统一切正常,能够合理地运移和操作新型管具。为保证与钻机垂直排管系统兼容,管具在排列上选择并排式排列。测试团队在测试过程中未发现问题,钻具接头、管具外径与钻机管具排列系统完美兼容。目前与7⅝英寸完井联顶管柱匹配的油管变扣接头、短节、内防喷器阀门、安全阀及法兰等配件已经生产面市。

实际应用

该7⅝英寸完井联顶管柱已经在GOM公司完成四次完井作业。因为不需要额外的管具操作系统,该管具可以借助传统钻机操作系统起下和排放。这样操作人员就可以利用钻机空闲时间,在其他操作间隙进行钻具的起下和排放。这样一来,使用套管、额外管具操作系统以及相关设备等费用就可以避免。如果操作人员要求,制造商和租赁公司会派遣相关技术人员到现场指导。钻井人员、制造商油田服务以及租赁公司为设备运行提供了有力保障。

钻井人员乐于操作这种7⅝英寸完井联顶管柱,并且随着操作经验的增加,他们更加愿意使用这种操作方便和高效的设备。接头便于连接,且操作过程没有出现任何问题。钻台操作人员和钻井承包商一致认为,这一新型完井联顶管柱相比于以前的管柱更加高效和安全。采用这一新型管具后,连接每个接头的时间最低降到4分钟/个;相比于以前的高级套管联顶管柱,新型管具在整个完井过程中大约可以节约3.5-10个小时。

结论

该7⅝英寸完井联顶管柱成功地研发,并进行了性能测试和实际应用。这一新型的大直径、气密性良好的特制完井和修井管具可以提供6⅛ 英寸的内通径和新的连接技术,并且该管具能够很好地与目前GOM公司钻机的铁钻工和管具操作设备相兼容。

该新型管柱仅仅借助现有的钻机管柱上扣和操作设备,不需要额外的设备和人员,可以利用空闲时间完成上卸扣及排管工作,有效地提高了整体钻机运行效率。相比于以前高级连接套管联顶管柱,该管柱每个接头运行速度提高大约4分钟,如下图所示。使用现有的设备和人员,该管具可以实现安全高效的井下起下钻作业。

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未来计划

GOM公司采用该新型管具的成功案例引起了该地区(墨西哥湾地区)和世界上其他地区采用该技术的兴趣。许多大型油服公司也考虑在完井和修井作业中采用这一技术。除了在大通径完井作业中的应用,7⅝英寸旋转接头的应用能够提高联顶管柱的载荷最高达到400万磅。NOV已经着力于对7⅝英寸管柱作出改进,增加钻杆接头以下部分壁厚,用以防止在高负荷下卡瓦挤坏事故。最终,该7⅝英寸管柱将为未来超深和超高深钻井带来希望。

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