王 超，徐鴻飛，范白濤，劉作鵬，劉 峰

(1．中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津300452；2.中海油有限公司 天津分公司，天津300452)

海上平臺老井槽側(cè)鉆井泥線預(yù)開窗斜向器設(shè)計

王 超1，徐鴻飛1，范白濤2，劉作鵬1，劉 峰2

(1．中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津300452；2.中海油有限公司 天津分公司，天津300452)

介紹了一種可通過導(dǎo)管直接下入的泥線預(yù)開窗斜向器。使用該斜向器可在不改變平臺結(jié)構(gòu)的情況下重新利用老井槽對老井進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)。基于受力分析和有限元模擬，對泥線預(yù)開窗斜向器的斜面角度、導(dǎo)向管和整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計算。分析表明，泥線預(yù)開窗斜向器導(dǎo)向斜板的傾斜角度在3.5～5.0°最為合適。采用X52及以上鋼級的隔水管作為斜向器導(dǎo)向管，其整體結(jié)構(gòu)和材料的應(yīng)力滿足規(guī)范及海洋作業(yè)要求。為利用海上平臺的老井槽對棄井進(jìn)行泥線開窗側(cè)鉆提供技術(shù)支持。

海上平臺；側(cè)鉆；斜向器

早期開發(fā)的海上油氣田逐步進(jìn)入了生產(chǎn)的中后期，為實現(xiàn)增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)，通常利用現(xiàn)有槽口資源進(jìn)行調(diào)整井、加密井的鉆探以彌補(bǔ)虧欠。但是，海上老平臺普遍存在無槽口可用或槽口不可用等問題。針對這些問題，國內(nèi)已逐步開發(fā)包括套銑開窗、加掛井槽等海上平臺井槽再利用技術(shù)，實現(xiàn)了老井槽的高效利用，但經(jīng)濟(jì)性尚有提升空間[1-7]。隨著水射流等高效水下切割技術(shù)在海上棄井工程上的應(yīng)用推廣，平臺老井槽的多層套管可采用整體切割回收的方式進(jìn)行，以避免套銑，這就為井槽再利用提供了一種更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段[8-9]。

本文針對整體切割回收原套管再利用老井槽的工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究，設(shè)計了一種泥線預(yù)開窗斜向器。該斜向器可通過導(dǎo)管直接下入，簡化了作業(yè)流程。通過對該斜向器的結(jié)構(gòu)校核和穩(wěn)定性分析，確定了導(dǎo)向斜板的最佳傾斜角度及隔水管的材質(zhì)，并進(jìn)行了陸地試驗測試，為后續(xù)海上的應(yīng)用提供了保障。

1 海上平臺老井槽再利用技術(shù)

1.1 常見的老井槽再利用方式

海上平臺老井槽再利用就是根據(jù)開發(fā)需要，將原來的生產(chǎn)井進(jìn)行封堵棄井，然后在該井槽進(jìn)行新井鉆探的技術(shù)。根據(jù)側(cè)鉆點(diǎn)的不同，常見的主要有泥線以上及泥線以下2種側(cè)鉆方式。

泥線以上的側(cè)鉆是在封堵完原井眼后，在泥線以上切割多層套管并坐斜向器，然后重新下入新隔水管側(cè)鉆的方式(如圖1a)。新隔水管傾斜的角度應(yīng)不能超過管柱承受的應(yīng)力。必要時還需要將上部導(dǎo)向孔拆除。在泥線以下側(cè)鉆則有泥線處淺層側(cè)鉆和井筒內(nèi)側(cè)鉆2種方式。淺層側(cè)鉆是將原井眼封堵后回收全部套管，在泥線處坐斜向器，然后下入新隔水管側(cè)鉆(如圖1b)。井筒內(nèi)側(cè)鉆則是指目前應(yīng)用較為廣泛的井筒內(nèi)套銑開窗側(cè)鉆方式(如圖1c)。

圖1 常見的老井槽再利用方式

1.2 使用泥線預(yù)開窗斜向器再利用老井槽的工藝

本工藝是通過泥線預(yù)開窗斜向器進(jìn)一步簡化泥線以下淺層側(cè)鉆的程序，可將泥線預(yù)開窗斜向器坐于原井筒套管上，直接下入新隔水管。具體步驟如下：

1) 泥線以下5 m整體切割并回收水泥封固多層套管(如圖2a)，切割方式采用水射流整體內(nèi)切割。

2) 注水泥塞封固油氣井到設(shè)計位置，水泥塞頂不超過斜向器錨定短節(jié)位置。

3) 泥線預(yù)開窗斜向器與隔水導(dǎo)管一起下入，錨定于原井眼最內(nèi)層套管內(nèi)(如圖2b)。

4) 鉆頭通過泥線預(yù)開窗斜向器導(dǎo)向鉆入地層(如圖2c)。

圖2 泥線預(yù)開窗斜向器作業(yè)過程

2 泥線預(yù)開窗斜向器結(jié)構(gòu)設(shè)計

泥線預(yù)開窗斜向器由上部連接頭、造斜窗口和錨定短節(jié)構(gòu)成，如圖3所示。上部連接頭可直接與隔水管相連，造斜窗口由空心導(dǎo)向基體、斜板組成，通過固定銷釘與連接基體固定，連接基體通過錨定短節(jié)將斜向器錨定在原井筒套管上。

1—套管快速接頭；2—導(dǎo)向管；3—導(dǎo)向斜板；4—空心導(dǎo)向基體；5—鎖緊螺釘；6—連接基體；7—錨定錐。

3 泥線預(yù)開窗斜向器設(shè)計優(yōu)化與校核

3.1 斜向器斜面曲率優(yōu)化

考慮井下工具管串達(dá)到目標(biāo)造斜曲率發(fā)生的彎曲量，以管串順利通過斜向器來確定斜鐵板的傾斜角度。因隨著水深增加，井下工具管串長度增加，相同撓度下管串受力減小，故以較淺水深16 m情況下考慮管串的受力情況。

3.1.1 井下工具管串的變形量計算

以?444.5 mm鉆頭的井下工具組合管串?dāng)?shù)據(jù)為例，管串中所占比例最大部分作為全井工具串模型，即外徑為?203.2 mm，內(nèi)徑為?76.2 mm。

基本參數(shù)如下：密度ρ=7 850 kg/m3，熱膨脹系數(shù)α=1.2×10-5/℃，抗壓屈服強(qiáng)度為355 MPa，拉伸屈服強(qiáng)度為355 MPa，抗拉極限強(qiáng)度為600 MPa。在靜力條件下，可得如下平衡方程：

(1)

式中：P為鉆壓，kN；Fa為套管垂直于井下工具管串作用力，kN；Fb為井下工具管串在未破開套管前受到斜向器垂直于斜面的作用力，kN；Fc為井下工具管串受到斜向器斜鐵垂直于斜面的線性載荷，kN；L為井下工具組合管串的長度，m。

假設(shè)鉆壓為19.6 kN，則Fa=217 kN，F(xiàn)c=12 kN。對井下工具管串鉆頭位置施加垂直于斜面的作用力和垂直于套管的作用力，對鉆柱施加垂直于斜鐵板的線性載荷，計算結(jié)果如圖4所示。鉆頭橫向最大偏移量0.826 m，大于斜向器所需的最小偏移量0.254 m，位移點(diǎn)與曲率圓相切的傾角為3.4～7.2°。

圖4 井下工具管串在恒力條件下的變形云圖

假設(shè)鉆頭的橫向位移量剛好可以伸出斜向器，即橫向偏移為0.254 m，在井下工具串底端與斜鐵板作用范圍內(nèi)，通過井下工具串的變形圖所得變形位移方程(如圖5)，位移點(diǎn)與曲率圓相切的斜面傾角為3.1～4.7°。

圖5 井下工具管串在恒位移條件下的變形云圖

3.1.2 斜向器斜面角度優(yōu)化

井下工具管串在恒力19.6 kN和恒橫向位移0.254 m下，均可順利通過斜向器開口。由井下工具管串底端各位移點(diǎn)與不同曲率下相切斜面的傾角，確定斜向器斜鐵板傾斜角度為3.5～5.0°為宜。

3.2 斜向器導(dǎo)管強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核

斜向器導(dǎo)管尺寸為?508 mm，通過如下分析計算考察了開窗位置及尺寸對隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性的影響。

3.2.1 載荷及環(huán)境參數(shù)選取

風(fēng)浪流工況參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)浪流工況

3.2.2 風(fēng)浪流條件下的隔水導(dǎo)管強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析

設(shè)定結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：材料為X52鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，材料密度7 850 kg/m3。由此得隔水導(dǎo)管的綜合應(yīng)力和彎矩云圖如圖6～7所示，計算結(jié)果如表2。從風(fēng)浪流條件的分析計算結(jié)果來看，X52以上鋼級?508 mm×25.4 mm隔水導(dǎo)管滿足海況重現(xiàn)期為100 a的作業(yè)要求。

圖6 ?508 mm×25.4 mm隔水導(dǎo)管綜合應(yīng)力分布云圖

圖7 ?508 mm×25.4 mm隔水導(dǎo)管彎矩分布云圖

導(dǎo)管規(guī)格頂載荷/kN最大水平位移/m最大應(yīng)力/MPa最大彎矩/(kN·m)?508mm×5000．03245．8141．025．4mm10000．03358．5141．0

3.3 斜向器穩(wěn)定性校核

3.3.1 有限元模型建立與載荷施加

基于模型特點(diǎn)，采用由下向上建模，建模重點(diǎn)為斜鐵板角度和厚度的確定，以及斜鐵板與斜向器主體的連接。設(shè)定結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：材料45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼，抗拉強(qiáng)度≥600 MPa，屈服強(qiáng)度≥355 MPa。結(jié)合具體施工工況添加約束和施加載荷。

假設(shè)渤海較惡劣工況條件，水深40 m，斜向器下入深度5 m，鉆壓19.6 kN。因底端插入原井筒套管內(nèi)，故插入錨采用固定約束方式?？紤]到鉆桿與斜向器斜鐵板的接觸面僅為圓柱面與斜鐵板的中線接觸，考慮施加均布的線性載荷。

3.3.2 結(jié)果分析

斜向器校核結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。3項求解項的表型圖如圖8～10。

表3 校核結(jié)果

圖8 斜向器等效彎矩

圖9 斜向器MISES等效應(yīng)力分布

圖10 斜向器總變形

由應(yīng)力校核得，斜向器受到的最大應(yīng)力值為129 MPa，遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力值355 MPa，滿足許用條件和工況要求。

3.3.3 斜向器結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

從應(yīng)力云圖分析可知，斜向器應(yīng)力最大點(diǎn)分布在插入錨與斜向器連接位置，建議設(shè)計加強(qiáng)環(huán)提升連接處的承載力。錨定短節(jié)底端與套管內(nèi)壁接觸，建議在錨定短節(jié)外側(cè)敷焊硬質(zhì)合金以提升其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。斜向器底端位移量相對較大，考慮錨定短節(jié)與斜向器主體重力過盈，提高強(qiáng)度。

斜鐵板與斜向器接觸的底端是應(yīng)力薄弱點(diǎn)，在鉆頭加壓的過程中，斜鐵板底端是主要應(yīng)力承受點(diǎn)，建議加強(qiáng)斜鐵板與斜向器主體間的焊接效果，斜鐵板選擇高于45號鋼的硬質(zhì)合金鋼。

4 泥線預(yù)開窗斜向器實物加工與測試

根據(jù)結(jié)構(gòu)校核優(yōu)化的建議，對泥線斜向器的圖紙進(jìn)行優(yōu)化并完成了實物加工。加工后的實物如圖11～13。

圖11 斜向器主體

圖12 與上部隔水導(dǎo)管連接的快速接頭

13 不同偏心程度的錨定錐

斜向器主體為?508 mm隔水導(dǎo)管預(yù)開窗，頂部為隔水管快速接頭。導(dǎo)向斜板采用高強(qiáng)度材料40CrMnMo。錨定短節(jié)外側(cè)與套管接觸處均進(jìn)行了高強(qiáng)度合金強(qiáng)化。根據(jù)可能存在的原井眼套管偏心情況，加工了不同偏心程度的錨定短節(jié)，以滿足不同現(xiàn)場工況的要求。在陸地試驗井對本體進(jìn)行了下入及抗壓試驗，符合理論計算數(shù)據(jù)，具備了現(xiàn)場應(yīng)用的條件。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種?508 mm泥線預(yù)開窗斜向器，可通過導(dǎo)管直接下入。與常規(guī)套銑開窗利用老井槽相比，使用該斜向器可簡化工藝流程，提高效率。

2) 通過ANSYS軟件輔助計算，確定了最優(yōu)的泥線預(yù)開窗斜向器斜面角度為3.5～5.0°，X52以上鋼級?508 mm隔水導(dǎo)管滿足海況重現(xiàn)期為100 a時的作業(yè)要求，泥線預(yù)開窗斜向器的結(jié)構(gòu)滿足工況許用條件。

3) 經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的泥線預(yù)開窗斜向器實物通過陸地試驗井測試，具備了海上應(yīng)用的條件。

4) 建議使用磨料水射流切割對原套管串在泥線以下切割，以增加后續(xù)泥線預(yù)開窗斜向器的下入精度和下入后的穩(wěn)定性。建議對后續(xù)固井質(zhì)量嚴(yán)格控制，以增加泥線預(yù)開窗斜向器下入后的穩(wěn)定性。

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Design and Evaluation of the Mudline Whipstock for Well Slots to be Re-used on Offshore Platform

WANG Chao1，XU Hongfei1，F(xiàn)AN Baitao2，LIU Zuopeng1，LIU Feng2

(1.EnerTech-Drilling&ProductionCompany，CNOOC，Tianjin300452，China；2.TianjinBranch，CNOOCLtd.，Tianjin300452，China)

This article introduces a kind of mudline windowed whipstock which can be installed with the conductor.With this whipstock，the old well slot can be re-used efficiently and economically without changing the structure of platform.The bevel angle，strength and stability of tubing guide and the whole whipstock were analyzed and calculated throughout the force analysis and finite element simulation.The study shows that the bevel angle of the mudline windowed whipstock between 3.5° and 5.0° will be appropriate.The stress of the structure and materials can meet the requirements of the regulation and the offshore operation by using X52 or more strength steel as tubing guide.This offers a great technical support for the use of old well slot for sidetracking after the well abandonment operation.

offshore platform；sidetracking；whipstock

1001-3482(2017)01-0029-05

2016-08-31

王 超(1982-)，男，山東曹縣人，工程師，2005年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)金屬材料專業(yè)，現(xiàn)主要從事海上油氣井棄置相關(guān)技術(shù)研究工作，E-mail：wangchao5@cnooc.com.cn。

TE951

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.007