數字化與設計相結合優化海上鉆井作業
時間：2020-08-10 10:37
來源：
作者:編譯 李智鵬
在規劃惡劣環境下的鉆探活動時，將實際測量的響應與作業參數重新納入設計循環，可獲得資金、物流和可持續的多項優勢。
在一口海底探井的設計階段，必須廣泛考慮各種設計假設。參數高低估值的范圍，例如海底土壤支撐或隔水管和防噴器（BOP）以及阻尼力等都是應考慮的范疇。一般來說，如若發生最壞的情況，可能還會再次導致有限的鉆井操作窗口，或出現更糟糕的情況，致使不得不采取高成本的補救或緩解措施，出現這種情況會阻止作業順利進行，因此，設計過程中必須選擇保守的參數。
三年多來，設在挪威Asker的4Subsea技術服務公司一直在參與巴倫支海和北海連續7次的鉆井會戰，作業期間，該公司提供了作業前的評估和監測服務。包括對導管和表層套管進行的前期結構設計分析，以及作業期間進行的海底油氣井健全性監測，簡稱SWIM。
測量的隔水管和BOP的響應共計371個作業日，該BOP與兩部不同的半潛式鉆機連接在一口井上。通過將測量獲得的結構化數據與設計數據相結合，驗證了油井基礎和土壤支撐結構的健全性。移動式鉆井平臺的隔水管和BOP上安裝了一組傳感器系統，用來監測土壤和結構的健全性。
減少保守主義
結構化的操作數據和測量的響應用于改進分析模型，從而減少保守主義。對于采用重型設備重新對一口現有的探井進行作業的情況，測量土壤支撐的方法可用來排除一些最壞的情況，啟動即將投入的作業。一個通過設計循環啟動勘探活動的案例將在此予以展示。
在惡劣環境下鉆一口海底探井的典型做法是使用一部配有海上鉆井隔水管和海底BOP的半潛式鉆井平臺。在這類鉆井作業過程中，油井的導管作為井的基礎，因此，必須設計為能夠承受此類作業所帶來的載荷。
這種載荷的主要成分是海底隔水管柔性連接器（或關節連接器，簡稱：柔性關節或可彎曲關節）因拉力和角度變化引起的彎曲負載。如前所述，井口彎曲負載的幅度大小由以下因素所致：海底BOP組件的高度；隨著BOP高度的增加，作用在BOP頂部剪切力的力矩臂也隨之增加，因此，力矩臂的增加會加劇井口彎矩的增加；下部海水隔水管裝置（LMRP）淹沒的重量；關于隔水管拉力的操作要求，通常需要LMRP連接器應能承受給定的過拉力，以保證安全拆卸。LMRP淹沒重量的增加會導致海底BOP頂部的柔性關節拉力增加。由于拉力的增加，BOP頂部的剪切力也會增加，從而導致彎矩增加； BOP和LMRP裝置的總質量；BOP的動態振幅是BOP總質量的函數。質量的增加通常會使BOP井口系統的共振周期更接近氣象峰值周期，從而增加井口基準的動態負載；海底BOP頂部柔性關節的轉動剛度；海底柔性關節的轉動剛度在BOP頂部產生彎矩，這會通過BOP直接向下傳遞到井口基準，增加柔性關節的剛度可在井口基準提供更高的彎曲載荷。由于更加嚴格的安全要求，BOP的高度和重量在過去的40年里已有了顯著增加。
此外，需要涵蓋更廣泛水深的移動式海上鉆井平臺，這就要求在海底BOP頂端配置更高壓力等級的柔性關節。海底柔性關節更高壓力等級的結果是增加轉動剛度，隨著BOP尺寸和柔性關節額定壓力的增加，井口系統就需要更高的結構強度。圖1展示了導管分析的主要部件。
圖1
導管設計
導管的主要作用是扮演井口結構載荷的一個基礎。因此，導管的設計必須能承受隔水管帶來的載荷。導管分析的目的是確保其設計堅固，圖1概述了導管典型分析的主要內容。
對于給定的鉆井作業，導管分析通常會給出一組操作要求。對于動態負載較大的油氣井的施工作業，其要求通常是不同方案最大允許的沉入水下的容器體（簡稱：水下沉體）的偏移量，以及作業期間最大允許的波浪高度。
隨著設計載荷的增加，導管外殼要求的結構強度必須相應地增加。最常見的方法是將導管的尺寸從30in.（英寸）增至36in.，此外，這也增大了土壤暴露的面積，因此，土壤的支撐能力也應隨著導管尺寸的增大而增加。不過，這將造成嚴重的成本負擔，需要特殊的處理設備和額外的鉆機時間，將上部井眼從36in.擴大至42in.，同時，還會使水泥成本增加。
土壤支撐
對于衛星井（衛星井是在同一油田鉆探的多口近海油氣井）的導管設計，最重要的參數是所在井位的土壤支撐。在分析模型中，土壤支撐被建模為土壤反應彈性，包括橫向的py彈性、t–z彈性（表皮摩擦）和軸向的q–z彈性（末端軸承），橫向土壤支撐通常掌控著導管的設計。
支撐土壤的特性通常是通過前期現場勘測建立的，多數情況下，勘測包括幾項錐體穿透測試（cone penetration tests 簡稱CPTs），極少數情況下，由錐芯樣本（或巖體）所支撐。因此，必須根據CPTs的結果，結合該地區的經驗來確定設計土壤參數。
一個典型的情況是土壤的上層被軟泥土所占據，海底以下3-15m過渡層下方才會出現稍微堅固的地層，到此處為止，導管設計評估最重要的參數是向下至堅固支撐層的距離。CPTs很少深至5-10m，往往沒有證實堅固土壤層的高度。因此，很難確認軟質和硬質土壤支撐之間的轉換或漂移深度。這往往會導致土壤設計參數高低估值之間的差異。圖2展示了土壤剖面上限和下限設計分析的典型響應。
圖2
圖2的結果展示和說明了沿導管高剛度和低剛度設計土壤的一個典型的彎曲載荷分布。彎矩會隨導管深度的增加而增加，直到導管到達一個堅固的土壤層，在此，負載被轉移至該土壤層。
同樣的數據集也被用來將設計分析中不同的土壤模型與實際測量的響應進行比較，包括低估和最佳估土壤參數的目的是說明在從有限的數據中建立土壤特性時所采取的保守主義的影響。
圖3為根據不同土壤剖面分析，相對于所有井施加載荷得到的沿導管的最大負載。給出了沿導管的峰值載荷與所施加負載的最大比值繪制為油井剛度的函數。表明從低估到最佳估土壤的效果是非常顯著的。因此，提高土壤現場勘測質量可能有助于減少導管設計過程中的保守主義。
圖3
除了影響導管的負載分布外，井的支撐剛度也影響著隔水管的整體載荷，即動態負載。兩種反向效應驅動著導管載荷，由于偏移和洋流的原因，靜態載荷隨著井的上部地層的變軟而減小，這是由于在較軟的地層支撐下，隔水管與BOP之間相對角度的減小所致。這導致了軟地層井井口基準處的靜態彎曲載荷降低。反向效應是BOP承載的動態振幅放大。由于BOP的共振周期通常在1-5秒之間，低于波浪激動力的峰值周期。因此，一口上部地層較軟的井會增大共振周期，從而使共振周期更接近波浪激動周期。
例如，利用不同的土壤支撐，在對其中一口Hs=3.5（Hs為BOP的高度）以及波普峰值周期為4至20秒的井進行的整體隔水管分析得到了最大動態負載。隨著BOP共振周期的增加（較軟地層的支撐），井口的動態負載也會隨之增加。
圖4
海底油氣井健全性監測（SWIM）
所有報告的測量都是利用傳感器系統進行的，圖4示意了SWIM監測系統。示圖顯示了2017年的設置。從2019年開始，該系統還包括了一個應變傳感器套件。測量系統由三個集成的運動裝置（integrated motion units 簡稱IMU）組成，利用該系統測量了10 Hz采樣頻率下的加速度和轉動速率。加速度和轉動速率被轉換為角度。此外，還需計算井的一些健全性參數，例如，這些健全性參數假定，大多數探井采用海底BOP進行的鉆井可表示為簡化的鐘擺模型。每口井的健全性參數和測量響應都進行了數據存儲和結構化處理，允許將這些數據用于未來的操作中。
重新進入現有的探井
當重新進入一口現有的探井時，可以從測量中獲得進一步的好處。在此例子中，來自現場的勘測得出，測量響應可用來確定井的實際剛度，無需從不確定性中進行保守的估計。通過結合健全性參數，如BOP共振周期、轉動深度和井的剛度，可以排除較軟土壤支撐的方案。
圖5
圖5給出了這方面的示例，其中BOP的動態振幅放大是通過區分隔水管與井口角度響應幅度幽靈式變化1小時的響應所發現的。虛曲線來自BOP的分析模型，對不同土壤剖面的分析與測量響應進行了比較。展示的三種不同的土壤剖面（下限、上線和最佳預測曲線），均是在采用API RP 2GEO土壤彈性配方基礎上建立的。給出了來自測量的兩種不同的放大波普（測量活動中最硬和最軟的小時數），因為測量響應顯示出一種隨時間軟化的情形。 比較清晰地表明，下限土壤支撐方案可以被排除。這一比較源自一次鉆井活動，該井最初的作業是在一部移動式海上鉆井平臺上進行的，后來，另一部移動式海上鉆井平臺回到該井完成了后續的作業。
圖6
在前面進行的導管分析中，實際的油氣井支撐的知識被隨后用來提高這一作業的操作極限。圖6給出了不同土壤剖面分析對最大動態彎矩的影響。圖6為導管彎矩、下限土壤剖面所產生的結果。
觀察到的最大導管彎矩降低了35%，第一導管連接器的彎矩減小接近于零。這對操作極限以及即將進行的作業連接器的疲勞預測有著重大影響。疲勞預測的改善對于作業是積極的，因為重返該井的初始分析顯示出不了可接受的疲勞損傷。
應當指出的是即使是最好的預測，上限的土壤支撐也太軟了。這表明設計中使用的土壤彈性應當更加堅硬。來自多口井匯總的測量數據未來可用于開發和驗證更復雜的土壤模型，以改進未來的設計分析。
增值
使用一種方法，將設計分析中的結構化數據與實際操作的測量數據相結合，既有利于持續操作，也有利于未來的導管設計。這種方法的先決條件是以具有相關元數據的結構方式存儲所有的相關信息。這就實現了一個學習過程，通過這種過程，將作業階段的知識納入到未來油氣井的設計中，從而改善作業窗口，減少油氣井導管設計中的保守主義。包括井口系統的結構和疲勞性能。這樣做的結果是有可能會降低導管的尺寸、減少導管接頭的數量、允許使用不太復雜的連接器以及簡化海上作業的部分過程；總之，可能的效果是減少投資和降低運營成本。
在重返一口海底油井的情況下，這些測量可用來排除土壤支撐最保守的預測，增加允許的水下沉體的偏移量，為即將進行的作業增加允許的波浪高度。這可能會再次減少等待天氣的時間，以及降低與鉆井平臺定位有關的費用。此外，改進的模型將提供改進的井口疲勞預測，這將延長井的使用壽命，從而使產量增加。對于那些挑戰土壤支撐條件、導致油氣井作業限制的井（Hs或偏移限制），測量響應可用來排除最保守的土壤預測，擴展操作窗口，從而降低作業成本。
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