深水石油钻采工程模拟试验装置的研制.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第 8期 石 油机械 C HI NA PE TROLE UM M AC HI NE RY ●试 验研 究 深水 石 油钻 采 工 程 模 拟 试 验 装 置 的研 制 杨 进 刘书杰 周建 良 严 德 田瑞瑞 李 春 1 ．中国石油大学 北京石油工程教育部重点实验 室2 ．中海石油 中国有限公司北京研究总院 摘要深水 恶劣的海洋环境及复杂的地质条件 ，使得深水油气田在钻采过程面临 巨大的挑战。 为此 ，研制 了深水石油钻采工程模拟试验装置 。该装置可以模拟 3 0 0 0～ 5 0 0 0 i n水深 的海底环境。 在试验装置底部加装海底土后能够进行深水喷射法下表层套管、深水 浅层地质灾害预测 、深水水 下井 口稳定性、深水水下采油树力学分析及深水石油装备 等模拟试验 ，也可 以开展 自升式钻 井平 台桩腿插拔桩等模拟试验研究。该装置具有环境压力高、内部空间大、土质置换方便 、操作简单、 数据采集可靠以及试验过程可视化等特点。深水模拟试验装置为我 国深水钻完井模拟试验提供 了 一 个 良好 的试验 平 台。 关键词 深水模拟试验水压 浅层钻井 海底土 0 引 言 随着世界各国对能源需求的增加及陆地和海上 浅水区油气发现难度的增大 ，深水油气勘探开发不 断升温。不过 ，就全球范围而言 ，深水开发依然是 个不成熟 的前沿领域 ，仍然具有很 多 的困难 和挑 战 。为解决我 国深水 油气勘探 开发过程 中所遇 到的难题 ，研制了深水模拟试验装置。 深水 区能源开发 比浅海区难度加大 的一个主要 原因是水深的增加 ，目前第 5代和第 6代钻井平 台 船 的钻井 水 深为 3 0 0 0 m，海水 压力 达 到 3 0 MP a 。因此 ，为了更好地研究和掌握深水压力对钻 完井作业 的影响 ，有必要开展相关深水模拟试验来 进行模拟分析。经调研 ，巴西里约热内卢大学装备 有 1套海洋深水模拟试验装置 ，但 其只能提供 1 O MP a的水压 ，最大模拟水深仅为 1 0 0 0 I n ，而我 国 国内尚无 此类 深水模拟试 验装置 。中国石 油大学 北京 研制的深水模拟试验装置能够提供最高 5 0 MP a 的额定工作压力 ，能有效模 拟 0～5 0 0 0 I n的 作业水深 ，能够为深水油气勘探开发研究提供试验 平台，完善深水钻完井理论研究 ，降低作业风险 ， 提高深水油气开发的安全性和经济性 。 1 技术分析 1 ． 1 结构 深水模拟试验装置主要 由壳体 、密封元件 、旁 侧卸料 口、信 息采集 口、套管液压 升降机构等构 成 ，其结构如图 1所示 。 图 1 深水模拟试验装置结构 1 一壳体 ；2 一旁侧卸料 口；3 一模拟海床 ；4 一套管 ；5 一 液 压控 制 系 统 ； 6 一 电 动试 压 泵 组 ； 7 一 信 息采 集 口 ； 8 一 液 压A 腔 ； 9 一 套 管液 压升 降机 构 ； 1 0 一 液 压B腔 ； 1 1 一导 杆 。 { 基金项 目国家科技重大专项 “ 南海深水 油气勘探开发示 范工程” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 5 6 0 0 2 0 3一 O 1 。 石油机械 2 0 1 1年第3 9卷第8期 旁侧卸料 口由盲法兰和密封元件组成 ，主要进 行海水和模拟海底土的替换 ；信息采集 口由法兰和 垫环等组成 ，连接试验传感器数据传输线和耐高压 摄像头 ，进行试验传感器数据采集和装置 内部试验 过程的摄像采集 ；套管液压升降机构通过液压调控 活塞杆的运动来完成套管等模拟装置的试验操作 。 此外 ，由水泵电动机组、油压控制柜和中央数字化 控制中心组成了装置的调控系统 。 中央数字化控制中心 同时连通水泵电动机组 、 油压控制柜和深水模拟试验装置。通过控制中心可 以实现对模拟试验数据 的数字化记录和视频即时显 示。水泵电动机组通过高压软管对模拟试验装置进 行注水和加水压操作，并将水压数据反馈至控制中 心 ；油压控制柜上由 A、B管线连接套管液压升降 机构 的液压腔 A、B，通过调节 A、B腔 的液压来 完成套管等模拟装置的试验操作 ，并将套管上拔力 等试验参数反馈至控制中心；试验装置信息采集 口 和控制中心相连 ，可将安装在试验设备和土体上的 传感器数据反馈至控制中心，并将装置内部摄像头 采集的试验录像返 回控制中心 ，即时显示。 1 ． 2工作原 理 1 ． 2 ． 1 建立 深水模拟 条件 试验装置能够模拟深水水压和深水浅层地层条 件。深水水压主要通过电动试压泵来提供 ，加压过 程为①电动试压泵给装置内腔注满水；②关闭水 泵头上手动卸压 阀；③调 节水泵头上 的水压调节 阀，观察压力 的变化 ，直 至调节到需求 的压力 为 止。试验装置最大可以提供 3 0～ 5 0 MP a的额定工 作压力 ；通过对试验装置底部加装不同性质和不同 深度的土壤可以实现对深水 浅层土质条件的模拟 。 1 ． 2 ． 2 液 压调控 套 管运动 套管液压升降机构通过调节液压腔 A、B的压 力 ，可以控制导杆 的升降运动，从而带动试验装置 内套管或模拟桩腿等装置的升降运动 ，以此来模拟 深水喷射法下表层套管和 自升式钻井平台插拔桩等 作业过程；此外 ，通过在装置 内安装液压机械手臂 对模拟水下井 口或水下采油树施加载荷 ，可以实现 对深水水下井 口或采油树稳定性和受力情况 的模拟 试验研究 。可以通过液压泵的控制柜面板读 出套管 的推力大小。套管升降控制步骤 ①开启液压控制 柜上油泵按钮 ；②调节比例溢流阀按钮，压力开始 上升 ，观察液压系统压力和输出压力值 ，直至压力 达到所需值；③扳动手动换向阀的手柄，切换液压 腔 A、B或至中位 ，利用液压使套管上升、下降或 保持静止，以达到试验 目的。 1 ． 2 ． 3释 放 压 力 由于试验装置在进行深水模拟试验时具有较高 的水压 ，为 安全起 见，在试验结束时需要释放压 力。通过逆时针方向旋转电动试压泵上的调压 阀至 自由状态 ，可以实现对试验装置 内水压的释放 。 1 ． 3 主要技术参数 试验装 置外 径 1 ． 3 8 m，内径 1 ． 1 2 m，高度 3 ． 0 2 m，质量 1 3 ． 6 t ，电动试压泵额定输出压力 6 0 M P a ，液压驱动系统最大输出压力 1 0 NP a ，装置额 定工作压力 5 0 MP a ，活塞最大推力 1 ． 01 0 k N， 活塞最大行程 5 0 0 mm，装置底部旁侧卸料 口直径 3 4 6／ ／ I ／ T ／ 1 3 ％英寸 ，信号采集 口直径 7 9／ I 1 l ff l 3 英寸 ，套 管 液 压 升 降 机构 直 径 6 7 5 mm，高 1 0 2 8 mm，套管直径 3 3 9 ． 7 m m 1 3 ％英寸 。 1 ． 4技术特点 1 电动试压泵可以同时实现对试验装置 的 注水和加压操作 ，且操作简单 ； 2 可以根据试验要求采用 电动泵或手动泵 等不同的方式实现套管的升降运动，套管的升降速 度和位移可调可控 ； 3 套管液压升降机构和装置 内套管连接简 单 ，可以根据试验要求更换不同尺寸的套管 ； 4 土质置换方便 ，试 验装置上部套管液压 升降机构的油缸底座和壳体通过螺栓连接 ，松开螺 栓 ，套管液压升降机构可 由安装在试 验室的 吊机 已安装 移 开，土体可 由此 油缸底座 开 口处加 入 ，需要更换土质时只需打开试验装置底部旁侧卸 ， 料 口将土质和水排放出来即可 ； 5 数据采集及 试验过程可视化 ，进行模拟 试验时试验仪器和土体中安装传感器 ，以测量试验 仪器和土体的应力应变等力学参数 ，并且试验装置 内部安装耐高压照明灯和耐高压摄像头 ，可对试验 过程进行实时录像。传感器和耐高压摄像头数据线 通过信息采集口将数字信息传至中央数字化控制中 心 ，实现数据采集及试验过程的可视化 。 2 装置的主要功能 2 ． 1 深水喷射法下表层套管模拟试验 深水喷射法下表层套管是一种能有效解决深水 浅层钻井难题 的技术 J 。试验装置通过设定真实 的深水水压和海底浅层土质条件可以很好地实现深 水喷射法下表层套管模拟试验。在进行模拟试验时 可以更改套管尺寸 ，调控套管的下入速度、人泥深 度和水射流排量的大小，同时可 以分别在套管和土 2 0 1 1年 第 3 9卷第8期 杨进等深水石油钻采工程模拟试验装置的研制 一 3一 壤中安装应力应变传感器 ，以取得全面的试验数据。 2 ． 2深水 浅层 地质 灾 害预 测试 验 深水浅层地质灾害预测评估技术是深水油气勘 探开发 必 不 可 少 的 环 节 J 。通 过 在 该 试 验 装 置 上 安装声波发生和接收仪器开展深水浅层气和浅层流 声波特征模拟试验研究 ，探索不同水深条件下浅层 地质灾害在声波特征上的反映规律 ，为浅层地质灾 害预测提供理论基础 。 2 ． 3 深 水水 下井 口稳 定性 模 拟试 验 深水水下井 口失稳后果严重 ，会对钻井和生产 作业造成很大影响。装置通过在其底部模拟海底土 层中安装模拟水下井 口，并安装液压机械臂对模拟 水下井 口施加水平力 、竖 向力或弯矩等载荷来实现 对井 口的受力和稳定性分析的试验研究 ，通过在模 拟井口和土壤 中加装传感器 ，可以有效获得井口装 置和附近土层 的受力和变形等力学参数。 根据同样的原理 ，装置还可对深水水下采油树 等井 口设备进行稳定性和受力分析等模拟试验研究 。 2 ． 4深水设备密封性能测试 深水 中使用的很多设备都要求具有 良好的密封 性能 ，由于装置能提 供最 大 5 O MP a的工作压力 ， 所以它可以对深水设备进行很好的密封性能测试 。 3 性能测试及模 拟试验 3 ． 1 性能测试 装置于 2 0 1 0年 1 0月完成组装并且分别于 2 0 1 0 年 1 1月和 2 0 1 1年 1月进行 了多次试压调试 。在调 试中电动试压泵能快速加压 至 5 0 MP a ；油压 控制 柜能调控套管的升降运动 ，套管的升降位移和速度 可人为控制 ；装置在调试过程 中没有 出现漏水漏油 现象 ，全面完成了室 内各项技术指标 的测试。 3 ． 2 模 拟试 验 装置在完成性能测试后进行了 3 0 0 0 m深水下 表层套管喷射法下人工艺 中套管侧 向摩擦力的试验 研究 。试验数据如图 2所示。试验过程中 ，水压设 静 止 时间／ h 图 2模 拟 试 验 结 果 定为 3 0 MP a ，采用 2 4 4 ． 5和 3 3 9 ． 7 m m的 2种套 管进行试验 ，并在其 中间加装喷射导管实现套管的 水力喷射操作 ，由套管 液压升 降机构操控套管 下 人 ，下人深度 5 0 0 m，静止 2～ 4 8 h后进行上拔操 作 ，套管上拔时通过油压控制柜记录上拔力大小并 反馈至控制 中心 ，以测定套管与模拟海底土之间的 侧向摩擦力 。 4 结 论 1 深水模拟试验装置能够提供 5 0 MP a的额 定工作水压 ，具有较大的内部活动空间 ，装置顶部 导杆可以通过液压控制系统调控其运动 ，从而实现 套管或桩腿等装置的升降。 2 装置的信息采集 口可 以实现试验数据 的 实时传输和试验过程 的可视化 ，适合开展深水模拟 试验 ，尤其是深水海底浅层的相关模拟试验研究。 3 该装置 的压 力可 以实 现 0～5 0 MP a的调 节 ，所以也可以进行浅水模拟试验研究 ，例如 自升 式钻井平 台的插拔桩等试验 。 4 深水模拟试验装置为我国深水钻完井模拟 试验提供 了一个 良好 的试验平 台，能够有效解决深 水现场试验操作难度大、作业风险高和试验成本昂 贵等难题 ，具有较高的推广应用价值。 参考文献 杨进 ，曹式敬 ． 深 水石 油钻井 技术 现状及 发展趋 势 [ J ]．石油钻采工艺，2 0 0 8 ，3 0 2 1 01 3 ． 张晓东，王海娟 ．深水钻井技术进展与展望 [ J ]． 天然气工业 ，2 0 1 0 ，3 0 9 4 6 4 8 ． 徐荣强 ，陈建兵 ，刘 正礼 ，等 ．喷 射导 管技术 在深 水钻井作业 中的应用 [ J ]．石油钻探技术，2 0 0 7 ， 3 5 3 1 92 2 ． J e a n j e a n P I n n o v a t i v e d e s i g n m e t h o d f o r d e e p w a t e r s u r - f a c e c a s i n g s[ R]． S P E 7 7 3 5 7 ，2 0 0 2 2 5 ． Ge r w i e k B C J r ． Co n s t r u c t i o n o f ma r i n e a n d o f f s h o r e s t r u c t u r e s[ M]． C R C P r e s s ，2 0 0 7 4 9 5 5 ． 第 一作者简介 杨进 ，教授 ，生于 1 9 6 6年 ，2 0 0 4年 毕业于 中国矿业 大 学 北京 ，获博 士 学位 ，现从 事 海洋 钻完井 工 程 理 论 与 应 用 方 面 的教 学 和科 研 工 作。地 址 1 0 2 2 4 9 北京市 昌平 区。电话 0 1 0 8 9 7 3 3 2 04 。Em a i l c y j i n l 0 1 8 v i p ． s i n a ． C O B。 收稿 日期 2 0 1 1 0 61 6 本文编辑刘峰 1 j 1 J 1j 1 2 3 4 5 二J 2 O 8 6 4 2 z R辎 露