應用吸力錨拆除傾覆隔水導管

李志剛，霍宏博，李金蔓，蔡德軍，吳文兵，雷云軍

1.中國石油海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300028

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459

海上探井、生產(chǎn)井井口遭受嚴重外部荷載作用（如船只碰撞、冰災、風浪等）有可能造成隔水導管傾覆[1]，此類井存在井噴、溢油風險，可能對海洋環(huán)境和安全造成災難性影響[2-5]。發(fā)生隔水導管傾覆事故時需要重建井口，形成控制井內(nèi)油氣溢流的條件之后，再對隔水管傾覆井進行棄置。常規(guī)海上油氣井棄置工作已非常復雜[6-8]，傾覆井口棄置的安全風險和施工難度更高[4]，且對其處理手段較少，經(jīng)驗缺乏。本研究將用作海洋工程筒形基礎的吸力錨進行改造，用于拆除傾覆隔水導管的隔水屏障，為井口重建提供人員操作空間，以實現(xiàn)傾覆隔水導管拆除。通過分析筒型基礎插入海底的深度與其在風、浪、流下的穩(wěn)定性，論證了其應用于渤海傾覆隔水導管拆除的可行性，形成一套利用吸力錨拆除傾覆隔水井口的新技術?，F(xiàn)場實施階段通過浮吊、鉆井平臺配合作業(yè)，完成井口重建、隔水導管切割等高難度作業(yè)，成功實現(xiàn)了井口傾覆井的棄置。實踐證明，該技術解決了安全隱患，為傾覆隔水導管拆除作業(yè)提供了安全保障。

1 吸力錨用于水下傾覆井口重建

吸力錨于上世紀80年代初開始在海洋工程中應用[9-10]，一般應用于海洋筒型基礎平臺。若發(fā)生淺海隔水導管傾覆、井口變形，需對井口進行修復后回接生產(chǎn)套管，安裝防噴器使地層流體上竄可控。此情況下可將吸力錨覆蓋在倒伏井口折斷處，并插入海底可阻隔海水，便于操作人員進入吸力錨內(nèi)進行井口修復和生產(chǎn)套管回接作業(yè)，也可降低流體上涌污染海洋環(huán)境的風險。

吸力錨應用于傾覆井口棄置時，需要對其結構進行改造：在頂部安裝人孔和護欄，在筒壁安裝爬梯，提供人員進出通道；安裝吊裝艙口蓋，便于井口回接設備、井口修復設備下入等，見圖1。

圖1 吸力錨改造效果示意

施放吸力錨前，需測試井筒內(nèi)壓力，并計算出壓井液密度[11]，用壓井液壓穩(wěn)地層流體，以保證作業(yè)期間井筒壓力穩(wěn)定。

1.1 吸力錨穩(wěn)定性分析

潛水員引導浮吊完成吸力錨安裝，吸力錨憑自重插入海底泥面。淺海海底一般為淤泥、黏土、粉砂及砂泥混層等，海底淺層土質(zhì)成巖性差，吸力錨靠自重插入可節(jié)省打樁等工程投資，且方便后期拆除。工作中的吸力錨受力由4部分組成，見圖2。

圖2 吸力錨受力示意

當吸力錨側壁摩擦力Nf、底部阻力N阻與海水對吸力錨浮力N浮之和與吸力錨自重N重（各種力的計量單位：kN）相等時，吸力錨能夠保持穩(wěn)定。

吸力錨內(nèi)外筒的摩擦阻力為：

式中：h為吸力錨入泥深度，m；D為吸力錨直徑，m；δ為吸力錨壁厚，m；f為吸力錨側壁單位面積摩擦力（根據(jù)海底土壤性質(zhì)，f采用API方法和λ方法計算[12]），kN/m2。

海水浮力為：

式中：ρ海為海水密度，t/m3；L為海水深度，m。

海底土對吸力錨的阻力通過下式計算：

式中：τ為海底土抗剪強度，MPa；c為海底土內(nèi)黏聚力，MPa；φ為海底土內(nèi)摩擦角，（°）。

不同海域海底土壤特性不同，根據(jù)海底土壤參數(shù)計算地層承載力和吸力錨插入深度。

吸力錨長度由海水深度、潮高和浪高確定，吸力錨插入海底后，人孔蓋和吊裝艙口蓋所在平面需高于最高潮位時的波峰高度1～2 m，井口重建作業(yè)工期一般小于7 d，按照十年一遇的環(huán)境條件計算潮高和風浪。

計算出入泥深度后校核吸力錨穩(wěn)性，若吸力錨靠自重插入海底深度不能滿足環(huán)境條件下的穩(wěn)定性要求，則需通過水箱壓載來增加吸力錨插入海底深度，并應加長吸力錨長度。

1.2 井口修復重建

棄井作業(yè)過程需控制井內(nèi)壓力，要將生產(chǎn)套管回接至海面以上，并在上部安裝防噴器，傾覆井口一般變形嚴重，井口需修復后再進行回接。

用電潛泵將吸力錨內(nèi)海水排出，吸力錨內(nèi)露出海底泥面，利用高壓噴沖管道及排污泵將淤泥排出，使井口露出1.5 m，便于井口修復。折斷面一般由隔水導管、技術套管、生產(chǎn)套管組成，各層套管環(huán)空充填水泥塊。用爬行切割器從隔水導管頂部向下切割1.3 m并拆除，用強力電鎬破壞環(huán)空水泥塊；之后拆除技術套管并再次破壞環(huán)空水泥塊，露出最內(nèi)層技術套管[13]；切割掉技術套管變形部分，并打磨技術套管便于生產(chǎn)套管回接工具安裝。

利用生產(chǎn)套管回接卡瓦可將修整好的生產(chǎn)套管回接至海面以上，在生產(chǎn)套管上部安裝套管頭，用于安裝防噴器組?；亟涌ㄍ呤疽庖妶D3。

2 自升式鉆井船完成井筒棄置

傾覆井口重建完畢，用浮吊拆除吸力錨后復原。自升式鉆井平臺拖航至作業(yè)海域?qū)示?，采用硬頂法壓井[14-15]，使井筒內(nèi)充滿高密度鉆井液，觀察井內(nèi)壓力變化，待壓力為零且無變化后安裝防噴器。

圖3 回接卡瓦示意

按照棄井規(guī)范要求[16]，在產(chǎn)層段、套管鞋座等部位，座封橋塞或注水泥塞，并試壓驗證封固質(zhì)量。完成下部地層封隔后，在泥面以下4 m處，用磨料水射流或者水力割刀等內(nèi)切割設備割斷隔水導管、表層套管、技術套管和生產(chǎn)套管，并在割口處注水泥塞，復原鉆井船，棄置作業(yè)結束。

3 吸力錨拆除傾覆隔水導管實施案例

XX井是一口海上探井，所在區(qū)域海水深度16 m，采取臨時棄井方式保留井口，井筒通過橋塞封隔，不符合永久棄置規(guī)范。海冰災害使隔水導管所受外力超過其強度范圍[17-18]，造成井口傾覆。經(jīng)潛水員探摸，隔水管泥面以上25 cm彎折，傾覆于海底。直徑30 in（1 in=25.4 mm）隔水管90%斷裂，直徑13-3/8 in表層套管擠扁，但無裂痕，采油樹部分陷入海底淤泥，亟待棄置。

XX井直徑30 in隔水管斷裂，直徑13-3/8 in套管雖目測無漏點，但其強度無法預估，棄井作業(yè)前需進行井口重建，安裝井控裝置，防止地層流體上竄。潛水員在隔水導管頂部穿鋼絲繩，引導浮吊將倒伏井口吊出水面，見圖4（a），通過擠注壓控制井筒內(nèi)壓力，拆除折斷隔水導管后，用吸力錨覆蓋井口，如圖4（b）所示，吸力錨長度24 m，壁厚1 in，外徑3.2 m。

該海域地質(zhì)條件下，吸力錨靠自重可入泥5 m，見圖5。據(jù)此圖可計算吸力錨在自重下的入泥深度以及達到所需深度需要施加的額外壓載力。

根據(jù)SACS軟件模擬，吸力錨靠自重下入泥深度下可滿足十年一遇風浪流條件下的穩(wěn)定性要求，最大的應力位于吸力錨的底端，UC值為0.2，可滿足桿件強度要求，UC值云圖見圖6。

圖4 現(xiàn)場施工照片

圖5 吸力錨靠自重的入泥深度

圖6 吸力錨穩(wěn)定性校核

吸力錨插入海底并穩(wěn)定后，將其內(nèi)部海水排干，發(fā)現(xiàn)井口變形嚴重，見圖7（a），采用自爬行切割工具，見圖7（b），對傾覆隔水導管及內(nèi)層套管進行切割修復，使各層套管割口整齊。

采用卡瓦懸掛器將生產(chǎn)套管回接至海面，在井口上部安裝法蘭及套管頭，并在套管頭安裝盲法蘭。拆除吸力錨，浮吊復原，自升式鉆井船拖航就位，拆除盲法蘭安裝防噴器，確?？刂频貙訅毫笸瓿删路飧艉途谇谐┕そY束。采用吸力錨回接井口施工過程和工期見表1。

圖7 變形井口切割修復

表1 隔水導管拆除施工過程

4 結束語

應用吸力錨拆除傾覆隔水導管技術在渤海得到了很好的應用，有效解決了安全隱患，并在保證作業(yè)安全的前提下，實現(xiàn)了縮短作業(yè)工期的目標，達到了真正意義上的降本增效，該案例實施對類似安全隱患處理有較好指導作用和借鑒意義。

通過現(xiàn)場實踐，對傾覆隔水導管拆除工作提出以下建議：

（1）作業(yè)前對吸力錨入泥深度和穩(wěn)性進行分析非常重要，如果不能夠滿足穩(wěn)性要求，必須通過施加額外載荷來增加吸力錨入泥深度。

（2）作業(yè)期間，若潮水超過人孔蓋高度，在漲潮前人員必須離開吸力錨。

（3）根據(jù)水位變化，開啟吸力錨內(nèi)排污泵，以降低錨內(nèi)水位，方便人員操作。

（4）吸力錨設計需考慮拔出難度，若作業(yè)區(qū)域入泥較深，可考慮增加噴沖系統(tǒng)。