应用吸力锚拆除倾覆隔水导管

李志刚，霍宏博，李金蔓，蔡德军，吴文兵，雷云军

1.中国石油海洋工程有限公司钻井事业部，天津 300028

2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459

海上探井、生产井井口遭受严重外部荷载作用（如船只碰撞、冰灾、风浪等）有可能造成隔水导管倾覆[1]，此类井存在井喷、溢油风险，可能对海洋环境和安全造成灾难性影响[2-5]。发生隔水导管倾覆事故时需要重建井口，形成控制井内油气溢流的条件之后，再对隔水管倾覆井进行弃置。常规海上油气井弃置工作已非常复杂[6-8]，倾覆井口弃置的安全风险和施工难度更高[4]，且对其处理手段较少，经验缺乏。本研究将用作海洋工程筒形基础的吸力锚进行改造，用于拆除倾覆隔水导管的隔水屏障，为井口重建提供人员操作空间，以实现倾覆隔水导管拆除。通过分析筒型基础插入海底的深度与其在风、浪、流下的稳定性，论证了其应用于渤海倾覆隔水导管拆除的可行性，形成一套利用吸力锚拆除倾覆隔水井口的新技术。现场实施阶段通过浮吊、钻井平台配合作业，完成井口重建、隔水导管切割等高难度作业，成功实现了井口倾覆井的弃置。实践证明，该技术解决了安全隐患，为倾覆隔水导管拆除作业提供了安全保障。

1 吸力锚用于水下倾覆井口重建

吸力锚于上世纪80年代初开始在海洋工程中应用[9-10]，一般应用于海洋筒型基础平台。若发生浅海隔水导管倾覆、井口变形，需对井口进行修复后回接生产套管，安装防喷器使地层流体上窜可控。此情况下可将吸力锚覆盖在倒伏井口折断处，并插入海底可阻隔海水，便于操作人员进入吸力锚内进行井口修复和生产套管回接作业，也可降低流体上涌污染海洋环境的风险。

吸力锚应用于倾覆井口弃置时，需要对其结构进行改造：在顶部安装人孔和护栏，在筒壁安装爬梯，提供人员进出通道；安装吊装舱口盖，便于井口回接设备、井口修复设备下入等，见图1。

图1 吸力锚改造效果示意

施放吸力锚前，需测试井筒内压力，并计算出压井液密度[11]，用压井液压稳地层流体，以保证作业期间井筒压力稳定。

1.1 吸力锚稳定性分析

潜水员引导浮吊完成吸力锚安装，吸力锚凭自重插入海底泥面。浅海海底一般为淤泥、黏土、粉砂及砂泥混层等，海底浅层土质成岩性差，吸力锚靠自重插入可节省打桩等工程投资，且方便后期拆除。工作中的吸力锚受力由4部分组成，见图2。

图2 吸力锚受力示意

当吸力锚侧壁摩擦力Nf、底部阻力N阻与海水对吸力锚浮力N浮之和与吸力锚自重N重（各种力的计量单位：kN）相等时，吸力锚能够保持稳定。

吸力锚内外筒的摩擦阻力为：

式中：h为吸力锚入泥深度，m；D为吸力锚直径，m；δ为吸力锚壁厚，m；f为吸力锚侧壁单位面积摩擦力（根据海底土壤性质，f采用API方法和λ方法计算[12]），kN/m2。

海水浮力为：

式中：ρ海为海水密度，t/m3；L为海水深度，m。

海底土对吸力锚的阻力通过下式计算：

式中：τ为海底土抗剪强度，MPa；c为海底土内黏聚力，MPa；φ为海底土内摩擦角，（°）。

不同海域海底土壤特性不同，根据海底土壤参数计算地层承载力和吸力锚插入深度。

吸力锚长度由海水深度、潮高和浪高确定，吸力锚插入海底后，人孔盖和吊装舱口盖所在平面需高于最高潮位时的波峰高度1～2 m，井口重建作业工期一般小于7 d，按照十年一遇的环境条件计算潮高和风浪。

计算出入泥深度后校核吸力锚稳性，若吸力锚靠自重插入海底深度不能满足环境条件下的稳定性要求，则需通过水箱压载来增加吸力锚插入海底深度，并应加长吸力锚长度。

1.2 井口修复重建

弃井作业过程需控制井内压力，要将生产套管回接至海面以上，并在上部安装防喷器，倾覆井口一般变形严重，井口需修复后再进行回接。

用电潜泵将吸力锚内海水排出，吸力锚内露出海底泥面，利用高压喷冲管道及排污泵将淤泥排出，使井口露出1.5 m，便于井口修复。折断面一般由隔水导管、技术套管、生产套管组成，各层套管环空充填水泥块。用爬行切割器从隔水导管顶部向下切割1.3 m并拆除，用强力电镐破坏环空水泥块；之后拆除技术套管并再次破坏环空水泥块，露出最内层技术套管[13]；切割掉技术套管变形部分，并打磨技术套管便于生产套管回接工具安装。

利用生产套管回接卡瓦可将修整好的生产套管回接至海面以上，在生产套管上部安装套管头，用于安装防喷器组。回接卡瓦示意见图3。

2 自升式钻井船完成井筒弃置

倾覆井口重建完毕，用浮吊拆除吸力锚后复原。自升式钻井平台拖航至作业海域对准井口，采用硬顶法压井[14-15]，使井筒内充满高密度钻井液，观察井内压力变化，待压力为零且无变化后安装防喷器。

图3 回接卡瓦示意

按照弃井规范要求[16]，在产层段、套管鞋座等部位，座封桥塞或注水泥塞，并试压验证封固质量。完成下部地层封隔后，在泥面以下4 m处，用磨料水射流或者水力割刀等内切割设备割断隔水导管、表层套管、技术套管和生产套管，并在割口处注水泥塞，复原钻井船，弃置作业结束。

3 吸力锚拆除倾覆隔水导管实施案例

XX井是一口海上探井，所在区域海水深度16 m，采取临时弃井方式保留井口，井筒通过桥塞封隔，不符合永久弃置规范。海冰灾害使隔水导管所受外力超过其强度范围[17-18]，造成井口倾覆。经潜水员探摸，隔水管泥面以上25 cm弯折，倾覆于海底。直径30 in（1 in=25.4 mm）隔水管90%断裂，直径13-3/8 in表层套管挤扁，但无裂痕，采油树部分陷入海底淤泥，亟待弃置。

XX井直径30 in隔水管断裂，直径13-3/8 in套管虽目测无漏点，但其强度无法预估，弃井作业前需进行井口重建，安装井控装置，防止地层流体上窜。潜水员在隔水导管顶部穿钢丝绳，引导浮吊将倒伏井口吊出水面，见图4（a），通过挤注压控制井筒内压力，拆除折断隔水导管后，用吸力锚覆盖井口，如图4（b）所示，吸力锚长度24 m，壁厚1 in，外径3.2 m。

该海域地质条件下，吸力锚靠自重可入泥5 m，见图5。据此图可计算吸力锚在自重下的入泥深度以及达到所需深度需要施加的额外压载力。

根据SACS软件模拟，吸力锚靠自重下入泥深度下可满足十年一遇风浪流条件下的稳定性要求，最大的应力位于吸力锚的底端，UC值为0.2，可满足杆件强度要求，UC值云图见图6。

图4 现场施工照片

图5 吸力锚靠自重的入泥深度

图6 吸力锚稳定性校核

吸力锚插入海底并稳定后，将其内部海水排干，发现井口变形严重，见图7（a），采用自爬行切割工具，见图7（b），对倾覆隔水导管及内层套管进行切割修复，使各层套管割口整齐。

采用卡瓦悬挂器将生产套管回接至海面，在井口上部安装法兰及套管头，并在套管头安装盲法兰。拆除吸力锚，浮吊复原，自升式钻井船拖航就位，拆除盲法兰安装防喷器，确保控制地层压力后完成井下封隔和井口切除，施工结束。采用吸力锚回接井口施工过程和工期见表1。

图7 变形井口切割修复

表1 隔水导管拆除施工过程

4 结束语

应用吸力锚拆除倾覆隔水导管技术在渤海得到了很好的应用，有效解决了安全隐患，并在保证作业安全的前提下，实现了缩短作业工期的目标，达到了真正意义上的降本增效，该案例实施对类似安全隐患处理有较好指导作用和借鉴意义。

通过现场实践，对倾覆隔水导管拆除工作提出以下建议：

（1）作业前对吸力锚入泥深度和稳性进行分析非常重要，如果不能够满足稳性要求，必须通过施加额外载荷来增加吸力锚入泥深度。

（2）作业期间，若潮水超过人孔盖高度，在涨潮前人员必须离开吸力锚。

（3）根据水位变化，开启吸力锚内排污泵，以降低锚内水位，方便人员操作。

（4）吸力锚设计需考虑拔出难度，若作业区域入泥较深，可考虑增加喷冲系统。