海上油氣勘探與開發，戰略性地安置海面至海底的水下管線、線纜、駁船停泊的位置，這些知識我們必須有所了解和認識，確保這些設施能夠成功部署，最大限度地減少停工時間，提高施工效率。圖1展示了一個水下和海底干預作業的示圖，左圖給出了一個常見的沿水深向下的無隔水管系統；右圖給出了一個典型的海底管纜配置，包括臍帶纜和循環管線。
圖1
海底油井干預，主要包括油井維護、修復、監測、優化或棄井作業，目的是維持、恢復和提高產能，確保一定的經濟效益或終止油井生產，確保環境安全。油井干預作業類似于汽車的常規維護。雖然這種維護與保養可能會感覺有些不便，但汽車的保養是確保其壽命和性能的關鍵。同樣，海上油井隨著時間的推移產量會逐漸降低、甚至枯竭，還會遇到阻礙石油生產的一些問題。為了恢復最佳產能，油井的干預是必要的。
一次油井干預作業一定具有它的經濟效益，因為增加的產量可以提高收入，抵消干預作業的成本投入。然而，行業內仍希望能夠盡量減少維護費用，降低井下作業的成本。因此，無隔水管井干預作業應運而生：近年來墨西哥灣引起了業內的關注，無立管井輕型駁船干預作業已成為運營商一個有吸引力的選擇。全球范圍內，2020到2027年，海上無隔水管井輕型駁船干預作業的服務市場預計將以每年5.2%的速度遞增，達到25億美元。該市場正在受到對石油和天然氣需求增長、海底油氣勘探與開發、以及與傳統隔水管方法相比較無隔水管井輕型駁船干預作業所帶來的成本效益所推動，因而這種井下干預作業開始盛行。
雖然采用隔水管的方式進行油井干預是一種穩健的做法，但由于需要專用的隔水管系統、干預設備和一艘能夠處理隔水管的駁船，因此其方法通常更耗時且成本更高。而無隔水管的機械或液壓干預系統則可以從一些較小的機會之舟上進行操作，并且可在更短的時間內完成作業。
隔水管干預系統有著標準化的隔水管系統的優點，該系統來自不同的原始設備生產商，它簡化和減少了對系統集成的需求。相比之下，無隔水管水下管纜干預系統并不作為標準的解決方案；它們需要精心規劃、系統集成以及針對特定的井制定解決方案。因此，隔水管干預方法類似于從大型零售商處購買現成的產品，而無隔水管干預系統則更像在電商網站上購物，其中定制和獨特的解決方案是關鍵。
本文探討了無隔水管干預系統的機械和液壓要素，提供了各種選項的概述。將討論系統配置和必要的優化，以及在海上部署該系統時所需的系統層面的分析，以減輕可能遇到的作業挑戰。典型的無隔水管系統水下管纜可能包括：
Ÿ 水下循環管線
Ÿ 水下線纜通往井口的柔性引線
Ÿ 控制臍帶纜（包括液壓、電氣、光纖等組件的復合纜）和臍帶終端組件（纜體終端連接組件）
Ÿ 機械干預電纜
Ÿ 一套集成化的海底油井干預設備、工具和系統
Ÿ 循環管線和臍帶纜被動斷開機制
圖2
循環管線
泵送流體的循環管線可以是連續油管或小直徑鉆桿。根據作業要求，可能有一條或多條循環管線。對于采用連續油管作為循環管線，可通過注入接頭或轉向輪進行部署。如果采用帶螺紋連接的鉆桿作為循環管線，而且鉆機能處理和操作鉆桿，那么循環管線可以部署到泥漿管線以上30-60m的深度。在這個深度，可以采用一個重塊或重物來保持循環管線的張力，防止因環境載荷如水流或波浪導致管線過度移動。為了完成循環回路，從連續油管或鉆桿底部到井口可用一根柔性軟管進行連接。這根柔性軟管在系統中提供了一些順應特性，能使駁船在距離井口一定的距離內移動而不會對海底采油樹或井口結構施加機械載荷。
水下管纜通向井口的柔性軟管
這種柔性軟管可以是粘合或非粘合的軟管，也可以是一根復合管。根據管體的重量和彎曲剛度，需要評估所要采用的柔性管在水下部署時懸鏈線的形狀。
柔性管可能形成J形或U形懸鏈線，帶有下垂彎曲，如圖3所示，帶浮力和不帶無浮力的柔性跳線的懸鏈線形狀。如果接入海底采油樹的角度相對于水平向下指向，那么這種配置是可以接受的。如果接入采油樹的角度是垂直的，則可能需要浮力來幫助柔性管漂浮著并保持一個垂直的接入角。在某些情況下，海底連接處可能需要一個旋轉水龍頭，防止柔性管承受過大的彎曲或扭轉載荷。
控制臍帶纜和臍帶終端組件
控制臍帶纜對于向海底干預設備提供液壓和電力至關重要。它可以以多種方式進行部署。如果臍帶纜足夠堅固，可以在千米水深中支撐它自身的重量，則可以獨立部署。或者，可以采用一根電纜來部署控制臍帶纜，在足夠的間隔距離使用夾具支撐臍帶纜的重量。臍帶纜與臍帶終端組件應一起部署。
在一定的配置下，如果電纜有一定強度的支撐力，臍帶纜終端組件可以自由懸掛在其上，其重量由電纜來支撐。另一方面，可在井口附近布置一個防沉板（一種置于海床上的大型、平坦或略帶浮力的基礎結構板，用來對設備提供支撐，確保其穩定性），臍帶纜終端組件可以安置在防沉板上。這需要臍帶纜有足夠的垂度或懸鏈線形狀，防止其對防沉板施加過大的載荷或因環境載荷過大和駁船運動將臍帶纜終端組件從防沉板上抬起。
機械干預電纜及海底干預設備
機械干預系統包括壓力控制頭、潤滑裝置、海底干預設備、電纜和工具。潤滑裝置可能非常高，高度在15-27m之間，自由地立在干預設備上。潤滑裝置內部署的電纜和工具必須有足夠的空間來執行操作并適應環境載荷和駁船運動。如果空間不足，電纜可能會拉動潤滑裝置的閥門，導致海底設備和井口承受過大的彎曲載荷。
循環管線與臍帶纜的被動斷開機制
鉆井隔水管和干預隔水管系統配備了一個主動應急斷開系統，在緊急情況下，如駁船失去電力或位置發生變動時，可將隔水管與井口斷開。而無隔水管水下管纜系統主要依賴被動斷開系統斷開與井口的連接，但偶爾也可能包括一個主動斷開系統。被動應急斷開系統是一個觸發機制，設計在一個特定的額定負載限值時啟動，將水下管纜系統與井口斷開，防止對海底采油樹或井口結構施加過大載荷。斷開機制可能是一個剪切銷、一個帶缺口的螺栓、或一個能剪切柔性軟管或臍帶纜、類似于切紙機的裝置，作為斷開系統應對緊急情況。
被動斷開機制很關鍵，其設計必須符合規范，確保油井在面臨風險時能迅速斷開干預系統，從而保證安全操作。然而，這些系統也必須進行校準，避免意外觸發或誤報，因為它可能會在正常情況下或在溫和的環境中擾亂正常操作。
系統優化
傳統上講，不同的水下管纜系統被視為是獨立的組成部分，每個組分都會根據其自身的性能進行配置。此外，每個系統的分析由其各自的原始設備生產商負責。然而，這種方法并不總能產生最佳結果，因為整個系統需要進行集成，以便能為石油公司或最終用戶提供最高效和最安全的解決方案，最大限度地減少停工時間和最高的安全性。
一旦選定了水下管纜，根據操作規范，系統集成的第一步是進行一次系統層級的分析，微調駁船駁停的幾何擺放、配置和部署位置。優化不同水下管纜的配置是一個關鍵步驟，可預防超過90%潛在的操作問題。
圖3
對于采用連續油管水下作業的情形，一個關鍵的決策是確定在駁船上的部署位置。對于包括電纜系統的機械干預，駁船必須直接位于井口中心的上方。而采用連續油管作業時可以從月池《月池指的是在鉆井船或修井平臺甲板中央開鑿的一個貫穿船體或平臺結構的矩形或圓形開口，讓修井作業所需的工具、設備甚至潛水器可以安全地通過》的邊緣讓油管通過，從駁船側向或尾部進行部署。這取決于駁船甲板的布局。一旦確定了部署的位置，下一步要考慮的就是是否需要配備一個重塊，重塊應該有多重，距離泥漿管線的高度有多高，以及柔性軟管的長度。一個沉重的重塊可使連續油管產生最小的位移。還可減小應力。不過，人們傾向于采用盡可能小的重塊，以方便處理。
優化過程的下一步是確定被動斷開機制的尺度和斷開負載的等級。在緊急情況下，被動斷開系統能保護水下設備和井口設備。
在所有水下管纜配置選定之后，可以對整個系統建立一個全局模型，并對各種相對于標稱位置朝向井口、遠離井口和垂直于井口的駁船運動進行初步分析。
此外，應分析各種環境水流和波浪的載荷。此項分析可以確定所有水下管纜的載荷、運動行為和等級，從而可以制定一個安全的操作窗口，在此窗口范圍內所有的水下管纜都可以安全操作。在該窗口的邊界處，被動斷開系統應當能安全、迅速地將水下管纜與井口斷開、分離。完成此項評估后，還要為集成的水下管纜系統建立一個安全的操作區域或操作窗口。操作窗口的示例見圖2所示。一個部署無隔水管干預系統操作窗口的示例，所有的水下管纜干預系統都能操作。在操作窗口的邊界處，被動斷開機制應當能安全地將水下管纜與井口分離。
在無隔水管油井干預設置過程中，水下管纜的有效性與初始配置和標稱設置密切相關。利用全局模型可以更好地理解連續油管的特性、如何影響柔性跳線的配置以及不同水下管纜之間的相互作用。駁船位置的策略性布置和水下管纜部署的位置在管理柔性軟管的彎曲半徑以及連續油管的表面應力方面起著至關重要的作用。
為了提高可操作性和盡量減少停工時間，重要的是要根據各種環境場景優化駁船駁停的位置，調整重塊的高度來管控軟管的松弛度，根據靈活的井口接入角度有效地使用浮力模塊。這些措施共同作用，能夠提高水下及海底干預作業的效率和可靠性。
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