海上油气勘探与开发，战略性地安置海面至海底的水下管线、线缆、驳船停泊的位置，这些知识我们必须有所了解和认识，确保这些设施能够成功部署，最大限度地减少停工时间，提高施工效率。图1展示了一个水下和海底干预作业的示图，左图给出了一个常见的沿水深向下的无隔水管系统；右图给出了一个典型的海底管缆配置，包括脐带缆和循环管线。
 
图1
 
    海底油井干预，主要包括油井维护、修复、监测、优化或弃井作业，目的是维持、恢复和提高产能，确保一定的经济效益或终止油井生产，确保环境安全。油井干预作业类似于汽车的常规维护。虽然这种维护与保养可能会感觉有些不便，但汽车的保养是确保其寿命和性能的关键。同样，海上油井随着时间的推移产量会逐渐降低、甚至枯竭，还会遇到阻碍石油生产的一些问题。为了恢复最佳产能，油井的干预是必要的。
 
    一次油井干预作业一定具有它的经济效益，因为增加的产量可以提高收入，抵消干预作业的成本投入。然而，行业内仍希望能够尽量减少维护费用，降低井下作业的成本。因此，无隔水管井干预作业应运而生：近年来墨西哥湾引起了业内的关注，无立管井轻型驳船干预作业已成为运营商一个有吸引力的选择。全球范围内，2020到2027年，海上无隔水管井轻型驳船干预作业的服务市场预计将以每年5.2%的速度递增，达到25亿美元。该市场正在受到对石油和天然气需求增长、海底油气勘探与开发、以及与传统隔水管方法相比较无隔水管井轻型驳船干预作业所带来的成本效益所推动，因而这种井下干预作业开始盛行。
 
    虽然采用隔水管的方式进行油井干预是一种稳健的做法，但由于需要专用的隔水管系统、干预设备和一艘能够处理隔水管的驳船，因此其方法通常更耗时且成本更高。而无隔水管的机械或液压干预系统则可以从一些较小的机会之舟上进行操作，并且可在更短的时间内完成作业。
 
    隔水管干预系统有着标准化的隔水管系统的优点，该系统来自不同的原始设备生产商，它简化和减少了对系统集成的需求。相比之下，无隔水管水下管缆干预系统并不作为标准的解决方案；它们需要精心规划、系统集成以及针对特定的井制定解决方案。因此，隔水管干预方法类似于从大型零售商处购买现成的产品，而无隔水管干预系统则更像在电商网站上购物，其中定制和独特的解决方案是关键。
 
    本文探讨了无隔水管干预系统的机械和液压要素，提供了各种选项的概述。将讨论系统配置和必要的优化，以及在海上部署该系统时所需的系统层面的分析，以减轻可能遇到的作业挑战。典型的无隔水管系统水下管缆可能包括：
 
Ÿ 水下循环管线
Ÿ 水下线缆通往井口的柔性引线
Ÿ 控制脐带缆（包括液压、电气、光纤等组件的复合缆）和脐带终端组件（缆体终端连接组件）
Ÿ 机械干预电缆
Ÿ 一套集成化的海底油井干预设备、工具和系统
Ÿ 循环管线和脐带缆被动断开机制
 
图2
循环管线
    泵送流体的循环管线可以是连续油管或小直径钻杆。根据作业要求，可能有一条或多条循环管线。对于采用连续油管作为循环管线，可通过注入接头或转向轮进行部署。如果采用带螺纹连接的钻杆作为循环管线，而且钻机能处理和操作钻杆，那么循环管线可以部署到泥浆管线以上30-60m的深度。在这个深度，可以采用一个重块或重物来保持循环管线的张力，防止因环境载荷如水流或波浪导致管线过度移动。为了完成循环回路，从连续油管或钻杆底部到井口可用一根柔性软管进行连接。这根柔性软管在系统中提供了一些顺应特性，能使驳船在距离井口一定的距离内移动而不会对海底采油树或井口结构施加机械载荷。
 
水下管缆通向井口的柔性软管
    这种柔性软管可以是粘合或非粘合的软管，也可以是一根复合管。根据管体的重量和弯曲刚度，需要评估所要采用的柔性管在水下部署时悬链线的形状。
 
    柔性管可能形成J形或U形悬链线，带有下垂弯曲，如图3所示，带浮力和不带无浮力的柔性跳线的悬链线形状。如果接入海底采油树的角度相对于水平向下指向，那么这种配置是可以接受的。如果接入采油树的角度是垂直的，则可能需要浮力来帮助柔性管漂浮着并保持一个垂直的接入角。在某些情况下，海底连接处可能需要一个旋转水龙头，防止柔性管承受过大的弯曲或扭转载荷。
 
控制脐带缆和脐带终端组件
    控制脐带缆对于向海底干预设备提供液压和电力至关重要。它可以以多种方式进行部署。如果脐带缆足够坚固，可以在千米水深中支撑它自身的重量，则可以独立部署。或者，可以采用一根电缆来部署控制脐带缆，在足够的间隔距离使用夹具支撑脐带缆的重量。脐带缆与脐带终端组件应一起部署。
 
    在一定的配置下，如果电缆有一定强度的支撑力，脐带缆终端组件可以自由悬挂在其上，其重量由电缆来支撑。另一方面，可在井口附近布置一个防沉板（一种置于海床上的大型、平坦或略带浮力的基础结构板，用来对设备提供支撑，确保其稳定性），脐带缆终端组件可以安置在防沉板上。这需要脐带缆有足够的垂度或悬链线形状，防止其对防沉板施加过大的载荷或因环境载荷过大和驳船运动将脐带缆终端组件从防沉板上抬起。
 
机械干预电缆及海底干预设备
    机械干预系统包括压力控制头、润滑装置、海底干预设备、电缆和工具。润滑装置可能非常高，高度在15-27m之间，自由地立在干预设备上。润滑装置内部署的电缆和工具必须有足够的空间来执行操作并适应环境载荷和驳船运动。如果空间不足，电缆可能会拉动润滑装置的阀门，导致海底设备和井口承受过大的弯曲载荷。
 
循环管线与脐带缆的被动断开机制
    钻井隔水管和干预隔水管系统配备了一个主动应急断开系统，在紧急情况下，如驳船失去电力或位置发生变动时，可将隔水管与井口断开。而无隔水管水下管缆系统主要依赖被动断开系统断开与井口的连接，但偶尔也可能包括一个主动断开系统。被动应急断开系统是一个触发机制，设计在一个特定的额定负载限值时启动，将水下管缆系统与井口断开，防止对海底采油树或井口结构施加过大载荷。断开机制可能是一个剪切销、一个带缺口的螺栓、或一个能剪切柔性软管或脐带缆、类似于切纸机的装置，作为断开系统应对紧急情况。
 
    被动断开机制很关键，其设计必须符合规范，确保油井在面临风险时能迅速断开干预系统，从而保证安全操作。然而，这些系统也必须进行校准，避免意外触发或误报，因为它可能会在正常情况下或在温和的环境中扰乱正常操作。
 
系统优化
    传统上讲，不同的水下管缆系统被视为是独立的组成部分，每个组分都会根据其自身的性能进行配置。此外，每个系统的分析由其各自的原始设备生产商负责。然而，这种方法并不总能产生最佳结果，因为整个系统需要进行集成，以便能为石油公司或最终用户提供最高效和最安全的解决方案，最大限度地减少停工时间和最高的安全性。
 
    一旦选定了水下管缆，根据操作规范，系统集成的第一步是进行一次系统层级的分析，微调驳船驳停的几何摆放、配置和部署位置。优化不同水下管缆的配置是一个关键步骤，可预防超过90%潜在的操作问题。
 
 
图3
 
    对于采用连续油管水下作业的情形，一个关键的决策是确定在驳船上的部署位置。对于包括电缆系统的机械干预，驳船必须直接位于井口中心的上方。而采用连续油管作业时可以从月池《月池指的是在钻井船或修井平台甲板中央开凿的一个贯穿船体或平台结构的矩形或圆形开口，让修井作业所需的工具、设备甚至潜水器可以安全地通过》的边缘让油管通过，从驳船侧向或尾部进行部署。这取决于驳船甲板的布局。一旦确定了部署的位置，下一步要考虑的就是是否需要配备一个重块，重块应该有多重，距离泥浆管线的高度有多高，以及柔性软管的长度。一个沉重的重块可使连续油管产生最小的位移。还可减小应力。不过，人们倾向于采用尽可能小的重块，以方便处理。
 
    优化过程的下一步是确定被动断开机制的尺度和断开负载的等级。在紧急情况下，被动断开系统能保护水下设备和井口设备。
 
    在所有水下管缆配置选定之后，可以对整个系统建立一个全局模型，并对各种相对于标称位置朝向井口、远离井口和垂直于井口的驳船运动进行初步分析。
 
    此外，应分析各种环境水流和波浪的载荷。此项分析可以确定所有水下管缆的载荷、运动行为和等级，从而可以制定一个安全的操作窗口，在此窗口范围内所有的水下管缆都可以安全操作。在该窗口的边界处，被动断开系统应当能安全、迅速地将水下管缆与井口断开、分离。完成此项评估后，还要为集成的水下管缆系统建立一个安全的操作区域或操作窗口。操作窗口的示例见图2所示。一个部署无隔水管干预系统操作窗口的示例，所有的水下管缆干预系统都能操作。在操作窗口的边界处，被动断开机制应当能安全地将水下管缆与井口分离。
 
    在无隔水管油井干预设置过程中，水下管缆的有效性与初始配置和标称设置密切相关。利用全局模型可以更好地理解连续油管的特性、如何影响柔性跳线的配置以及不同水下管缆之间的相互作用。驳船位置的策略性布置和水下管缆部署的位置在管理柔性软管的弯曲半径以及连续油管的表面应力方面起着至关重要的作用。
 
    为了提高可操作性和尽量减少停工时间，重要的是要根据各种环境场景优化驳船驳停的位置，调整重块的高度来管控软管的松弛度，根据灵活的井口接入角度有效地使用浮力模块。这些措施共同作用，能够提高水下及海底干预作业的效率和可靠性。