深水平臺用的石油裝備的新發(fā)展

方華燦

(中國石油大學(xué)(北京),北京 102249)

深水平臺用的石油裝備的新發(fā)展

方華燦

(中國石油大學(xué)(北京),北京 102249)

介紹了深水平臺上的新型鉆機(jī)和深水新鉆井工藝用的裝備,以及連續(xù)管新技術(shù)及其在深水平臺上的裝備。

深水;平臺;石油;裝備;發(fā)展

Abstract:This paper introduces new type drilling rigs,new deepwater drilling equipments and new technologies of coiled tubing and its equipments on the deepwater platforms.

Key words:deepwater;platform;oil;equipment;development

目前,深水找油氣的熱潮,正在全世界蓬勃興起。從全世界在深海的油氣鉆井及完井的投資額來看,它在海陸總投資額中的比例已從2002年的約20%上升到2007年的31%,從石油產(chǎn)量來看,專家預(yù)測2010年以后全球新增的海上原油產(chǎn)量可能均來自深海。

我國488×104km2的海域中,深水約有150×104km2,主要位于南海海域。我國深海石油儲量預(yù)測約100億t、天然氣約15萬億m3,但目前進(jìn)行的油氣勘探面積僅約16×104km2,可說是剛剛起步。雖說只是開始,但中海油已探明珠江口盆地區(qū)塊的水深1 500 m海域的29/26 Liwan 3-1-1井的天然氣,儲量約有4～6億m3。由此可見,我國深水海域油氣勘探大有可為。

鑒于上述,我國目前已將“進(jìn)軍深海領(lǐng)域,發(fā)展深海技術(shù)”作為海洋石油的主攻方向。為此,中國海洋石油總公司制定了“深海石油戰(zhàn)略”:擬將20萬km2深水海域先予勘探,其中除7萬km2對外合作外,其余均自行勘探;投資150億元建造深水油氣勘探開發(fā)裝備,以配備深水裝備船隊;在青島建占地130萬m2的大型海洋工程場地,進(jìn)行深水石油裝備生產(chǎn)。

古語云:“工欲善其事,必先利其器”。因此,我國要成功地開展深水油氣勘探與開發(fā),必先準(zhǔn)備好深水先進(jìn)工藝需要的裝備及滿足它們要求的深水平臺。從全球來看,隨著海洋油氣勘探開發(fā)向深水發(fā)展,適應(yīng)深水需要的先進(jìn)工藝與裝備不斷出現(xiàn),滿足深水要求的海洋平臺也不斷更新?lián)Q代。因此,為了解這些情況,本文擬予詳細(xì)介紹。

1 深水平臺上的新型鉆機(jī)

目前,全世界在役的深水平臺以半潛式平臺為最多,其最大工作水深達(dá)3 048 m(10 000 ft)。迄今已發(fā)展到第六代?；谏钏咝с@井作業(yè)的需要,深水平臺上配備了新型鉆機(jī)。目前使用的新型鉆機(jī)已有如下幾種:

1.1 雙作業(yè)并行鉆機(jī)

雙作業(yè)并行鉆機(jī)是鉆井作業(yè)及其輔助作業(yè)可同時進(jìn)行的一種鉆機(jī)。如主井口在正常鉆進(jìn)的同時,可以進(jìn)行下套管作業(yè),待下套管的長度達(dá)到幾千米水深,而主井口鉆至目的層時,即可通過平臺的位移,將套管柱移到海底的主井口處,進(jìn)行完井作業(yè)。這樣,主、輔兩種作業(yè)并行,大大提高了海上鉆井的時效,這對于深水鉆井,其效果尤為顯著。因此,截至2008年1月,全球在建的水深超過3 000 m的26座半潛式平臺中,按照第六代來設(shè)計的平臺,基本上均采用了雙作業(yè)并行鉆機(jī)。

1.1.1 兩種類型

(1)一個半井架雙作業(yè)鉆機(jī)

圖1所示的這種新型鉆機(jī),為美國 Enertech公司設(shè)計,現(xiàn)用于美國Noble Clyde Boudreaux號半潛式平臺。它在平臺主甲板上有兩座井架,一座高一些,用以鉆井作業(yè);另一座低一些,用以鉆井時的輔助作業(yè)。由于兩座井架,一高一低,故稱之為一個半井架。低井架的作業(yè)是脫離開鉆機(jī)主機(jī),而另由其他提升系統(tǒng)來完成,可稱之為“脫機(jī)”作業(yè)。

(2)雙井架雙作業(yè)鉆機(jī)

這種鉆機(jī)的“雙井架”并非在平臺甲板上裝設(shè)有兩座井架,而是將兩座井架合成為一座井架。“合二為一”是指在這一座井架上裝設(shè)有兩套(雙)提升系統(tǒng)、兩套(雙)頂部驅(qū)動裝置,并相應(yīng)配置有兩套(雙)管子處理系統(tǒng),故稱之為雙井架雙作業(yè)鉆機(jī)。這種新型鉆機(jī)(如圖2所示),目前正在上海外高橋造船廠建造,其由美國 Enertch公司設(shè)計,為我國第一臺工作水深3 000 m的半潛式平臺上的雙井架雙作業(yè)鉆機(jī)。

1.1.2 時效對比

新型雙作業(yè)鉆機(jī)由于在進(jìn)行正常鉆進(jìn)的同時,可以并行完成組裝、拆卸鉆柱以及下放隔水管柱、套管柱和下放與回收水下器具等脫機(jī)作業(yè),故深水鉆井作業(yè)的時間,一般較常規(guī)鉆機(jī)節(jié)省21%～70%。以圖3所示為例,在鉆柱于海床下的井筒內(nèi)進(jìn)行正常鉆進(jìn)時,借助雙井架上的另一套提升系統(tǒng)已將隔水管柱及防噴器組裝好,并下放至海床上的井口旁懸吊住(見圖3左側(cè));及至鉆柱自井筒起升出來之后,依靠平臺(船)向左的移動,原來懸持的防噴器組及上部隔水管柱,即可順利地移動到海床上的井口處,從而與井口連接(見圖3右側(cè)),這樣必然會節(jié)省大量鉆井作業(yè)的時間。

由于一個半井架雙作業(yè)鉆機(jī)無頂部驅(qū)動裝置,不能下放導(dǎo)管與采油樹,不能下放及回收防噴器組(BOP),不能在下套管時起鉆等,故其作業(yè)效率較雙井架雙作業(yè)鉆機(jī)低。表1給出了它們與常規(guī)鉆機(jī)的效率對比。1.1.3 經(jīng)濟(jì)分析

為在選擇兩種雙作業(yè)鉆機(jī)時做參考,表2給出了美國Ensco公司2007年這兩種新型鉆機(jī)的投資比較。

表1 深水平臺上三種鉆機(jī)的鉆井作業(yè)效率比較

表2 兩種雙作業(yè)鉆機(jī)的投資費(fèi)用比較

總之,無論選擇哪一種,它們均比傳統(tǒng)常規(guī)鉆機(jī)更具優(yōu)勢。

1.2 液壓缸升降式鉆機(jī)

這種新型鉆機(jī)是本世紀(jì)初以后,才逐步取代傳統(tǒng)常規(guī)鉆機(jī),因而僅配置于很少數(shù)深水半潛式平臺或鉆井浮船上。它的主要特點(diǎn)是將傳統(tǒng)鉆機(jī)中的絞車及提升系統(tǒng),換成了可以升降的液壓缸,現(xiàn)簡要介紹如下:

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

(1)頂驅(qū)裝置:它采用液壓驅(qū)動的頂部驅(qū)動裝置,備有液壓動力源。頂驅(qū)裝置懸吊在游動滑輪上,它隨游動滑輪的上下而升降,可實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)、起下鉆柱、下套管以及起下水下器具或修井等作業(yè)。

(2)游動滑輪:游動滑輪組由4個游輪(中小型鉆機(jī))或8個游輪(大型鉆機(jī))組成。整個游輪組件為兩個液壓缸的兩個活塞桿所支承,故它可隨液壓缸中活塞桿的伸縮而上下,從而帶動頂驅(qū)裝置升降。4根或8根長度相等的鋼絲繩,每根分別繞過一個滑輪。鋼絲繩死端連接到鉆機(jī)底座上的平衡器上,用以平衡鋼絲繩死端的拉力;鋼絲繩的活端與頂驅(qū)裝置相連接,用以懸吊頂驅(qū)裝置。由于液壓缸中活塞的運(yùn)動是通過游輪這個復(fù)滑輪系統(tǒng),才傳遞到頂驅(qū)裝置的,因此,根據(jù)復(fù)滑輪系統(tǒng)原理,即可將頂驅(qū)裝置的運(yùn)動速度放大2倍,當(dāng)活塞行程為16 m時,頂驅(qū)裝置的運(yùn)動行程為32 m;同理,液壓缸的活塞推力則應(yīng)為頂驅(qū)裝置上懸吊的大鉤載荷的2倍,即若為大鉤載荷4 400 kN的鉆機(jī),則其液壓缸活塞的推力應(yīng)達(dá)8 800 kN。

(3)液壓缸:由挪威MH公司生產(chǎn)的大鉤載荷4 400 kN的液壓缸升降型鉆機(jī),裝設(shè)有2個液壓缸。它們實(shí)際上就是長沖程的液壓千斤頂,通過它既可以使活塞桿帶動頂部驅(qū)動裝置作升降運(yùn)動,又可以承受來自頂驅(qū)裝置的大鉤載荷。這兩個液壓缸它們分別固定在其支架的左右兩側(cè)。

(4)液壓缸支架:它是一個特制的支架。在液壓缸支架的內(nèi)側(cè)左右各裝設(shè)有一條垂直的導(dǎo)軌,它們一方面用以承擔(dān)來自頂驅(qū)裝置旋轉(zhuǎn)鉆柱進(jìn)行鉆進(jìn)時的反扭矩,另一方面則可用做運(yùn)動導(dǎo)向,使游動滑輪組的鋼絲繩上懸吊著的頂驅(qū)裝置能夠?qū)?zhǔn)井口。支架內(nèi)側(cè)下段固定著2個液壓缸。因立根存放于底座下面,故支架內(nèi)的鉆臺上應(yīng)能進(jìn)行接立根操作。

(5)鉆臺和底座:這種鉆機(jī)采用高鉆臺底座,沒有立根盒。管材、隔水管及鉆柱立根均排放在甲板上,它們的上接頭露出鉆臺面,因而它們自井筒中起下和上、卸扣均可在鉆臺上操作。

(6)液壓泵動力系統(tǒng):可選用柴油機(jī)或電動機(jī)來驅(qū)動液壓泵。通常是用4臺或8臺液壓泵,但每臺液壓泵的動力均能給出頂驅(qū)裝置承擔(dān)的大鉤載荷(速度較低),這樣,盡管幾臺泵同時出現(xiàn)故障,仍可提升鉆柱,避免事故。每臺泵排出的動力油均先進(jìn)入補(bǔ)償氣缸,然后再通過動作閥進(jìn)入液壓缸,從而實(shí)現(xiàn)升降動作。

1.2.2 技術(shù)性能

目前,挪威研制成的液壓缸升降式鉆機(jī)已基本形成系列,大鉤載荷為1 500～10 000 kN。其中,大鉤載荷4 400 kN的鉆機(jī),其頂驅(qū)裝置的行程為32 m;大鉤載荷3 000 kN的鉆機(jī)其行程為30 m。這種新型鉆機(jī)的最高提升速度為2 m/s,鋼絲繩的安全系數(shù)可達(dá)3.5。

1.2.3 主要優(yōu)點(diǎn):(1)實(shí)現(xiàn)多種功能:它可通過液壓缸中活塞的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)自動送鉆、鉆柱升沉運(yùn)動補(bǔ)償;通過液缸中壓力變化實(shí)現(xiàn)井底鉆壓的調(diào)節(jié);還可用做雙作業(yè)鉆機(jī),因而適合深水需要。(2)節(jié)約平臺空間:由于省去了常規(guī)鉆機(jī)的起升系統(tǒng)設(shè)備,因而節(jié)約了鉆機(jī)占用的空間。(3)鉆井效率提高:由于可用多臺鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)并行多種鉆井作業(yè),故使鉆井效率提高約30%。(4)保證鉆井安全:因?yàn)椴捎萌簤候?qū)動,無工作火花,故有利消除火災(zāi),保證鉆井安全。(5)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn):這種鉆機(jī)組成方案簡單,結(jié)構(gòu)緊湊,體積小、質(zhì)量輕、降低了成本。它與常規(guī)鉆機(jī)相比,省去了許多設(shè)備的購置費(fèi)及其操作維修和安裝費(fèi)等,因而節(jié)約了投資。

1.3 井下自動鉆機(jī)

它是挪威正在研制的目前世界上最新型鉆勘探井的鉆機(jī),預(yù)計今后四年內(nèi),即可投入生產(chǎn)。它類似于井筒內(nèi)的“有線導(dǎo)彈”或“鉆勘探井的井下機(jī)器人”。因?yàn)閼?yīng)用它在海上鉆勘探井時,即可不用海上平臺、常規(guī)鉆機(jī)、鉆桿套管、及泥漿水泥,可以實(shí)現(xiàn)“四不用”,故而大大降低了勘探風(fēng)險及鉆井費(fèi)用。由于它可以全自動鉆井和遠(yuǎn)程監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無操作人員,故而特別適用于深水鉆勘探井。預(yù)計這種新型鉆機(jī)的問世,將是鉆勘探井技術(shù)的重大突破和新的里程碑,它使鉆勘探井進(jìn)入到無常規(guī)鉆機(jī)自動化鉆井的新時代。

1.3.1 結(jié)構(gòu)組成

這種井下自動鉆機(jī)由以下6部分組成:

(1)鉆頭:用特制的215.9 mm的PDC鉆頭,靠自重加鉆壓,用控制裝置調(diào)節(jié)鉆壓。(2)井下電動鉆具和減速器:它由水面上補(bǔ)給船或海底電纜供應(yīng)電力,以使井下電動鉆具驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn),并通過減速器調(diào)節(jié)鉆頭的鉆速。(3)導(dǎo)向工具:用以控制井眼軌跡,引導(dǎo)鉆進(jìn)方向。(4)有線隨鉆測井系統(tǒng):采用大量傳感器構(gòu)成的有線隨鉆測井系統(tǒng),可連續(xù)實(shí)時測量出大量鉆井工程及地質(zhì)參數(shù),如井斜、方位、地層孔隙壓力、地層破裂壓力、孔隙度、滲透率等。它是通過電纜傳輸數(shù)據(jù),因而傳輸速率比傳統(tǒng)的MWD/LWD快若干倍,且能雙向通訊。(5)電纜存放及施放裝置:用以存放傳送數(shù)據(jù)電纜和傳輸電力電纜,并能隨鉆施放。(6)巖屑輸送及壓縮系統(tǒng):其功能是將巖屑輸送到井下自動鉆機(jī)的頂部,并進(jìn)行巖屑與液體的分離,將分離出的巖屑擠入上方的井筒和地層裂縫以及孔洞中,及時充填井筒、封固井壁,以防止井噴、井漏和井塌。

目前研制的這種鉆機(jī)總長度25 m,總功率10 kW,可鉆井深3 000～3 500 m,設(shè)計工作壽命2～6個月。

1.3.2 主要優(yōu)點(diǎn)及存在問題

這種鉆機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是裝備減少,人員精簡,從而使投資節(jié)約,估計整個鉆勘探井的成本只是常規(guī)鉆井成本的十分之一左右。此外,因投入鉆井后即不存在海上平臺(船),故使海洋環(huán)境得到保護(hù);因不需要泥漿,故油層的保護(hù)也得到改進(jìn),可及時測得油藏的真實(shí)地質(zhì)信息。

但這種井下自動鉆機(jī)功能局限:只能鉆勘探井,不能鉆生產(chǎn)井;無法進(jìn)行泥漿錄井和取心作業(yè);鉆速也比較慢,鉆一口3 000 m勘探井約需2～6個月。只能一次性使用,一旦開鉆后即不能起鉆,因?yàn)樯戏骄惨驯粔簩?shí)后的巖屑所充填;工作壽命也只有2～6個月。

2 深水新鉆井工藝及裝備

2.1 雙梯度鉆井新工藝及其裝備

深水鉆井與陸地和淺海鉆井的最大不同點(diǎn)是除了自海床井口至井底的井深之外,還有自平臺至海床的水深。這樣,在鉆井套管與隔水管的環(huán)形空間中的鉆井液的液柱高度在深水中就要高得多(水深加井深),而它所構(gòu)成的鉆井液壓力梯度也就比陸地及淺海鉆井要高很多,因?yàn)殂@井液的壓力梯度與鉆井液的密度及液柱高度成正比。故而,它就有可能超過井壁巖層的破裂壓力梯度造成井壁坍塌,而且會傷害油氣層,并且很難通過調(diào)節(jié)鉆井液的密度來實(shí)現(xiàn)既防止井噴,又防止巖層破裂,而保證安全鉆井。

為了解決這個難題,近年來出現(xiàn)了深水鉆井的新工藝,我們稱它為“雙梯度鉆井”。它與常規(guī)鉆井不同之點(diǎn)是使鉆井液具有兩個壓力梯度。第一壓力梯度是自平臺至海床井口,采用較輕的鉆井液密度;第二壓力梯度是自海床井口直至井底,采用常規(guī)鉆井的鉆井液密度。這樣,即可使套管及隔水管環(huán)空中的鉆井液壓力梯度大大降低,從而保證深水中安全鉆井。實(shí)現(xiàn)這種新工藝采用的方法有:

2.1.1 注入空心球構(gòu)成第一壓力梯度

采用這種方法是向海床以上至平臺的隔水管柱中注入用輕金屬或玻璃、塑膠、合成復(fù)合材料做成的空心球,來降低鉆井液的密度,使其壓力梯度降低,構(gòu)成第一壓力梯度。如圖4所示,空心球與鉆井液在平臺(船)上先混合好,再通過泥漿泵將其泵送至海底,經(jīng)稀釋處理后,自隔水管的控制閥由隔水管柱底部,泵送入其環(huán)空中,即構(gòu)成了第一壓力梯度。常規(guī)鉆井液則是通過平臺(船)上泥漿泵,經(jīng)由水龍頭進(jìn)入鉆桿柱內(nèi),泵送至井底,再自鉆頭噴出返回。這樣,平臺(船)上需要增設(shè)空心球泥漿泵,海床上需要裝設(shè)稀釋處理設(shè)備。

2.1.2 注氣構(gòu)成第一壓力梯度

這種方法即是通過平臺(船)上的壓氣機(jī)將一定量的空氣或氮?dú)?壓送至海底泥線處,再經(jīng)隔水管的控制閥(隔離閥)注入到隔水管柱的環(huán)空中,構(gòu)成第一壓力梯度。這種方法除單獨(dú)使用外,還可與使用海底泵結(jié)合起來。如圖4所示,采用裝設(shè)于海床上的電潛泵(或離心泵、隔膜泵等),將自井筒返回至海床上井口處的常規(guī)鉆井液自隔離閥流出后,進(jìn)入海底泥漿泵的泵送系統(tǒng),待鉆井液中氣體分離出來、巖屑經(jīng)過切割破碎處理之后,另通過一條小直徑的專門管線,回輸?shù)狡脚_上。這樣平臺(船)上需增設(shè)壓氣機(jī),海床上要裝設(shè)海底泵送系統(tǒng)。另外,還需配置既能注入氣又能輸出返回的鉆井液的隔離閥(控制閥)。

2.1.3 注海水構(gòu)成第一壓力梯度

若將海水通過平臺上的海水泵,注入到隔水管里,則因海水的密度低于常規(guī)鉆井液的密度,于是即可構(gòu)成海床以上的隔水管環(huán)空中的海水柱的壓力梯度一,而海床井口以下井筒中則為常規(guī)鉆井液柱的壓力梯度二。井筒內(nèi)的鉆井液自海床上井口返回后,另用專門管線,借助海底送系統(tǒng)返回平臺。這樣,平臺上需增設(shè)注海水泵,海床上需裝設(shè)鉆井液處理及泵送系統(tǒng)。

2.2 無隔水管鉆井新工藝及其裝備

它是在雙梯度鉆井工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新工藝,其特點(diǎn)是去掉了自海床至平臺的整個隔水管柱,直接將鉆柱穿過海水,經(jīng)海床上的井口進(jìn)入井筒內(nèi),進(jìn)行鉆井,故稱之為無隔水管鉆井工藝。自井底返回的常規(guī)鉆井液從海床上井口流出,經(jīng)海底一級處理設(shè)備處理后,通過海底回輸泵系統(tǒng)泵送到平臺上的二級處理裝置,處理后的鉆井液再用平臺上的海面泵重新注入到鉆柱中。如圖5所示。

圖4 注入空心球方法的雙梯度鉆井系統(tǒng)

圖5 無隔水管鉆井新工藝的裝備系統(tǒng)

由于這種新工藝既可以實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井,又省去了與水深一樣長度的隔水管柱,投資降低、操作簡化,因而特別適于深水鉆井。2006年,CJ SC Elvary Nefegaz公司曾成功地將這種無隔水管新工藝應(yīng)用于庫頁島的雙梯度鉆井作業(yè)中,該無隔水管系統(tǒng)的組成有:鉆井液吸入模塊、海底泵送及其驅(qū)動模塊、控制電纜與絞車、回收軟管系統(tǒng)、電力供應(yīng)系統(tǒng)及控制室、控制系統(tǒng)以及停車系統(tǒng)。

2.3 隔水管柱分段自由獨(dú)立懸浮的新鉆井工藝及裝備

這種新鉆井工藝是近年來適應(yīng)深水鉆井需要而發(fā)展起來的。它的主要特點(diǎn)是將海床上井口以上至平臺的隔水管柱分為兩段,位于上部的一段較短,可回收到平臺;另一段在下部直至海底井口,它可以拆卸下來與上部隔水管及井口脫開,然后自由獨(dú)立地借助本身的浮力系統(tǒng),懸浮在海水中。因此,稱其為隔水管柱分段自由獨(dú)立懸浮鉆井工藝。顯然,它將很長(近于水深)的一段隔水管柱自由獨(dú)立懸浮于很深的海水中,是特別有利于深水鉆井作業(yè)的。

2.3.1 結(jié)構(gòu)組成

(1)上部可回收隔水管段。這段采用常規(guī)隔水管,它位于上部,一般長度為152.4 m～304.8 m(500 ft～1 000 ft),它與下部隔水管段通過一個可拆接頭相連接。可拆接頭內(nèi)部有非封閉管式剪切心軸,當(dāng)颶風(fēng)襲來時,借助管式心軸的剪切力,即可將上、下部隔水管段拆開,回收上部隔水管段。

(2)下部可自由獨(dú)立懸浮于水中的隔水管段。這段隔水管柱也是采用常規(guī)隔水管,但是,在其頂部一段需做成同心的直徑達(dá)3.048 m(10 ft)的空氣罐,用以構(gòu)成下部隔水管段的浮力系統(tǒng)。這個浮力系統(tǒng)管段的下面通過一個填充閥與其下面的隔水管柱相連接,填充閥可以使氣體進(jìn)入氣罐,構(gòu)成浮力。其浮力要能夠懸持住在其下面的含有20.3704 kg/m2密度的鉆井液液柱和鉆柱的隔水管柱的重量。下部隔水管柱的下端與撓性接頭及防噴器組連接處,增加了一個切斷閥。當(dāng)切斷閥作用時,即可將下部隔水管段與撓性接頭及防噴器組的連接切斷,而自由獨(dú)立地懸浮于海水中。這時,即可進(jìn)行一些如安裝采油樹、維修張緊繩系統(tǒng)等不需要隔水管的作業(yè),也可實(shí)現(xiàn)平臺在應(yīng)急時的快速撤走,保證安全。

2.3.2 主要優(yōu)點(diǎn)

目前,這種自由獨(dú)立隔水管鉆井FSDR工藝,已經(jīng)成功地用于美國的墨西哥的深水鉆井。

實(shí)踐表明:它有利于深水鉆井作業(yè);有利于用雙作業(yè)鉆機(jī);有利于實(shí)現(xiàn)多種功能;有利于降低鉆井成本,如在下放安裝采油樹之前的上提隔水管柱,在常規(guī)鉆井作業(yè)中,對于中等水深大約只需6天時間,而上提150 m～300 m長的上部隔水管段僅需12小時,顯然,節(jié)約了大量操作時間及操作費(fèi)用。

鑒于上述,這種自由獨(dú)立懸浮隔水管段的新工藝值得于深水鉆井中大力推廣。

3 連續(xù)管新技術(shù)及其裝備

連續(xù)管技術(shù)是以連續(xù)的(不需要連接)撓性管與各項作業(yè)的專用工具、儀器甚至驅(qū)動裝置相連接,下入油氣井內(nèi)進(jìn)行修井、測井、鉆井和完井等作業(yè)的一種新技術(shù)。由于采用連續(xù)管技術(shù)后,即可以取代海上平臺上的修井機(jī)、常規(guī)鉆機(jī),并可不必再使用傳統(tǒng)的鉆柱,所以近年來它發(fā)展很快。截至2003年,全球已有70 000口氣井應(yīng)用這種新技術(shù)。專家預(yù)測,今后每年全球還要增加750～850口油氣井。

連續(xù)管也叫撓性管、盤管或稱連續(xù)油管,它是由長度可達(dá)數(shù)千米的許多小段柔性管焊接而成的長管,不用螺紋連接,故稱之為連續(xù)管。采用連續(xù)管技術(shù)作業(yè)的一套裝置稱之為連續(xù)管作業(yè)機(jī)。

圖6 連續(xù)管技術(shù)的裝備組成

3.1 裝備組成

連續(xù)管技術(shù)應(yīng)用的裝備如圖6所示,其組成如下:

3.1.1 滾筒

滾筒用以纏繞連續(xù)管,滾筒軸與液馬達(dá)相連。當(dāng)自井內(nèi)起出連續(xù)管時,可借助液馬達(dá)的卷繞扭矩實(shí)現(xiàn);當(dāng)連續(xù)管向井內(nèi)下放時,液馬達(dá)產(chǎn)生的反扭矩可將連續(xù)管拉直。滾筒直徑達(dá)1 m以上,以用于井深5 000 m為例,滾筒重量即達(dá)6.35 t(140 001 b)。目前,已出現(xiàn)最新型的具有升降機(jī)構(gòu)的更大直徑的滾筒。

3.1.2 連續(xù)管(連續(xù)油管)

它是由高強(qiáng)度、低合金碳素鋼的鋼板剪成鋼板條,先焊成管再焊接成所需要長度的撓性管,無螺紋連接。一般外徑為31.75 mm和38.1 mm,目前已發(fā)展到最大直徑達(dá)168.27 mm。可鉆井深達(dá)9 000 m(重量約30 t)。最近 Tenaris公司生產(chǎn)的 HS-110型連續(xù)管,其最小屈服強(qiáng)度已達(dá)758 MPa(110 000 psi),最小拉伸強(qiáng)度已達(dá)793 MPa(115 000 psi),可承受內(nèi)壓45.5 MPa。

3.1.3 注入頭(注入器)

它是由裝有液壓驅(qū)動裝置的兩個互相對著的鏈條盒組成。每個盒中有兩條環(huán)形的內(nèi)鏈條和外鏈條,內(nèi)鏈條在液壓驅(qū)動下可帶動外鏈條做雙向運(yùn)動。由于兩條外鏈條與連續(xù)管緊密壓合,因而即可借助鏈傳動,使連續(xù)管上提或下放。近年來隨著連續(xù)管向大直徑和增大長度發(fā)展,注入頭的提升能力也不斷提高。如美國雙S(Stewart and Sterenson)公司的最新型注入頭D200的提升力已達(dá)到907 kN,而下推力也可達(dá)到454kN;但體積卻趨減小,如ASEP公司生產(chǎn)的四驅(qū)式注入頭的體積已較原來同類產(chǎn)品減小了一半。

3.1.4 液壓動力單元

它為連續(xù)管作業(yè)機(jī)及各部件提供動力源,通常是由柴油機(jī)及液力泵組成,一般均有備用機(jī)組。

上述裝備統(tǒng)稱為連續(xù)管作業(yè)機(jī)。當(dāng)用于海上油氣田時,一般是將它們安裝在撬上,稱作撬裝式連續(xù)管作業(yè)機(jī),作業(yè)時撬座固定在平臺(船)的甲板上。

3.2 作業(yè)功能

3.2.1 修井作業(yè) 連續(xù)管技術(shù)用于修井,可通過管內(nèi)連續(xù)地向井下沖洗,進(jìn)行井筒內(nèi)的沖砂及除垢。若采用高壓噴射,則可清洗油管內(nèi)的結(jié)垢與結(jié)蠟;若增設(shè)氮?dú)鈮簹鈾C(jī),自管中向井內(nèi)注入氮?dú)?則可實(shí)現(xiàn)替噴;若增設(shè)酸化及壓裂設(shè)備則可進(jìn)行酸化、壓裂作業(yè);配備注水泥設(shè)備后,還可進(jìn)行打水塞封堵作業(yè)。

3.2.2 測井作業(yè) 連續(xù)管接上測井儀器,即可進(jìn)行鉆井或完井過程中的測井作業(yè)。它特別適用于大斜度井及水平井。

3.2.3 鉆井作業(yè) 連續(xù)管裝上井下驅(qū)動裝置即可進(jìn)行鉆井作業(yè),目前它已成為國外鉆井技術(shù)的新“熱點(diǎn)”。它除適用于常規(guī)的下套管井、裸眼井的鉆井、老井加深或開窗側(cè)鉆的鉆井之外,還特別適用于水平井、小井眼井的鉆井以及欠平衡鉆井。鉆井過程中,它可進(jìn)行打撈作業(yè)、井下管柱的切割作業(yè)、磨削“落魚”作業(yè),需要時,也可進(jìn)行擠注水泥及負(fù)壓射孔作業(yè)。此外,完井過程中,還可進(jìn)行測井、射孔作業(yè)以及過油管防砂作業(yè)等。

最近Sperry-sun鉆井服務(wù)公司使用新設(shè)計的導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)管鉆井,大尺寸井眼152.4 mm(6 in),井深達(dá)5 833.3 m(17 500 ft)。實(shí)踐表明,這種連續(xù)管鉆井技術(shù)加快了鉆井速度、提高了井眼質(zhì)量、降低了井下振動、提高了機(jī)械鉆速、延長了鉆頭壽命,而且全套設(shè)備可靠性較高。

正如上述,連續(xù)管技術(shù)的作業(yè)功能全面多樣,因而已被油氣工業(yè)界譽(yù)為“萬能作業(yè)機(jī)”。再加上它有利于保護(hù)油層(采用欠平衡鉆井及替噴等);尤其是井場占用面積小(連續(xù)管與鉆柱兩用);還有,作業(yè)成本大大降低(挪威北海鉆井成本降低了約50%)。因而它特別適用于海上,尤其是深水。當(dāng)然,從我國海上應(yīng)用連續(xù)管技術(shù)與推廣來看,還存在一些應(yīng)予著力解決的問題:提高工作壽命;保證批量生產(chǎn)以及掌握先進(jìn)技術(shù)等問題。

4 結(jié)語

綜觀上述,本文提出如下幾點(diǎn)建議:(1)我國海域遼闊,油氣資源豐富,為了解決我國油氣對外依存度過高(2008年石油對外依存度為51.3%)的問題,需要盡快大力開展我國的深海油氣勘探與開發(fā)。建議發(fā)改委能源局牽頭,協(xié)調(diào)我國幾大國有石油公司,早日作出深海油氣資源勘探開發(fā)的統(tǒng)籌規(guī)劃。(2)建議我國深海油氣勘探與開發(fā)采用“迎頭趕上”的做法,要“一上手”就使用世界上的先進(jìn)新技術(shù)。不僅海洋平臺要按照最先進(jìn)的第六代來設(shè)計,而且在工藝上如鉆井、采油作業(yè)等也要應(yīng)用如雙梯度鉆井及連續(xù)管技術(shù)等先進(jìn)新工藝。(3)深水油氣勘探開發(fā)的先進(jìn)工藝需要有一批相應(yīng)的先進(jìn)新裝備,如雙作業(yè)鉆機(jī)、液壓缸提升式鉆機(jī)、連續(xù)管作業(yè)機(jī)等等。建議我國石油設(shè)備廠家要以前瞻性的戰(zhàn)略眼光“先走一步”,及早開展這些新裝備的研制工作。(4)在研制深水油氣勘探開發(fā)的新裝備過程中,可區(qū)分為一般產(chǎn)品與重點(diǎn)產(chǎn)品。我國尚屬空白的產(chǎn)品應(yīng)列為重點(diǎn)產(chǎn)品,如液壓缸提升式鉆機(jī)等。對于重點(diǎn)產(chǎn)品,建議要在我國有關(guān)廠家間進(jìn)行協(xié)調(diào),做好統(tǒng)籌安排,集中人力、物力、財力組織攻關(guān),力爭在較短時間內(nèi)有所突破。(5)深水海洋平臺是從事深海油氣勘探開發(fā)的必要設(shè)施,它應(yīng)為深水鉆井、采油所采用的新工藝及裝備服務(wù)。因此,無論采用何種型式(半潛式、獨(dú)柱式、張力腿式等)的深水平臺,建議在設(shè)計時,均應(yīng)考慮滿足這些新工藝及裝備的要求。

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[4] Asif Ehteshan,Joseph Hriscu,Allan Zhing.Development of a High-Fatigue-Life Mechanical Spoolable Connector[G].SPE 11037-MS,2008.

New Developments of the Oil Equipments For Deepwater Platforms

FANG Hua-can
(Petroleum University of China(Beijing),Beijing 102249,China)

TE93

A

1001-4500(2010)01-0001-07

2009-12-10

方華燦(1930-),男,教授,從事海洋石油工程的教學(xué)與科研工作。