深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀

趙洪山,劉新華,白立業(yè)

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東 東營(yíng) 257017)

深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀

趙洪山,劉新華,白立業(yè)

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東 東營(yíng) 257017)

為加快我國(guó)深海油氣開發(fā)的步伐,有必要深入調(diào)研和跟蹤國(guó)外深水油氣勘探的動(dòng)態(tài)和成功經(jīng)驗(yàn),了解國(guó)外深水海洋石油鉆井裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)狀和技術(shù)水平。對(duì)國(guó)外深水半潛式平臺(tái)和鉆井船的特點(diǎn)、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),深水平臺(tái)鉆機(jī)和隔水管系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)水平,以及深水鉆井防噴器系統(tǒng)的工作特點(diǎn)及應(yīng)用情況做了介紹,對(duì)我國(guó)深水鉆井領(lǐng)域的發(fā)展具有指導(dǎo)作用。

深水鉆井;半潛式平臺(tái);雙井架鉆機(jī);隔水管系統(tǒng);水上防噴器

Abstract:In order to quicken the step of deepwater hydrocarbon exploitation in our country,it is necessary to make thorough investigation andstudy the behavior and successful experience in deepwater drilling abroad,and to get information on structural features,development situation and technical levelof deepwater petroleumdrilling equipment abroad. The structure features,development situation and application of semi-submersible platfor m,drillingvessel,rig,riser system and surface BOP for deepwater drilling are discussed,which can play an important rolein the deepwaterdrilling development of our country.

Key words:drilling in deep water;semi-submersible platform;dual derrick rig;riser system;surface BOP

當(dāng)今世界油氣儲(chǔ)量迅速遞減,陸上石油資源緊缺問(wèn)題日漸突出,而占地球面積 70%以上的海洋,預(yù)計(jì)油氣儲(chǔ)量相當(dāng)可觀。據(jù)估計(jì),全世界未發(fā)現(xiàn)的海上油氣儲(chǔ)量有 90%是在水深超過(guò) 1 000 m以下的地層中。我國(guó)深水海域也十分廣闊,蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源,但是目前我國(guó)的深水鉆探開發(fā)仍處于起步階段,深水鉆完井技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相比存在很大差距,在很多方面缺乏自主的關(guān)鍵技術(shù),已成為我國(guó)深水油氣勘探開發(fā)的瓶頸[1-3]。因此,有必要深入調(diào)研和跟蹤國(guó)外深水油氣勘探的動(dòng)態(tài)和成功經(jīng)驗(yàn),了解國(guó)外深水海洋石油鉆井裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)狀和技術(shù)水平。

1 深水半潛式鉆井平臺(tái)

隨著陸地資源的日益枯竭,石油天然氣開采已經(jīng)逐漸由陸地轉(zhuǎn)移到海洋,坐底式平臺(tái)、重力式平臺(tái)、導(dǎo)管架平臺(tái)、自升式平臺(tái)等主要作業(yè)于淺海區(qū)域,隨著油氣勘探開發(fā)日益向深海推進(jìn),張力腿平臺(tái)也顯示出其局限性,鉆井船和半潛式平臺(tái)成為主要選擇,然而半潛式鉆井平臺(tái)由于具有極強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力、優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能、巨大的甲板面積和裝載容量、高效的作業(yè)效率等特點(diǎn),在深海能源開采中具有其他型式平臺(tái)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[4-5]。

1.1 結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

半潛式鉆井平臺(tái)上部為工作甲板,下部為 2個(gè)下船體,用支撐立柱連接,如圖1所示。工作時(shí)下船體潛入水中,甲板處于水上安全高度,水線面積小,波浪影響小,穩(wěn)定性好、支持力強(qiáng)、工作水深大,新發(fā)展的動(dòng)力定位技術(shù)用于半潛式平臺(tái)后,到 21世紀(jì)初,工作水深可達(dá) 3 000 m,同時(shí)勘探深度也相應(yīng)提高到 9 000～12 000 m。據(jù) Rigzone網(wǎng)站截至 2006-07初的統(tǒng)計(jì),全球現(xiàn)有 165座半潛式鉆井平臺(tái),其中額定作業(yè)水深超過(guò) 500 m的深水半潛式鉆井平臺(tái)有 103座,占總數(shù)的 62%。

圖1 半潛式鉆井平臺(tái)

與固定式平臺(tái)不同,半潛式平臺(tái)在工作時(shí)漂浮于海面,因而可以不受作業(yè)水深的限制,適用于各種水深的海域。在半潛作業(yè)時(shí),平臺(tái)一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。與鉆井船相比,半潛式平臺(tái)由于大部分排水量都集中在水下較深處,這使得平臺(tái)整體受波浪的影響較弱,在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小,能夠適應(yīng)大多數(shù)的海洋環(huán)境,與鉆井船相比有更好的運(yùn)動(dòng)特性。在作業(yè)海況下,半潛式平臺(tái)的升沉≤1.0～1.5 m,水平位移不大于水深的 5%～6%,平臺(tái)的縱傾角不大于±(2°～3°)。平臺(tái)的這種運(yùn)動(dòng)是在鉆井作業(yè)所允許的最大運(yùn)動(dòng)幅度之內(nèi),因而能很好地滿足海上作業(yè)要求。

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

在用深水半潛式鉆井平臺(tái)主要是在美國(guó)墨西哥灣、巴西、北海、西非、澳大利亞和墨西哥海域作業(yè)。為適應(yīng)向深水和深井找油的需求,近年來(lái)運(yùn)用綜合高科技,國(guó)外設(shè)計(jì)建造了工作水深超過(guò) 3 810 m(12 500 ft)、鉆深達(dá)到 12 190 m(40 000 ft)、鉆機(jī)絞車功率增至 5 292 kW(7 200 hp)的第 6代海上半潛式鉆井平臺(tái)。

第 6代半潛式鉆井平臺(tái)的作業(yè)水深已達(dá) 2 550～3 600 m,多數(shù)為 3 048 m,鉆深大于 9 144 m(30 000 ft),采用動(dòng)力定位,船體結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化,可變載荷更大,配備自動(dòng)排管等高效作業(yè)設(shè)備,能適應(yīng)極其惡劣的海洋環(huán)境。第 6代平臺(tái)比以前鉆井平臺(tái)更先進(jìn)的設(shè)計(jì)在于采用了雙井口作業(yè)方式,即該平臺(tái)鉆機(jī)具有雙井架、雙井口、雙提升系統(tǒng)等。主井口用于正常的鉆進(jìn)工作,輔助井口主要完成組裝、拆卸鉆桿及下放、回收水下器具等離線作業(yè),雖然平臺(tái)的投資有所增加,但是對(duì)于深海鉆井作業(yè)效率的提高是顯著的。據(jù)相關(guān)資料介紹,雙井口鉆井作業(yè)在不同的作業(yè)工況下可以節(jié)省 21%～70%的時(shí)間。隨著作業(yè)水深的逐漸加大,半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)能力也逐漸加大,需要的絞車、泥漿泵、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤能力均相應(yīng)提高。目前,半潛式鉆井平臺(tái)頂驅(qū)以美國(guó)國(guó)民油井 Varco公司、加拿大 Canrig以及Mati me Hydraulics公司的產(chǎn)品為主,僅就技術(shù)和使用情況來(lái)說(shuō),Varco公司一直處于行業(yè)的領(lǐng)先地位,泥漿泵主要生產(chǎn)廠家為 NOV、Wirth、Lewco,絞車主要生產(chǎn)廠家為 NOV、Emsco、Wirth。

2009-04,中國(guó)海洋石油總公司投資建造的我國(guó)首座 3 000 m超深水的第 6代半潛式鉆井平臺(tái)在上海外高橋船廠進(jìn)塢鋪底,該平臺(tái)預(yù)計(jì) 2010-10建造完成,作為中國(guó)人走向深海的利器,可以極大地提升中國(guó)在深水油氣田勘探開發(fā)的能力,加快我國(guó)南海深水油氣資源勘探開發(fā)的步伐。

1.3 發(fā)展趨勢(shì)

a) 工作水深顯著增加 2002年末現(xiàn)有和在建的 175艘半潛式平臺(tái)中,31艘工作水深超過(guò)1 829 m(6 000 ft),16艘工作水深超過(guò) 2 286 m(7 500 ft),其中 IHI-RBF Exploration、Deepwater Horizon、Eirik Raude(Bingo 9000系列)工作水深達(dá) 3 048 m(10 000 ft)。未來(lái) 20 a內(nèi),工作水深達(dá) 4 000～5 000 m的半潛式平臺(tái)有望出現(xiàn)[6]。

b) 適應(yīng)更惡劣海域 半潛式平臺(tái)僅少數(shù)立柱暴露在波浪環(huán)境中,抗風(fēng)暴能力強(qiáng),穩(wěn)定性等安全性能良好。大部分深海半潛式平臺(tái)能生存于百年一遇的海況條件,適應(yīng)風(fēng)速達(dá) 100～120 kn,波高達(dá)16～32 m,流速達(dá) 2～4 kn。隨著動(dòng)力配置能力的增大和動(dòng)力定位技術(shù)的新發(fā)展,半潛式平臺(tái)進(jìn)一步適應(yīng)更深海域的惡劣海況,甚至可望達(dá)全球全天候的工作能力。

c) 可變載荷增大 采用先進(jìn)的材料和優(yōu)良的設(shè)計(jì),半潛式平臺(tái)自重相對(duì)減輕,可變載荷不斷增大,以適應(yīng)更大的工作水深和鉆深。平臺(tái)可變載荷與總排水量的比值,南海 2號(hào)為 0.127,Sedco602型為 0.15,DSS20型為 0.175,新型半潛平臺(tái)將超過(guò)0.2。甲板可變載荷 (包含立柱內(nèi))將達(dá)萬(wàn)噸,平臺(tái)自持能力增強(qiáng)。同時(shí)甲板空間增大,鉆井等作業(yè)安全可靠性提高。

d) 外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 半潛式平臺(tái)外形結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)化,立柱和撐桿節(jié)點(diǎn)的型式簡(jiǎn)化、數(shù)目減少。立柱從早期的 8立柱、6立柱、5立柱等發(fā)展為 6立柱、4立柱,現(xiàn)多為圓立柱或者圓角方立柱。斜撐數(shù)目從 14～20根大幅降低,甚至減為 2～4根橫撐,并最終取消各種形式的撐桿和節(jié)點(diǎn)。下浮體趨向采用簡(jiǎn)單箱形,平臺(tái)甲板主體也為規(guī)則箱形結(jié)構(gòu),且甲板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)層高 1～2 m的雙層底。

e) 采用高強(qiáng)度鋼 采用強(qiáng)度高、韌性好、可焊性好的高強(qiáng)度和甚高強(qiáng)度鋼,以減輕平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)自重,提高可變載荷與平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)自重比,提高總排水量與平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)自重比。例如,平臺(tái)總排水量與鋼結(jié)構(gòu)自重的比值,DSS 20型為 2.82,PETROBASXⅧ為 3.6,新型半潛平臺(tái)將超過(guò) 4.0。

f) 裝備先進(jìn)化 深海半潛式平臺(tái)裝備了新一代的鉆井設(shè)備、動(dòng)力定位設(shè)備和電力設(shè)備,監(jiān)測(cè)報(bào)警、救生消防、通訊聯(lián)絡(luò)等設(shè)備及輔助設(shè)施和居住條件也在增強(qiáng)與改善,平臺(tái)鉆井作業(yè)的自動(dòng)化、效率、安全性和舒適性等都有顯著提高。

2 深水鉆井船

鉆井船是移動(dòng)式鉆井裝置中機(jī)動(dòng)性最好的一種,如圖2。其移動(dòng)靈活,停泊簡(jiǎn)單,適用水深范圍大,特別適于深海水域的鉆井作業(yè)[7]。鉆井船主要由船體和定位設(shè)備 2部分組成。船體用于安裝鉆井和航行動(dòng)力設(shè)備,并為工作人員提供工作和生活場(chǎng)所。在鉆井船上設(shè)有升沉補(bǔ)償裝置、減搖設(shè)備、自動(dòng)動(dòng)力定位系統(tǒng)等多種措施來(lái)保持船體定位。自動(dòng)動(dòng)力定位是目前較先進(jìn)的一種保持船位的方法,可直接采用推進(jìn)器及時(shí)調(diào)整船位。全球現(xiàn)有 45艘鉆井船,其中額定作業(yè)水深超過(guò) 500 m的深水鉆井船有40艘,占總數(shù)的 88.9%。

鉆井船主要活躍在巴西海域、美國(guó)墨西哥灣和西非海域。2006-07,正在鉆井的 26艘深水鉆井船分布在 8個(gè)國(guó)家。其中巴西 8艘,占 1/3;其次是美國(guó),有 6艘;安哥拉、印度和尼日利亞分別有 4艘、3艘和 2艘;中國(guó)、馬來(lái)西亞和挪威各 1艘。

圖2 深水鉆井船

當(dāng)前世界上大型、先進(jìn)的石油鉆井船中具有代表性的有:

a) 由西班牙 Astano船廠于 2000年建成的Discoverer Spirit號(hào)鉆井船。該船配備鉆井雙作業(yè)系統(tǒng),鉆井工作水深為 3 048 m(10 000 ft),鉆井深度為 10 668 m(35 000 ft)。另外,Transocean公司的Discoverer Enterprise和 Discoverer Deep Seas均配備鉆井雙作業(yè)系統(tǒng),配有雙套 Emsco EH V 5 000 hp鉆機(jī),鉆深 10 668 m(35 000 ft),其工作水深分別為2 590 m(8 500 ft)和 2 438 m(8 000 ft),后均升級(jí)至3 048 m(10 000 ft)。

b) 由韓國(guó)三星船廠于 2000-03建成的Belford Dolphin號(hào) ,船長(zhǎng) 201 m(660 ft),寬 40 m(131 ft),型深 19.5 m(64 ft);工作水深 3 048 m(10 000 ft),鉆深 11 278 m;可變載荷 226 800 kN,(25 000 st);鉆機(jī)主絞車為 Hitec 4 851 kw(6 600 hp)。

c) GLOMAR CR.LU IGS號(hào)鉆井船。其工作水深為 3 658 m(12 000 ft),鉆深為 10 668 m(35 000 ft)。

今后鉆井船的主要發(fā)展特點(diǎn)是:

a) 設(shè)計(jì)工作水深將明顯增加,預(yù)計(jì)在未來(lái)20 a內(nèi),鉆井船的目標(biāo)水深將達(dá) 4 000～5 000 m(13 120～16 400 ft)。

b) 裝備先進(jìn)的、高精度的大功率動(dòng)力定位系統(tǒng)(DPS-3)。

c) 裝備大功率超深井鉆機(jī),目標(biāo)鉆井深度在10 668 m(35 000 ft)以上。預(yù)計(jì)在未來(lái) 20 a內(nèi),鉆井船的鉆井深度能力將突破 15 000 m。

d) 采用甚高強(qiáng)度鋼和優(yōu)良的船型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將總排水量與船總用鋼量的比值進(jìn)一步提高;船具有良好的安全性、抗風(fēng)暴能力,全球、全天候的工作能力和自持能力長(zhǎng)。

3 深水平臺(tái)鉆機(jī)

目前,深水平臺(tái)鉆機(jī)的作業(yè)水深已達(dá) 3 658 m(12 000 ft),最大鉆深 12 192 m(40 000 ft)。隨著海洋石油作業(yè)深度的加大,深水平臺(tái)鉆機(jī)的配置也不斷提高。Transocean海洋鉆探公司根據(jù)其豐富的海洋鉆井經(jīng)驗(yàn),于 20世紀(jì) 90年代提出一個(gè)井架內(nèi)配備 2個(gè)鉆井系統(tǒng)的理念,后來(lái)發(fā)展成雙井架鉆井技術(shù)。近年來(lái),雙井架鉆機(jī)技術(shù)日趨完善,在超深水鉆井中體現(xiàn)了其高效性,目前在建的平臺(tái)和鉆井船大多都采用雙井架鉆機(jī)技術(shù)。

從目前超深水鉆井平臺(tái)來(lái)看,雙井架的形式主要有 2種[7],即塔形和 A形井架。塔形雙井架使用的是電驅(qū)鉆機(jī)系統(tǒng),A形雙井架使用的是全液壓驅(qū)動(dòng)的鉆機(jī)系統(tǒng)。

3.1 A形雙井架鉆機(jī)

A形雙井架鉆機(jī)即全液壓雙井架鉆機(jī),主要生產(chǎn)商是致力于液壓鉆機(jī)發(fā)展的Maritime Hydraulics公司。這種無(wú)絞車、液缸升降型鉆機(jī)于 1996年開發(fā),研制出的 Ram Rig鉆機(jī)已基本形成系列,大鉤載荷 1 500～10 000 kN。全液壓驅(qū)動(dòng)雙井架鉆機(jī)首先在WestNavion鉆井船上配備使用,鉆井船工作水深2 438 m、鉆深 10 060 m。經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展,全液壓驅(qū)動(dòng)雙鉆機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟,在超深水半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船上有相當(dāng)數(shù)量的鉆機(jī)安裝使用。圖3為A形雙井架平臺(tái)。

圖3 West PhoenixA形雙井架平臺(tái)

與常規(guī)鉆機(jī)相比,Ram Rig液壓鉆機(jī)絞車和提升系統(tǒng)方案簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、成本低、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn);可完成鉆井、起下鉆、下套管或修井等作業(yè),動(dòng)力消耗較小?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和鉆井實(shí)踐表明,Ram Rig鉆機(jī)可提高鉆井效率 15%～20%;省去龐大的絞車和鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器,大大降低了鉆機(jī)質(zhì)量和制造成本;可與全液壓頂部驅(qū)動(dòng)、鐵鉆工、自動(dòng)排放鉆具、液壓機(jī)械手和天車型液壓鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器組合,完成全部鉆井工藝過(guò)程的自動(dòng)化操作。

目前使用A形雙井架的平臺(tái)和鉆井船服役的有 11座,在建的有 12座。

3.2 塔形雙井架鉆機(jī)

Transocean公司主要采用塔形雙井架,1998年在堪稱世界最先進(jìn)、最大的鉆井船 Discoverer Enterprise上首先配備了塔形雙井架。該船外形尺寸為254.5 m ×38.1 m ×18.9 m(長(zhǎng) ×寬 ×高 ),可變載荷 1.96×105kN,設(shè)計(jì)作業(yè)水深 3 048 m,鉆深10 668 m。船上配備的雙井架高 68.9 m、長(zhǎng) 24.4 m、寬 24.4 m,采用 2套同類型鉆機(jī)和相應(yīng)設(shè)備,以及 4臺(tái)驅(qū)動(dòng)功率 1.64 MW的 Nat′114-P-220型鉆井泵,鉆井船采用最新的 DPS-903DP型動(dòng)力定位系統(tǒng),總功率為 6×5.22 MW。

為了實(shí)施雙井架鉆井,其主要的鉆井設(shè)備為井架內(nèi)配備的 2套鉆機(jī)系統(tǒng),主鉆機(jī)大鉤載荷 8 894 kN,輔助鉆機(jī) 3 962 kN;還有 2套管子輸送裝置及管子處理裝置。圖4為塔形雙井架平臺(tái)。

圖4 塔形雙井架平臺(tái)

目前使用塔形雙井架的鈷機(jī)和鉆井平臺(tái)服役的有 9座,在建的有 19座。

3.3 雙井架鉆機(jī)鉆井過(guò)程

現(xiàn)以Discoverer Enterprise鉆井船為例說(shuō)明雙井架鉆井如何實(shí)施作業(yè)。鉆井船上有 2個(gè)獨(dú)立的鉆井中心,分為前后 2個(gè)作業(yè)區(qū)。主鉆機(jī)為前作業(yè)區(qū),輔助鉆機(jī)為后作業(yè)區(qū)。

由于井深、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜和油層壓力大,油井應(yīng)該有導(dǎo)管、表層套管、技術(shù)套管和油層套管 4層。雙井架鉆機(jī)進(jìn)行單井鉆井作業(yè)的基本步驟如下:

a) 鉆井船就位,鉆前準(zhǔn)備,主鉆機(jī)下井口盤。

b) 輔助鉆機(jī)鉆進(jìn),完成井口導(dǎo)管段。

c) 輔助鉆機(jī)下導(dǎo)管。

d) 主鉆機(jī)處進(jìn)行隔水管柱組裝。與步驟(b)、(c)同時(shí)進(jìn)行,并與步驟 (c)同時(shí)完成。

e) 鉆井船移位,使主鉆機(jī)位于井口上方,安裝隔水管。

f) 主鉆機(jī)鉆表層,同時(shí)輔助鉆機(jī)進(jìn)行鉆桿 /套管立根和底部鉆具總成組裝,為主鉆機(jī)做準(zhǔn)備。

g) 主鉆機(jī)下表層套管、固井,同時(shí)輔助鉆機(jī)進(jìn)行 BOP的安裝測(cè)試,并下放。

h) 鉆井船移回,使輔助鉆機(jī)位于井口上方,安裝BOP,然后鉆井船移回,完成隔水管和 BOP的連接。

i) 主鉆機(jī)鉆技術(shù)套管段,輔助鉆機(jī)作業(yè)同步驟(f)。

j) 主鉆機(jī)下技術(shù)套管、固井。

k) 主鉆機(jī)鉆油層、下油層套管,輔助鉆機(jī)完成采油樹安裝測(cè)試并下放。

l) 安裝采油樹,完井、試油。

以上所述步驟只是典型的鉆井過(guò)程,具體鉆井過(guò)程可根據(jù)實(shí)際情況而定。

3.4 特點(diǎn)分析

由以上鉆井過(guò)程可知,雙井架鉆機(jī)具有協(xié)同和并行作業(yè)的特點(diǎn)。在深海鉆井作業(yè)過(guò)程中,大部分時(shí)間是用于組裝、拆卸鉆桿及下放、回收水下器具等作業(yè)。通過(guò)雙聯(lián)井架并結(jié)合 2套提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及鉆井液循環(huán)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)主、輔雙井口作業(yè)方式,將一些準(zhǔn)備工作與正常鉆井同步進(jìn)行,大大提高鉆井效率。雖然雙聯(lián)井架系統(tǒng)增加了深水鉆機(jī)的成本,但是其對(duì)鉆井效率的提高是非常顯著的。例如,美國(guó)雙聯(lián)井架鉆井船Discover Spirit在Aconcagua海洋氣田鉆探時(shí)大約節(jié)省了 25%的作業(yè)時(shí)間,為鉆井公司創(chuàng)造了巨額利潤(rùn)。目前,雙聯(lián)井架技術(shù)已成為新型高性能深水鉆機(jī)的典型標(biāo)志。

4 深水鉆井隔水管

鉆井隔水管作為井口與平臺(tái)之間的重要部件,其主要功能是隔離海水、引導(dǎo)鉆具、循環(huán)鉆井液、起下海底防噴器組、系附壓井、放噴、增壓管線、補(bǔ)償鉆井船的升沉運(yùn)動(dòng)等,在勘探和鉆采平臺(tái)、浮式鉆井船上得到了廣泛應(yīng)用。

目前,已經(jīng)有幾家公司開發(fā)出了新型的深水鉆井隔水管[9]。

a) ABB Vetcogray公司 該公司開發(fā)的快速連接隔水管,采用的是MR-6E隔水管接頭及專用液壓上緊裝置,使得操作人員不需要手動(dòng)對(duì)接,就能上扣及夾緊隔水管,故能夠?qū)崿F(xiàn)快速對(duì)接、上扣及夾緊,顯著提高了下隔水管的速度,提高了鉆井效率,節(jié)約了鉆井成本。由于隔水管材料采用的是輕質(zhì)合金,因此不需要提高現(xiàn)有鉆井船的承載能力,就能在更深的水域進(jìn)行作業(yè)。

b) 俄羅斯 ZAO公司 該公司采用鋁合金(主要成分為 Al-Zn-Mg和 Al-Zn-Mg-Cu)作為隔水管材料,在滿足強(qiáng)度要求的條件下,鋁合金隔水管比鋼制隔水管更輕,在平臺(tái)承載能力保持不變的情況下,能夠在更大水深的海域鉆井。但是,ZAO公司隔水管采用的是法蘭連接,下隔水管時(shí)效低,不能有效提高鉆井效率。

c) 法國(guó) IFP和 Framatome公司 從 20世紀(jì)80年代起,法國(guó)石油研究院 (IFP)和 Framatome公司就在開發(fā) CLIP隔水管。開發(fā) CLIP隔水管的主要目的是為了提供快速和安全連接的隔水管接頭,滿足大直徑、超深水鉆井所需的高壓力壓井和節(jié)流管線的連接需要。目前,已經(jīng)為 Pride International公司制造了 2套系統(tǒng),Pride International公司已經(jīng)在Pride Africa和 Pride Angola鉆井船上使用。

CLIP隔水管的主要特點(diǎn)是隔水管接頭可快速上扣,不需要螺栓、螺紋或預(yù)加載操作,能夠顯著提高下隔水管效率,縮短鉆井時(shí)間,節(jié)約鉆井成本。

d) Cameron公司 該公司開發(fā)的 LoadKing型法蘭隔水管系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)的鋼制法蘭式連接隔水管系統(tǒng)。由于采用法蘭式連接,隔水管系統(tǒng)連接強(qiáng)度大,所以主要用來(lái)滿足水深在 3 048 m(10 000 ft)或以上的超深水鉆井的需求。該系統(tǒng)包括鉆井隔水管、張力環(huán)以及承載 18 144 kN(4×106lb)載荷等級(jí)的伸縮接頭鎖緊系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以和最高載荷等級(jí)的工業(yè)應(yīng)用的卡盤、萬(wàn)向節(jié)和送入工具配套使用。

e) 各家公司隔水管對(duì)比 以上幾家公司生產(chǎn)的深水鉆井隔水管系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、規(guī)格、材料以及其他方面都有諸多不同,對(duì)比如表1。從表1中可以看出,ABB Vetcogray公司的隔水管在主要性能上均優(yōu)于其他公司隔水管,這也代表了未來(lái)隔水管技術(shù)的發(fā)展方向。

表1 各家公司隔水管對(duì)比

5 深水鉆井防噴器系統(tǒng)

深水防噴器組是深水鉆井作業(yè)安全的重要保障,由于深水鉆井作業(yè)環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性,深水防噴器組的配置考慮因素和性能要求與陸地和淺水防噴器組相比有很大不同。

深水井鉆井作業(yè)一般使用第 5代鉆井平臺(tái)(船)、常規(guī)隔水管和水下防噴器系統(tǒng),作業(yè)費(fèi)用昂貴。20世紀(jì) 90年代末,業(yè)界提出使用水上防噴器(SBOP)、小直徑高壓隔水管和水下斷開系統(tǒng)進(jìn)行深水鉆井作業(yè)。由于小直徑高壓隔水管質(zhì)量和體積都大大減小,降低了對(duì)鉆井平臺(tái)性能的要求,這就可以用第 3或第 4代鉆井平臺(tái)作業(yè),其作業(yè)日費(fèi)可降低50%～60%。國(guó)外采用 SBOP技術(shù)完成了某些深水井的鉆井作業(yè),并對(duì)其設(shè)備制造規(guī)范、風(fēng)險(xiǎn)管理、井控等方面進(jìn)行了研究。

5.1 深水水上防噴器系統(tǒng)

SBOP最初主要應(yīng)用于淺水,隔水管直接下入泥線以下,并作為井的表層套管。當(dāng) SBOP技術(shù)應(yīng)用于深水鉆井作業(yè)時(shí),由于深水海洋環(huán)境比較惡劣,且發(fā)生淺層氣的危險(xiǎn)較大,必須在水下井口以上加入水下斷開系統(tǒng)(SDS)。SDS一般由應(yīng)急脫開裝置和 2個(gè)剪切閘板防噴器組成,以便在緊急情況下切斷鉆桿并封井,然后脫開與隔水管的連接。之所以采用 2個(gè)剪切閘板防噴器,主要是保證在封井時(shí)總有 2個(gè)防噴器可以不受鉆桿接頭的影響。

與常規(guī)隔水管系統(tǒng)相比,SBOP系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn),這些因素都能縮短鉆井周期[10-12]。

a) 其小直徑高壓隔水管沒(méi)有壓井和節(jié)流管線,占用體積小,質(zhì)量輕,使用鉆井液容積小,可使用小型鉆井平臺(tái)進(jìn)行深水作業(yè),從而節(jié)省作業(yè)費(fèi)用。

b) BOP在水面以上,試壓、井控及維修等作業(yè)都較常規(guī)隔水管系統(tǒng)方便。

c) 隔水管起下很快,由于隔水管直徑減小而使鉆井液循環(huán)周期減小。

SBOP系統(tǒng)的缺點(diǎn)是可下入的套管層次不多,但是在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中可使用膨脹管技術(shù)滿足套管層次的要求。

SBOP系統(tǒng)的一般組合形式從上至下為:小型鉆井平臺(tái)、撓性接頭、φ346.1 mm(135/8英寸)伸縮隔水管、具有 1個(gè) 346.1 mm環(huán)形防噴器、1個(gè) 346.1 mm單閘板防噴器和雙閘板防噴器的水上 BOP組、上部應(yīng)力短節(jié) (Upper stress joint)或稱為過(guò)渡短節(jié)(Upper transition joint)、鋼級(jí)為 P110的 φ339.7 mm(133/8英寸)高壓套管或 406.4 mm(16英寸)高壓套管作為隔水管、下部應(yīng)力短節(jié) (Lower stress joint)或稱為過(guò)渡短節(jié) (Lower transition joint)、由應(yīng)急脫開裝置和 2個(gè) 346.1mm剪切閘板防噴器組成的SDS、標(biāo)準(zhǔn) 476.3 mm(183/4英寸)H4連接器及水下井口、套管柱。

5.2 SBOP系統(tǒng)應(yīng)用情況

2003年,Shell石油公司在巴西 Campos盆地利用 SBOP技術(shù)成功完成水深 2 887 m的深水鉆井作業(yè),鉆井周期為 52.8 d,采用動(dòng)態(tài)定位半潛式平臺(tái)和339.7 mm高壓隔水管,該井的套管層次為 762.0 mm ×339.7 mm ×244.5 mm ×177.8 mm。

2004年,Total石油公司在印度尼西亞 2 000 m深水區(qū)采用帶環(huán)境保護(hù)裝置 (ESG)的 SBOP技術(shù)成功完成OTI-1井的鉆井作業(yè),該 ESG裝置實(shí)際就是1個(gè)水下斷開系統(tǒng),該井使用 762.0 mm導(dǎo)管作為結(jié)構(gòu)支撐,鉆井過(guò)程中下入膨脹套管保證后續(xù)作業(yè)順利完成,其套管層次為 762.0 mm ×339.7 mm ×244.5 mm ×177.8 mm。

2008年,Shell和 Transocean公司采用 SBOP系統(tǒng)在巴西對(duì) 1口 2 100 m水深的井進(jìn)行了鉆井和完井作業(yè),該井采用系泊式平臺(tái)和 φ406.4 mm(16英寸)高壓隔水管,其套管層次為 914.4 mm ×339.7 mm ×244.5 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)石油天然氣的需求不斷增長(zhǎng),油氣資源勘探開發(fā)向深海進(jìn)軍已成必然趨勢(shì)。我國(guó)深海油氣開發(fā)起步比較晚,深水鉆完井技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相比存在很大差距,在很多方面缺乏自主的關(guān)鍵技術(shù)。為加快我國(guó)深水油氣勘探開發(fā)的速度,有必要本著“引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新、運(yùn)用”的原則,加大包括深水鉆井平臺(tái) (船)、高效鉆機(jī)、隔水管系統(tǒng)等在內(nèi)的前沿高新技術(shù)研究力度,研發(fā)適用于深水鉆井作業(yè)的重大裝備和技術(shù),形成一整套適合我國(guó)深水油氣勘探鉆井開發(fā)的技術(shù)體系,為我國(guó)的深水勘探和開發(fā)提供有效的技術(shù)和裝備支撐。

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Development Tendency of Offshore Petroleum Drilling Equipment in Deep Water

ZHAO Hong-shan,LIU Xin-hua,BAI Li-ye
(Drilling Technology Research Institute,Shengli Petroleum Adm inistration Bureau,Dongying257017,China)

TE951

A

1001-3482(2010)05-0068-07

2009-11-04

趙洪山 (1980-),男,河南開封人,博士,2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院,現(xiàn)從事石油氣井管柱力學(xué)方面的研究,E-mail:zhaohongshan2002@163.com。