井工廠式極地專用大位移鉆機介紹

王建寧，劉 暢，沈海超，萬州亮，田院生，鄭 力

（中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100026）

井工廠式極地專用大位移鉆機介紹

王建寧*，劉 暢，沈海超，萬州亮，田院生，鄭 力

（中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100026）

隨著傳統(tǒng)區(qū)域油氣資源的枯竭，人們越來越重視極地的勘探和開發(fā)。極地區(qū)域氣候條件惡劣，鉆井難度大。薩哈林1號項目的Yastreb鉆機是一臺專為極地設計的井工廠式大位移鉆機，可在零下40℃環(huán)境下作業(yè)，并能抵御8級烈度地震。該鉆機經(jīng)不斷改進成功鉆探了33口大位移井，在有限的井場面積內開發(fā)了2個近海油氣田。該鉆機配備TDX-1250型大功率頂驅、全封閉式井架、專業(yè)管棚和集約化鉆井輔助模塊，最大鉆探深度超過12000m，水平鉆探位移超過11000m。中國石化集團所屬的維寧區(qū)塊與該鉆機所處的柴沃油田是相鄰區(qū)塊，兩者離岸距離和油藏埋深都非常接近。Yastreb鉆機對維寧區(qū)塊大位移鉆機的選擇有積極的指導意義。

井工廠；極地；鉆井；大位移鉆機；油氣田

隨著傳統(tǒng)地區(qū)油氣資源的逐漸枯竭，環(huán)境惡劣的極地成為油氣勘探的新熱點。但極地區(qū)域冬季漫長、氣候寒冷、環(huán)境脆弱。特別是極地海區(qū)大部分時間被冰雪覆蓋，移動式鉆井平臺年作業(yè)窗口非常狹窄，而固定式冰級平臺投資巨大，后勤補給和油氣外輸都很困難，環(huán)保要求苛刻。俄羅斯薩哈林島東北大陸架在地理上就屬于極地氣候[1]。為了開發(fā)該區(qū)域的近海油氣田，薩哈林1號項目聯(lián)合Park Drilling公司制造出世界上第一臺井工廠式極地專用大位移鉆機Yastreb號，來實現(xiàn)海油陸采。該鉆機功能強大，最大水平鉆探位移可超過11000m，迄今為止已鉆成大位移井33口，成功開發(fā)了柴沃和奧多普圖2個近海油氣田。中國石化集團所屬的薩哈林3號項目維寧區(qū)塊毗鄰柴沃油田，兩者地理環(huán)境和油氣藏離岸距離都非常相似。Yastreb鉆機的功能和結構特點對維寧區(qū)塊未來鉆機的選擇有積極的借鑒意義。

1 Yastreb鉆機特點和功能

Yastreb鉆機是目前世界上在產(chǎn)的唯一一臺針對極地氣候設計的井工廠式大位移鉆機。自投產(chǎn)以來經(jīng)過多次技術改造，始終在業(yè)內處于領先地位，并突出表現(xiàn)為以下幾個特點。

鉆探能力超強。該鉆機為直流變頻驅動鉆機。頂驅最大承重載荷1250t，持續(xù)扭矩122kN·m，最大鉆探深度超過12000m，水平位移超過11000m。2013年該鉆機在柴沃油田所鉆的Z-42井創(chuàng)造了井深12700m，水平位移11739m的最新世界紀錄，用時僅70d[2]。目前世界前3口最大井深大位移井（Z-42，Z-44和OP-11）均為該鉆機鉆探。國內寶雞石油機械廠生產(chǎn)的ZJ120DB型鉆機名義鉆探深度已達到到12000m，取得可喜的成就。但遺憾的是適合大位移井鉆探作業(yè)的扭矩超過90kN·m的大功率頂驅仍未實現(xiàn)國產(chǎn)化。

配置集約化。Yastreb鉆機由鉆機主體、鉆機輔助模塊、管棚等3大部分組成。如圖1所示。鉆機主體下部架設有2條滑動導軌和4個1500L電動液壓缸。柴油機、發(fā)電機、泥漿泵、固控設備、泥漿罐等集中分層安裝在輔助模塊里，節(jié)省了總占地面積。全封閉式管棚為鉆桿和套管水平存放區(qū)，下部同樣設有導軌。在不同井間作業(yè)時鉆機各部件整體移動，無需任何拆卸和重新連接。鉆機在井間滑移一般用時在2h以內。Yastreb實現(xiàn)了一臺鉆機利用一個井場快速開發(fā)一個油田的井工廠模式[3]。

作業(yè)自動化。鉆臺立管盒內只有3000m的鉆桿容積。大部分鉆桿水平放置在管棚內。井架二層臺不設井架工工位。接、起鉆桿均使用鉆臺擺管臂和液壓貓道機配合頂驅來完成。鉆具上扣和卸扣作業(yè)由鐵鉆工完成并使用液動卡瓦代替手動卡瓦。管棚內設有連扣機，可實現(xiàn)?60.33mm～?346mm管具的連、卸扣作業(yè)。管子桁吊機可實現(xiàn)場地管子擺放的自動化。

圖1 Yastreb鉆機布局

設計人性化。鉆機雖然位于極地寒冷氣候中，但鉆機內部裝備暖風系統(tǒng)，能保證工人在21℃恒溫條件下舒適工作。由于設備自動化程度較高，人員的體力勞動強度較普通陸地鉆機大為降低。由于鉆機和輔助設備整體移動，工人也無需在寒冷條件下進行室外復雜的連接作業(yè)。此外鉆機外部通向庫房和住宿區(qū)的步道，均采用高架網(wǎng)板橋的結構，利于在大雪條件下的人員通行。

地域針對性強。鉆機所處區(qū)域冬季最低溫度零下40℃，最大風速75節(jié)，50年一遇地震烈度Ⅷ級，區(qū)域環(huán)境極度敏感。針對以上區(qū)域特點，鉆機主體、輔助模塊和管棚實行全密封保溫設計，主要受力單元的鋼材為低溫鋼材質，整體滿足零下40℃工作環(huán)境。鉆機在井架前面設計安裝一個副井架以提高抗風、抗扭和抗震能力，同時利用副井架空間安裝擺管臂和立管盒。此外，導軌的樁基打入地面以下16m的永凍層以使鉆機整體達到抵抗8級地震能力。鉆臺上設有廢漿導流槽，管棚和輔助模塊下部使用鋼板封閉，在鋼板上也設有多條油水導流槽。最終污、油水會聚集到廢液罐，后經(jīng)巖屑注入系統(tǒng)注入到地下。污、油水從產(chǎn)生到注入地下和外界環(huán)境沒有任何接觸。

Yastreb鉆機特色鮮明，針對性強，有效滿足了極地區(qū)域大位移鉆井作業(yè)的需要。目前國內鉆機生產(chǎn)商對極地鉆機較為注重低溫鋼材的使用和少數(shù)關鍵部位的保溫，但對鉆機整體保溫、自動化與人性化設計、環(huán)保措施等方面研究較少。隨著國內油公司走出去步伐的加快和對于極地鉆機需求的增加，國內鉆機生產(chǎn)單位應對上述方面予以重視。

2 主要設備與參數(shù)

2.1 大功率頂驅裝置

頂驅是大位移鉆井的最關鍵設備之一。Yastreb鉆機在投產(chǎn)初期使用了當時Vaco公司最先進的TDS-8SA型電動直流頂驅。該頂驅在110r/min條件下連續(xù)工作扭矩為81kN·m。但在薩哈林1號項目的大位移井中，在8000m左右井深的?311.2mm井段和10000m左右井深的?215.9mm井段經(jīng)常遇到鉆進扭矩超過80kN·m的情況，不得不以犧牲機械鉆速為代價來保證頂驅的正常工作。后Vaco公司為此專門設計生產(chǎn)了目前世界上最大功率的TDX-1250型大功率交流變頻頂驅，基本解決了薩哈林1號項目大位移鉆井頂驅扭矩短板問題[4]。TDX-1250型大功率頂驅主要參數(shù)見表1。

表1 TDX-1250型大功率頂驅主要參數(shù)

2.2 循環(huán)系統(tǒng)設備

泥漿循環(huán)壓力高是大位移井施工的主要特點之一。Yastreb鉆機配備了4臺國民油井公司生產(chǎn)的12P-160型三缸柱塞泵。在薩哈林1號項目大位移井9000m以下井段，循環(huán)壓力普遍在34.5MPa以上，泥漿泵泵頭刺漏故障頻繁。經(jīng)常出現(xiàn)泥漿泵用三修一甚至用二修二現(xiàn)象。這一點應引起相關制造商的重視。12P-160泥漿泵主要參數(shù)見表2。

固控設備配備Derrick振動篩8臺、除砂器1臺、除泥器2臺、離心機1臺。泥漿循環(huán)罐總容積285m3，備用罐總容積365m3，儲備罐總容積1564m3。

2.3 提升設備

Yastreb絞車型號為OⅡME E-3000，輸入功率為2235kW，性能低于目前國內9000m鉆機通常配備的2570kW的絞車。此外，Yastreb鉆機的絞車處于高位，即安裝在鉆臺上，以利于井架全封閉保溫，這一點與國內大功率陸地鉆機不同。

表2 12P-160泥漿泵主要參數(shù)

井架高54.86m，安裝天車部位尺寸為3.8m×3.9m以適應大功率頂驅的安裝。井架最大額定靜載7500kN，在排滿鉆桿立柱條件下抗風能力達70節(jié)，無立柱條件下抗風能力為75節(jié)。鉆臺凈高10.67m，平面尺寸為10.7m×7.6m。

2.4 管棚

管棚長40.37m，寬40m，總面積1615m2，凈高7m，可同時水平放置12000m的鉆具和8000m的?244.5mm套管。管棚內有液壓貓道機1臺，型號為NOV Hydralift；鉆具連扣機1臺，型號為Weatherford Torque Wizard 15-210(5)，適應鉆具通徑范圍為?76.2mm～?381mm；套管連扣機1臺，型號為CAM Unit F-13.375/100，適應管具通徑范圍為?60.3mm～?346mm；吊管機2臺。管棚在滿載荷條件下總重3500t。

2.5 配備鉆具

Yastreb鉆機開始時僅配備了?149.27mm WT56型鉆桿，但在柴沃油田大位移井實鉆過程中鉆桿磨損較大，施加扭矩受到限制。之后在奧多普圖油田鉆探時改配置為?168.28mm XT69、?149.23mm XT57和?127mm HT50等3種類型鉆桿，并實行倒塔式鉆具組合。上部井段使用?168.28mm XT69和?149.23mm XT57兩種鉆桿，在?215.9mm井段使用?127mm HT50型鉆桿。鉆具整體抗扭效果良好，并可降低當量循環(huán)密度0.18g/cm3以上。上述4種鉆桿數(shù)據(jù)請見表3。

表3 Yastreb配備鉆桿數(shù)據(jù)

3 完成的鉆井情況

Yastreb鉆機共在薩哈林1號項目鉆探大位移井33口，其中在柴沃油田1期鉆探16口，在奧多普圖油田鉆探9口，在柴沃油田2期鉆探8口。所鉆井中共有21口大位移井井深超過10000m。超過10000m的大位移井平均用時少于60d，平均非生產(chǎn)時效小于8%。其中OP-11井井深 12345m，垂深 1784m，水平位移11479m，鉆井周期58d，非生產(chǎn)時效小于1%，是薩哈林1號項目建井效率最高的井[5]。

4 結論

（1）Yastreb鉆機設計專業(yè)、理念先進是世界首臺井工廠式極地專用大位移鉆機，高效開發(fā)了薩哈林1號項目2個近海油氣田。同時Yastreb鉆機也在施工過程中不斷總結經(jīng)驗，通過升級改造克服各種困難。

（2）雖然極地氣候惡劣，但全密封井架、專業(yè)管棚并配備適當?shù)呐L系統(tǒng)完全有能力滿足保溫需要。副井架的安裝、減少鉆臺立柱數(shù)量和樁式地基是預防地震的有效手段。

（3）高扭矩頂驅和鉆具是大位移鉆井的關鍵工具。從Yastreb配置升級情況來看，對于10000m以上的大位移井應該配備100kN·m以上連續(xù)扭矩能力的大功率頂驅。高扭矩鉆桿配置方面應以倒塔式鉆具組合方式為宜，上部大尺寸鉆桿可以滿足高扭矩需要，下部小直徑鉆桿可以降低當量循環(huán)密度。

（4）國民油井公司4臺12P-160型三缸柱塞泥漿泵可以滿足10000m以上大位移鉆井需要，但故障率過高，有升級的必要。

（5）Yastreb鉆機對中石化維寧區(qū)塊大位移鉆機的選擇有積極的參考意義，同時對國內企業(yè)極地鉆機的研發(fā)也有借鑒意義。

[1]Michael W.Walker.Pushing the Extended Reach Envelope at Sakhalin:An Operator's Experience Drilling a Record Reach Well[R].SPE 151046,IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition held in San Diego,California,USA,6-8 March 2012.

[2]Morten Grini,Vincent Kessler.Sakhalin-1:Key Chayvo Drilling Results and Planning the Interfield move of the World's Largest land Rig on Sakhalin Island[R].OTC 20308 Offshore Technology Conference in Huston,Texas,USA 4-7 May,2009.

[3]Jim Ladlee.The Implications of Multi-Well Pads in the Marcellus Shale[J/OL].Research&Policy Brief Series,http://cardi.cornell.edu/cals/devsoc/outreach/cardi/publications/research-and-policy-brief-series.cfm,2011,9.

[4]Vishwas P.Gupta,Angel H.P.Yeap,Kyle M.Fischer,et al.Expanding the Extended Reach Envelope at Chayvo Field,Sakhalin Island[R].IADC/SPE 168055,2014 IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition,4-6 March,Fort Worth,Texas.

[5]Jed M.Hmilton,Josh E.Jones.Sakhalin-1:Technology Development for Frontier Arctic Projects[R].OTC20208 Offshore Technology Conference in Huston,Texas,USA 4-7 May,2009.

TE922

B

1004-5716(2015)03-0073-04

2015-01-13

2015-01-15

中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司北維尼凝析氣田大位移井鉆完井技術研究（編號：RS012009）。

王建寧（1981-），男（漢族），河南鹽山人，工程師，現(xiàn)從事海洋鉆井技術管理工作。