深水鉆井裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素

劉雙瑩，孫明遠(yuǎn)(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075)

0 引言

深水鉆井裝置按照船型分為半潛式鉆井平臺(tái)與鉆井船(如圖1)，按照定位方式分為錨泊定位與動(dòng)力定位，深水鉆井裝置選型是深水鉆井計(jì)劃需完成的首要工作[1]，此外，對(duì)深水鉆井裝置的配套設(shè)備選取也要慎之又慎。

圖1 鉆井平臺(tái)和鉆井船示例

1 深水鉆井裝置選擇的一般性原則

1.1 鉆井作業(yè)環(huán)境

深水鉆井作業(yè)環(huán)境主要考慮氣候條件(如臺(tái)風(fēng))、水文環(huán)境、水深和海床地質(zhì)條件。在選擇鉆井裝置時(shí)，需要依據(jù)作業(yè)海區(qū)的海洋環(huán)境條件對(duì)鉆井裝置的運(yùn)動(dòng)性能、隔水管性能、下防噴器、下套管等作業(yè)過(guò)程等進(jìn)行詳細(xì)分析與評(píng)價(jià)；確認(rèn)鉆井裝置的設(shè)備性能與特點(diǎn)能否滿足地質(zhì)、環(huán)境和氣候條件的安全要求，還必須確保鉆井裝置的生存能力滿足環(huán)境要求[2]。

1.2 深水鉆井裝置的船型

對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船的性能進(jìn)行綜合比較，一般而言：半潛式鉆井平臺(tái)穩(wěn)定性好，適合于較惡劣的作業(yè)海況，作業(yè)氣候窗口寬，作業(yè)效率高，但機(jī)動(dòng)性差；鉆井船具有良好機(jī)動(dòng)性，可變載荷大，存儲(chǔ)容量大，較半潛式鉆井平臺(tái)易維護(hù)，但惡劣環(huán)境的作業(yè)適應(yīng)性差，作業(yè)氣候窗口窄。

1.3 定位方式

實(shí)際作業(yè)中，綜合各方面因素，通常在水深1 000 m以內(nèi)，采用錨泊定位鉆井裝置。水深在1 000 m以上時(shí)，需要?jiǎng)恿Χㄎ?，推進(jìn)器協(xié)助錨鏈定位或者是全部動(dòng)力定位。

(1)錨泊定位。對(duì)于深水鉆井裝置錨泊定位而言，常用的系泊形式為錨鏈?zhǔn)?、鋼纜式、合成纖維纜式或復(fù)合方式。錨泊定位的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省燃油費(fèi)用和作業(yè)可靠性高，主要缺點(diǎn)為適用水深范圍有限、起拋錨的時(shí)間長(zhǎng)、起拋錨船能力要求高等。

(2)動(dòng)力定位。動(dòng)力定位系統(tǒng)水深適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)海床條件無(wú)要求，就位和離位效率高，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，無(wú)需起拋錨船和拖船，對(duì)三用船工作船無(wú)特殊要求。動(dòng)力定位系統(tǒng)存在的不足：日租金相對(duì)高耗油量大，操作成本高不適用于淺水區(qū)，作業(yè)維修和定期檢驗(yàn)要求高，存在動(dòng)力與定位系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 井別

在鉆井裝置的選擇中，需要考慮井別，勘探井還是開(kāi)發(fā)井，對(duì)于勘探井而言，需要鉆井裝置有較好的適應(yīng)性，機(jī)動(dòng)性，可變載荷大和自持能力強(qiáng)，以及在極端條件下的仍然具有安全控制能力。對(duì)于開(kāi)發(fā)井而言，需要高的效率，可采用雙作用鉆機(jī)或交叉作業(yè)，對(duì)設(shè)備處理和安裝能力要求高，甲板空間大，起重機(jī)能力強(qiáng)，同時(shí)也要兼顧完井、采油、修井的效率。

1.5 鉆井裝置的限制條件

(1)鉆井作業(yè)限制條件。鉆井裝置最大作業(yè)條件是指為能夠進(jìn)行鉆井作業(yè)的最大風(fēng)、浪和流的組合，作業(yè)限制條件決定了什么工況下需要停止操作以避免嚴(yán)重的事故。需要針對(duì)具體的鉆井裝置，根據(jù)過(guò)去井位所在海域的氣候/環(huán)境情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定最大作業(yè)限制條件及作業(yè)環(huán)境的要求，并評(píng)估出預(yù)計(jì)停工期。鉆井裝置的水下設(shè)備操作主要受到水流和水深的限制。在選擇設(shè)備的時(shí)候必須考慮設(shè)備使用水深、海洋環(huán)境、甲板空間面積，月池設(shè)施的限制，考察操作水下設(shè)備的能力。

(1)脫離操作限制條件。脫離操作限制條件是指為需要進(jìn)行隔水管脫離的最大風(fēng)、浪和流的組合，脫離操作限制條件決定了什么工況下需要脫離。需要針對(duì)具體的鉆井裝置，根據(jù)過(guò)去井位所在海域的氣候/環(huán)境情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定脫離操作限制條件及環(huán)境的要求。作業(yè)海域的風(fēng)浪流組合所產(chǎn)生的極端環(huán)境會(huì)對(duì)鉆井裝置的安全產(chǎn)生危害，因此深水鉆井裝置一般都設(shè)計(jì)有惡劣環(huán)境脫離裝置并要求作脫離操作的極限設(shè)計(jì)，以確保鉆井裝置設(shè)備安全。

(3)生存限制條件。生存限制條件是指在極端環(huán)境條件下保證鉆井裝置自存的最大的風(fēng)、浪和流的組合，必須清楚了什么情況下將發(fā)生災(zāi)難性事故并采取預(yù)防措施，這需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐暮r條件，對(duì)鉆井裝置的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確定鉆井裝置生存的限制條件。在選擇鉆井裝置時(shí)，必須確定鉆井裝置的生存限制條件，以確保鉆井裝置安全。

2 主要鉆井設(shè)備選擇原則

在選擇鉆井平臺(tái)進(jìn)行鉆井時(shí)，對(duì)一些關(guān)鍵的設(shè)備要進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)估，必要時(shí)要進(jìn)行計(jì)算分析，如：鉆機(jī)大鉤載荷、電力負(fù)荷、可變載荷、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、隔水管系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等。

2.1 深水鉆機(jī)系統(tǒng)選擇

(1)最大鉤載的限制。深水鉆機(jī)最大鉤載與水深、井深、井眼軌跡、鉆具重量、套管柱重量、水下器具重量、鉆井裝置的運(yùn)動(dòng)性能等有關(guān)；確定深水鉆機(jī)大鉤載荷承受的載荷時(shí)需要考慮以下工況：下隔水管/防噴器、下套管、起下鉆桿，在這些工況中，需要考慮三類(lèi)載荷，即靜載荷、鉆井平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)載荷以及作業(yè)動(dòng)載荷。

(2)鉆井液泵壓力、功率。深水鉆機(jī)鉆井液泵主要根據(jù)鉆井過(guò)程中最大泵壓、最大功率進(jìn)行配置。由于處理淺層地質(zhì)危害(如淺層水、氣)、噴射鉆井、以及井下動(dòng)力鉆具的需要，一般深水鉆機(jī)鉆井液泵的功率和壓力都要求比較大。同時(shí)深水鉆機(jī)須配備隔水管鉆井液增壓泵。

(3)轉(zhuǎn)盤(pán)靜載荷和開(kāi)口直徑。轉(zhuǎn)盤(pán)開(kāi)口直徑和靜載荷是轉(zhuǎn)盤(pán)的主要參數(shù)。轉(zhuǎn)盤(pán)靜載荷必須能夠滿足懸掛所有鉆柱、套管柱的重量(含動(dòng)載荷)。深水鉆井用的轉(zhuǎn)盤(pán)，必須能夠順利通過(guò)作業(yè)所用的隔水管(包括外側(cè)包裹的浮力塊)和鉆井工具。

(4)鉆井液池容積。進(jìn)行鉆機(jī)選擇配置時(shí)，要根據(jù)隔水管容量、井身結(jié)構(gòu)等確定不同井段內(nèi)的鉆井液用量以及總鉆井液用量，同時(shí)考慮緊急情況的安全余量，如淺層壓井鉆井液、隔水管緊急脫開(kāi)損失鉆井液等。

(5)鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。鉆柱補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償行程、最大靜載荷等須滿足深水環(huán)境下的使用要求，最大靜載荷要求很高，例如HY981深水鉆機(jī)的補(bǔ)償行程為7.62 m，最大靜載荷為453 t 。鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置分為主動(dòng)型(包括絞車(chē)主動(dòng)補(bǔ)償與天車(chē)主動(dòng)補(bǔ)償)和被動(dòng)型，第5、6代深水鉆機(jī)多采用主動(dòng)補(bǔ)償裝置。

2.2 深水鉆井隔水管選擇與設(shè)計(jì)

深水隔水管需要承受大的張緊力和具有抵抗環(huán)境載荷的能力。隔水管的重量和甲板存儲(chǔ)要求在深水鉆井裝置選擇時(shí)應(yīng)予以考慮。隔水管系統(tǒng)和防噴器系統(tǒng)安裝效率也須考慮[3]。深水鉆井中遇到的一個(gè)主要問(wèn)題是由于波浪和流等環(huán)境載荷引起隔水管的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)在早期結(jié)合鉆井設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，進(jìn)行隔水管的作業(yè)設(shè)計(jì)。

(1)水下填充閥。深水鉆井隔水管須配備水下填充閥，防止可能產(chǎn)生隔水管的擠毀。往往在水下457.2 m左右位置配置填充閥。一旦壓力差達(dá)到了預(yù)定值，閥門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，允許海水進(jìn)入填充隔水管[4]。除了自動(dòng)操作之外，作業(yè)人員也可以在水面使用液壓控制面板遙控操作填充閥。

(2)浮力塊。通常深水鉆井隔水管均用浮力塊控制隔水管柱浮重。浮力塊的長(zhǎng)度一般為4.572 m，浮力塊提供的凈浮力可將隔水管單根的浮重相對(duì)于空氣中重量減小90%～95%。

(3)隔水管張緊系統(tǒng)。在選擇深水鉆機(jī)時(shí)，需要根據(jù)隔水管所需的張緊力來(lái)校核隔水管張緊系統(tǒng)的能力，隔水管所需的最小張緊力計(jì)算是以隔水管柱(包括隔水管內(nèi)的鉆井液)在水中的重量為計(jì)算依據(jù)的。

(4) 隔水管接頭。接頭依據(jù)以下內(nèi)容選擇：接頭強(qiáng)度、支承環(huán)的負(fù)荷等級(jí)、抗疲勞性、可靠性、連接速度、接成預(yù)壓載荷、維護(hù)要求、主管尺寸、強(qiáng)度/重量比。深水鉆井應(yīng)盡可能的選擇快速接頭，以提高作業(yè)時(shí)效。

2.3 深水鉆井防噴器

與淺水防噴器組相比，深水防噴器組對(duì)防噴器控制系統(tǒng)的工作能力和響應(yīng)時(shí)間提出了更高的要求，要求使用的液壓控制液為無(wú)腐蝕性、無(wú)污染環(huán)保流體。同時(shí)為保證液壓控制系統(tǒng)有足夠快的響應(yīng)時(shí)間，這種工作液黏度應(yīng)該盡量低并具備很好的潤(rùn)滑性，還要能和海水很好的混合而不影響性能[4]。

(1)防噴器壓力等級(jí)。防噴器壓力等級(jí)的選擇主要根據(jù)地層壓力的情況，通常選69 MPa或103.4 MPa壓力等級(jí)。在深水鉆井作業(yè)進(jìn)行防噴器試壓時(shí)要格外注意防噴器的壓力等級(jí)及所用的鉆井液比重，也要考慮鉆井液液柱與海水梯度產(chǎn)生的壓差，隨著水深的增加，更應(yīng)當(dāng)引起重視。

(2)防噴器組控制系統(tǒng)。用于深水鉆井防噴器組的控制系統(tǒng)一般有兩種：液壓控制系統(tǒng)和電液控系統(tǒng)。在大多數(shù)的深水鉆井作業(yè)中，尤其是在超深水鉆井作業(yè)時(shí)，更多的選用電液體控系統(tǒng)。鉆井裝置的定位方式、水深、海況以及井控要求等會(huì)影響控制系統(tǒng)的選擇，其中應(yīng)特別關(guān)注控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

API RP 16E中規(guī)定，水下防噴器組控制系統(tǒng)應(yīng)在45 s或者更短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉任何一個(gè)閘板防噴器，萬(wàn)能防噴器組關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間不能超過(guò)60 s，節(jié)流/壓井閥開(kāi)啟或關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間不能夠超過(guò)閘板防噴器關(guān)閉的最小響應(yīng)時(shí)間，解脫底部隔水管總成的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)45 s。

3 結(jié)語(yǔ)

深水鉆井作業(yè)相較于常規(guī)淺水，作業(yè)環(huán)境更加惡劣，設(shè)備也更加繁雜。本文通過(guò)總結(jié)深水鉆井裝置和主要鉆井設(shè)備的選型因素，可得超過(guò)1 000 m作業(yè)的深水鉆井裝置選擇更加傾向動(dòng)力定位；鉆井設(shè)備傾向選取大鉤載和大功率的鉆機(jī)，載荷更大、連接快速的隔水管，電液復(fù)合控制的防噴器。