超深水鉆井中的高效鉆機(jī)與雙井架鉆機(jī)技術(shù)對比分析

超深水鉆井中的高效鉆機(jī)與雙井架鉆機(jī)技術(shù)對比分析

0超深水鉆井的工藝和設(shè)備根據(jù)2002年在巴西舉行的世界石油大會的報告，油氣工程的開發(fā)水平達(dá)到1500米，被稱為超深水作業(yè)。在超深水海域蘊(yùn)含著大量的油氣資源,超深水鉆井作業(yè)從20世紀(jì)80年代才開始。雖然這些鉆井活動取得了一定的經(jīng)驗,但是由于鉆井裝備和工藝的局限,使得超深水鉆井作業(yè)很困難,傳統(tǒng)的鉆井方法和設(shè)備已經(jīng)不再適用于超深水鉆井。真正的突破在20世紀(jì)90年代,其間出現(xiàn)了新的鉆井工藝和設(shè)備,超深水鉆井變得可行。目前,超深水半潛式平臺和鉆井船正在大量建造,世界海洋石油公司紛紛加入到超深水鉆井中來超深水作業(yè)的鉆井平臺主要是第5、6代平臺。與傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)相比,超深水鉆井的工藝和設(shè)備都有了很大的進(jìn)步。筆者通過介紹雙井架鉆機(jī)技術(shù)和高效鉆機(jī)技術(shù),闡明了超深水鉆井設(shè)備配置及其鉆井過程,分析了超深水鉆井新技術(shù)的特點(diǎn)。1雙井架鉆機(jī)技術(shù)Transocean海洋鉆探公司生產(chǎn)海洋鉆探設(shè)備,特別是超深水及惡劣環(huán)境下的鉆井系統(tǒng)。該公司根據(jù)其豐富的海洋鉆井經(jīng)驗,于20世紀(jì)90年代提出一個井架內(nèi)配備2個鉆井系統(tǒng)的理念,后來發(fā)展成雙井架鉆井技術(shù)。近年來,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,目前在建的平臺和鉆井船大多都采用雙井架鉆機(jī)技術(shù)。同時,Transocean公司還就雙井架技術(shù)申請了專利,即“多重作業(yè)海上勘探開發(fā)鉆井方法和設(shè)備”(Multi-activityoffshoreexplorationand/ordevelopmentdrillmethodandapparatus)從目前超深水鉆井平臺來看,雙井架的形式主要有2種,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)動的鉆機(jī)系統(tǒng)。下面對這2類雙井架的特點(diǎn)進(jìn)行介紹。1.1全液壓驅(qū)動雙鉆機(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MaritimeHydraulics公司。這種無絞車、液缸升降型鉆機(jī)于1996年開發(fā),研制出的RamRig鉆機(jī)已基本上形成系列,大鉤載荷范圍1500～10000kN。全液壓驅(qū)動雙井架鉆機(jī)首先在WestNavion鉆井船上配備使用,鉆井船工作水深2438m、鉆深10060m。經(jīng)過這些年的發(fā)展,全液壓驅(qū)動雙鉆機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟,在超深水半潛式鉆井平臺和鉆井船上有相當(dāng)數(shù)量的鉆機(jī)安裝使用圖1、圖2分別是A形雙井架平臺圖和鉆井設(shè)備圖。與常規(guī)鉆機(jī)相比,RamRig液壓鉆機(jī)絞車和提升系統(tǒng)方案簡單、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),動力消耗較小?，F(xiàn)場試驗和鉆井實(shí)踐表明,RamRig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、鐵鉆工、自動排放鉆具、液壓機(jī)械手和天車型液壓鉆柱運(yùn)動補(bǔ)償器組合而成全部鉆井工藝過程的自動化操作系統(tǒng)。使用A形雙井架的平臺和鉆井船目前服役的有11座,在建的有12座。1.2塔形雙井架及鉆機(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DiscovererEnterprise上首先配備了塔形雙井架。該船外形尺寸為254.5m×38.1m×18.9m(長×寬×高),可變載荷1.96×10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8894kN,輔助鉆機(jī)3962kN;還有2套管子輸送裝置及管子處理裝置。圖3為塔形雙井架平臺圖。使用塔形雙井架的平臺和鉆井船目前服役的有9座,在建的有19座。1.3超深水多井鉆井的施工主要步驟現(xiàn)以DiscovererEnterprise鉆井船為例,說明雙井架鉆井如何實(shí)施。鉆井船上有2個獨(dú)立的鉆井中心,分為前后2個作業(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:(1)鉆井船就位,鉆前準(zhǔn)備,主鉆機(jī)下井口盤。(2)輔助鉆機(jī)鉆進(jìn),完成井口導(dǎo)管段。(3)輔助鉆機(jī)下導(dǎo)管。(4)主鉆機(jī)處進(jìn)行隔水管柱組裝。與步驟(2)、(3)同時進(jìn)行,并與步驟(3)同時完成。(5)鉆井船移位,使主鉆機(jī)位于井口上方,安裝隔水管。(6)主鉆機(jī)鉆表層,同時輔助鉆機(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。(7)主鉆機(jī)下表層套管、固井,同時輔助鉆機(jī)進(jìn)行BOP的安裝測試,并下放。(8)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。(9)主鉆機(jī)鉆技術(shù)套管段,輔助鉆機(jī)作業(yè)同步驟(6)。(10)主鉆機(jī)下技術(shù)套管、固井。(11)主鉆機(jī)鉆油層、下油層套管,輔助鉆機(jī)完成采油樹安裝測試并下放。(12)安裝采油樹,完井、試油。以上所述步驟只是典型的鉆井過程,具體鉆井過程可根據(jù)實(shí)際情況而定。超深水多井口鉆井時,更多的是主輔鉆機(jī)進(jìn)行并行操作。主鉆機(jī)通過隔水管和BOP進(jìn)行鉆井作業(yè)時,輔助鉆機(jī)可以不通過隔水管和BOP進(jìn)行下一井口的表層鉆井和下表層套管作業(yè)。多井鉆井時主輔鉆機(jī)并行作業(yè)的主要步驟如下:(1)鉆導(dǎo)管和表層時,主鉆機(jī)完成鉆井作業(yè),輔助鉆機(jī)進(jìn)行下套管固井作業(yè)。(2)鉆技術(shù)套管段和油層時,主鉆機(jī)安裝BOP繼續(xù)鉆進(jìn),完成預(yù)定井深,下套管固井;輔助鉆機(jī)則完成下一口井的導(dǎo)管和表層鉆井。(3)主鉆機(jī)脫開BOP和導(dǎo)管并移位到下一井口,完成BOP安裝;輔助鉆機(jī)準(zhǔn)備采油樹并下放,完成采油樹安裝。重復(fù)以上步驟,直至完成所有油井作業(yè)。1.4并行作業(yè)的特點(diǎn)由以上鉆井過程可知,雙井架鉆機(jī)具有協(xié)同和并行作業(yè)的特點(diǎn)。通過主輔鉆機(jī)協(xié)同并行作業(yè),可以省去普通鉆井作業(yè)過程中的非關(guān)鍵鉆井作業(yè),達(dá)到提高鉆井效率,節(jié)省鉆井時間的目的。(1)套管單根/立根鉆具總成安裝測試主鉆機(jī)進(jìn)行主要鉆井作業(yè);輔助鉆機(jī)用于接/卸鉆桿或套管單根/立根和底部鉆具總成組裝、BOP和采油樹安裝測試及其他的輔助作業(yè),為主鉆機(jī)需要用到的設(shè)備提供準(zhǔn)備和測試。非鉆井的水下操作也在后作業(yè)區(qū)完成。(2)雙井架鉆機(jī)技術(shù)主鉆機(jī)進(jìn)行主要的鉆井作業(yè);輔助鉆機(jī)進(jìn)行無隔水管的導(dǎo)管段和表層鉆井操作。雙井架技術(shù)是海上鉆井的一個突破。全新的鉆井工藝、先進(jìn)的設(shè)備以及合理的計劃是雙井架技術(shù)取得成功的關(guān)鍵。但雙井架鉆機(jī)技術(shù)在設(shè)備和人員上也有更高要求,譬如需配備2套鉆機(jī)系統(tǒng),需要更多的操作人員;要求精確的動力定位,保證鉆井高效進(jìn)行;超深水作業(yè)需要更多的空間排放鉆桿立根;要求管子處理裝置自動化程度高,達(dá)到鉆井作業(yè)的需求。2高效鉆機(jī)平臺20世紀(jì)90年代末,隨著鉆井作業(yè)水深的增加,第5代超深水鉆井平臺出現(xiàn)。具有脫機(jī)功能是這代平臺的主要特點(diǎn),于是稱這種具有脫機(jī)特點(diǎn)的鉆機(jī)為高效鉆機(jī)。第5代超深水鉆井平臺一般作業(yè)水深2300m,鉆深10000m,配有全自動化的司鉆房。圖4為比較典型的高效鉆機(jī)平臺。高效鉆機(jī)平臺上只配備了1套鉆機(jī)系統(tǒng)和管子處理系統(tǒng),這與雙井架鉆機(jī)不同。但與普通鉆機(jī)相比,高效鉆機(jī)對作業(yè)工藝進(jìn)行了改進(jìn),針對特定鉆井操作,如套管作業(yè)、起下鉆、隔水管作業(yè)、BOP和壓力測試等,進(jìn)行了有針對性的設(shè)備配置,以提高鉆井作業(yè)效率;還可以根據(jù)不同的需求,配備不同功能的脫機(jī)設(shè)備,提高平臺鉆井的脫機(jī)能力,提高鉆井系統(tǒng)并行作業(yè)能力。使用高效鉆機(jī)的平臺和鉆井船目前服役的有10座,在建的有7座。2.1提高鉆井作業(yè)效率提高鉆機(jī)作業(yè)效率主要有2個方面,一是提高鉆機(jī)有效工作時間,即保證鉆機(jī)具有未來能力提升冗余度的同時,保證鉆機(jī)的可靠性,減少維修和保養(yǎng)占用時間。二是盡可能增加鉆井過程中的協(xié)同和并行作業(yè),盡可能地省去非主鉆井作業(yè),從而提高鉆井作業(yè)效率。高效鉆機(jī)通過其脫機(jī)設(shè)備的鉆井作業(yè)與雙井架鉆機(jī)主輔鉆機(jī)的鉆井作業(yè)有所不同高效鉆機(jī)不能實(shí)現(xiàn)下放/回收BOP等功能的主要原因是,在超深水鉆井中下放BOP、采油樹和并行導(dǎo)管段以及進(jìn)行表層鉆井需要的作業(yè)管柱很長,質(zhì)量極大,需要的提升能力很高。高效鉆機(jī)配備的脫機(jī)設(shè)備能力達(dá)不到,但是雙井架鉆機(jī)中的輔助鉆機(jī)卻可以勝任這些工作。2.2高效鉆機(jī)與雙井架鉆機(jī)的性能對比由高效鉆機(jī)和雙井架鉆機(jī)功能的對比中可知,在單井作業(yè)時,高效鉆機(jī)與雙井架鉆機(jī)差別在于鉆井的前2個階段,即鉆導(dǎo)管段和表層套管段。高效鉆機(jī)脫機(jī)設(shè)備只能協(xié)同鉆機(jī)進(jìn)行鉆井作業(yè),這比雙井架鉆機(jī)協(xié)同和并行鉆井作業(yè)的效率要低。由Seadrill和Transocean公司的報告得知,在這2個階段兩者的效率大約相差40%。在BOP下放安裝后,雙井架的效率與高效鉆機(jī)幾乎相同。一般而言,導(dǎo)管段和表層套管段的操作時間大概占鉆井總時間的15%。由此可見,在單井作業(yè)中,高效鉆機(jī)的鉆井效率比雙井架鉆機(jī)低6%。在多井作業(yè)中,高效鉆機(jī)與普通鉆機(jī)相比鉆井工藝沒有太大的改變,只是高效鉆機(jī)配備的脫機(jī)設(shè)備協(xié)同鉆機(jī)進(jìn)行鉆井作業(yè),因此與普通鉆機(jī)相比效率提高不少。但是高效鉆機(jī)的脫機(jī)設(shè)備沒有并行作業(yè)的功能,而雙井架鉆機(jī)在多井作業(yè)時更多使用輔助鉆機(jī)的并行作業(yè),因而在多井作業(yè)中,高效鉆機(jī)的