超深水钻井中的高效钻机与双井架钻机技术对比分析

超深水钻井中的高效钻机与双井架钻机技术对比分析

0超深水钻井的工艺和设备根据2002年在巴西举行的世界石油大会的报告，油气工程的开发水平达到1500米，被称为超深水作业。在超深水海域蕴含着大量的油气资源,超深水钻井作业从20世纪80年代才开始。虽然这些钻井活动取得了一定的经验,但是由于钻井装备和工艺的局限,使得超深水钻井作业很困难,传统的钻井方法和设备已经不再适用于超深水钻井。真正的突破在20世纪90年代,其间出现了新的钻井工艺和设备,超深水钻井变得可行。目前,超深水半潜式平台和钻井船正在大量建造,世界海洋石油公司纷纷加入到超深水钻井中来超深水作业的钻井平台主要是第5、6代平台。与传统的钻井作业相比,超深水钻井的工艺和设备都有了很大的进步。笔者通过介绍双井架钻机技术和高效钻机技术,阐明了超深水钻井设备配置及其钻井过程,分析了超深水钻井新技术的特点。1双井架钻机技术Transocean海洋钻探公司生产海洋钻探设备,特别是超深水及恶劣环境下的钻井系统。该公司根据其丰富的海洋钻井经验,于20世纪90年代提出一个井架内配备2个钻井系统的理念,后来发展成双井架钻井技术。近年来,双井架钻机技术日趋完善,在超深水钻井中体现了其高效性,目前在建的平台和钻井船大多都采用双井架钻机技术。同时,Transocean公司还就双井架技术申请了专利,即“多重作业海上勘探开发钻井方法和设备”(Multi-activityoffshoreexplorationand/ordevelopmentdrillmethodandapparatus)从目前超深水钻井平台来看,双井架的形式主要有2种,即塔形和A形井架。塔形双井架使用的是电驱钻机系统,A形双井架使用的是全液压驱动的钻机系统。下面对这2类双井架的特点进行介绍。1.1全液压驱动双钻机A形双井架钻机即全液压双井架钻机,主要生产商是致力于液压钻机发展的MaritimeHydraulics公司。这种无绞车、液缸升降型钻机于1996年开发,研制出的RamRig钻机已基本上形成系列,大钩载荷范围1500～10000kN。全液压驱动双井架钻机首先在WestNavion钻井船上配备使用,钻井船工作水深2438m、钻深10060m。经过这些年的发展,全液压驱动双钻机技术已经成熟,在超深水半潜式钻井平台和钻井船上有相当数量的钻机安装使用图1、图2分别是A形双井架平台图和钻井设备图。与常规钻机相比,RamRig液压钻机绞车和提升系统方案简单、结构紧凑、体积小、质量轻、成本低、技术经济指标先进;可完成钻井、起下钻、下套管或修井等作业,动力消耗较小。现场试验和钻井实践表明,RamRig钻机可提高钻井效率15%～20%;省去庞大的绞车和钻柱运动补偿器,大大降低了钻机质量和制造成本;可与全液压顶部驱动、铁钻工、自动排放钻具、液压机械手和天车型液压钻柱运动补偿器组合而成全部钻井工艺过程的自动化操作系统。使用A形双井架的平台和钻井船目前服役的有11座,在建的有12座。1.2塔形双井架及钻机Transocean公司主要采用塔形双井架,1998年在堪称世界最先进、最大的钻井船DiscovererEnterprise上首先配备了塔形双井架。该船外形尺寸为254.5m×38.1m×18.9m(长×宽×高),可变载荷1.96×10为了实施双井架钻井,其主要的钻井设备为井架内配备的2套钻机系统,主钻机大钩载荷8894kN,辅助钻机3962kN;还有2套管子输送装置及管子处理装置。图3为塔形双井架平台图。使用塔形双井架的平台和钻井船目前服役的有9座,在建的有19座。1.3超深水多井钻井的施工主要步骤现以DiscovererEnterprise钻井船为例,说明双井架钻井如何实施。钻井船上有2个独立的钻井中心,分为前后2个作业区。主钻机为前作业区,辅助钻机为后作业区。由于井深、地层结构复杂和油层压力大,油井应该有导管、表层套管、技术套管和油层套管4层。双井架钻机进行单井钻井作业的基本步骤如下:(1)钻井船就位,钻前准备,主钻机下井口盘。(2)辅助钻机钻进,完成井口导管段。(3)辅助钻机下导管。(4)主钻机处进行隔水管柱组装。与步骤(2)、(3)同时进行,并与步骤(3)同时完成。(5)钻井船移位,使主钻机位于井口上方,安装隔水管。(6)主钻机钻表层,同时辅助钻机进行钻杆/套管立根和底部钻具总成组装,为主钻机做准备。(7)主钻机下表层套管、固井,同时辅助钻机进行BOP的安装测试,并下放。(8)钻井船移回,使辅助钻机位于井口上方,安装BOP,然后钻井船移回,完成隔水管和BOP的连接。(9)主钻机钻技术套管段,辅助钻机作业同步骤(6)。(10)主钻机下技术套管、固井。(11)主钻机钻油层、下油层套管,辅助钻机完成采油树安装测试并下放。(12)安装采油树,完井、试油。以上所述步骤只是典型的钻井过程,具体钻井过程可根据实际情况而定。超深水多井口钻井时,更多的是主辅钻机进行并行操作。主钻机通过隔水管和BOP进行钻井作业时,辅助钻机可以不通过隔水管和BOP进行下一井口的表层钻井和下表层套管作业。多井钻井时主辅钻机并行作业的主要步骤如下:(1)钻导管和表层时,主钻机完成钻井作业,辅助钻机进行下套管固井作业。(2)钻技术套管段和油层时,主钻机安装BOP继续钻进,完成预定井深,下套管固井;辅助钻机则完成下一口井的导管和表层钻井。(3)主钻机脱开BOP和导管并移位到下一井口,完成BOP安装;辅助钻机准备采油树并下放,完成采油树安装。重复以上步骤,直至完成所有油井作业。1.4并行作业的特点由以上钻井过程可知,双井架钻机具有协同和并行作业的特点。通过主辅钻机协同并行作业,可以省去普通钻井作业过程中的非关键钻井作业,达到提高钻井效率,节省钻井时间的目的。(1)套管单根/立根钻具总成安装测试主钻机进行主要钻井作业;辅助钻机用于接/卸钻杆或套管单根/立根和底部钻具总成组装、BOP和采油树安装测试及其他的辅助作业,为主钻机需要用到的设备提供准备和测试。非钻井的水下操作也在后作业区完成。(2)双井架钻机技术主钻机进行主要的钻井作业;辅助钻机进行无隔水管的导管段和表层钻井操作。双井架技术是海上钻井的一个突破。全新的钻井工艺、先进的设备以及合理的计划是双井架技术取得成功的关键。但双井架钻机技术在设备和人员上也有更高要求,譬如需配备2套钻机系统,需要更多的操作人员;要求精确的动力定位,保证钻井高效进行;超深水作业需要更多的空间排放钻杆立根;要求管子处理装置自动化程度高,达到钻井作业的需求。2高效钻机平台20世纪90年代末,随着钻井作业水深的增加,第5代超深水钻井平台出现。具有脱机功能是这代平台的主要特点,于是称这种具有脱机特点的钻机为高效钻机。第5代超深水钻井平台一般作业水深2300m,钻深10000m,配有全自动化的司钻房。图4为比较典型的高效钻机平台。高效钻机平台上只配备了1套钻机系统和管子处理系统,这与双井架钻机不同。但与普通钻机相比,高效钻机对作业工艺进行了改进,针对特定钻井操作,如套管作业、起下钻、隔水管作业、BOP和压力测试等,进行了有针对性的设备配置,以提高钻井作业效率;还可以根据不同的需求,配备不同功能的脱机设备,提高平台钻井的脱机能力,提高钻井系统并行作业能力。使用高效钻机的平台和钻井船目前服役的有10座,在建的有7座。2.1提高钻井作业效率提高钻机作业效率主要有2个方面,一是提高钻机有效工作时间,即保证钻机具有未来能力提升冗余度的同时,保证钻机的可靠性,减少维修和保养占用时间。二是尽可能增加钻井过程中的协同和并行作业,尽可能地省去非主钻井作业,从而提高钻井作业效率。高效钻机通过其脱机设备的钻井作业与双井架钻机主辅钻机的钻井作业有所不同高效钻机不能实现下放/回收BOP等功能的主要原因是,在超深水钻井中下放BOP、采油树和并行导管段以及进行表层钻井需要的作业管柱很长,质量极大,需要的提升能力很高。高效钻机配备的脱机设备能力达不到,但是双井架钻机中的辅助钻机却可以胜任这些工作。2.2高效钻机与双井架钻机的性能对比由高效钻机和双井架钻机功能的对比中可知,在单井作业时,高效钻机与双井架钻机差别在于钻井的前2个阶段,即钻导管段和表层套管段。高效钻机脱机设备只能协同钻机进行钻井作业,这比双井架钻机协同和并行钻井作业的效率要低。由Seadrill和Transocean公司的报告得知,在这2个阶段两者的效率大约相差40%。在BOP下放安装后,双井架的效率与高效钻机几乎相同。一般而言,导管段和表层套管段的操作时间大概占钻井总时间的15%。由此可见,在单井作业中,高效钻机的钻井效率比双井架钻机低6%。在多井作业中,高效钻机与普通钻机相比钻井工艺没有太大的改变,只是高效钻机配备的脱机设备协同钻机进行钻井作业,因此与普通钻机相比效率提高不少。但是高效钻机的脱机设备没有并行作业的功能,而双井架钻机在多井作业时更多使用辅助钻机的并行作业,因而在多井作业中,高效钻机的