深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀

1、技術(shù)綜述收稿日期:2009211204作者簡介:趙洪山(19802,男,河南開封人,博士,2007年畢業(yè)于中國石油大學(華東石油工程學院,現(xiàn)從事石油氣井管柱力學方面的研究,E 2mail:zhaohongshan2002 。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257017摘要:為加快我國深海油氣開發(fā)的步伐,有必要深入調(diào)研和跟蹤國外深水油氣勘探的動態(tài)和成功經(jīng)驗,了解國外深水海洋石油鉆井裝備的結(jié)構(gòu)特點、現(xiàn)狀和技術(shù)水平。對國外深水半潛式平臺和鉆井船的特點、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,深水平臺鉆機和隔水管系統(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

2、點及應用情況做了介紹,對我國深水鉆井領(lǐng)域的發(fā)展具有指導作用。關(guān)鍵詞:深水鉆井;半潛式平臺;雙井架鉆機;隔水管系統(tǒng);水上防噴器中圖分類號:TE951文獻標識碼:AD evelop m en t Tendency of O ffshore Petroleum D r illi n g Equ i pm en t i n D eep W a terZ HAO Hong 2shan,L IU Xin 2hua,BA IL i 2ye(D rilling Technology Research Institute,Shengli Petroleum A dm inistration B ureau,D

3、ongying 257017,China Abstract:I n order t o quicken the step of deepwater hydr ocarbon exp l oitati on in our country,it is necessa 2ry t o make thor ough investigati on andstudy the behavi or and successful experience in deepwater drilling a 2br oad,and t o get inf or mati on on structural features

4、,devel opment situati on and technical level of deepwater petr oleu mdrilling equi pment abr oad .The structure features,devel opment situati on and app licati on ofse m i 2sub mersible p latfor m ,drillingvessel,rig,riser syste m and surface BOP f or deepwater drilling are dis 2cussed,which can p l

5、ay an i m portant r olein the deepwaterdrilling devel opment of our country .Key words:drilling in deep water;se m i -sub mersible p latfor m;dual derrick rig;riser syste m;surfaceBOP當今世界油氣儲量迅速遞減,陸上石油資源緊缺問題日漸突出,而占地球面積70%以上的海洋,預計油氣儲量相當可觀。據(jù)估計,全世界未發(fā)現(xiàn)的海上油氣儲量有90%是在水深超過1000m 以下的地層中。我國深水海域也十分廣闊,蘊藏著豐富的油氣資源,

6、但是目前我國的深水鉆探開發(fā)仍處于起步階段,深水鉆完井技術(shù)與國際先進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),已成為我國深水油氣勘探開發(fā)的瓶頸123。因此,有必要深入調(diào)研和跟蹤國外深水油氣勘探的動態(tài)和成功經(jīng)驗,了解國外深水海洋石油鉆井裝備的結(jié)構(gòu)特點、現(xiàn)狀和技術(shù)水平。1深水半潛式鉆井平臺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、重力式平臺、導管架平臺、自升式平臺等主要作業(yè)于淺海區(qū)域,隨著油氣勘探開發(fā)日益向深海推進,張力腿平臺也顯示出其局限性,鉆井船和半潛式平臺成為主要選擇,然而半潛式鉆井平臺由于具有極強的抗風浪2010年第39卷石油礦場機械第5期第68頁

7、O I L F I E LD EQU I P M ENT 2010,39(5:6874能力、優(yōu)良的運動性能、巨大的甲板面積和裝載容量、高效的作業(yè)效率等特點,在深海能源開采中具有其他型式平臺無法比擬的優(yōu)勢425。1.1結(jié)構(gòu)和運動特點半潛式鉆井平臺上部為工作甲板,下部為2個下船體,用支撐立柱連接,如圖1所示。工作時下船體潛入水中,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、工作水深大,新發(fā)展的動力定位技術(shù)用于半潛式平臺后,到21世紀初,工作水深可達3000m ,同時勘探深度也相應提高到900012000m 。據(jù)R igz one 網(wǎng)站截至2006207初的統(tǒng)計,全球現(xiàn)有165

8、座半潛式鉆井平臺,其中額定作業(yè)水深超過500m 的深水半潛式鉆井平臺有103座, 占總數(shù)的62%。圖1半潛式鉆井平臺與固定式平臺不同,半潛式平臺在工作時漂浮于海面,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,平臺一直處于運動狀態(tài)。與鉆井船相比,半潛式平臺由于大部分排水量都集中在水下較深處,這使得平臺整體受波浪的影響較弱,在波浪中的運動響應較小,能夠適應大多數(shù)的海洋環(huán)境,與鉆井船相比有更好的運動特性。在作業(yè)海況下,半潛式平臺的升沉1.01.5m ,水平位移不大于水深的5%6%,平臺的縱傾角不大于(23。平臺的這種運動是在鉆井作業(yè)所允許的最大運動幅度之內(nèi),因而能很好地滿足海上作

9、業(yè)要求。1.2技術(shù)現(xiàn)狀在用深水半潛式鉆井平臺主要是在美國墨西哥灣、巴西、北海、西非、澳大利亞和墨西哥海域作業(yè)。為適應向深水和深井找油的需求,近年來運用綜合高科技,國外設(shè)計建造了工作水深超過3810m (12500ft 、鉆深達到12190m (40000ft 、鉆機絞車功率增至5292k W (7200hp 的第6代海上半潛式鉆井平臺。第6代半潛式鉆井平臺的作業(yè)水深已達25503600m ,多數(shù)為3048m ,鉆深大于9144m (30000ft ,采用動力定位,船體結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化,可變載荷更大,配備自動排管等高效作業(yè)設(shè)備,能適應極其惡劣的海洋環(huán)境。第6代平臺比以前鉆井平臺更先進的設(shè)計在于采用了

10、雙井口作業(yè)方式,即該平臺鉆機具有雙井架、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),雖然平臺的投資有所增加,但是對于深海鉆井作業(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%的時間。隨著作業(yè)水深的逐漸加大,半潛式鉆井平臺鉆機能力也逐漸加大,需要的絞車、泥漿泵、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤能力均相應提高。目前,半潛式鉆井平臺頂驅(qū)以美國國民油井Varco 公司、加拿大Canrig 以及Mati m e Hydrau 2lics 公司的產(chǎn)品為主,僅就技術(shù)和使用情況來說,Varco 公司一直處于行業(yè)的領(lǐng)先地位,泥

11、漿泵主要生產(chǎn)廠家為NOV 、W irth 、Le wco,絞車主要生產(chǎn)廠家為NOV 、Em sco 、W irth 。2009204,中國海洋石油總公司投資建造的我國首座3000m 超深水的第6代半潛式鉆井平臺在上海外高橋船廠進塢鋪底,該平臺預計2010210建造完成,作為中國人走向深海的利器,可以極大地提升中國在深水油氣田勘探開發(fā)的能力,加快我國南海深水油氣資源勘探開發(fā)的步伐。1.3發(fā)展趨勢a工作水深顯著增加2002年末現(xiàn)有和在建的175艘半潛式平臺中,31艘工作水深超過1829m (6000ft ,16艘工作水深超過2286m (7500ft ,其中I H I 2RBF Exp l ora

12、ti on 、Deepwater Horiz on 、Eirik Raude (B ingo 9000系列工作水深達3048m (10000ft 。未來20a 內(nèi),工作水深達40005000m的半潛式平臺有望出現(xiàn)6。b適應更惡劣海域半潛式平臺僅少數(shù)立柱暴露在波浪環(huán)境中,抗風暴能力強,穩(wěn)定性等安全性能良好。大部分深海半潛式平臺能生存于百年一遇的海況條件,適應風速達100120kn,波高達1632m ,流速達24kn 。隨著動力配置能力的增大和動力定位技術(shù)的新發(fā)展,半潛式平臺進一步適應更深海域的惡劣海況,甚至可望達全球全天候的工作能力。96第39卷第5期趙洪山,等:深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀c可

13、變載荷增大采用先進的材料和優(yōu)良的設(shè)計,半潛式平臺自重相對減輕,可變載荷不斷增大,以適應更大的工作水深和鉆深。平臺可變載荷與總排水量的比值,南海2號為0.127,Sedco602型為0.15,DSS20型為0.175,新型半潛平臺將超過0.2。甲板可變載荷(包含立柱內(nèi)將達萬噸,平臺自持能力增強。同時甲板空間增大,鉆井等作業(yè)安全可靠性提高。d外形結(jié)構(gòu)簡化半潛式平臺外形結(jié)構(gòu)趨于簡化,立柱和撐桿節(jié)點的型式簡化、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1420根大幅降低,甚至減為24根橫撐,并最終取消各種形式的撐桿和節(jié)點。下浮體趨向采用簡

14、單箱形,平臺甲板主體也為規(guī)則箱形結(jié)構(gòu),且甲板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)層高12m的雙層底。e采用高強度鋼采用強度高、韌性好、可焊性好的高強度和甚高強度鋼,以減輕平臺鋼結(jié)構(gòu)自重,提高可變載荷與平臺鋼結(jié)構(gòu)自重比,提高總排水量與平臺鋼結(jié)構(gòu)自重比。例如,平臺總排水量與鋼結(jié)構(gòu)自重的比值,DSS20型為2.82,PETROBASX 為3.6,新型半潛平臺將超過4.0。f裝備先進化深海半潛式平臺裝備了新一代的鉆井設(shè)備、動力定位設(shè)備和電力設(shè)備,監(jiān)測報警、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與改善,平臺鉆井作業(yè)的自動化、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式鉆井裝置中機動性最好的一種,如圖

15、2。其移動靈活,停泊簡單,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力設(shè)備,并為工作人員提供工作和生活場所。在鉆井船上設(shè)有升沉補償裝置、減搖設(shè)備、自動動力定位系統(tǒng)等多種措施來保持船體定位。自動動力定位是目前較先進的一種保持船位的方法,可直接采用推進器及時調(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500m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、美國墨西哥灣和西非海域。2006207,正在鉆井的26艘深水鉆井船分布在8個國家。其中巴西8艘,占1/3;其次是美國,有6艘;安哥拉、印度和尼日利亞分別

16、有4艘、3艘和2艘;中國、馬來西亞和挪威各1艘 。圖2深水鉆井船當前世界上大型、先進的石油鉆井船中具有代表性的有:a由西班牙A stano船廠于2000年建成的D iscoverer Sp irit號鉆井船。該船配備鉆井雙作業(yè)系統(tǒng),鉆井工作水深為3048m(10000ft,鉆井深度為10668m(35000ft。另外,Trans ocean公司的D iscoverer Enter p rise和D iscoverer Deep Seas均配備鉆井雙作業(yè)系統(tǒng),配有雙套E m sco EH V5000hp鉆機,鉆深10668m(35000ft,其工作水深分別為2590m(8500ft和2438m(

17、8000ft,后均升級至3048m(10000ft。b由韓國三星船廠于2000203建成的Belf ord Dol phin號,船長201m(660ft,寬40m(131ft,型深19.5m(64ft;工作水深3048m(10000ft,鉆深11278m;可變載荷226800kN,(25000st;鉆機主絞車為H itec4851kw(6600hp。cG LOMAR CR.LU I GS號鉆井船。其工作水深為3658m(12000ft,鉆深為10668m (35000ft。今后鉆井船的主要發(fā)展特點是:a設(shè)計工作水深將明顯增加,預計在未來20a內(nèi),鉆井船的目標水深將達40005000m (131

18、2016400ft。b裝備先進的、高精度的大功率動力定位系統(tǒng)(DPS23。c裝備大功率超深井鉆機,目標鉆井深度在10668m(35000ft以上。預計在未來20a內(nèi),鉆井船的鉆井深度能力將突破15000m。d采用甚高強度鋼和優(yōu)良的船型及結(jié)構(gòu)設(shè)計,將總排水量與船總用鋼量的比值進一步提高;船具有良好的安全性、抗風暴能力,全球、全天候的工7石油礦場機械2010年5月作能力和自持能力長。3深水平臺鉆機目前,深水平臺鉆機的作業(yè)水深已達3658m (12000ft ,最大鉆深12192m (40000ft 。隨著海洋石油作業(yè)深度的加大,深水平臺鉆機的配置也不斷提高。Trans ocean 海洋鉆探公司根據(jù)

19、其豐富的海洋鉆井經(jīng)驗,于20世紀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技術(shù)。從目前超深水鉆井平臺來看,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)鉆機系統(tǒng),A 形雙井架使用的是全液壓驅(qū)動的鉆機系統(tǒng)。3.1A 形雙井架鉆機A 形雙井架鉆機即全液壓雙井架鉆機,主要生產(chǎn)商是致力于液壓鉆機發(fā)展的Mariti m e Hydraulics公司。這種無絞車、液缸升降型鉆機于1996年開發(fā),研制出的Ra m R ig 鉆機已基本形成系列,大鉤載荷1

20、50010000k N 。全液壓驅(qū)動雙井架鉆機首先在W est Navi on 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數(shù)量的鉆機安裝使用。圖3為A 形雙井架平臺 。圖3W est Phoenix A 形雙井架平臺與常規(guī)鉆機相比,Ra m R ig 液壓鉆機絞車和提升系統(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)濟指標先進;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)場試驗和鉆井實踐表明,Ra m R ig 鉆機可提高鉆井效率15%20%;省去龐大的絞車和鉆柱運動

21、補償器,大大降低了鉆機質(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、液壓機械手和天車型液壓鉆柱運動補償器組合,完成全部鉆井工藝過程的自動化操作。目前使用A 形雙井架的平臺和鉆井船服役的有11座,在建的有12座。3.2塔形雙井架鉆機Trans ocean 公司主要采用塔形雙井架,1998年在堪稱世界最先進、最大的鉆井船D iscoverer Enter 2p rise 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1.96105k N,設(shè)計作業(yè)水深3048m ,鉆深10668m 。船上配備的雙井架高68.9m 、長24.4m 、寬24.

22、4m ,采用2套同類型鉆機和相應設(shè)備,以及4臺驅(qū)動功率1.64MW 的Nat 1142P 2220型鉆井泵,鉆井船采用最新的DPS 2903DP 型動力定位系統(tǒng),總功率為65.22MW 。為了實施雙井架鉆井,其主要的鉆井設(shè)備為井架內(nèi)配備的2套鉆機系統(tǒng),主鉆機大鉤載荷8894kN ,輔助鉆機3962kN;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 。圖4塔形雙井架平臺目前使用塔形雙井架的鈷機和鉆井平臺服役的有9座,在建的有19座。3.3雙井架鉆機鉆井過程現(xiàn)以D iscoverer Enter p rise 鉆井船為例說明雙井架鉆井如何實施作業(yè)。鉆井船上有2個獨立的鉆井中心,分為前后

23、2個作業(yè)區(qū)。主鉆機為前作業(yè)區(qū),輔17第39卷第5期趙洪山,等:深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀助鉆機為后作業(yè)區(qū)。由于井深、地層結(jié)構(gòu)復雜和油層壓力大,油井應該有導管、表層套管、技術(shù)套管和油層套管4層。雙井架鉆機進行單井鉆井作業(yè)的基本步驟如下:a鉆井船就位,鉆前準備,主鉆機下井口盤。b輔助鉆機鉆進,完成井口導管段。c輔助鉆機下導管。d主鉆機處進行隔水管柱組裝。與步驟(b、(c同時進行,并與步驟(c同時完成。e鉆井船移位,使主鉆機位于井口上方,安裝隔水管。f主鉆機鉆表層,同時輔助鉆機進行鉆桿/套管立根和底部鉆具總成組裝,為主鉆機做準備。g主鉆機下表層套管、固井,同時輔助鉆機進行BOP的安裝測試,并下放。

24、h鉆井船移回,使輔助鉆機位于井口上方,安裝BOP,然后鉆井船移回,完成隔水管和BOP的連接。i主鉆機鉆技術(shù)套管段,輔助鉆機作業(yè)同步驟(f。j主鉆機下技術(shù)套管、固井。k主鉆機鉆油層、下油層套管,輔助鉆機完成采油樹安裝測試并下放。l安裝采油樹,完井、試油。以上所述步驟只是典型的鉆井過程,具體鉆井過程可根據(jù)實際情況而定。3.4特點分析由以上鉆井過程可知,雙井架鉆機具有協(xié)同和并行作業(yè)的特點。在深海鉆井作業(yè)過程中,大部分時間是用于組裝、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),可實現(xiàn)主、輔雙井口作業(yè)方式,將一些準備工作與正常鉆井同步進行,大大提高鉆井

25、效率。雖然雙聯(lián)井架系統(tǒng)增加了深水鉆機的成本,但是其對鉆井效率的提高是非常顯著的。例如,美國雙聯(lián)井架鉆井船D iscover Sp irit在Aconcagua海洋氣田鉆探時大約節(jié)省了25%的作業(yè)時間,為鉆井公司創(chuàng)造了巨額利潤。目前,雙聯(lián)井架技術(shù)已成為新型高性能深水鉆機的典型標志。4深水鉆井隔水管鉆井隔水管作為井口與平臺之間的重要部件,其主要功能是隔離海水、引導鉆具、循環(huán)鉆井液、起下海底防噴器組、系附壓井、放噴、增壓管線、補償鉆井船的升沉運動等,在勘探和鉆采平臺、浮式鉆井船上得到了廣泛應用。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。aABB Vetcogray公司該公司開發(fā)的快速連接隔水管,采用的是MR26E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對接,就能上扣及夾緊隔水管,故能夠?qū)崿F(xiàn)快速對接、上扣及夾緊,顯著提高了下隔水管的速