1、深海半潜式钻井平台钻机配置浅析 作者：admin 发表时间：2010-01-27 16:52:52 赵建亭 (708研究所 上海 200011)赵建亭(1978.10-),男,汉族,山东青州人,助理工程师,主要从事机械设计及研究工作。1 概 述近年来,随着国际石油与天然气价格持续上涨,海上钻探作业呈迅猛的增长趋势,导致海上钻井装备供不应求。承包商看好未来的海洋油气钻探市场,纷纷投巨资向深海进军,建造新的海上钻井平台。而半潜式钻井平台性能优良,抗风浪能力强,甲板面积和装载量大,适应的水深范围大,特别适合于深海作业。由于海上油气勘探开发具有高投入、高技术和高风险的特点,随着钻井平台的不断现代化,其
2、造价及平台的日租费用总体呈增长趋势。现在一条深海半潜式钻井平台的造价在4亿美元左右,最高的达5.5亿美元;目前,作业水深超过2 250 m的半潜式钻井平台平均日租费用已经从21.5万美元上涨到30万美元。深海半潜式钻井平台所配置钻机设备的依据主要是钻井作业区的海洋环境条件和钻井深度以及业主的特殊要求等来确定,钻机设备的配置状况是半潜式钻井平台现代化及先进性的重要体现。深海半潜式钻井平台钻机配置关系着平台总体性能和布置方案;双联井架主辅井口作业,采用交流变频电驱动钻机以及高效而先进的钻井绞车、顶驱、泥浆泵等设备为现代深海半潜式钻井平台钻机配置的重要特征。本文对此做些浅述。2 深海钻井新理念2.1
3、 双联井架主辅井口钻井作业新理念的产生及应用在深海石油钻井的初期,半潜式钻井平台采用的都是单井口作业系统,即在平台上配置一套钻机用于钻井;但是,对于深海半潜式钻井平台组装、拆卸钻杆及下放、回收水下器具等作业占用钻井作业相当多的时间。因此,钻井工程师们提出了采用两套钻机系统安装于同一条深海钻井平台上的新理念,虽然平台的初投资有所增加,但是对于深海钻井作业的钻井效率的提高是显著的。在2000年2月交付使用的West Venture半潜式钻井平台上配置了双联井架液压升降型钻机(见图1),双联井架主辅井口作业新理念在工程上得到了成功应用。在2005年3月交付使用的GSF (GlobalSantaFe)
4、公司的Development Driller&第五代深海半潜式钻井平台(见图2)亦配置了主辅井口双联井架作业系统。双联井架主辅井口钻井作业在不同的作业工况下它可以节省21%70%左右的时间。双联井架主辅井口作业是深海半潜式钻井平台钻井作业理念发展的一个里程碑。双联井架主辅井口钻井作业系统在进行单井作业时,可以并行组装和拆卸井下组件、钻具和管子立根还可以在开钻表层时下放套管及BOP等。在多井口水下模块作业时可以通过BOP/隔水管同时进行水下作业;主钻机在通过BOP/隔水管进行钻井作业时,辅钻机可以不通过BOP/隔水管进行另一井口的表层钻井和下表层套管作业。经过适当的操作,可以将BOP在水下直接移
5、到下一井口。X-mas树或其他模块也可以在进行钻井时同时安装。2.2 井架型式的发展及配置状况半潜式钻井平台上所用的井架为海洋动态井架,它的主要功用是:安装天车、游车、顶驱、大钩等起升设备,用于下放钻具、套管、隔水管、水下器具及靠放立根等。井架的发展是以适应钻井承包商的要求而不断发展的,先期的钻井作业的水深不是很深,井架多为塔式,随着钻井作业水深的加大及钻井深度的提高,为了在井架内排放更多的钻具,必须增大井架二层台的宽度,井架由原先的塔式转变为酒瓶式;深海钻井的日成本是非常巨大的,为了降低成本,就要求不断地采用创新的工艺方法来提高钻井作业的效率。在20世纪末,海洋钻井工程人员提出了双联井架钻井
6、系统的理念,即在同一平台上配备两套钻井系统。现在深海半潜式钻井平台基本上都配置了双联井架,井架的外形是多种多样的,井架在平台上的布置位置有尾部、中央、中央偏左或偏右等多种方案,但以中央居多。现在深海半潜式钻井平台既有单井架的配置,亦有双联井架的配置,如上世纪末本世纪初建造的Bingo 9000系列的“Eiric Raude/LeivEiriksson”半潜式钻井平台就配置了单井架系统,如图3所示;但是对于本世纪初新开工建造的深海半潜式钻井平台基本上都配置双联井架。2004年7月在韩国大宇造船海洋公司玉浦造船厂竣工的BP公司的“BP THUNDER HORSE”号石油勘探平台上配置了双联井架,如
7、图4所示。深海半潜式钻井平台的井架的底脚尺寸及型式已经具有很大的自由度,需要根据业主及钻井工艺的要求而量身定做。双联井架已是当今深海半潜式钻井平台的一个特别明显的标志。因此,对于即将设计及建造的深海半潜式钻井平台均应配置双联井架及相应的双井口作业系统。2.3 井架大钩提升载荷能力分析钻机的配置中井架的载荷能力是一个非常重要的参数,井架的静载荷又称为大钩载荷,对于深海半潜式钻井平台的大钩载荷的确定不只是考虑钻柱的重量,还应考虑水下器具的重量及下放的套管柱的重量。因为对于深海9 00011 000 m深度的钻杆柱的重量约在20360 t之间。而深海半潜式钻井平台水下器具的重量有干重与在水中的湿重之
8、分,干重用于平台的甲板可变载荷用,湿重用于核算大钩的提升载荷及隔水管张紧系统的张紧能力。对于深海半潜式钻井平台使用的BOP与LMRP干重达到363 t之多,湿重亦达232 t之多;外包浮力材料的隔水管的干重达到2 700 t,湿重达266 t之多。所以,水下器具在水下的湿重至少要到500 t以上;若浮力材料减少,水下器具的湿重还会相应地增加。目前深海半潜式钻井平台对于双联井架主辅井口作业系统,主井口的大钩提升能力一般配置为2 000 kips(907.2 t)。辅井口由于只进行钻具的组装、拆卸,组装套管和钻表层井口使用,而不用于下放、回收水下器具,所以,辅井口的井架大钩提升能力一般配置为1 0
9、00 kips(453.6 t)。3 适应钻井新理念的钻机设备3.1 交流变频电驱动钻机的广泛应用交流变频调速电驱动钻机是最新发展起来的一种先进的电驱动石油钻机,它在满足石油钻井工艺要求方面具有现用机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能。这种钻机的核心技术就是采用了交流变频调速技术,是现代高新技术与石油钻井机械的结合,具有强大的生命力,是当代钻机的发展及应用趋势。钻井绞车、转盘、顶驱和泥浆泵作为石油钻机的四大关键设备目前都已经实现了交流变频控制。3.2 钻井绞车的发展及应用现状钻井绞车是半潜式钻井平台钻机设备中的关键设备,其主要功能是起下钻具、套管、隔水管、水下器具及悬持全部钻具和钻头
10、等。钻井绞车的起升能力是钻井平台的重要标志性的参数,也是其它相关钻井设备配置的参照依据。随着海洋石油的钻探和开采向深水推进,对钻井绞车的提升能力和钻深能力提出了更大的要求。海洋石油钻机在20世纪80年代末90年代初,所配备钻机绞车功率最高约为2 206 kW(3 000 hp),1998年建造完工Trans-ocean公司的Discoverer Enterprise钻井船上应用了两组EmscoEHV约3 678 kW(5 000 hp)的钻井绞车,2005年交付使用的GSF ( GlobalSantaFe )公司的Development Driller&配备了5 075 kW(6 900hp)
11、和3 383 kW(4 600 hp)两组National-Oilwell公司的主动补偿绞车。目前,世界上比较知名的钻井绞车供应商有National-Oilwell和Varco两家公司,对于深海半潜式钻井平台所需配置的钻井绞车功率至少要2 206 kW(3 000 hp)以上,国内对应用于深水的钻井绞车没有生产供应的能力,钻井绞车必须依靠国外公司配套。Varco公司起升系统中的ADS(AutomatedDrawwork System)系列代表了Varco公司钻井绞车的发展水平,Varco公司的生产的ADS系列绞车如表1所示。ADS系列绞典型特性与规格比较如表2所示。能够适用于深海半潜式钻井平台
12、的钻井绞车有2 206 kW(3 000 hp)、3 310 kW(4 500 hp)和4 413 kW(6 000 hp)三种。National-Oilwell公司适用于钻井深度9 000 m以上的交流变频驱动钻井绞车有2040-UDBE(见图5)和E-3000(E-3000UDBE)(见图6)三种型号,如表3所示。3.3 主动补偿钻井绞车的产生及应用主动补偿绞车(AHD-Active Heave Drawwork)是浮式钻井装置钻机的一项重要的革新,主动补偿绞车除具有传统绞车的提升功能外,还具有主动补偿浮式钻井装置的升沉运动对钻柱的影响的功能。随着海洋油气钻探的发展,National-Oi
13、lwell公司突破了传统的钻柱运动补偿概念将钻柱补偿功能通过绞车的控制来实现。主动补偿绞车集成了控制和机械方面的最新技术,使用主动补偿绞车可以省去钻柱运动补偿器。此外,绞车刹车所产生的能量重新利用并反馈给钻井电控系统,提高了钻井效率,比传统钻井绞车的应用范围更为广泛。National-Oilwell公司的主动补偿绞车(见图7)是钻井工业领域独创的设计,它重新确立了补偿精度和工作范围的标准,增大了钻井平台的操作范围,AHD钻井绞车主要技术规格如表4所示。主动补偿绞车能够完成以下的工作:(1)传统钻井绞车操作:钻井和起下钻;(2)自动送钻;(3)绞车全负载下主动升沉补偿;(4)主动补偿下放重载BO
14、P和隔水管。主动补偿绞车与传统的绞车相比较的主要特点如表5所示。AHD钻井绞车为新产生并且得到成功应用的钻井绞车。虽然现在深水半潜式钻井平台上也配置有传统的钻井绞车,但是AHD钻井绞车应该是当代半潜式钻井平台钻机设备配置的一个非常特殊的标志,它不失为新建深水半潜式钻井平台钻机设备中钻井绞车配置的最优选择。3.4 转盘的发展及应用现状转盘和顶驱是钻井装置旋转系统的组成部分。正常钻井工况下,由顶驱带动钻具旋转进行钻井作业,转盘作为备用,并在下放水下器具、正常起下钻作业和处理井内钻井事故中悬持钻具和管柱。转盘的通径及额定的静载荷能力是转盘的主要参数,也是钻机设备配置中的一个重要参数。对于海上石油钻井
15、转盘的通径,应能够使隔水管顺利通过转盘的中心孔,随着钻井作业水深的加大,为了降低隔水管柱的重量,隔水管的外侧多采用浮力材料,浮力材料的外径达到914.41 346 mm(3653 in),这样就要求转盘的通径越来越大,对于深水半潜式钻井平台转盘的通径已经达到1 537 mm(6012in),额定静载荷达到1 135 t。National-Oilwell公司转盘主要技术参数如表6所示。对于当代深海半潜式钻井平台的转盘的配置有三种不同的配置方案。若是平台配制单井架作业系统的状况下转盘的通径已经达到153 mm(6012in)。平台配制配置双联井架作业系统的状况下,或者配置两套通径1 538 mm(
16、6012in)的转盘(例如West Venture号);或者配置通径1 538 mm(6012in)及通径1 257 mm(4912in)的转盘(例如Development Driller号)。3.5 顶驱的发展及应用现状顶部驱动技术是钻机问世以来的几项重大变革之一。自1981年12月美国Varco-BJ公司研制的顶部驱动系统(Top Drive System)投入使用以来,顶驱逐渐被世界石油钻井行业广泛采用。由于TDS具有比常规转盘提高20%30%的钻井效率,安装维护简单、操作安全方便,可避免大多数井内卡钻事故的发生以及特别适应于定向钻井和水平钻井等特点。所以,目前海上钻井平台几乎全部配备了
17、顶驱。继美国Varco-BJ公司之后,挪威的MaritimeHydraulic公司、法国的ACB-Bretfor公司和Trinten公司、美国的National-Oilwell公司、加拿大的Canrig公司和Tesco公司等都研制顶驱。但就技术和使用情况来说,Varco公司的顶驱还是一直处于行业的领先地位的。对于深海半潜式钻井平台,绝大多数采用Varco公司的顶驱。Varco公司的顶驱产品主要技术参数比较表如表7-1、7-2所示。 国内虽然对顶驱进行了研发并成功地在陆地钻机上使用,但对于深海半潜式钻井平台所需配置的顶驱还不能满足要求。由表可以看出,对应用于深海半潜式钻井平台上的1 000 t提
18、升能力的顶驱只有TDS-1000可以选择;对于配置双联井架作业系统的平台除TDS-1000作为主顶驱外,IDS-4A和TDS-11SA是辅顶驱的配置选择。3.6 泥浆泵的发展及应用现状对于深海半潜式钻井平台,泥浆泵是泥浆设备中的最为关键的设备,泥浆泵选用配置决定着泥浆系统其它辅助设备的选用。在深海半潜式钻井平台上,交流变频驱动的泥浆泵已经完全取代了直流电驱动的泥浆泵。由于井下双动力钻具和强动力钻具的出现以及深井、高压喷射钻井的需要,1 471 kW1 839 kW(2 000 hp2 500 hp)的大功率泥浆泵以及工作压力34.5 MPa(5 000 lbf/in2)和51.7 MPa(7
19、500 lbf/in2)的泥浆泵在深井和超深井的钻机上已配套使用。现在深海半潜式钻井平台上配置的泥浆泵基本上都为1 618 kW (2 200 hp)的。图9所示为National-Oilwell公司的深海半潜式钻井平台用14-P-220三缸泥浆泵,表8所示为此泥浆泵的主要参数。National-Oilwell公司在本世纪初成功开发出了新一代的泥浆泵HEX泥浆泵(图10),此种泥浆泵有两台交流变频驱动电机驱动,采用六个缸套,与传统三缸泥浆泵相比具有输出流量稳定、超高压、超高流量、尺寸小等特点。HEX泥浆泵目前已经在平台上配置了十几台,它代表了未来泥浆泵的发展趋势。现在深海半潜式钻井平台泥浆泵的
20、配置基本上都采用四台1 618 kW(2 200 hp)的泥浆泵,采取三用一备的方式。两台泥浆泵可以并车从顶驱将泥浆灌入井筒内,由于深水隔水管的通径比较大,长度比较长,从井筒返回的泥浆的环流速度达不到要求,所以在深海隔水管的底部采取用一台泥浆泵加注泥浆,增加隔水管内返流泥浆的回流速度。4 结束语海上石油和天然气钻井平台的第一个建造高峰期出现在上世纪70年代中期,第二个高峰期出现在上世纪80年代初,目前已经进入了新一轮高峰期。近年来,世界上取得的重大油气发现大部分在海上,并向深海发展。由于国际油价持续居高不下,承包商看好未来的海上油气钻探市场,于是投巨资建造新型海上钻井平台。而对于建造一条深海半
21、潜式钻井平台,钻机的配置直接影响到平台的总体性能和布置方案,所以钻机的配置研究必须先行。要对目前世界上钻机的发展进行及时的跟踪,以利于半潜式海洋钻井平台在国内设计建造。本文是作者参与新型多功能半潜式钻井平台课题研究对钻机配置的一点粗浅认识,不当之处在所难免,请予指正!参考文献1 Lars Munch-Segaard.Offshore Drilling ExperienceWith Dual Derrick Operations2 廖谟圣.21世纪初世界海洋石油钻采设备展望J.中国海洋平台.第13卷,第2期3 廖谟圣.海洋油气工业的发展与新一代的移动式钻采平台J.中国海洋平台.第17卷,第1期4 张春阳、杨志康、郭东主编.石油钻采设备M5 安国亭、卢佩琼编著.海洋石油开发工艺与设备M.天津大学出版社关键词：钻机钻井深海
