世界上最先进的钻井船.pdf

．C． Co l e等 世 界 上 最 先 进 的 钻 井 船 引 言 { ， 丁 在墨西哥湾、 巴西及 S h e t l a n d s西部的 主 要深水油区， 由于深水采油工艺的进步、 税收 的降低、 矿产开采权的下放以及深水基础设施 的建立， 这一地区的经济得到了长足发展， 对 深水钻机的需求迅速增加。尤其在墨西哥湾， 租赁出的 7 0 0 个区块水深均已超过 1 6 0 0 m， 但 目 前仅有三台钻机 两台动态定位钻井船和一 艘半潜式钻井船 在可以超过 1 6 0 0 米的水深 作业。 所以， 深承钻机的日 租金与日 俱增， 合同 期限也随之增加。为敌变这一局面， 承包商着 手对现有设备进行改进， 并把非钻井用半潜式 船体加以改造， 但因改造费用高昂， 比较可行 的办法就是建遣新的深水钻机。 在本文论述的钻井船闻世前， 可在 1 6 0 0 m 水深 中作业 的半潜 式 钻机 是 T r a n s o c e a n R i c h a r d s o n钻机。 该钻机于 1 9 8 8年交付使用 ， 当时造价 千万美元。 现在耍建造一都同样的 钻机约需 2 5亿美元。这样 ， 它的 日租金只有 超过 1 8万美元时业主才能盈利 。如果再建造 一 部R ic h a r d s o n 式钻机 ， 与 1 9 8 8 年交付的那 部相 比， 钻 井工艺改进甚微 ， 而对 如此高 昂的 日 租金却不得不傲慎重考虑。 Tr a n s o c e a n公 司成 立 了 一个 工 程 专 家 组 ， 目的在 于开发 一种方 案把建井成 本降低 黄 中伟王秀现译 孛根生校 4 0 。这样， 由于井位建设的加快 可抵偿一部 分日常开支， 作业人员就会重新评估建造新井 的 日租金 。 一 E n t d r p r is e 工作组分析了建井的垒过程， 并确定了握高钻井效率所必需自 设备。 现有的 钻机只有一审转盘， 选样， 其它任何需用转盘 的作业都须经过“ 关键路径 c r it i c a l p a t h 。 这些作业都将增加钻机 的日租金。E n t e r p r i s e 通过利用带有两组旋转系统、 两台顶都驱动和 两部绞车的毅柞用钻机， 从关键路径中减去了 许多普通的管柱作韭， 从而提高了机动性和效 率， 降低了作业费l用。 z ～ 。 钻机建造费用 钻井中， 机 韵 建造费用是决定其日租金 的首要因素。 E n t e r p r i s e 工作人员认为节约资 金的最宥效办法在手莱婀双作用钻进系统。 在 找到一艘北梅韵棱形船以前， 他们一直考虑把 钻机设计成华潜武 形结构。 牙 司 用班有的梭形 船体 在造价l不变的前提下， 可建造一艘更大、 功能更加齐垒的率潜武钻井船， 而 前考虑中 的船体将秽作它蔚0船体建造由 A s t a n o承 担， 以减少费用评估时的雨确定因素。建成后 该钻井船将被命名为“ 发现者 E n t e i p r i s e ” 。 船体建造和 甲 板 上的钻进部分建造同时 进行， 以便提前交付使用 这要比常规的深水 维普资讯 国 界 站 井 技 术 第 十 四 馨 l 嘲 年 重 ； 嘲 钻井船工期提前 6 个月左右。 往甲板上安装钻 进系统时， 吊装次数设计得尽可能少。甲板上 的单项模块包括； 井架基础及井架， 泥浆泵房， 泥浆处理区， 固井部分 ， 管架， 框架库房， 仓库 及机房。钻进系统在厂家安装调试完成后， 船 体交付两个月的时间内即可装上甲板 ， “ 发现 者 E n t e r p r i s e ” 整套系统就能投入运营 包括 资金利息及其流动效益， 该钻机约耗资 2 ． 8 亿 美元 。 钻井船设计 与现有的钻井船相批， 这种大尺寸梭形船 的机动性大大增强， 除了特别恶劣的条件， 几 乎是全天侯的， 堪称第四代半潜式钻井船 。在 墨西哥湾 5 O 年一次的冬季风暴中， 该船移位 将不超过 2 ． 3 米， 它的定位系统可抗击 5 0 年 一 遇的最大风暴或者 1 0 年一遇的最大环流。 这种对气候的非敏感性及可存贮全部立管的 能力都减小了对来袭风暴的警戒圈。 鉴于船上 较大的物质存贮能力及快逮的转移速度。E n - t e r p r i s e 钻井船可把因风暴引起的停工时间减 小到最低限度。 该型钻机靠六台7 0 0 0 马力的方位推进器 定位， 最新的动态定位和能源管理系统使得该 船与现有的钻井船日常耗脂大致相当， 仅在风 暴来袭时耗能要多得多 。 船上空间和有效 负荷 也是前所未有的。 表 1 是 E n t e r p r i s e 钻井船和 当今最大的钻井船之一发现者 5 3 4以及第 四 代半潜式钻井船 T r a n s o c e a n R i c h a r d S o n的对 比情况 。 高氟的可变甲板载荷将使船体能装载三 口或更多井的钻柱和消耗材料， 可同时搭载 2 1 隔水导管 3 0 4 8 m、 完井管柱 3 0 4 8 m， 即使夏 季也可在西 S h e t i a n d s 或 V o e r in g P l a t e a u作 业； 船上装载足够的捎耗材料就可在非洲西部 洋面上度过整个冬季。这样， 井位较远时可减 少往返于陆上基地的时间。 ． 一组 5 O 名员工中 就有较多的人员可在船上施工。 使用梭形船体 可增 加船的有效载荷， 原油储存能力可达 1 5 9 0 0 m ， 即使这样仍有专用甲板空间安放其 它处理设备 。 寰 1 发现者 钻井船 P -5 c h l r d s o i l 发现者 5 3 4 En t e r p r J s e 型号 锚泊半潜式 动态定位式 动奋 定位 式 排水量， t 3 7 0 0 0 2 2 0 0 0 1 0 0 0 0 0 长度 ， m 1 1 0 2 1 7 5 ． 1 2 7 3 8 宽度， m 9 Z ． 5 2 6 ． 2 4 1 ． 0 可变 甲板截荷， t 4 0 8 0 6 0 0 0 2 0 0 0 0 目 『 擎 ． h p 1 8 1 8 0 2 2 2 0 0 5 2 8 0 0 推进嚣， h p 2 3 5 0 0 6 3 0 0 0 6 6 7 0 0 燃料I 亡 备， 1 6 6 9 3 0 2 0 3 9 7 5 钻井藏， m 8 9 0 6 6 8 2 3 8 5 立营 ， m 1 6 4 0 1 9 6 7 6 5 5 7 井架基础高度． 1 3 ．8 1 1 5 1 9 7 月形槽m 7 1 4 直径 8 ． 5 Z 6 1 0 人员， 名 1 0 0 1 Z 8 2 0 0 双重旋转系统 在发现者 E n t e r p r i s e钻 井船 2 4 m2 4 m 甲板上安装两套钻井设备 ， 均配备有顶驱、 4 0 0 0马力绞车和带有运动补偿器的天车， 钻 柱自动排放设备可从两组钻井区中把管柱放 到后备区。按设计， 前部钻进系统才可下入主 隔水导管。 后部钻进系统也有条件安装隔水导 管， 只是未在本船计划之内， 但该系统可在无 导管情况下钻进作业， 对前部钻进系统起辅助 作用。 钻台上有足够的空间安放下一道施工程 序的工具； 船井 2 4 m长， 1 0 米宽， 可方便地进 行防喷器租水下设备的施工。 辅助钻进系统可使一些作业避开关键路 径 ， 从而节约开支， 例如， 它可起出管柱并放回 管架， 井下工具下井前可进行预测试。节约时 间就 意味着节省租 金 ， 同时 也可减少 ROV、 MWD 、 船只、 直升机、 劳工、 燃料等项开支， 钻 机到达指定井位后 ， 该系统首先进行无导管钻 进作业， 而主钻进系统下入导管和防喷器。把 其 中任何一项麓工移出关键路径即可节约开 维普资讯 国外钻井技 术 支 。 常规钻井的作业程序是分组进行的， 与之 相 比， En t e r p r i s e钻 机的效 率有 了明显提 高， 对辅助钻进系统及人员调配应合理安排 ， 尽量 减小“ 平线时间 钻井曲线中井深没进展的时 间 此外， 辅助系统还可安装水下采油树及其 它水下作 业， 如管线引入及关键路径外的跨线 管 的施工等。 钢管井架 E n t e r p r i s e钻 井船上 的井架象 一座海洋 平台导管架 ， 重量轻， 强度大 ， 和同尺寸常规井 架相 比， 风阻较小 ， 装有运动补偿器 的天车距 钻 台 7 3 m， 这 一高度 可 一次提 升四根 钻杆 常规为三根 或三根套管 常规为一根 。这 样， 接钻杆和套管的时间可分别减少四分之一 和三分之二。矩形天车可跨越两套钻进系统。 宽阔的储备 区可存放 2 4 3 8 0 m钻柱。 利用辅助 旋转系统和储备 区， 可准备好每一井段所用的 钻具组合及完井管柱 。 井架底座距船井 甲板 1 8 m。 这一空间可整 体拆卸防喷器组和 已有的最高的水下采油树 水下系统 E n t e r p r i s e钻机的导管用 8 0 KS I 制成 ， 外 径 2 ， 壁厚 1 3 ／ 1 6 ， 其强度可保证 在 2 1 0 0 m 深的水中使用 2 ． 0 4 1 0 k g ／ m 的泥浆。导管 浮体为合成泡沫， 但最后 6 0 0 m不加浮体， 增强不连接状态下管体的稳定性 。 管体 自重加 上 2 ． 0 4 x1 0 “ k g ／ m 泥浆 的重量要求管材和抗 压载荷 约为 8 9 0 0 k N。然而， 如此高的负荷会 使井 口和防喷器发生变形 ， 该钻机设计中对导 管定位和断面强度作 了综合考虑 。 其它改进 的设备 E n t e r p r i s e开发组 不仅研制 了双作 用钻 机 ， 还设计 了其它提高钻进效率的设备 。钻机 配备 4台 2 2 0 0马力的泥浆泵 ， 如果辅助钻进 系统也装上防喷器 、 导管和张紧装置准备另钻 一 口井， 甲板上还有足够的空间加装两台泥浆 泵。两套泥浆处理设备是独立的， 任何一套随 时都可开车 ， 如果想提高钻速而需要把水基泥 浆换成合成基泥浆时 ， 就不会园清理泥浆罐浪 费工 时。 船上泥浆储备为 2 2 8 5 m ， 可满足两至 三套泥浆系统使用。把泥浆运到陆地作更换 时， 这两套独立的系统 不但可节约时间， 还可 减少 i 0 2 0 的泥浆损失。风暴来袭需要拔 起 或替换 L MR P和导管 时， 船上仍有足够的 空间存储导管 中 的泥浆 2 1 0 0 m2 1 的导 管中 可容纳 3 9 7 ． 5 m。 。 钻机装有 5组闸板防喷器 ， 所 下入测试工具时不必更换闸板 ， 这也节省 了时间和开支 。 井位建设 钻勘探井 发现者 E n t e r p r i s e钻井船到达一个 新井 位时， 所有的钻柱、 套管和导管都已准备就绪。 3 0 嘻 管 、 导 向基座和 2 6 井段 的钻具组合 由后 部的钻进系统负责作业， 前部的主钻进系统负 责防喷器和隔水导管的施工。 辅助钻进系统下 2 0 套管后， 防喷器即可装上井 口。这样 ， 钻导 管用 的井眼和下 防喷器两项作业之一即可移 出关键路径 ， 从而减少了施工时间。 测试 防喷器 的同时 ， 1 7 井段 的钻 具组 合即可吊上井架备用， 由主钻进系统钻该井段 时， 辅助钻进系统负责把 1 3 嚣 套管每三根接 在一起， 测试浮鞋 以及组装、 测试水下井 口悬 挂器。主钻进系统下入套管时， 比常规可减少 三分之二的上扣时间 这样， 检查套管丝扣和 悬挂器下送 工具的时间即可移出关键路径。 1 3 ％” 套管 固井时 ， 1 2 ” 井段的钻具组合 被 吊上 井架， 定 向钻进 用的 MWD及泥浆 马 达可由辅助钻进系统进行检验， 减少井下事 故， 加快进度。下入 9 ％ 管前起钻时， 电缆 滚轮和测井工具吊到钻井平 台， 从而节约 了组 装测井工具的时间。由于下套管作业加快 ， 测 井程序中可省去“ 处理下钻” 钻头下到井底循 环泥浆 作业 ， 套管粘附的机会也大大减小 。 评 估井眼和下套管 时间的缩短可减小井下事故 的发生， 这项进步带来的效益是不可估量的。 图 1 为双重钻进 系统和单 一钻井系统钻 维普资讯 2 2 国界钻井技术 第十四卷1 ， 8年第 3 掘 出一 E l 普通井的时间对比图。 誊 ～ 一 匡 ～ 下 凡荫 喷器 j 】 _ 1 l 完钻 l 9 1 飘童系筑 1 L i 完钻 图 1 探 井中j 哩重 钻进 系统与 单一钻 进系 统无事 故 作业 时间对比 发现者 E n t e r p r i s e钻机 配备了双重钻进 系统后， 除了效率有着 不可预测的提高外 ， 钻 一 E l 探井所费工时比常规钻井要少 3 O 。 在开钻下一 口井时 ， 钻桂仍可排放在井架 上， 井 口作业停止后， 防喷器组可以整体吊至 井架底座下方。在深水区， 双重钻进系统的使 用极 大地减少 了因管柱作业造成的非进尺时 间， 从而缩短了关键路径 ， 加快了建井时间， 设 备 日 租金也较为低廉 。 井位建设钻生产井 底盘钻井中， 当运用前述打探井的方法钻 进第一个井眼时． 后部的钻进系统就可通过 2 O 套管钻开一个长眼。 这样 ， 钻另一口井时防 喷器不必吊至平台即可移至指定井位。 鉴于其大容量的泥浆存储能力和两组 4 7 7 m 的机动存储系统， E n t e r p r i s e 钻机上可 存放不止一种泥浆系统。用水基泥浆钻进 1 7 井 眼时， 即可为 1 2 I， 井段 配制 复合泥 浆。因此， 钻完 1 7 辨 段， 就能及时地从第二 组机动罐中泵入复合泥浆， 并把水基泥浆存入 其罐 中。 从而减少了泥浆因运输造成 的损失 。 E n t e r p r i s e钻 机通 过方便地倒换地 面节流管 汇来更换泥浆系统， 可以在不浪费钻机工时的 前提 下达到在 不同井段泥浆最优化或评估油 藏的 目的。 井位建设完井和延伸试井 Amo c o公司主要是希 望用发现者 E n t e r p r i s e钻机来 开发 已探 明的油藏 ， 虽然该钻机 在打探井方面效率也较高， 但和常规钻机相 比， 它进行生产井作业更为有利 ， 因为在设计 时 ， 已充分考虑 了完井和测试作业 。 此外， 在安 放海底采油树方面也有较大改进。 最初， A m o C O公 司计划采用水平 凸管树完井 ， 该作 业程 序如下 首先 ， 该法 兰管树被整体 吊至船井的 运输系统上 ， 在关键路径外进行测试 的准备工 作 。当主钻进 系统钻完井眼并 下入套管后 ， 后 部的辅助系统就把法兰管树下至海床 ， 接着由 主钻进系统的绞车起出防喷器组， 然后把法兰 管树固定在井E l 上， 再把防喷器装在其顶部， 通过法兰管树进行完井作业 射孔、 砾石充填 等 。表 2 为在 1 8 0 0 m水中发现者 E n t e r p r is e 钻机和常规深水钻机下入水下采油树的关键 路径 时间对 比表 。 表 2 E n t e r p r i s e 钻机 ， 芒 势 常规钻机 1 ．卸 开井提 出防喷 1 ／ 8 1 ． 提 出防喷器 器 2 ．在基准 面上安 装 1 ／ 2 2 ．在 钻井 中准备 采 采油树 油树 3 ． 在采油树嘎部安 3 ． 下采油树防 鞋 防填器 1 ／ 4 填器及导管 4 ． 测试防喷器 1 4 ． 测试防喷嚣 5 ．开始完井 5 ． 开始 完井 合计 2 合计 如果 不 出技术性 故障 ， 下入水 下设备 时 E n t e r p r i s e钻机可节省 7 天的时间 。 如果设备 出现 问题 ， 所节约的时间就不好统计了。 该 钻 井 船 的 有 效 载 荷 很 高， 可 存 储 1 5 9 0 0 m 原油 ， 这大大降低 了业主用于试油和 完井方面的费用。通过水下采油树完井时， 较 长时间的试采作业将增加完井成功率 ， 减少后 维普资讯 国外站井技术 2 3 期的修补工作。例如， A m o c o 公司计划试油 7 ～ 1 0 天， 如果船的有效负载不够高， 就需要另 配一只运油船 ， 而在原油转移中天然气有可能 被引燃， 这是一个很大的安全隐患。 E n t e r p r i s e 钻井船就 不存在这样 的问题 ， 试油 作业一结 束， 一只储油罐将被打开 ， 原油卸载 只需不到 2 4小时 ， 气象时限也将缩短很多。 测试设备配有五组水下闸板 防喷器， 上闸 板为全封闭闸板 ， 下面两组闸板带有孔眼与钻 柱相配合。第五组闸板和测试树相配 ， 这样就 不必起 出防喷器组来调整闸板尺寸 了。 E n t e r p r i s e 钻井船另一个特征是测试工 作区所专用的。 甲板上装有测试 日处理能力达 3 1 8 0 m。 油 和 2 0 0万 m 气 的设备 ， 所有的 管柱都放在专用支架上。而对常规钻机 ， 因其 甲板空间和载荷的限制， 测试设备就不可能有 专用空间了。 钻机的双作用泥浆系统使得在启用完井 液之前不必费时去清理泥浆罐， 较清洁的完井 液事先 已存入一个 4 7 7 m 。 容积的罐中， 从井 中替出的泥浆将存入另一个相同容积的罐中， 一 旦泥浆顶替完毕， 完井作业立刻就可进行。 同常规 钻机相 比， 该钻机在完 井、 清理泥 浆罐 以存放完井液 、 在井架上备用所有测试过 的管柱、 方便地进行试采油等方面可节约至少 两周 的时间， 在井下设备 出现 故障时节约更 多。同时， 先进的油藏评估和完井工艺带来的 效益是难以估量的， 也免去了用钻机重复修井 的麻烦 。 井位建设额外作业 E n t e r p r ．s e钻机 巨大的船体及 非凡的能 力使得它能够担负其它的井位工作。 该船能快 速高效地修复深 水井， 即使导管悬在船下 ， 仍 能以 1 至 2节的航速航行 。 小型钻机虽然 日租 金较低， 但它修复一口井所需的时间较长， 相 比之下， E n t e r p r i s e 较为经济台算。 它那2 4 9 米的月形槽 ， 两部绞车及 7 0吨载荷 的起重机 等在进行底盘、 管汇及水下控制设备作业时都 显得游刃有余 ， 宽阔的甲板和第二套立管排放 架 为“ J 形 排放钻柱 或管汇 提供 了足够 的空 间 。 小 结 E n t e r p r i s e钻机现 阶段 的作业能力 ， 达到 了 Amo c o公 司提 出的降低建 井周 期 4 0 的 目标 。表 3为其主要革新之处及对成本的影 响。 1 全井费用l 【 i ＼ _ 卜 ～ 钻机 费用 c 7 砌 功 有蕺 日租垒 ， I 固 定 扩 展 费 用 l 簸宰 图 2 效率和有赦 日租金 探水井示例 表 3 改 挫 之 处 成 本 影 响 标准船悼 建遣费用软低 钻进系统模块化 建造时间短 双钻进摹统 可把一些作业移出关健路径 管体井槊 坚固、 轻便， 抗风能力强 太面积钻扦捧散区 提升昔桂可1矗开关键踏径 太容积原油存储能 力 便于试采油 区域专用化， 钻机安装、 拆卸时 设备安装程序 间檀 水下采油错的安装 避开关健路径， 无需停工 钻井蔽储备 在关健路径中不必清罐 机动特性 园风暴停工时间嬗 下转第 2 7页 ∞ 砷 0 维普资讯 国外钻井技术 2 7 大深水条件下温度很低 ， 为保证 防喷器控 制系统正常工作、 应当考虑防喷器加热问题 。 4 ．钻井设备 大深水钻机起重能力按 6 5 0吨设计 。 为减 轻起下钻劳动强度， 需要装备自动操作系统。 近年来自动钻井设备的研究工作正在盛行 ， 已 经开发出来随钻检测、 随钻录井、 顶部驱动、 钻 管操作系统。今后仍须在 自动化 ， 省力化方面 开展工作。 ①平台 自动化 提高隔水管操作速度， 缩短起下降管柱的 时间， 因此需要开发平台 自动化设备 。此外还 需开发 自动 固相控制， 自动压舱物控制 ， 自动 位置控制以及井参数信息处理系统。 ②主动补偿器 以前的补偿器是静态控制的， 在海洋里采 用动态控制为好。根据环境条件加以控制 ， 以 提高安全性和可靠性。 ③控制系统统一化 钻井过 程中需对钻井操作 ， 泥浆情况 ， 固 相控制， 隔水管监视， 防喷器控制等方面的工 作实现集中监测， 统一控制。为此就要开发总 体控制系统 。 ④AC电机的适应性 过去钻井驱动多用直流电机 D c 。近年 已经研究交流电机 A c 的运用。交流机 比直 流机有效率高、 转矩大 、 超载能力强 ， 冷却器少 等优点。 交流机制动时可产生最大转矩。 也就 是说在钻 井过程中可以长时间保持载荷 ， 这一 点很适台钻井工作。 此外还有低转速下转矩控 制效果好， 管理维修费用低等优点。 固相控制 自动化及最优化 为除掉泥浆中的固相 ， 需设计回收不同粒 度的固体 自动回收装置。 海洋钻井平台的钻井 深 度 约 为 6 0 0 0～ 9 0 0 0米 。泥 浆 泵 多 为 1 6 0 0 HP级的三缸泥浆泵 。大水深条件下一般 装备二到三台。 接着省力的原则还要开发油基 泥浆和水基泥浆循环 自动控制设备 。 ⑥综合排水系统 为保护环境， 今后海洋钻井平台必须装备 水处理系统。 五、 大深水钻井平台展望 为了强化海洋钻井平台安全性， 修改后的 船级指标提高了。 这就提高了平台的造价。 加 上近年油价偏低， 开采商对建造平台积极性木 高， 总的来说平台的数量逐年呈下降趋势。但 是 ， 石油开发总趋势是向大深水的方 向进展， 大深水钻井平台必须要开发。 今后的平台主要 还是半潜式和 自由升降式 。 但其设备应从 自动 化、 省力化、 安全、 可靠、 载重量大， 适应恶劣环 境等方面入手， 开发适应大深水条件下的新设 备 。 石油技术协会记第 6 O卷第 5 卷 1 9 9 5 年 9月 上接 第 2 3页 最后 ， 圈 2显示了该钻机 钻一口深水井时高效施工带来的经济效益。 图 中“ 纵坐标” 为提 高效率后的成本对 常规钻机 作业一 口井成本的百分 比。总成本可分为三 类 钻机费用、 扩展费用 如船只服务费等 和 固定费用 如井口、 套管 。 有效日 租金 就是井 位在零效率时实际总日 租金除以所期望的工 作 日后的租金值 ， 圈中为黑实线 随着钻井效 率的提高而迅速下降 ， 效率提高 2 O 时 ， 有效 日租金降低 2 5 ， 效率提高 4 O 时降低值可 到 5 O 上述值不成 比例是 由于效率提高后 扩展成本也相应降低 。T r a n s o c e a n O ff s h o r e 和 A mo c o公司的目标是把效率提高 4 O 以 满足各方面的要求， 创造更多的效益。 E n t e r p r i s e钻机计划于 1 9 9 8年 7月为 A mo c o公司钻第一口井， 预计它将在墨西哥 湾深度 1 8 3 0 m 以上的水中进行施工 译 自 S P E ／ I ADC 3 7 6 5 9 维普资讯