自升式悬臂梁钻井平台选型技术分析.pdf

石油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1 年第 3 9卷第 l O期 ●技 术讨论 自升式悬臂梁钻井平台选型技术分析 迟 愚 段德祥 王言峰 朱 丽军 蒋 兴迅 孟祥龙 王福合 1 ．中国石油伊 朗公 司 2 ．中国石 油渤海钻探公 司 摘要 以国外某海上气田作业项 目为例 ，对 自升武悬臂梁钻井平 台的选型方法做 了技术分析。 根据悬臂式钻井平台的特点，以及作业水深、钻井深度 、槽 口分布和井眼轨迹等相关数据，对各 种工况下的悬臂梁综合载荷、大钩载荷、桩腿长度和钻井液池容积等进行 了计算，分析 了悬臂梁 及其他平台主要设备的最低配置要求，并结合 自升式钻井平台的市场现状，确定 了最适合作业项 目的钻井平台，可为类似项 目的平台选型提供参考。 关 键词 自升武钻 井平 台 悬臂梁 载荷 桩腿 选 型 0 引 言 国外某海上气 田作业项 目将建设 2个导管架井 口平台，每个平 台钻 1 2口丛式开发井。出于经济 性和灵 活性 的考虑 ，采用 悬臂 式 自升 钻井 平 台 以下简称钻井平台或平台在导管架安装之后进 行钻完井作业。 钻井平台要求在 1 次就位后可以覆盖所有 l 2口 井，并完成这些井的建井作业，这对平 台的悬臂梁 移动范围及其载荷能力提出了挑战⋯。另外 ，该气 田含有 H s ，井身结构比较复杂 ，套管尺寸大，井 深及井斜角较大，这些都对平台的设备及其能力提 出了较高的要求。如果平 台能力偏低 ，会影响钻井 的效率 ，甚至无法作业或增加作业风险；如果太高， 则存在资源和成本的浪费。因此 ，有必要对 自升式 钻井平台进行选型研究 ，兼顾效率和成本，并结合 市场现状选择最适合、最经济的船型，从而确保钻 完井作业成功并实现项 目总体效益最大化。 l 钻井设 计基本数据及平 台选型依据 平台的槽 口设计均为 3 5 ，其纵 向距离为 1 ． 8 3 m， 横向距离为 2 ． 8 2 m，共有 1 5个槽 口，预留 3个槽 口，钻 1 2口井，其 中 1口为直井 ，其余 的为定 向井 。 槽1 J 【槽2】【槽3 竺 苎 兰 皇 7 图 1 井 口平台钻 井槽 口示意 图 该气 田作业水深 7 1 ． 5 m，生产井采用丛式井 设计 ，所有生产井都属于中深井 ，具有井斜大和水 平位移大等特点 ，具体数据如表 1 所示。多数生产 井的水平位移与垂深 的比值都为 1 1左右，其 中 最深的 1口井斜深为 5 1 4 9 m，垂深 3 1 8 6 m，水平 位移 3 4 8 2 m，井斜 6 9 。 ，具体井身结构见图 2 。可 见这种 井 眼轨迹 设 计对 钻井 平 台提 出 了很 高 的 如图 1所示 ，国外某海上气 田2个导管架井 口 要求 。 表 l 2个 平台生产井设计井深及 井斜数据 ④④① ④④④ ①④ 2 0 1 1 年 第 3 9卷 第 l O期 迟 愚等 自升式悬臂 梁钻 井平 台选 型技 术分析 m 1 1 1 x西2 4 4 5 m n 1 产 套管 纠 7 7 ．8mm 尾 符 图 2 最深井 井身结构 示意 图 所有生产井的井身结构都采用 5层套管结构 ， 3 3 9 ． 7 m m技术套管 、 2 7 3 m m X 2 4 4 ． 5 m m生产 套管和 1 7 7 ． 8 mm尾管 1 7 7 ． 8 mm油管 ，具体套 管程 序数 据及 下人 深度 见表 2 。 生产井单井设计产气量 为 2 8 3万 m ／ d ，井底 压力 为 3 6 ． 4 MP a ，井 底 温 度 为 1 0 2 ． 2 ℃ 。 另 外 ， 目的层 H s和 C O 含量较 高，H s的体 积分数为 0 ． 6 ％ ～ 0 ． 9 ％ ，C O 的体积分数达 4 ％。地层 以中 生代碳酸盐地层为主 ，地层较硬。 综 上所 述 可知 ，这 些生 产井 具有 高产 、高含 硫 和可钻性较差 等特点。该项 目钻井难度 和风险较 高，所 以要选择具有足够安全系数的钻井平台进行 包 括 6 6 0 ． 4 ton i导 管 、 7 3 ． 1 mm 表 层 套 管 、 作业 ，从而保证钻井 的安全和高效。 表 2该气 田生产井套管程序数据 2 悬臂 梁能力要求 I 2 ] 钻井平台靠近导管架就位后 ，钻井井架和桩腿 可原地不动 ， 只需移动悬臂梁和井架的上底座 ，就 可使钻井转盘覆盖整个井 口甲板区域 。常规的悬臂 梁可以沿 甲板上的滑道纵向移动，井架上底座可以 在悬臂梁的滑道上侧 向移动 ，见 图 3 、图 4 。例 如 L 7 8 0 Mo dⅡ型 自升式平台 美 国 F r i e d eG o l d ma n 公 司设计 ，井架沿船体 中心线方 向纵向可以伸 出 最大距离 1 2 ． 2 m，并且井架上 底座可 以向左舷或 右舷移动 3 ． 6 1 m，即 1次就位可 以覆盖 l 2 ． 2 m x 7 ． 2 2 m 的槽 口面 积 。 底 座 台 图 3 自升式平 台常规 悬臂 梁及 井架移动示 意图 根据平 台操作手册 ，悬臂梁 的可变钻 井载 荷 以下简称载荷是立根盒钻柱载荷 、大钩载荷和 转盘载荷 的总和 ，即钻井综合载荷 。由于悬臂梁的 强度和刚度所 限，在钻悬臂梁远端的井时悬臂梁的 负载 明显减小 ，即钻台的许用载荷减小。 自升式平 台的悬臂梁负载分布特点为在 中心线上 ，负载与 图 4常 规 悬 臂 梁式 自升 式 平 台 就位 及 作 业 示 意 图 离开船尾的距离关系不大 ，下降不明显。离开 中心 线 ，载荷就会发生变化 。以 L 7 8 0 Mo dⅡ型平 台为 例 ，变化规律是 在纵 向伸 出 6 ． 0 8 m 以内，载荷 为最大值 ，超过 6 ． 0 8 m之后纵 向离船舷越远 ，载 荷就越小 ；从中心线往右舷或左舷方向移动 ，其载 荷离中心线越远越小 。由此可以看出，悬臂梁载荷 最 小 的位置 就是 沿船 舷 的最 边缘 与离 船舷 最远 点 的 交汇 处 ，即井 架移 位 的最 远端 位 置。例 如 L 7 8 0 Mo dⅡ型平 台井架在最远端作业时 ，其载荷由最大 的 5 5 6 2 k N 降 到 1 6 2 0 k N，因 此 平 台 的钻 井 能 力 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 0期 受到极大限制 。 由于该项 目钻井的难度比较大 ，对钻井平台要 求 比较高 ，所 以需要通过对钻井载荷计算来确定悬 臂梁载荷的最低要求。根据布井特点 ，外围的井通 常比较深 ，井斜和水平位移都 比较大，为了避免碰 撞 ，这些井的井 口位置往往都设计在外排 ，恰好是 悬臂梁载荷最薄弱的地方 ，因此主要 以这类井来校 核悬臂梁。以最深 的一 口井为例 ，在钻 2 1 5 ． 9 mm 井眼时，采用 1 3 9 ． 7 m m钻杆，裸眼中取 0 ． 4的摩 擦因数 ，套管中摩擦因数取 0 ． 2 ， 钻至井底5 1 4 9 m 时 ，通过计算最大的上提负载为 2 0 5 8 k N，考虑 1 9 6 0 k N左右 的遇阻上提余 量，大钩负载的极 限情 况应该在 3 9 2 0 k N左右。此时，大部分钻具都在 井下 ，立根盒的载荷应该较小 ，所以钻井综合载荷 在 3 9 2 0 k N左右 。 而 当下 2 4 4 ． 5 m m 2 7 3 m m套 管 时 ，以最深 的一 口井 斜深为 5 1 4 9 m为例 ，裸眼中和套管 中的摩擦因数同样取 0 ． 4和 0 ． 2 ， 2 4 4 ． 5 m m套管 鞋下至 4 1 0 0 m时 ，上提负载为 3 0 3 8 k N，根据 “ 钻机在钻井作业期 间所受最大载荷不得超过钻机 额定载荷 悬臂梁可变荷载 的 8 0 ％” 的标准 ， 并考虑遇阻取 0 ． 2的安 全系数，极 限上提载荷为 3 6 4 6 k N。此时钻具全部在钻台上 ，通过计算 ，立 根盒负载为2 3 5 2 k N，因此钻井综合载荷为 5 9 9 8 k N，该值为悬臂梁负载的最低要求。 为了提高平台的丛式井钻井能力，可以通过优 化槽 口与井的配置，即把难度大的井放在悬臂梁移 动距离小的槽 口位置 ，把难度相对小的井放在最外 排的槽 口。以该项 目为例 ，在悬臂梁的最外排至少 有 2口井 ，除了 1口直井外 ，井深最小的定向井为 4 0 1 0 m，采 用 与 上 述 相 同 的 计 算 方 式 ，当下 4 4 ． 5 m m西 2 7 3 m m套管时 ，得 出悬臂梁 的综合 载荷 至少为 4 4 9 8 k N 。 另外 ，选择平台时要通过槽 口间距确定悬臂梁 的移动范围，并根据悬臂梁和井架底座移位时的负 载变化规律来确定钻井载荷能力。首先要保证悬臂 梁能够覆盖所有井位 ，特别在钻最 Ht b 井时 ，悬臂 梁负载下降较多 ，要满足钻井综合载荷要求。根据 该项 目槽 口分 布 特 点 ，假 如 就 位 精 度 可 以 达 到 1 m，最 后 1排 井 的距 离 为 1 1 ． 1 9 m，所 以要 求 悬 臂 梁纵向至少 可以伸出 1 1 ． 1 9 lI I ，见图 5 。但对 于这 种钻井平台靠近导管架 的作业情况 ，对 自升式平台 的就位精度要求较高 ， 就位距离达到 1 m的操作难 度 很大 ，因此就 位距 离在 1～ 2 r n的范 围 内 比较 合 理 ，这就要 求悬 臂梁 最远 应该 能 伸 长 1 2 ． 1 9 m。 同 样 ，考虑到悬臂梁横向移动存在一定误差 ，所以钻 最外排井时最大横向位移应为 3 ． 2 2 m，见图 5 。因 此，要求所选平 台必须能满足 当悬臂梁 纵 向伸出 1 2 ． 1 9 m、横向位移 3 ． 2 2 m时，悬臂梁的综合载荷 至少 为 4 4 9 8 k N。 横 向 误差 2 8 2 0．4 2 ． 4 2 ～3 ．2 2 n l 图5 自升式平 台就位精度示意图 2 桩腿选择 由于完井作业时，钻井平台要升至井 口平台的 上部模块之上 ，因此升船高度对于桩腿的要求要超 过钻井平台的名义工作水深。该项 目水深 7 1 ． 5 m， 由于海床硬度较大 ，根据邻区作业 的经验 ，最大的 插桩深度为 9 m，取 2 m的安全余量。上部模块的 海拔高 度为 2 6 m，通 过计算 桩腿 的长 度 至少要 1 0 2 ． 5 m 见图 6 ，所 以名义钻井水深大 于 9 0 m 的钻井平 台才能满足要求。 匕甲 度 图6 自升 式平台升船 高度示意 图 3 钻机 主要设备配置要求 绞车和顶驱 的工作能力极 限都是 在钻 1 5 ． 9 mm井眼时，而钻井泵的工作极限发生在钻 3 1 1 ． 2 2 0 1 1 年第3 9卷第 1 0期 迟愚等 自升式悬臂梁钻井平台选型技术分析 mm井 眼时。通过 计算 ，要求 绞车 的功率 至少 为 1 1 7 6 k W，顶驱 的功率至少应 为 5 8 8 k W，钻井泵 的功率为 1 6 9 1 k W，再加上其他 的辅 助设 备和生 活用电等 ，要求平台至少配备 4台 1 6 0 0 k W 的柴 油 发 电机 组 作 为 主 动 力 ，最 好 要 配 备 1台 1 0 0 0 k W 左 右 的 应急 发 电 机 ，通 常 7 0 0 0 1 3 1 的钻 机基 本 都 可 以达到 上述要 求 。 由于地层 含有 H S等有毒气体 ，所 以要求平 台有足够 的钻井液池容积 ，当打开生产层段时 ，至 少要准备 1 ． 5～2倍井 眼容积的加重钻井 液，通过 计算得出，钻井液池的容积 以4 0 0 r n 为宜 。另外 ， 对于平台的散装料或灰罐等的仓储能力 、可变载荷 及甲板面积 ，当然是能力越高越好 ，但可以不作为 钻井平台选型的主要依据 ，如果悬臂梁 、桩腿及主 要设 备都 能满 足作业 要 求 ，其 他 方面 基本 都不会 成 为主要制约因素。 4 钻井平台选择 表 3 自升式平 台主要设备最低 配置要求 通常钻井平 台的选型要综合考虑悬臂梁能力 、 桩腿能力 、钻井 能力 、仓储 能力 、钻井液池容积 、 平台可变载荷 以及甲板面积等因素 ，结合 目前 自升 式平台的特点和市场发展现状 ，对于该项 目的平台 选型应主要考虑悬臂梁能力 ，如果悬臂梁可以满足 要求 ，其他方面基本都能满足或高于作业要求 。目 通过以上分析 ，适合该项 目的钻井平 台的主要 前 自升式钻井平台市场上 9 1 ． 2 r n及 以上作业水深 设备最低配置要求见表 3 。 的主要船型设计见表 4 。 表 4 目前 自升式钻井平 台市场作 业水 深 9 1 ． 2 m及 以上 主要船型 根据表 3中对 自升式平台的要求 ，对 比表 4可 以看出 1 F G公 司设 计 的 L一 7 8 0 Mo d 1 I 船 型难 以 满足该项 目的钻井作业要求 ，其悬臂梁移动范围和 载荷能力都明显低于选型要求 ； 2 作业水深为 9 1 ． 2 m的船型 中比较适合 的 为 B MC 3 0 0一 I C船 型 ； 3 作业水深 1 0 7～1 1 4 m的船型 中大部分都 能满足要求 ，只有 L e T o u me a u 1 1 6一C和 MS C C J 6 2 S 1 2 0能力 偏低 ； 4 1 2 2 m及 以上的船型都充分满足要求 ，但 这些船型的 日费率较高 ，会增加作业的成本 ，不建 议 选用 。 综 上所 述 ，悬 臂 梁 最 大 载 荷 在 7 4 4 8～9 6 0 4