21世纪初的世界海洋石油钻机

21 世纪初的世界海洋石油钻机 廖谟圣 摘要：主要叙述了世界近海和大洋石油钻机 2000 年至 2020 年的新进展。那些 新设备有：1.大功率钻机，包括 3.735.22 MW 的绞车、1573 mm(60 1/2 英 寸)的转盘和 4(1.491.64) MW 的钻井泵(工作压力达 34.47 MPa)； 2.全液 压钻机，包括液压驱动的绞车、液压驱动的转盘和液压驱动的钻井泵； 3.液缸 升降型钻机；4.全自动控制钻机；5.新型顶部驱动钻机；6.模块钻井设备。 关键词：海洋钻机；技术；设备；能力；发展；趋势 中图分类号：TE 95 文献标识码：A Development of the offshore drilling machine in early next century LIAO Mo-sheng (Research Center of East China of CPPEI,Shanghai 200041,China) Abstract:This paper mainly introduces development of the offshore and ocean petroleum drilling machine in the world from 2000 to 2020.New equipment will be developed such as:1.High power drilling machine including:3.735.22 MW drawworks,601/2 inch rotory table,4(1.491.64)MW mud pump(with work pressure up to 34.47 MPa). 2.Full hydraulic drilling machine including:drawworks,rotory table,mud pump.3.Ram rig.4 Auto controlled drilling machine.5.New type of top drive systems.6.Module drilling equipment. Key words:marine drilling rig;technique;equipment;capability;development;tendency 根据当前和 21 世纪前期海洋石油钻井业向深水(1999-05，实际钻井工作水 深已达 2 347 m，1999 年实际海底采油树的工作水深达 1 853 m)、深井、大斜 度井、大水平位移井(1999-01，达 11 021 m，HDTVD10 497 m1 666 m6.3)、孔底多支井(1 口井中有 6 口水平井)、控制自动化、电脑化、低成本、 高效率等方向发展的趋势，世界海洋石油钻机相应得到很大发展。 海洋石油钻机的发展，在很大程度上代表和促进了陆地石油钻机的发展。 现将当前世界海洋石油钻机最新发展和未来 20 a 的发展趋向简述。 1 当今海洋钻采装备与技术能力 随着海洋石油钻采能力向深水推移，更大的提升能力和钻深能力的钻机将 得到发展和使用。 1998 年，海洋石油钻井平台的钻井工作水深已超过 2300m(见文献1的 1998 年 4 月号，Noble 钻井公司公布该公司浮式钻井工作水深达 2305.2m，1999-05 已达到 2347m)。由于钻井工作水深向深水推移和需从海底以 下更深的地层(50006000m，乃至更深)钻采石油和天然气，以及为节约钻采平 台的建造安装费，需以平台为中心进行钻采，将其半径从通常的 3 km 扩大至 45 km，乃至更远，以及提升大直径钻杆(65/8 英寸)和提吊深水大型隔 水管和大型深孔套管等需要，发展更大提升能力的石油钻机将不可避免。 1998-05，在美国休斯顿召开的近海技术会议(OTC)推出由 Continental Emsco 公司制造的当时世界上第 1 台最大功率 3.73MW 的钻机绞车。据称该绞车 为第四代电驱动绞车，其提升的钩载能力超过 907.4t若以通常功率为 2.24MW 的绞车，提升(钻深)能力为 9 144 m；功率 2.98 MW 的绞车，提升能力为 12 192 m 的标准推算，则功率为 3.73MW 绞车的实际提升能力达 15 240 m；若采用 轻型组合钻杆，并结合采用顶部驱动在提升时旋转钻具，钻深能力将会更高。 与此相配套的大通径转盘亦由 Emsco 公司推出，其通径为 1537mm(601/2 英寸)，额定死载荷达 1000t。 该钻机已于 1998 年装备在堪称世界最先进、最庞大的钻井浮船之一的 Discoverer Enterprise 号上。该船主尺度长 254.5m宽 38.1m深 18.9m，可 变载荷 2 万 t,设计工作水深可达 3048m，钻深 10668 m(使用重型钻具)。该船 上为双联井架，高 68.9m长 24.4 m宽 24.4m，采用两套同类型钻机及相应 设备，钻井泵 4 台驱动功率为 1.64 MW 的 Nat 114-P-220 型，该船采用最新的 DPS-903DP 型动力定位系统，总功率为 65.22 MW，11 kV 系统。目前，由 Amoco 公司作为操作者，已用于墨西哥湾深水域钻井；另外，还有驱动功率为 4.92MW 的 Hiteco AHD 型绞车，31.64 MW，51.71 MPa 的泥浆泵分别装备将于 1999 年和 2000 年建成的工作水深达 2590m，钻深能力达 10700m 的 Sedco Express、Sedco Energy 和 Cajun Express 号这 3 艘类型相同的半潜式钻井平 台上。这 3 艘姐妹平台均采用 DPS-3 级动力定位系统，每艘平台的总功率为 64.474.4MW，其转盘为 Varco 型，通径为 1537mm(601/2 英寸)；另 外两艘半潜式钻井船 RBS 8M 和 RBS 8D 号同型号姐妹平台也安装了与前述相同 功率的 4.92 MW 钻机，分别将于 1999 年和 2000 年投入使用。 最近，由韩国三星厂建造的 Navis Explorer I 型钻机，其钻井工作水深为 3048m，钻深能力高达 11000m，绞车功率达 5.21 MW，配备 4 台功率各为 1.49 MW 的泥浆泵，将安装在 2000 年建成的动力定位钻井浮船上。 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为 2.24 MW，所配半潜式平台和钻井船最大工作水深为 2 286 m，至 1998 年发展 了功率为 3.73 MW 的绞车， 配备在工作水深 3 048 m 的钻井船上；到 2000 年， 功率为 4.92 MW 和 5.22 MW 的石油钻机将投入生产使用。这充分说明随着海洋 石油钻井、采油向深水推移，钻深能力更大的钻机已经得到发展和在 21 世纪初 将得到推广并进一步发展及使用。 2 钻机向全液压传动方向发展 全液压传动(主绞车、转盘、泥浆泵均采用)的石油钻机将成为常规机械传 动钻机的换代产品之一。 90 年代初，由美国 Koomey 公司与挪威合资成立的 Maritime Hydraulics 公司最新发展的由液马达驱动绞车、液马达驱动转盘和液压缸驱动泥浆泵的全 液压驱动钻机，已安装在挪威国家石油公司所属的半潜式平台上，其主要规格 参数如下： a) 全液压传动的主绞车 型号为 MH-500-20，额定最大功率为 2.94MW， 额定常规功率为 2 MW，快绳牵引力为 500kN，滚筒速度为 20 m/s(提升或下 降)，滚筒尺寸为直径 1273mm长度 1510mm，滚筒最高转速为 300 r/min,钢 丝绳直径为 11/4 13/4 英寸，碟形弹簧控制的刹车盘直径为 2 220 mm，减速齿轮速比为 17.78，所需液压源液压系统为闭式回路，压力 35 MPa，流量 3500L/min，液压无级调速范围 1115.8，总质量 37t，外形尺 寸为 5.20m3.83m3.04m。 b) 全液压传动的转盘 通径 952.5mm 和 1257mm(可根据用户需求供 应)，最大连续扭矩 42kN.m，最大扭矩时的速度为 125 r/min,最高转速为 245r/min,驱动马达为 4 台，总质量 14t。 c) 全液压传动的泥浆泵(液缸驱动泥浆泵) 输出最大排量 2500L/min， 连续最大压力 34.5 MPa，液压输入流量 2500Lmin,液压输入压力 540MPa, 最大冲次 55min-1，进、排泥浆阀为 4 英寸(进入口)和 4 英寸(排出口)API 阀， 总质量 8.7t。 上述全液压传动钻机的主要优点如下： a) 可方便与电脑相联接，通过微电-电-液放大，实现整套钻机的回转、 升降和泥浆供应量的无级调节，以实现钻井、升降电脑程序自动控制，并可以 大大减少井场操作人员。 b) 由于钻机旋转、升降和冲洗液的供给，均可实现无级调速、调排量， 有优越的转速-扭矩、压力-排量性能曲线，从而可通过电脑优选参数，指令实 现优选参数的钻进和提升时的恒功率调节，提高工作效率，并充分利用动力。 c) 可在钻井工艺的全过程实现安全操作。这是由于液压系统优越的压力 力矩指示和过载自动保护所决定的(过载即超液压、通过溢流阀卸荷)。 d) 明显减轻设备质量和节约占用空间。如上述液压泥浆泵在 2500L/min 排量和 34.5MPa 压力下工作，其输出功率相当于 1.42MW，总质量为 8.7t，比一 般功率为 1.19MW，总质量 24.8t 的泥浆泵(National-Oilwell 2-P-160 型)和 18.76t 的泥浆泵(Gardner-Denver PZ11 型 1.19 MW)要轻得多。上述主绞车的 最大功率达 2.98MW，而总质量为 37t，比 1625DE 型(National-Oilwell 公司的 功率为 2.24 MW 的绞车)总质量 39.53t 和 C-3-型的(大陆 Emsco 钻井设备公 司的功率 2.24 MW 的绞车)总质量 37.29t 的单位功率质量亦明显降低。 e) 对于全液压传动的泥浆泵还省去了一整套曲轴、齿轮传动机构和经常 需要更换活塞的时间。对于全液压传动的绞车，还具有下钻时的安全制动，没 有转动时的运转惯性和具有大直径滚筒可使快绳平滑地运动和减少磨损等优点。 f) 可以与全液压顶部驱动、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。 3 液缸升降型钻机具有强大的生命力 早在 1987 年，液缸升降型钻机(Ram rig)已由 Maritime Hydaulics 公司开 始开发，但当时对大液压功率的全液压传动尚缺乏经验。从 1994 年开始，大型 液缸升降型钻机的开发才得到实际启动。该钻机最近又完善了设计，分别装备 于 1999 年和 2001 年计划建成的 West Juture和 Stena Don 号半潜式平台。 前者工作水深为 2438m，钻深能力 10060m。两平台均为动力定位，每艘平台总 功率为 32.81MW，其泥浆泵功率为 41.64MW 的 NatL14-P-220 型，转盘为 Varco 型，通径 1536.7 mm(601 2 英寸)；另一组 Ram 液缸升降型钻机安 装在 West Navion 号钻井浮船上。该船由挪威国家石油公司设计，韩国三星重 工制造，用于北海地区，其工作水深 2 499.36m，钻深能力 10058.4 m。已于 1998 年建成的上述钻机均有 3 组液缸和滑轮放大行程系统，升降高度达 36m， 提升能力 750t，其滑轮的钢丝绳破断安全系数达 3.5，运动补偿器补偿能力高 达 270t(通常半潜式平台运动补偿器补偿能力仅为 180t)。该设备的主要优点是： a) 仅用大型液缸升降钻具，兼作自动送钻，升降平稳、安全、有力、而 且淘汰了笨重而昂贵的绞车和转盘，从而明显减少了海上石油设备占用的钻台 面积和显著降低了建造成本(约降低 30%)。 b) 用于浮式石油钻井时，仅将升降液缸与运动补偿的油气罐相联，即可 实现钻柱的运动补偿，从而省去了浮式钻井所需的天车型或游车型运动补偿器 所需的昂贵购置费、操作维修费以及由于安装运动补偿器需加高井架等费用。 c) 用竖直钢框架结构悬挂升降液缸，省去了井架、天车和游车系统。 d) 用顶部驱动(TDS)与升降液缸组合的钻井和升降系统，可以理想地实现 调钻压、自动送钻和优化钻井参数的钻井，对提高钻井效率、避免卡钻、埋钻 等孔内事故，均起到重要作用。据称可提高钻井效率约 30%。 不难看出，这种新颖的石油钻机用于海上浮式或固定式石油钻井将是未来 海上石油钻井装备发展的一个重要方向。 4 全自动控制钻机将成为海上石油钻机发展的最终目标 1996 年来，一种集钻机顶部驱动回转钻井、绞车升降、钻具自动排放、遥 控操作泥浆泵、防喷器、节流压井管汇的钻机以及由宽大、舒适，以透明玻璃 罩与井场设施设备隔开的控制室组成的全自动控制钻机，在美国 Pool 公司所属 新奥尔良的试验基地出现。据介绍，该钻机仅由 2 人坐在玻璃罩内控制室的转 椅上进行控制操作(1 人负责整套钻机钻井操作，另 1 人负责钻具排放操作)。 可以预料，由各种不同型号的钻机、井口液控拧卸排放钻具、以计算机进 行优化参数的全自动控制钻机(操作者只需进行监控、调节或维护保养)将在 21 世纪初得到实际应用。 5 钻机新型顶部驱动装置(TDS)的发展 5.1 TDS 的发展 自 1863 年法国工程师 Leschot 发明了转盘式旋转钻井法以来的 130 余 a 时 间，转盘式旋转钻机几乎全部替代了冲击钻井的石油钻机。直至 1981-12，美 国 Varco-BJ 公司研制的 TDS 正式用于自升式钻井平台上。由此形成了石油钻井 技术的又一重大技术变革。在此后 18 a，TDS 系统逐渐广泛地被世界各国石油 钻井界所采用。目前，所有海上石油钻井船或平台，几乎全部装备了这一系统， 陆上石油钻机也逐渐采用，并有越来越多地装备 TDS 之趋势。 5.2 TDS 的主要优点 由于 TDS 和侧驱系统(SDS)、陆地顶驱系统(LDS)以及与水龙头和游车相组 合的顶驱系统(IDS)，其最终仍以顶部驱动方式进行钻井作业，故 TDS 与 SDS、LDS、IDS 的优点基本一致(下文概称作 TDS)。其主要优点是： 可显著降低钻井辅助时间，提高钻井效率 15%20%，甚至更高。 可避免或易于排除卡钻、埋钻等孔内事故以及钻遇油气层在提钻时易产生 井涌、井喷事故，大大提高了钻井的安全可靠性。 特别适用于钻定向井、水平井，显著提高钻定向井、水平井的钻井能力和 降低钻井费用。 可以获得更长的、连续取样的岩芯样品。 减少钻台上旋转和传动的部件，操作更加安全。 5.3 TDS 的最新发展动向 5.3.1 TDS 向陆地钻机发展 据统计，1983 年用于陆地的 TDS 只有 1 台，至 1988 年累计已有 8 台，到 1992 年累计达到 49 台。又据加拿大钻井技术公司 1996-03 提供的资料称，该 公司从 1988 年至今共生产使用(或即将投入使用)的 45 台 TDS 中，除了 7 台用 于海上固井平台、2 台用于钻井驳船外，其余的 36 台均用于陆地，占该公司生 产总数的 80%。不难看出，TDS 向陆地钻机发展，具有强劲的潜在发展势头。 TDS 向陆地石油钻机方面发展的另一个主要因素是：由于海上石油钻井装 置是有限的，目前，估计超过 90%的海上石油钻机装备了 TDS，而陆地石油钻机 投入使用的数量是海上的 4 倍以上，它具有广阔的发展市场。TDS 向陆地钻机 发展已势在必行。 5.3.2 TDS 的驱动方式 TDS 驱动方式目前主要以直流电机驱动为主，但全液压传动和交流变频电 机驱动也将越来越多。 由于全液压传动具有顶部驱动液马达的小的外形尺寸和质量、有很小的质 量功率比和质量扭矩比、能在较大范围内实现无级调速、可在较大范围内实现 自动恒功率调节、运动平稳、无冲击、运动惯量小、易于防止过载和操纵性好 等一系列优点，特别是由于油马达尺寸小，可不增加井架高度而适用于陆地钻 机，因此，挪威 Maritime Hydraulics 公司的 43 台 TDS，绝大部分采用全液压 传动；法国 ACB 公司于 1989 年前生产的 15 台 TDS 中，有 11 台是全液压传动。 近年来，由于交流变频的大功率电机的商业化和技术日趋成熟，已有 TDS 采用 这种驱动方式并将越来越多。这是由于变频电驱动具有启动电流小、无级调速 范围大、传动装置相对简单、运转安全可靠等一系列优点所决定，它也是未来 电驱动发展的重要趋势之一。 5.3.3 TDS 的结构与参数 根据钻井工艺的需要，TDS 结构和参数不断更新，规格品种不断增加。现 举最有代表性的 Varco-BJ 和 CANRIG 两公司的产品为例，予以简述： a) Varco-BJ 公司 1981 年研制初型为 TDS-1 型(电马达轮系传动)和 TDS-2 型(仅设计，未投产)；1983 年研制出速比为 5.331 的单速 TDS，并变 为工业生产的 TDS-3 标准型，1988 年发展了 TDS-5 型；1989 年又发展了 TDS- 3H 型和 TDS-4H 型；1990 年研制出 TDS-3S 型、TDS-4S 型和 TDS-6S 型； 19911992 年发展了 TDS-3SB、TDS-4SB、TDS-6SB 型以及 IDS 型；19931995 年又发展了 TDS-7S 型(全用于海上和大型的陆地钻机上)和适用于 6000m 陆地、 低价格、快速安装、直流电驱动的 IDS-1 型和 IDS-3 型，以及完善发展了取自 驱动转盘，动力通过万向轴以驱动顶驱的陆用 LDS-1 型(与侧驱 SDS 相同)； 19961997 年又发展了与水龙头相组合，适用于陆地的、低价格的 TDS-9S 型 (交流变频双马达 2149.14kW)和 TDS-10S 型(交流变频双马达 2261 kW)。 b) CANRIG 公司 加拿大 CANRIG 公司专门为陆地钻机研制井架无须加高 或加固、导向装置为可折叠、便于运输安装的各型 TDS，共有 3 类 11 种型号。 新近研究开发的 3 种型号，即 5025E、7035E、9050E，其驱动功率依次为 372.85，522 和 671.13 kW，额定负荷依次为 250，350 和 500t。从额定负荷可 知，它们可广泛地用于 25006000m 钻井深度的石油钻机。这 3 种型号其末位 的“E”符号，代表交流变频电动机驱动。最近，CANRIG 公司发展了为配备深 海大型钻井平台的 CANRIG AC 1165E 型 TDS，分别装备于 1999 年将建成的 Pride Africa 和 Pride Angola 号浮船上，其工作水深为 3 048m，钻深 9601.2m。 6 海洋钻机的配置与模块化 国外海洋石油钻机多数选配与陆地钻机相同的石油钻机并加以模块化。 国外装备于钻采平台上的海洋石油钻机，一般选用钻深能力为 4500，6000，7600 和 9000m，而用于移