深水海洋石油钻井装备发展现状_图文

1、技术综述收稿日期:2009211204作者简介:赵洪山(19802,男,河南开封人,博士,2007年毕业于中国石油大学(华东石油工程学院,现从事石油气井管柱力学方面的研究,E 2mail:zhaohongshan2002 。深水海洋石油钻井装备发展现状赵洪山,刘新华,白立业(胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017摘要:为加快我国深海油气开发的步伐,有必要深入调研和跟踪国外深水油气勘探的动态和成功经验,了解国外深水海洋石油钻井装备的结构特点、现状和技术水平。对国外深水半潜式平台和钻井船的特点、现状及发展趋势,深水平台钻机和隔水管系统的发展现状和技术水平,以及深水钻井防喷器系统的工作特

2、点及应用情况做了介绍,对我国深水钻井领域的发展具有指导作用。关键词:深水钻井;半潜式平台;双井架钻机;隔水管系统;水上防喷器中图分类号:TE951文献标识码: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当今世界油气储量迅速递减,陆上石油资源紧缺问题日渐突出,而占地球面积70%以上的海洋,预计油气储量相当可观。据估计,全世界未发现的海上油气储量有90%是在水深超过1000m 以下的地层中。我国深水海域也十分广阔,蕴藏着丰富的油气资源,

6、但是目前我国的深水钻探开发仍处于起步阶段,深水钻完井技术与国际先进水平相比存在很大差距,在很多方面缺乏自主的关键技术,已成为我国深水油气勘探开发的瓶颈123。因此,有必要深入调研和跟踪国外深水油气勘探的动态和成功经验,了解国外深水海洋石油钻井装备的结构特点、现状和技术水平。1深水半潜式钻井平台随着陆地资源的日益枯竭,石油天然气开采已经逐渐由陆地转移到海洋,坐底式平台、重力式平台、导管架平台、自升式平台等主要作业于浅海区域,随着油气勘探开发日益向深海推进,张力腿平台也显示出其局限性,钻井船和半潜式平台成为主要选择,然而半潜式钻井平台由于具有极强的抗风浪2010年第39卷石油矿场机械第5期第68页

7、O I L F I E LD EQU I P M ENT 2010,39(5:6874能力、优良的运动性能、巨大的甲板面积和装载容量、高效的作业效率等特点,在深海能源开采中具有其他型式平台无法比拟的优势425。1.1结构和运动特点半潜式钻井平台上部为工作甲板,下部为2个下船体,用支撑立柱连接,如图1所示。工作时下船体潜入水中,甲板处于水上安全高度,水线面积小,波浪影响小,稳定性好、支持力强、工作水深大,新发展的动力定位技术用于半潜式平台后,到21世纪初,工作水深可达3000m ,同时勘探深度也相应提高到900012000m 。据R igz one 网站截至2006207初的统计,全球现有165

8、座半潜式钻井平台,其中额定作业水深超过500m 的深水半潜式钻井平台有103座, 占总数的62%。图1半潜式钻井平台与固定式平台不同,半潜式平台在工作时漂浮于海面,因而可以不受作业水深的限制,适用于各种水深的海域。在半潜作业时,平台一直处于运动状态。与钻井船相比,半潜式平台由于大部分排水量都集中在水下较深处,这使得平台整体受波浪的影响较弱,在波浪中的运动响应较小,能够适应大多数的海洋环境,与钻井船相比有更好的运动特性。在作业海况下,半潜式平台的升沉1.01.5m ,水平位移不大于水深的5%6%,平台的纵倾角不大于±(2°3°。平台的这种运动是在钻井作业所允许的最大

9、运动幅度之内,因而能很好地满足海上作业要求。1.2技术现状在用深水半潜式钻井平台主要是在美国墨西哥湾、巴西、北海、西非、澳大利亚和墨西哥海域作业。为适应向深水和深井找油的需求,近年来运用综合高科技,国外设计建造了工作水深超过3810m (12500ft 、钻深达到12190m (40000ft 、钻机绞车功率增至5292k W (7200hp 的第6代海上半潜式钻井平台。第6代半潜式钻井平台的作业水深已达25503600m ,多数为3048m ,钻深大于9144m (30000ft ,采用动力定位,船体结构更为优化,可变载荷更大,配备自动排管等高效作业设备,能适应极其恶劣的海洋环境。第6代平台

10、比以前钻井平台更先进的设计在于采用了双井口作业方式,即该平台钻机具有双井架、双井口、双提升系统等。主井口用于正常的钻进工作,辅助井口主要完成组装、拆卸钻杆及下放、回收水下器具等离线作业,虽然平台的投资有所增加,但是对于深海钻井作业效率的提高是显著的。据相关资料介绍,双井口钻井作业在不同的作业工况下可以节省21%70%的时间。随着作业水深的逐渐加大,半潜式钻井平台钻机能力也逐渐加大,需要的绞车、泥浆泵、顶驱、转盘能力均相应提高。目前,半潜式钻井平台顶驱以美国国民油井Varco 公司、加拿大Canrig 以及Mati m e Hydrau 2lics 公司的产品为主,仅就技术和使用情况来说,Var

11、co 公司一直处于行业的领先地位,泥浆泵主要生产厂家为NOV 、W irth 、Le wco,绞车主要生产厂家为NOV 、Em sco 、W irth 。2009204,中国海洋石油总公司投资建造的我国首座3000m 超深水的第6代半潜式钻井平台在上海外高桥船厂进坞铺底,该平台预计2010210建造完成,作为中国人走向深海的利器,可以极大地提升中国在深水油气田勘探开发的能力,加快我国南海深水油气资源勘探开发的步伐。1.3发展趋势a工作水深显著增加2002年末现有和在建的175艘半潜式平台中,31艘工作水深超过1829m (6000ft ,16艘工作水深超过2286m (7500ft ,其中I

12、H I 2RBF Exp l orati on 、Deepwater Horiz on 、Eirik Raude (B ingo 9000系列工作水深达3048m (10000ft 。未来20a 内,工作水深达40005000m的半潜式平台有望出现6。b适应更恶劣海域半潜式平台仅少数立柱暴露在波浪环境中,抗风暴能力强,稳定性等安全性能良好。大部分深海半潜式平台能生存于百年一遇的海况条件,适应风速达100120kn,波高达1632m ,流速达24kn 。随着动力配置能力的增大和动力定位技术的新发展,半潜式平台进一步适应更深海域的恶劣海况,甚至可望达全球全天候的工作能力。96第39卷第5期赵洪山,

13、等:深水海洋石油钻井装备发展现状c可变载荷增大采用先进的材料和优良的设计,半潜式平台自重相对减轻,可变载荷不断增大,以适应更大的工作水深和钻深。平台可变载荷与总排水量的比值,南海2号为0.127,Sedco602型为0.15,DSS20型为0.175,新型半潜平台将超过0.2。甲板可变载荷(包含立柱内将达万吨,平台自持能力增强。同时甲板空间增大,钻井等作业安全可靠性提高。d外形结构简化半潜式平台外形结构趋于简化,立柱和撑杆节点的型式简化、数目减少。立柱从早期的8立柱、6立柱、5立柱等发展为6立柱、4立柱,现多为圆立柱或者圆角方立柱。斜撑数目从1420根大幅降低,甚至减为24根横撑,并最终取消各

14、种形式的撑杆和节点。下浮体趋向采用简单箱形,平台甲板主体也为规则箱形结构,且甲板结构出现层高12m的双层底。e采用高强度钢采用强度高、韧性好、可焊性好的高强度和甚高强度钢,以减轻平台钢结构自重,提高可变载荷与平台钢结构自重比,提高总排水量与平台钢结构自重比。例如,平台总排水量与钢结构自重的比值,DSS20型为2.82,PETROBASX 为3.6,新型半潜平台将超过4.0。f装备先进化深海半潜式平台装备了新一代的钻井设备、动力定位设备和电力设备,监测报警、救生消防、通讯联络等设备及辅助设施和居住条件也在增强与改善,平台钻井作业的自动化、效率、安全性和舒适性等都有显著提高。2深水钻井船钻井船是移

15、动式钻井装置中机动性最好的一种,如图2。其移动灵活,停泊简单,适用水深范围大,特别适于深海水域的钻井作业7。钻井船主要由船体和定位设备2部分组成。船体用于安装钻井和航行动力设备,并为工作人员提供工作和生活场所。在钻井船上设有升沉补偿装置、减摇设备、自动动力定位系统等多种措施来保持船体定位。自动动力定位是目前较先进的一种保持船位的方法,可直接采用推进器及时调整船位。全球现有45艘钻井船,其中额定作业水深超过500m的深水钻井船有40艘,占总数的88.9%。钻井船主要活跃在巴西海域、美国墨西哥湾和西非海域。2006207,正在钻井的26艘深水钻井船分布在8个国家。其中巴西8艘,占1/3;其次是美国

16、,有6艘;安哥拉、印度和尼日利亚分别有4艘、3艘和2艘;中国、马来西亚和挪威各1艘 。图2深水钻井船当前世界上大型、先进的石油钻井船中具有代表性的有:a由西班牙A stano船厂于2000年建成的D iscoverer Sp irit号钻井船。该船配备钻井双作业系统,钻井工作水深为3048m(10000ft,钻井深度为10668m(35000ft。另外,Trans ocean公司的D iscoverer Enter p rise和D iscoverer Deep Seas均配备钻井双作业系统,配有双套E m sco EH V5000hp钻机,钻深10668m(35000ft,其工作水深分别为2

17、590m(8500ft和2438m(8000ft,后均升级至3048m(10000ft。b由韩国三星船厂于2000203建成的Belf ord Dol phin号,船长201m(660ft,宽40m(131ft,型深19.5m(64ft;工作水深3048m(10000ft,钻深11278m;可变载荷226800kN,(25000st;钻机主绞车为H itec4851kw(6600hp。cG LOMAR CR.LU I GS号钻井船。其工作水深为3658m(12000ft,钻深为10668m (35000ft。今后钻井船的主要发展特点是:a设计工作水深将明显增加,预计在未来20a内,钻井船的目标

18、水深将达40005000m (1312016400ft。b装备先进的、高精度的大功率动力定位系统(DPS23。c装备大功率超深井钻机,目标钻井深度在10668m(35000ft以上。预计在未来20a内,钻井船的钻井深度能力将突破15000m。d采用甚高强度钢和优良的船型及结构设计,将总排水量与船总用钢量的比值进一步提高;船具有良好的安全性、抗风暴能力,全球、全天候的工7石油矿场机械2010年5月作能力和自持能力长。3深水平台钻机目前,深水平台钻机的作业水深已达3658m (12000ft ,最大钻深12192m (40000ft 。随着海洋石油作业深度的加大,深水平台钻机的配置也不断提高。Tr

19、ans ocean 海洋钻探公司根据其丰富的海洋钻井经验,于20世纪90年代提出一个井架内配备2个钻井系统的理念,后来发展成双井架钻井技术。近年来,双井架钻机技术日趋完善,在超深水钻井中体现了其高效性,目前在建的平台和钻井船大多都采用双井架钻机技术。从目前超深水钻井平台来看,双井架的形式主要有2种7,即塔形和A 形井架。塔形双井架使用的是电驱钻机系统,A 形双井架使用的是全液压驱动的钻机系统。3.1A 形双井架钻机A 形双井架钻机即全液压双井架钻机,主要生产商是致力于液压钻机发展的Mariti m e Hydraulics公司。这种无绞车、液缸升降型钻机于1996年开发,研制出的Ra m R

20、ig 钻机已基本形成系列,大钩载荷150010000k N 。全液压驱动双井架钻机首先在W est Navi on 钻井船上配备使用,钻井船工作水深2438m 、钻深10060m 。经过这些年的发展,全液压驱动双钻机技术已经成熟,在超深水半潜式钻井平台和钻井船上有相当数量的钻机安装使用。图3为A 形双井架平台 。图3W est Phoenix A 形双井架平台与常规钻机相比,Ra m R ig 液压钻机绞车和提升系统方案简单、结构紧凑、体积小、质量轻、成本低、技术经济指标先进;可完成钻井、起下钻、下套管或修井等作业,动力消耗较小。现场试验和钻井实践表明,Ra m R ig 钻机可提高钻井效率1

21、5%20%;省去庞大的绞车和钻柱运动补偿器,大大降低了钻机质量和制造成本;可与全液压顶部驱动、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,完成全部钻井工艺过程的自动化操作。目前使用A 形双井架的平台和钻井船服役的有11座,在建的有12座。3.2塔形双井架钻机Trans ocean 公司主要采用塔形双井架,1998年在堪称世界最先进、最大的钻井船D iscoverer Enter 2p rise 上首先配备了塔形双井架。该船外形尺寸为254.5m ×38.1m ×18.9m (长×宽×高,可变载荷1.96×105k N,设计作

22、业水深3048m ,钻深10668m 。船上配备的双井架高68.9m 、长24.4m 、宽24.4m ,采用2套同类型钻机和相应设备,以及4台驱动功率1.64MW 的Nat 1142P 2220型钻井泵,钻井船采用最新的DPS 2903DP 型动力定位系统,总功率为6×5.22MW 。为了实施双井架钻井,其主要的钻井设备为井架内配备的2套钻机系统,主钻机大钩载荷8894kN ,辅助钻机3962kN;还有2套管子输送装置及管子处理装置。图4为塔形双井架平台 。图4塔形双井架平台目前使用塔形双井架的钴机和钻井平台服役的有9座,在建的有19座。3.3双井架钻机钻井过程现以D iscover

23、er Enter p rise 钻井船为例说明双井架钻井如何实施作业。钻井船上有2个独立的钻井中心,分为前后2个作业区。主钻机为前作业区,辅17第39卷第5期赵洪山,等:深水海洋石油钻井装备发展现状助钻机为后作业区。由于井深、地层结构复杂和油层压力大,油井应该有导管、表层套管、技术套管和油层套管4层。双井架钻机进行单井钻井作业的基本步骤如下:a钻井船就位,钻前准备,主钻机下井口盘。b辅助钻机钻进,完成井口导管段。c辅助钻机下导管。d主钻机处进行隔水管柱组装。与步骤(b、(c同时进行,并与步骤(c同时完成。e钻井船移位,使主钻机位于井口上方,安装隔水管。f主钻机钻表层,同时辅助钻机进行钻杆/套管

24、立根和底部钻具总成组装,为主钻机做准备。g主钻机下表层套管、固井,同时辅助钻机进行BOP的安装测试,并下放。h钻井船移回,使辅助钻机位于井口上方,安装BOP,然后钻井船移回,完成隔水管和BOP的连接。i主钻机钻技术套管段,辅助钻机作业同步骤(f。j主钻机下技术套管、固井。k主钻机钻油层、下油层套管,辅助钻机完成采油树安装测试并下放。l安装采油树,完井、试油。以上所述步骤只是典型的钻井过程,具体钻井过程可根据实际情况而定。3.4特点分析由以上钻井过程可知,双井架钻机具有协同和并行作业的特点。在深海钻井作业过程中,大部分时间是用于组装、拆卸钻杆及下放、回收水下器具等作业。通过双联井架并结合2套提升

25、系统、旋转系统以及钻井液循环系统,可实现主、辅双井口作业方式,将一些准备工作与正常钻井同步进行,大大提高钻井效率。虽然双联井架系统增加了深水钻机的成本,但是其对钻井效率的提高是非常显著的。例如,美国双联井架钻井船D iscover Sp irit在Aconcagua海洋气田钻探时大约节省了25%的作业时间,为钻井公司创造了巨额利润。目前,双联井架技术已成为新型高性能深水钻机的典型标志。4深水钻井隔水管钻井隔水管作为井口与平台之间的重要部件,其主要功能是隔离海水、引导钻具、循环钻井液、起下海底防喷器组、系附压井、放喷、增压管线、补偿钻井船的升沉运动等,在勘探和钻采平台、浮式钻井船上得到了广泛应用。目前,已经有几家公司开发出了新型的深水钻井隔水管9。aABB Vetcogray公司该公司开发的快速连接隔水管,采用的是MR26E隔水管接头及专用液压上紧装置,使得操作人员不需要手动对接,就能上扣及夹紧隔水管,故能够实现快速对接、上扣及夹紧,显著提高了下隔水管的速