深海半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)配置淺析

1、深海半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)配置淺析 作者：admin 發(fā)表時(shí)間：2010-01-27 16:52:52 趙建亭 (708研究所 上海  200011) 趙建亭(1978.10-),男,漢族,山東青州人,助理工程師,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及研究工作。 1 概 述近年來,隨著國(guó)際石油與天然氣價(jià)格持續(xù)上漲,海上鉆探作業(yè)呈迅猛的增長(zhǎng)趨勢(shì),導(dǎo)致海上鉆井裝備供不應(yīng)求。承包商看好未來的海洋油氣鉆探市場(chǎng),紛紛投巨資向深海進(jìn)軍,建造新的海上鉆井平臺(tái)。而半潛式鉆井平臺(tái)性能優(yōu)良,抗風(fēng)浪能力強(qiáng),甲板面積和裝載量大,適應(yīng)的水深范圍大,特別適合于深海作業(yè)。由于海上油氣勘探開發(fā)具有高投入、高技術(shù)和高風(fēng)險(xiǎn)

2、的特點(diǎn),隨著鉆井平臺(tái)的不斷現(xiàn)代化,其造價(jià)及平臺(tái)的日租費(fèi)用總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)?，F(xiàn)在一條深海半潛式鉆井平臺(tái)的造價(jià)在4億美元左右,最高的達(dá)5.5億美元;目前,作業(yè)水深超過2 250 m的半潛式鉆井平臺(tái)平均日租費(fèi)用已經(jīng)從21.5萬美元上漲到30萬美元。深海半潛式鉆井平臺(tái)所配置鉆機(jī)設(shè)備的依據(jù)主要是鉆井作業(yè)區(qū)的海洋環(huán)境條件和鉆井深度以及業(yè)主的特殊要求等來確定,鉆機(jī)設(shè)備的配置狀況是半潛式鉆井平臺(tái)現(xiàn)代化及先進(jìn)性的重要體現(xiàn)。深海半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)配置關(guān)系著平臺(tái)總體性能和布置方案;雙聯(lián)井架主輔井口作業(yè),采用交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)以及高效而先進(jìn)的鉆井絞車、頂驅(qū)、泥漿泵等設(shè)備為現(xiàn)代深海半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)配置的重要特征。本文對(duì)

3、此做些淺述。2 深海鉆井新理念2.1 雙聯(lián)井架主輔井口鉆井作業(yè)新理念的產(chǎn)生及應(yīng)用在深海石油鉆井的初期,半潛式鉆井平臺(tái)采用的都是單井口作業(yè)系統(tǒng),即在平臺(tái)上配置一套鉆機(jī)用于鉆井;但是,對(duì)于深海半潛式鉆井平臺(tái)組裝、拆卸鉆桿及下放、回收水下器具等作業(yè)占用鉆井作業(yè)相當(dāng)多的時(shí)間。因此,鉆井工程師們提出了采用兩套鉆機(jī)系統(tǒng)安裝于同一條深海鉆井平臺(tái)上的新理念,雖然平臺(tái)的初投資有所增加,但是對(duì)于深海鉆井作業(yè)的鉆井效率的提高是顯著的。在2000年2月交付使用的West Venture半潛式鉆井平臺(tái)上配置了雙聯(lián)井架液壓升降型鉆機(jī)(見圖1),雙聯(lián)井架主輔井口作業(yè)新理念在工程上得到了成功應(yīng)用。在2005年3月交付使用的G

4、SF (GlobalSantaFe)公司的Development Driller&第五代深海半潛式鉆井平臺(tái)(見圖2)亦配置了主輔井口雙聯(lián)井架作業(yè)系統(tǒng)。雙聯(lián)井架主輔井口鉆井作業(yè)在不同的作業(yè)工況下它可以節(jié)省21%70%左右的時(shí)間。雙聯(lián)井架主輔井口作業(yè)是深海半潛式鉆井平臺(tái)鉆井作業(yè)理念發(fā)展的一個(gè)里程碑。雙聯(lián)井架主輔井口鉆井作業(yè)系統(tǒng)在進(jìn)行單井作業(yè)時(shí),可以并行組裝和拆卸井下組件、鉆具和管子立根還可以在開鉆表層時(shí)下放套管及BOP等。在多井口水下模塊作業(yè)時(shí)可以通過BOP/隔水管同時(shí)進(jìn)行水下作業(yè);主鉆機(jī)在通過BOP/隔水管進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí),輔鉆機(jī)可以不通過BOP/隔水管進(jìn)行另一井口的表層鉆井和下表層套管作

5、業(yè)。經(jīng)過適當(dāng)?shù)牟僮?可以將BOP在水下直接移到下一井口。X-mas樹或其他模塊也可以在進(jìn)行鉆井時(shí)同時(shí)安裝。2.2 井架型式的發(fā)展及配置狀況半潛式鉆井平臺(tái)上所用的井架為海洋動(dòng)態(tài)井架,它的主要功用是:安裝天車、游車、頂驅(qū)、大鉤等起升設(shè)備,用于下放鉆具、套管、隔水管、水下器具及靠放立根等。井架的發(fā)展是以適應(yīng)鉆井承包商的要求而不斷發(fā)展的,先期的鉆井作業(yè)的水深不是很深,井架多為塔式,隨著鉆井作業(yè)水深的加大及鉆井深度的提高,為了在井架內(nèi)排放更多的鉆具,必須增大井架二層臺(tái)的寬度,井架由原先的塔式轉(zhuǎn)變?yōu)榫破渴?深海鉆井的日成本是非常巨大的,為了降低成本,就要求不斷地采用創(chuàng)新的工藝方法來提高鉆井作業(yè)的效率。在2

6、0世紀(jì)末,海洋鉆井工程人員提出了雙聯(lián)井架鉆井系統(tǒng)的理念,即在同一平臺(tái)上配備兩套鉆井系統(tǒng)?，F(xiàn)在深海半潛式鉆井平臺(tái)基本上都配置了雙聯(lián)井架,井架的外形是多種多樣的,井架在平臺(tái)上的布置位置有尾部、中央、中央偏左或偏右等多種方案,但以中央居多?，F(xiàn)在深海半潛式鉆井平臺(tái)既有單井架的配置,亦有雙聯(lián)井架的配置,如上世紀(jì)末本世紀(jì)初建造的Bingo 9000系列的“Eiric Raude/LeivEiriksson”半潛式鉆井平臺(tái)就配置了單井架系統(tǒng),如圖3所示;但是對(duì)于本世紀(jì)初新開工建造的深海半潛式鉆井平臺(tái)基本上都配置雙聯(lián)井架。2004年7月在韓國(guó)大宇造船海洋公司玉浦造船廠竣工的BP公司的“BP THUNDER H

7、ORSE”號(hào)石油勘探平臺(tái)上配置了雙聯(lián)井架,如圖4所示。深海半潛式鉆井平臺(tái)的井架的底腳尺寸及型式已經(jīng)具有很大的自由度,需要根據(jù)業(yè)主及鉆井工藝的要求而量身定做。雙聯(lián)井架已是當(dāng)今深海半潛式鉆井平臺(tái)的一個(gè)特別明顯的標(biāo)志。因此,對(duì)于即將設(shè)計(jì)及建造的深海半潛式鉆井平臺(tái)均應(yīng)配置雙聯(lián)井架及相應(yīng)的雙井口作業(yè)系統(tǒng)。2.3 井架大鉤提升載荷能力分析鉆機(jī)的配置中井架的載荷能力是一個(gè)非常重要的參數(shù),井架的靜載荷又稱為大鉤載荷,對(duì)于深海半潛式鉆井平臺(tái)的大鉤載荷的確定不只是考慮鉆柱的重量,還應(yīng)考慮水下器具的重量及下放的套管柱的重量。因?yàn)閷?duì)于深海9 00011 000 m深度的鉆桿柱的重量約在20360 t之間。而深海半潛式

8、鉆井平臺(tái)水下器具的重量有干重與在水中的濕重之分,干重用于平臺(tái)的甲板可變載荷用,濕重用于核算大鉤的提升載荷及隔水管張緊系統(tǒng)的張緊能力。對(duì)于深海半潛式鉆井平臺(tái)使用的BOP與LMRP干重達(dá)到363 t之多,濕重亦達(dá)232 t之多;外包浮力材料的隔水管的干重達(dá)到2 700 t,濕重達(dá)266 t之多。所以,水下器具在水下的濕重至少要到500 t以上;若浮力材料減少,水下器具的濕重還會(huì)相應(yīng)地增加。目前深海半潛式鉆井平臺(tái)對(duì)于雙聯(lián)井架主輔井口作業(yè)系統(tǒng),主井口的大鉤提升能力一般配置為2 000 kips(907.2 t)。輔井口由于只進(jìn)行鉆具的組裝、拆卸,組裝套管和鉆表層井口使用,而不用于下放、回收水下器具,所

9、以,輔井口的井架大鉤提升能力一般配置為1 000 kips(453.6 t)。3 適應(yīng)鉆井新理念的鉆機(jī)設(shè)備3.1 交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的廣泛應(yīng)用交流變頻調(diào)速電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)是最新發(fā)展起來的一種先進(jìn)的電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī),它在滿足石油鉆井工藝要求方面具有現(xiàn)用機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)無可比擬的優(yōu)越性能。這種鉆機(jī)的核心技術(shù)就是采用了交流變頻調(diào)速技術(shù),是現(xiàn)代高新技術(shù)與石油鉆井機(jī)械的結(jié)合,具有強(qiáng)大的生命力,是當(dāng)代鉆機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)。鉆井絞車、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)和泥漿泵作為石油鉆機(jī)的四大關(guān)鍵設(shè)備目前都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了交流變頻控制。3.2 鉆井絞車的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀鉆井絞車是半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備,其主要功能是起下鉆具

10、、套管、隔水管、水下器具及懸持全部鉆具和鉆頭等。鉆井絞車的起升能力是鉆井平臺(tái)的重要標(biāo)志性的參數(shù),也是其它相關(guān)鉆井設(shè)備配置的參照依據(jù)。隨著海洋石油的鉆探和開采向深水推進(jìn),對(duì)鉆井絞車的提升能力和鉆深能力提出了更大的要求。海洋石油鉆機(jī)在20世紀(jì)80年代末90年代初,所配備鉆機(jī)絞車功率最高約為2 206 kW(3 000 hp),1998年建造完工Trans-ocean公司的Discoverer Enterprise鉆井船上應(yīng)用了兩組EmscoEHV約3 678 kW(5 000 hp)的鉆井絞車,2005年交付使用的GSF ( GlobalSantaFe )公司的Development Drille

11、r&配備了5 075 kW(6 900hp)和3 383 kW(4 600 hp)兩組National-Oilwell公司的主動(dòng)補(bǔ)償絞車。目前,世界上比較知名的鉆井絞車供應(yīng)商有National-Oilwell和Varco兩家公司,對(duì)于深海半潛式鉆井平臺(tái)所需配置的鉆井絞車功率至少要2 206 kW(3 000 hp)以上,國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)用于深水的鉆井絞車沒有生產(chǎn)供應(yīng)的能力,鉆井絞車必須依靠國(guó)外公司配套。Varco公司起升系統(tǒng)中的ADS(AutomatedDrawwork System)系列代表了Varco公司鉆井絞車的發(fā)展水平,Varco公司的生產(chǎn)的ADS系列絞車如表1所示。ADS系列絞典型特

12、性與規(guī)格比較如表2所示。能夠適用于深海半潛式鉆井平臺(tái)的鉆井絞車有2 206 kW(3 000 hp)、3 310 kW(4 500 hp)和4 413 kW(6 000 hp)三種。National-Oilwell公司適用于鉆井深度9 000 m以上的交流變頻驅(qū)動(dòng)鉆井絞車有2040-UDBE(見圖5)和E-3000(E-3000UDBE)(見圖6)三種型號(hào),如表3所示。3.3 主動(dòng)補(bǔ)償鉆井絞車的產(chǎn)生及應(yīng)用主動(dòng)補(bǔ)償絞車(AHD-Active Heave Drawwork)是浮式鉆井裝置鉆機(jī)的一項(xiàng)重要的革新,主動(dòng)補(bǔ)償絞車除具有傳統(tǒng)絞車的提升功能外,還具有主動(dòng)補(bǔ)償浮式鉆井裝置的升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆柱的影響的

13、功能。隨著海洋油氣鉆探的發(fā)展,National-Oilwell公司突破了傳統(tǒng)的鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償概念將鉆柱補(bǔ)償功能通過絞車的控制來實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)補(bǔ)償絞車集成了控制和機(jī)械方面的最新技術(shù),使用主動(dòng)補(bǔ)償絞車可以省去鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器。此外,絞車剎車所產(chǎn)生的能量重新利用并反饋給鉆井電控系統(tǒng),提高了鉆井效率,比傳統(tǒng)鉆井絞車的應(yīng)用范圍更為廣泛。National-Oilwell公司的主動(dòng)補(bǔ)償絞車(見圖7)是鉆井工業(yè)領(lǐng)域獨(dú)創(chuàng)的設(shè)計(jì),它重新確立了補(bǔ)償精度和工作范圍的標(biāo)準(zhǔn),增大了鉆井平臺(tái)的操作范圍,AHD鉆井絞車主要技術(shù)規(guī)格如表4所示。主動(dòng)補(bǔ)償絞車能夠完成以下的工作:(1)傳統(tǒng)鉆井絞車操作:鉆井和起下鉆;(2)自動(dòng)送鉆;(3)

14、絞車全負(fù)載下主動(dòng)升沉補(bǔ)償;(4)主動(dòng)補(bǔ)償下放重載BOP和隔水管。主動(dòng)補(bǔ)償絞車與傳統(tǒng)的絞車相比較的主要特點(diǎn)如表5所示。AHD鉆井絞車為新產(chǎn)生并且得到成功應(yīng)用的鉆井絞車。雖然現(xiàn)在深水半潛式鉆井平臺(tái)上也配置有傳統(tǒng)的鉆井絞車,但是AHD鉆井絞車應(yīng)該是當(dāng)代半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)設(shè)備配置的一個(gè)非常特殊的標(biāo)志,它不失為新建深水半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)設(shè)備中鉆井絞車配置的最優(yōu)選擇。3.4 轉(zhuǎn)盤的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)是鉆井裝置旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的組成部分。正常鉆井工況下,由頂驅(qū)帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆井作業(yè),轉(zhuǎn)盤作為備用,并在下放水下器具、正常起下鉆作業(yè)和處理井內(nèi)鉆井事故中懸持鉆具和管柱。轉(zhuǎn)盤的通徑及額定的靜載荷能力是轉(zhuǎn)盤的主要參數(shù)

15、,也是鉆機(jī)設(shè)備配置中的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于海上石油鉆井轉(zhuǎn)盤的通徑,應(yīng)能夠使隔水管順利通過轉(zhuǎn)盤的中心孔,隨著鉆井作業(yè)水深的加大,為了降低隔水管柱的重量,隔水管的外側(cè)多采用浮力材料,浮力材料的外徑達(dá)到914.41 346 mm(3653 in),這樣就要求轉(zhuǎn)盤的通徑越來越大,對(duì)于深水半潛式鉆井平臺(tái)轉(zhuǎn)盤的通徑已經(jīng)達(dá)到1 537 mm(6012in),額定靜載荷達(dá)到1 135 t。National-Oilwell公司轉(zhuǎn)盤主要技術(shù)參數(shù)如表6所示。對(duì)于當(dāng)代深海半潛式鉆井平臺(tái)的轉(zhuǎn)盤的配置有三種不同的配置方案。若是平臺(tái)配制單井架作業(yè)系統(tǒng)的狀況下轉(zhuǎn)盤的通徑已經(jīng)達(dá)到153 mm(6012in)。平臺(tái)配制配置雙聯(lián)井架

16、作業(yè)系統(tǒng)的狀況下,或者配置兩套通徑1 538 mm(6012in)的轉(zhuǎn)盤(例如West Venture號(hào));或者配置通徑1 538 mm(6012in)及通徑1 257 mm(4912in)的轉(zhuǎn)盤(例如Development Driller號(hào))。3.5 頂驅(qū)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀頂部驅(qū)動(dòng)技術(shù)是鉆機(jī)問世以來的幾項(xiàng)重大變革之一。自1981年12月美國(guó)Varco-BJ公司研制的頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Top Drive System)投入使用以來,頂驅(qū)逐漸被世界石油鉆井行業(yè)廣泛采用。由于TDS具有比常規(guī)轉(zhuǎn)盤提高20%30%的鉆井效率,安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、操作安全方便,可避免大多數(shù)井內(nèi)卡鉆事故的發(fā)生以及特別適應(yīng)于定向鉆井和

17、水平鉆井等特點(diǎn)。所以,目前海上鉆井平臺(tái)幾乎全部配備了頂驅(qū)。繼美國(guó)Varco-BJ公司之后,挪威的MaritimeHydraulic公司、法國(guó)的ACB-Bretfor公司和Trinten公司、美國(guó)的National-Oilwell公司、加拿大的Canrig公司和Tesco公司等都研制頂驅(qū)。但就技術(shù)和使用情況來說,Varco公司的頂驅(qū)還是一直處于行業(yè)的領(lǐng)先地位的。對(duì)于深海半潛式鉆井平臺(tái),絕大多數(shù)采用Varco公司的頂驅(qū)。Varco公司的頂驅(qū)產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)比較表如表7-1、7-2所示。   國(guó)內(nèi)雖然對(duì)頂驅(qū)進(jìn)行了研發(fā)并成功地在陸地鉆機(jī)上使用,但對(duì)于深海半潛式鉆井平臺(tái)所需配置的頂驅(qū)

18、還不能滿足要求。由表可以看出,對(duì)應(yīng)用于深海半潛式鉆井平臺(tái)上的1 000 t提升能力的頂驅(qū)只有TDS-1000可以選擇;對(duì)于配置雙聯(lián)井架作業(yè)系統(tǒng)的平臺(tái)除TDS-1000作為主頂驅(qū)外,IDS-4A和TDS-11SA是輔頂驅(qū)的配置選擇。3.6 泥漿泵的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀對(duì)于深海半潛式鉆井平臺(tái),泥漿泵是泥漿設(shè)備中的最為關(guān)鍵的設(shè)備,泥漿泵選用配置決定著泥漿系統(tǒng)其它輔助設(shè)備的選用。在深海半潛式鉆井平臺(tái)上,交流變頻驅(qū)動(dòng)的泥漿泵已經(jīng)完全取代了直流電驅(qū)動(dòng)的泥漿泵。由于井下雙動(dòng)力鉆具和強(qiáng)動(dòng)力鉆具的出現(xiàn)以及深井、高壓噴射鉆井的需要,1 471 kW1 839 kW(2 000 hp2 500 hp)的大功率泥漿泵以及工

19、作壓力34.5 MPa(5 000 lbf/in2)和51.7 MPa(7 500 lbf/in2)的泥漿泵在深井和超深井的鉆機(jī)上已配套使用?，F(xiàn)在深海半潛式鉆井平臺(tái)上配置的泥漿泵基本上都為1 618 kW (2 200 hp)的。圖9所示為National-Oilwell公司的深海半潛式鉆井平臺(tái)用14-P-220三缸泥漿泵,表8所示為此泥漿泵的主要參數(shù)。National-Oilwell公司在本世紀(jì)初成功開發(fā)出了新一代的泥漿泵HEX泥漿泵(圖10),此種泥漿泵有兩臺(tái)交流變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng),采用六個(gè)缸套,與傳統(tǒng)三缸泥漿泵相比具有輸出流量穩(wěn)定、超高壓、超高流量、尺寸小等特點(diǎn)。HEX泥漿泵目前已經(jīng)在平臺(tái)上配置了十幾臺(tái),它代表了未來泥漿泵的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)在深海半潛式鉆井平臺(tái)泥漿泵的配置基本上都采用四臺(tái)1 618 kW(2 200 hp)的