鑒于陸地油氣資源的日漸枯竭,油氣開(kāi)采已經(jīng)由陸地轉(zhuǎn)向海洋,尤其是向深水進(jìn)軍已成為必然趨勢(shì)。迄今為止,國(guó)外鉆井水深已達(dá)3000m以上,我國(guó)海上油氣生產(chǎn)一直在水深不足500m的淺海區(qū)進(jìn)行,只是在2006207,由國(guó)外公司在南海珠江口盆地首次鉆了1口水深1481m的深水探井(荔灣32121井),這是我國(guó)海上第1口水深超千米的探井。 我國(guó)南海擁有豐富的油氣資源,但這一海域水深在500~2000m,我國(guó)目前還不具備在這樣的水 域進(jìn)行油氣勘探和生產(chǎn)的技術(shù),而周邊國(guó)家每年從南沙海域生產(chǎn)石油達(dá)5000萬(wàn)t以上,相當(dāng)于我國(guó)大慶油田的年產(chǎn)量。為此必須加快南海等海域的油氣勘探開(kāi)發(fā)。

 

  深水鉆井裝備技術(shù)水平關(guān)系著深水油氣勘探開(kāi)發(fā)的步伐。國(guó)內(nèi)正在積極推動(dòng)相關(guān)裝備的自主開(kāi)發(fā),深水隔水管系統(tǒng)、水下井口系統(tǒng)、水下防噴器及 深水半潛式鉆井平臺(tái)等深水鉆井關(guān)鍵裝備的研制已列為國(guó)家/863計(jì)劃0。本文對(duì)深水浮式鉆井所需要的鉆井裝備進(jìn)行了論述,以期對(duì)相關(guān)裝備的選擇和研發(fā)提供參考。

 

  1 深水鉆井裝置

 

  海上鉆井裝置經(jīng)歷了由淺海到深海、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展歷程,固定式、坐底式、自升式等鉆井裝置已不能滿足深水鉆井的需要。深水鉆井裝置主要包括半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船2種。

 

  1.1 半潛式鉆井平臺(tái)

 

  半潛式鉆井平臺(tái)是由坐底式平臺(tái)發(fā)展而來(lái),由上層工作甲板、下層浮體結(jié)構(gòu)、中間立柱或桁架3部分組成。浮體提供半潛式鉆井平臺(tái)的大部分浮力;立柱用于連接工作平臺(tái)和浮體,支撐工作平臺(tái);工作甲板即上部結(jié)構(gòu)用于布置鉆井設(shè)備、鉆井器材、起吊設(shè)備及安全救生、人員生活設(shè)施和動(dòng)力、通訊、導(dǎo)航等設(shè)備。鉆井作業(yè)時(shí)在浮體中注入壓載水,使平臺(tái)大部分沉沒(méi)于水面以下(半潛狀態(tài)),以減小波浪的擾動(dòng)力。作業(yè)結(jié)束時(shí),排出浮體內(nèi)的水,上浮至拖航吃水線,即可收錨移位。

 

  半潛式鉆井平臺(tái)自20世紀(jì)60年代出現(xiàn),已經(jīng)歷了從1代到6代的發(fā)展歷程。第6代半潛式鉆井平臺(tái)出現(xiàn)于21世紀(jì)初,船體結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化,質(zhì)量減輕,配置雙聯(lián)井架,DPS3動(dòng)力定位,全自動(dòng)化控制的鉆井系統(tǒng)操作和甲板操作,平臺(tái)可變載荷更大,作業(yè)水深達(dá)到3048~3812m,最大鉆井深度12000m,其井架承載能力達(dá)到11340kN,鉆井絞車(chē)功率達(dá)到5292kW,鉆井、頂驅(qū)和泥漿泵的驅(qū)動(dòng)方式為交流變頻驅(qū)動(dòng)或靜液驅(qū)動(dòng)[1]。

 

  1.2 鉆井船

 

  浮式鉆井船用改裝的普通輪船或?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)的船作為工作平臺(tái),是移動(dòng)式鉆井裝置中機(jī)動(dòng)性最好的一種。其移動(dòng)靈活,停泊簡(jiǎn)單,適用水深范圍大,特別適于深水水域的鉆井作業(yè)?；窘M成包括船體、錨泊或動(dòng)力定位系統(tǒng)和自航行系統(tǒng)。船體用于安裝鉆井和航行動(dòng)力設(shè)備,并提供了工作和生活場(chǎng)所。自航行是浮式鉆井船的一個(gè)顯著特點(diǎn),其他鉆井平臺(tái)的搬遷要依靠拖輪,而浮式鉆井船具有自航行能力,所以其運(yùn)移性能好,可在水深3657m(12000ft)作業(yè)[2]。

 

  1.3 定位系統(tǒng)

 

  半潛式鉆井平臺(tái)、鉆井船等浮式鉆井裝置工作時(shí)處于飄浮狀態(tài),受風(fēng)、浪、流的影響會(huì)發(fā)生縱搖、橫搖運(yùn)動(dòng),必須采用可靠的方法對(duì)其進(jìn)行定位。 浮式鉆井裝置的定位分為錨泊定位和動(dòng)力定位 2種。水深1500m以內(nèi),以錨泊定位為佳,因?yàn)閯?dòng)力定位有一定的誤差范圍,水太淺隔水管彎曲受限制,易損壞隔水管,錨泊定位包括常規(guī)拋錨、拖輪預(yù)拋錨、拖輪預(yù)置吸力樁等(適用于海底軟泥質(zhì)底層);動(dòng)力定位水深無(wú)上限,是深水鉆井裝置的主流定位方式。 最初的動(dòng)力定位系統(tǒng)(DPS3)是用聲納定位,由聲納發(fā)生器、接收器、電子計(jì)算機(jī)及縱向、橫向螺旋槳組成,由水下井口的聲納發(fā)生器發(fā)出信號(hào),船底的接收器能測(cè)出船的偏移方位和數(shù)值并輸入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制相應(yīng)的螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)出推力使鉆井船復(fù)位,無(wú)需拋錨?，F(xiàn)在的DPS3是利用差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收衛(wèi)星信號(hào)來(lái)確定船的位置,再實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)器的控制。

 

  2 鉆井隔水管及防噴器系統(tǒng)

 

  與淺水鉆井平臺(tái)相比,半潛式平臺(tái)和浮式鉆井船的優(yōu)點(diǎn)是工作水深大,移動(dòng)靈活;缺點(diǎn)是投資大,維持費(fèi)用高,需有一套復(fù)雜的水下器具。 鉆井隔水管及防噴器系統(tǒng)是深水浮式鉆井必不 可少的設(shè)備,是指從海底防噴器到月池的一段管柱,主要功能是隔離海水,引導(dǎo)鉆具,循環(huán)鉆井液,起、下海底防噴器組,系附高壓節(jié)流和壓井管線、泥漿補(bǔ)充管線、液壓傳輸管線等。由防噴器組、液壓聯(lián)接器、隔水管底部總成(LMRP)、撓性接頭、隔水管柱、伸縮短節(jié)、張緊器等組成[3]。

 

  2.1 張緊器

 

  張緊器是為克服鉆井裝置升沉運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響所用的設(shè)備,目前使用的主要有張緊導(dǎo)向繩用的導(dǎo)向繩張緊器和張緊隔水導(dǎo)管用的隔水管張緊器2種[4] 。張緊器由活塞缸、鋼絲繩和控制裝置組成,其工作原理是利用氣液儲(chǔ)能器的壓力推動(dòng)活塞,隨著平臺(tái)的升沉而伸縮鋼絲繩,以保持導(dǎo)向繩及隔水管的張力恒定。使用張緊器后,隔水管所受的張力變化可控制在5%以內(nèi)。

 

  2.2 伸縮節(jié)

 

  伸縮節(jié)的作用是補(bǔ)償平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng),使隔水管柱不至于因平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)而斷裂。一般安裝在隔水管柱的上部,由內(nèi)管和外管組成,2管可以上下相對(duì)運(yùn)動(dòng)。外管柱由張緊器張緊,以防隔水管柱在軸向壓力作用下被壓彎,使其處于穩(wěn)定的受拉狀態(tài)。

 

  2.3 撓性接頭

 

  撓性接頭安裝在隔水管柱的下部,用于使隔水管和防噴器組之間產(chǎn)生角位移,從而減小隔水管的彎距;可使隔水管柱在任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)約7~12b,以使隔水管柱適應(yīng)浮式鉆井平臺(tái)的搖擺、平移等運(yùn)動(dòng);還可用在隔水管柱的頂部或伸縮管以下隔水管的中部,用以減小隔水管的應(yīng)力。

 

  撓性接頭主要有壓力平衡式、多球式和萬(wàn)能式3種。在選擇、確定或設(shè)計(jì)撓性接頭時(shí),應(yīng)考慮:?隔水管系統(tǒng)內(nèi)撓性接頭的功能和位置;?所需的最大旋轉(zhuǎn)角和最大旋轉(zhuǎn)剛度;?額定壓力;?可能承受的最大張力載荷;?可能承受的最大扭矩。

 

  2.4 液壓連接器

 

  液壓連接器的作用是在緊急狀態(tài)時(shí)能使平臺(tái)迅速與防噴器組脫離,將防噴器組留在海底,而將上部其他器具提到平臺(tái)上來(lái),使平臺(tái)能夠迅速撤離。常用的連接器為液壓卡塊式,由上下接頭、卡塊、外液壓缸等組成。上、下接頭靠卡塊卡緊連接在一起?？▔K由2部分組成,靠相互錐面接觸,卡塊的一部分叫做卡塊動(dòng)作環(huán),與液壓缸活塞桿連接,活塞桿的伸縮帶動(dòng)動(dòng)作環(huán)上行或下行,使卡塊的另一部分壓緊或脫開(kāi)。遇到危險(xiǎn)情況時(shí),油壓卸載,卡塊脫開(kāi),上接頭與下接頭呈30b角或更大角度而脫開(kāi)。 液壓連接器的抗彎強(qiáng)度取決于其承受的軸向載荷和內(nèi)壓,大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)井口液壓連接器的抗彎強(qiáng)度在4065~5420kN#m(3000~4000klb#ft),用于深水作業(yè)的液壓連接器具有更高的抗彎強(qiáng)度,能承受9484kN#m(7000klb#ft)彎曲力。

 

  2.5 水下防噴器組及控制系統(tǒng)

 

  水下防噴器是海洋石油鉆采過(guò)程中用于防止井噴發(fā)生的專用設(shè)備,上部連接隔水管裝置,下部連接海底井口裝置。深水防噴器組通常有5個(gè)閘板和2個(gè)萬(wàn)能防噴器組成,第5個(gè)閘板即底閘板可以剪斷套管,套管剪切閘板位于盲板的下部,以便在剪斷套管后可以關(guān)井,通常在套管可能遇卡或者鉆井裝置需要應(yīng)急脫離時(shí)會(huì)用到。2個(gè)萬(wàn)能防噴器是冗余設(shè)計(jì)的需要,上部萬(wàn)能防噴器作為井控的主要手段。根據(jù)水深的不同,深水防噴器組通常有不同的配置。表1是在總結(jié)Transocean公司所有不同水深典型鉆井船防噴器組配置情況得出的,可以作為深水鉆井防噴器組配置的參考。 對(duì)于浮式鉆井裝置(半潛式平臺(tái)或鉆井船),選用防噴器系統(tǒng)的通徑為?476.3mm(工作水深<600m)或?425.5mm(工作水深>600m),選用封井壓力為69、103、138MPa時(shí),視工作水深、海底至目的層深度和是否為特殊高壓的油氣層而定。為了適應(yīng)欠平衡鉆井的需要,井口防噴器組合要配置高壓旋轉(zhuǎn)防噴器,即隨鉆壓力控制系統(tǒng)PCWD(Pres2sureControlWhileDrilling)。

 

  水下防噴器組控制系統(tǒng)主要由地面控制部分和水下控制模塊組成。采用電、液控制實(shí)現(xiàn)閘板的開(kāi)關(guān)和鎖緊,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的快速封閉,防止井噴事故的發(fā)生。用于深水鉆井防噴器組的控制系統(tǒng)有液壓控制系統(tǒng)和電控系統(tǒng)2種。如果采用液控系統(tǒng),防噴器組控制管線通過(guò)卡箍卡在鉆井隔水管上,隨隔水管一同下入;如果采用電控系統(tǒng),控制管線通過(guò)隔水管外輔助管線中的控制管線,在LMRP底部與防噴器連接。通常在深水鉆井時(shí),從安全角度出發(fā),水下防噴器控制系統(tǒng)都有一個(gè)備用系統(tǒng) [528] 。 選擇控制系統(tǒng)要綜合考慮鉆井裝置定位方式、水深、海況以及對(duì)井控的要求,其中控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)比較關(guān)鍵的因素。挪威石油公司規(guī)定,采用水下防噴器組系統(tǒng)時(shí),關(guān)閉防噴器的響應(yīng)時(shí)間不能超過(guò)45s;APIRP16E規(guī)定,水下防噴器組控制系統(tǒng)應(yīng)在45s或者更短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉任何一個(gè)閘板防噴器,萬(wàn)能防噴器組關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間不能超過(guò)60s,解脫底部隔水管總成的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)45s。出于響應(yīng)時(shí)間的考慮,在深水鉆井作業(yè)中,尤其是在1524m(5000ft)以上超深水鉆井作業(yè)時(shí),更多地選用電控系統(tǒng)。

 

  3 水下井口系統(tǒng)

 

  常規(guī)水下井口包括臨時(shí)導(dǎo)向基座、永久導(dǎo)向基座、?762mm(30in)導(dǎo)管頭、?476.25mm(183 /4in)高壓井口頭和井口防腐帽等。高壓井口頭包括各種尺寸套管懸掛器(?340.0、?244.45、?177.80mm)、密封組件及防腐補(bǔ)心等配件(如圖1)。

 

  臨時(shí)導(dǎo)向基座用于定井位,是首先下入的設(shè)備,坐在海底泥線上;永久導(dǎo)向基座安裝在臨時(shí)導(dǎo)向基座之上,通過(guò)連接在導(dǎo)向柱上的導(dǎo)向繩引導(dǎo)后續(xù)工具的入井及設(shè)備的安裝;?762mm(30in)導(dǎo)管頭懸掛導(dǎo)管坐落在永久導(dǎo)向基座內(nèi),用專用下入工具隨永久導(dǎo)向基座同時(shí)下入;?476.25mm(183 /4in)高壓井口頭下部連接表層套管,坐落在導(dǎo)管頭內(nèi),通過(guò)液壓連接器連接水下防噴器;各層技術(shù)套管通過(guò)套管掛和密封總成懸掛在高壓井口頭內(nèi)。

 

  深水條件下對(duì)水下井口的選擇主要考慮井筒中需要懸掛的套管層序、套管尺寸和連接方式、抗彎曲能力、壓力級(jí)別、可懸掛的最大套管質(zhì)量等。在設(shè)計(jì)的前期,需要對(duì)海況條件下井口可能受到的鉆井隔水管、防噴器組上部質(zhì)量以及可能的軸向力和彎矩進(jìn)行分析,尤其是采用動(dòng)力定位時(shí),鉆井船偏離井口或緊急情況下進(jìn)行緊急解脫時(shí),防噴器組和水下井口頭可能會(huì)承受很大的彎矩 [9210] 。

 

  井口頭壓力級(jí)別的選用應(yīng)與防噴器一致,主要根據(jù)地層壓力的情況,通常選用69MPa(10000psi)或103MPa(15000psi)壓力等級(jí),在一些特殊情況下,也可選用138MPa(20000psi)?？箯澢芰υ?710~9484kN#m(2000~7000klb#ft)。 常規(guī)水下井口的抗彎曲能力在3387~4065kN#m(2500~3000klb#ft)。井口頭的抗彎能力與高壓井口頭的壁厚相關(guān),典型的高壓井口頭的外徑大約是?685.8mm(27in)。為了獲得較高的抗彎能力,高壓井口的外徑不斷增加,而且與低壓井口的接觸面也進(jìn)一步加大,因此隨著作業(yè)水深的增加,水下井口也變得越來(lái)越大,壓力等級(jí)、抗彎能力、可懸掛套管質(zhì)量和數(shù)量對(duì)各種套管層序的適用性、操作性和安全可靠性等性能指標(biāo)也越來(lái)越高。

 

  4 結(jié)語(yǔ)

 

  走向深水既是提高油氣產(chǎn)量的需求,也是全球海洋石油發(fā)展的趨勢(shì)。深水浮式鉆井裝置、隔水管系統(tǒng)和水下井口等是進(jìn)行深水鉆井的必要裝備。深水鉆井區(qū)別于淺灘和陸地鉆井作業(yè),所需裝備的設(shè)計(jì)、制造難度很大,國(guó)外涉足深水領(lǐng)域已有幾十年的歷程,深水鉆井裝備已成為成熟技術(shù)。依靠進(jìn)口深水作業(yè)裝備,不但耗費(fèi)大量資金,在關(guān)鍵技術(shù)上也受制于人,嚴(yán)重制約著我國(guó)深水石油開(kāi)發(fā)進(jìn)度,因而展開(kāi)相關(guān)研究工作已迫在眉睫。