世界超深钻井装备展望

  超深水（Ultra-Depth Water，简称UDW）和超深井钻井（Ultra-Depth Drilling，简称UDD）是近十余年来海洋石油钻井不断向深水和深地层钻井而形成、用以界别普通深水和普通钻井井深的概念。一般以≥400m-≤1500m为深水，≥1500m（或5,000ft）为超深水（UDW）；以钻井深度能力≥15,000ft（即4,500m）-≤25,000ft（即7,620m）为深井钻井；≥25,000ft（即≥7,620m）为超深井钻井（UDD）。

 

  全球深水油气产量主要分布于西非、北美墨西哥湾、拉丁美洲的巴西近海、亚洲、澳洲和西欧六大海域。2006-2010年深水油气产量占比例最大首推非洲（特别是西非），占40%；其次是北美（特别是墨西哥湾），占25%；其三是拉丁美洲（特别是巴西近海），占20%；亚洲占10%；西欧占3%；澳洲占2%；其他为1%。以上全球十大深水油气藏发现国合计发现油气藏储量约达135.5亿m3。

 

  超深钻井装备主要指UDW钻井平台-船（包括勘探用UDW半潜式钻井平台和钻井船及用于钻生产井的半潜式FPS、浮船式FPSO、TLP和Spar平台上的钻井设备）和UDD钻井设备（包括UDD钻机、泥浆泵、TDS和浮式钻井专用水下设备和水面钻柱运动补偿器和张紧器等）。2006年11月统计的世界海洋石油移动式钻井平台新定货和正建造的共107艘（工作水深均≥1500m的UDW半潜式钻井平台和钻井船），配套的石油钻机钻井深度能力均为≥30,000ft的超深井钻机。可见超深钻井装备的旺销。

 

  世界UDW钻井平台（船）发展展望

 

  A.新发展均为第6代钻井平台（船），对其特点的浅见是第6代钻井平台（船）出现时间在2000年甚至2003年及其以后；钻井工作水深大都在10,000ft（3,048m）~12,500ft（3,810m）乃至更深；钻井深度≥35,000ft（10,668m）~40,000ft（12,200m）乃至更深；钻机为双套，单套钻机主绞车功率≥5000hp~7200hp乃至更大；钻机、顶驱和泥浆泵的驱动方式多为交流变频驱动或静液驱动；立管多为竖直排列或竖、平相结合排列并有专供立管吊运的吊机（行车）；动力定位系统多为DP3或更高级。

 

  B.UDW半潜式钻井平台主要发展趋势

 

  采用甚高强度钢和优良设计，其可变载荷与总排水量的比值将超过0.18以上，总排水量与自重的比值将超过4.0；大的甲板可变载荷（≥9,000t）和大的甲板空间；平台大多为正方形或矩形，立柱多为4-6立柱、矩形截面、无斜撑、少节点的简单外形结构，以减少建造费用和降低船体结构产生的意外事故；良好的船体安全性和抗风暴能力，全球全天候的工作能力和长的自持能力；更大的工作水深：目前最深的工作水深为12,000ft（3,810m）。可预料，未来20年内将有工作水深4,000-5,000m的半潜式平台出现；装备最先进、大功率、高精度的动力定位系统（DPS－3乃至DPS－4）；装备交流变频驱动或静液驱动的大功率UDD钻机（单套钻机主绞车功率≥5000hp~7200hp乃至更大）；钻井深度能力≥35,000ft（10,668m）~40,000ft（12,200m）乃至更深，预计在未来20年内，钻井船的钻井深度能力将突破15,000m；具有当代最先进的浮式钻井专用设备和双井架、双套钻机系统。

 

  C.UDW钻井浮船发展趋势

 

  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，主尺度≥长250m×宽38m×型深18m；船具有良好的安全性（船为双船壳）和抗风暴能力，全球、全天候的工作能力和长的自持能力；甲板可变载荷≥2万t，船主机功率≥5万hp；设计工作水深≥10,000ft~12,000ft（3,658m），预料在未来20年内工作水深将达4,000~5,000m（13,120ft~16,400ft）；装备最先进、大功率、高精度的动力定位系统（DPS－3乃至DPS－4）；装备交流变频驱动或静液驱动的大功率超深井钻机（单套钻机主绞车功率≥5000hp~7200hp乃至更大）。钻井深度能力≥35,000ft（10,668m）~40,000ft（12,200m）乃至更深，预料在未来20年内，钻井船的钻井深度能力将突破15,000m；具有当代最先进的浮式钻井专用设备和双井架、双套钻机系统。

 

  世界UDD钻井设备发展展望

 

  常规石油钻机为适应UDW和UDD钻井，常规石油钻机将向大功率交流变频方向发展。如美国National-Oilwel公司生产的交流变频钻机，绞车功率4,000、5,000、7,200 hp；美国C-Emsco公司生产的交流变频钻机，绞车功率5,000 hp；Varco公司生产的交流变频钻机，绞车功率4,500和6,000hp；德国Wirth公司生产的交流变频钻机，绞车功率分别为3,750、4,500、5,000和6,000hp。以上转盘通径分别为49.5in和60.5in。

 

  可作为主动型钻柱运动补偿的AHD型数控变频驱动钻机绞车值得关注。如美国 National-Oilwel公司生产的AHD型2300、3450、4000、6900hp数控变频驱动钻机绞车。

 

  新型石油钻机

 

  无绞车、液缸升降型钻机（Ram Rig）显示其发展的生命力。已分别装于2艘半潜平台和2艘钻井船上的Ram型钻机，钻深能力10,660m（35,000ft）。用升降液缸替代了庞大笨重的绞车，也替代了浮式钻井的庞大的钻柱运动补偿器，显著减少井场占用面积与空间，可降低成本约30%。显示其发展的生命力。          新型无绞车液压升降型钻机值得关注。目前，除挪威海事液压公司Ram钻机和意大利Drillmec钻机是一种新式无绞车型液力提升钻机外，新近又有Schramm公司推出的伸缩桅杆的TXD系列静液传动无绞车型动力头钻机值得关注：

 

  该钻机首台于2006年8月推出。目前，TXD系列钻机共有三种规格，即T90XD型、T130XD型和T180XD型，提升能力分别为90,000-lb（400kN）、130,000-lb（580 kN）、180,000-lb（801 kN）；钻机动力头起下钻行程为50ft（15.24m），适用钻杆长度可达48ft（14.6m）。目前这种在陆地使用的钻机值得海上借鉴。

 

  无绞车、机械升降型钻机具有发展潜力

 

  美国洛杉区西部闹市区的BeverlyHills油田，由无绞车、机械升降行程19.8m（65ft）的钻机，以顶部驱动旋转钻井，置于由液压缸推拉的可南北移动的滑橇上;北部为双排井、移动长41.45m,南部为单井、移动长31.09m,井距1.8in（6ft）。共可钻69口井。目前这种在陆地使用的钻机值得海上借鉴。

 

  小井眼钻机

 

  小井眼石油钻机造价可降低40%、运载费用减少50%、占井场地减少40%、钻井成本可降低50%；操作自动化程度高并可实现自动送钻等一系列优点。在海洋石油钻井中将得到进一步推广使用。

 

  套管钻井石油钻机

 

  新近由加拿大TESCO钻井技术公司开发的套管钻井石油钻机专门设计用于套管钻井（也可用于常规技术钻井），可提高钻井效率30%以上，作业费因而相应降低。其钻机绞车、转盘均用静液驱动。

 

  石油钻井顶部驱动装置

 

  顶部驱动装置重点发展交流变频驱动或静液驱动。Varco公司的TDS?8SA型,功率1150hp，1000t；National-Oilwell公司的PS2 650/750型,Canrig公司的1275E型750hp、750t，均为交流变频驱动；挪威海事液压公司则发展静液驱动，效果亦佳。

 

  石油钻井泥浆泵

 

  三缸单作用泥浆泵向大功率交流变频方向发展。如National-Oilwel公司的14-P220 2,200hp，Wirth公司的51.7Mpa-69Mpa，功率2,200-3,000hp，Lewco公司的功率3,000hp等泥浆泵，均为交流变频驱动。          机械驱动长行程泥浆泵值得重视。2003年，美洛杉矶闹市区的Beverly Hills油田，钻机所配套的泥浆泵，是一种机械驱动长行程泥浆泵。共有4个液力端，每缸行程长达2,718mm（107in）。值得海上借鉴。

 

  静液驱动的泥浆泵，配备用于自动化钻机、小井眼石油钻机和套管钻井石油钻机。

 

  轻重量长寿命泥浆泵：美国埃里斯-威廉姆斯工程公司（Ellis WilliamsEngineering Co.）生产的E-2200型2200hp泥浆泵活塞行程15in，活塞杆负荷达158,374lb（704.8 kN），110冲/min；轴承平均的使用寿命达125,000hr。EH-2200型2200hp泥浆泵活塞行程14in;活塞杆负荷达149,324lb（664.6 kN）；125冲/min；轴承平均的使用寿命达100,000hr。

 

  海洋防喷器

 

  海洋防喷器向大通径高封井压力和高剪切力发展。如美国Cameron和Shaffer公司的BOP通径13.75in和18.75in，封井压力103.5Mpa（15,000PSI），其全封剪切闸板可切断13 3/8in以下的套管和6-5/8in、S-135钻杆；美国Hydril公司的BOP通径13.75in和18.75in，封井压力最高达138Mpa（20,000PSI）。

 

  深水和超深水钻井新近发展了水面BOP组，即将通径13.75inBOP组置于立管（隔水管）与伸缩立管之间，从而避免将BOP组置于深水和超深水的海底、需要昂贵的大通径BOP组和庞杂的控制系统等，不但节约费用而且更加安全可靠。但它主要用于采油的半潜式FPS、TLP或Spar平台。

 

  钻柱运动补偿器

 

  天车型和游车型被动型钻柱升沉运动补偿器发展趋势是：

 

  补偿器补偿行程≥7.62m（25ft），补偿能力≥4,450kN（1,000千磅）；补偿器的系统工作压力≥20.7Mpa（3,000ps）；补偿器的可靠性、操作灵敏度、使用寿命等将更加提高。

 

  主动型钻柱升沉运动补偿器发展趋势是：可作为主动型钻柱升沉运动补偿器的AHD型数控变频驱动钻机绞车实现恒压自动送钻并主动补偿升沉运动的装置，今后可能有更多此类装置投入海洋浮式石油钻井。

 

  张紧器

 

  张紧器主要发展向超深水域钻井、采油相适应的液缸被动型。包括：

 

  立管张紧器的补偿行程≥19.8m（65ft）；钻井用立管张紧器将普遍发展双液缸型、最大张紧力≥1,113kN（250千磅）；采油用立管张紧器将发展和推广采用无绳索直接作用型、多缸组合结构；张紧器的可靠性、操作灵敏度、使用寿命等将更加提高。

 

  对我国超深井钻井设备发展的建议

 

  我国应加强对海洋特别是深水和超深水油气勘探开发资金和装备的投入，并学习国际著名油公司，向海外市场发展的经验，正视我国人均拥有探明石油储量仅为世界人均拥有探明石油储量的7.23%、我国人均拥有探明天然气储量仅为世界人均拥有探明天然气储量的4.47%这一严峻现实（据WO2007年公布世界油气储量资料折算）。不能盲目乐观，要寻求国内获得油气资源和产量的多种途径。

 

  我国UDW和UDD钻井装备的研制已有良好起步，但要继续保持和发展这一良好势头，。我国承担国内外UDW钻井平台已达9艘，其中3000m工作水深的半潜式钻井平台981号正在上海设计建造；国内宝石、宏华、兰石国民油井等公司研制并批量生产的7000m、9000m数控变频钻机和宝鸡石油机械有限责任公司自行设计、制造用于当今世界顶级深井的ZJ120/9000DB型12,000m超深井钻机也于2007年末成功下线。这些设备经相应改装后均可用于海上超深水、超深井钻井。以上这都是值得可喜可贺的良好起步，希望继续保持和发展这一良好势头。保持和发展这一良好势头的重要举措是瞄准国内特别是国际市场，积极参与国际市场竞争。具体如下：          在钻井平台（船）特别是动力定位钻井船的设计、建造方面要赶超韩国。

 

  在钻井平台（船）配套通用设备方面建议自主设计制造的主要有：单机功率≥1,000kw、低油耗、良排放（具有电喷装置）、长寿命柴油发电机组；功率≥1,000kw的交流变频电机控制系统；单机功率≥2,000kw、低油耗、长寿命柴油消防泵组；平台（船）上的动力定位及深水锚泊系统等。

 

  在钻井平台（船）配套U D D钻机和浮式钻井专用设备方面建议自主设计制造的主要有：钻井深度能力为9,000m和12,000m的海洋石油变频电驱动钻机及单机功率≥2,200hp的钻井泥浆泵；适应钻井深度能力为9,000m和12,000m的变频电驱动或静液驱动顶部驱动装置（TDS）；通径为18.75in、压力为69Mpa（10,000psi）和103.5Mpa（15,000psi）的BOP组（包括环形BOP和双联或三联闸板BOP及相应的联结器）；上部适应18.75in联结器、压力为69Mpa（10,000psi）和103.5Mpa（15,000psi）的海底井口头（套管头）系统；立管（隔水管）系统（包括下立管组、立管本体组件、伸缩立管、泥浆出口管）及导流器组件。

 

  浮式钻井专用设备的控制系统（包括常规水深的电-气-液-液控制系统、深水常规浮式钻井专用设备的多路传输控制系统和深水水面BOP控制系统三种。而深水常规浮式钻井专用设备的多路传输控制系统还包括一套声学应急安全防备系统）；额定补偿能力为600千磅（2,670kN）和800千磅（3,560kN）、偿器行程为1 5 f t（4.6 m）、2 0 f t（6.1m）、25ft（7.6m）被动型钻柱运动补偿器系统；结合发展数控变频电驱动钻机绞车同时实现恒压自动送钻并主动补偿升沉运动的钻柱升沉运动补偿器；额定张紧能力为14千磅（62.3kN）、16千磅（71.2kN）和60千磅（267kN）、80千磅（356kN）、120千磅（534.1kN），偿器行程为40ft（12.2m）、50ft（15.2m）和66ft（20.1m）的被动型导向绳和立管（隔水管）张紧器系统。