鑒于陸地油氣資源的日漸枯竭,油氣開采已經由陸地轉向海洋,尤其是向深水進軍已成為必然趨勢。迄今為止,國外鉆井水深已達3000m以上,我國海上油氣生產一直在水深不足500m的淺海區進行,只是在2006207,由國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),這是我國海上第1口水深超千米的探井。 我國南海擁有豐富的油氣資源,但這一海域水深在500~2000m,我國目前還不具備在這樣的水 域進行油氣勘探和生產的技術,而周邊國家每年從南沙海域生產石油達5000萬t以上,相當于我國大慶油田的年產量。為此必須加快南海等海域的油氣勘探開發。

 

  深水鉆井裝備技術水平關系著深水油氣勘探開發的步伐。國內正在積極推動相關裝備的自主開發,深水隔水管系統、水下井口系統、水下防噴器及 深水半潛式鉆井平臺等深水鉆井關鍵裝備的研制已列為國家/863計劃0。本文對深水浮式鉆井所需要的鉆井裝備進行了論述,以期對相關裝備的選擇和研發提供參考。

 

  1 深水鉆井裝置

 

  海上鉆井裝置經歷了由淺海到深海、由簡單到復雜的發展歷程,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和鉆井船2種。

 

  1.1 半潛式鉆井平臺

 

  半潛式鉆井平臺是由坐底式平臺發展而來,由上層工作甲板、下層浮體結構、中間立柱或桁架3部分組成。浮體提供半潛式鉆井平臺的大部分浮力;立柱用于連接工作平臺和浮體,支撐工作平臺;工作甲板即上部結構用于布置鉆井設備、鉆井器材、起吊設備及安全救生、人員生活設施和動力、通訊、導航等設備。鉆井作業時在浮體中注入壓載水,使平臺大部分沉沒于水面以下(半潛狀態),以減小波浪的擾動力。作業結束時,排出浮體內的水,上浮至拖航吃水線,即可收錨移位。

 

  半潛式鉆井平臺自20世紀60年代出現,已經歷了從1代到6代的發展歷程。第6代半潛式鉆井平臺出現于21世紀初,船體結構更為優化,質量減輕,配置雙聯井架,DPS3動力定位,全自動化控制的鉆井系統操作和甲板操作,平臺可變載荷更大,作業水深達到3048~3812m,最大鉆井深度12000m,其井架承載能力達到11340kN,鉆井絞車功率達到5292kW,鉆井、頂驅和泥漿泵的驅動方式為交流變頻驅動或靜液驅動[1]。

 

  1.2 鉆井船

 

  浮式鉆井船用改裝的普通輪船或專門設計的船作為工作平臺,是移動式鉆井裝置中機動性最好的一種。其移動靈活,停泊簡單,適用水深范圍大,特別適于深水水域的鉆井作業。基本組成包括船體、錨泊或動力定位系統和自航行系統。船體用于安裝鉆井和航行動力設備,并提供了工作和生活場所。自航行是浮式鉆井船的一個顯著特點,其他鉆井平臺的搬遷要依靠拖輪,而浮式鉆井船具有自航行能力,所以其運移性能好,可在水深3657m(12000ft)作業[2]。

 

  1.3 定位系統

 

  半潛式鉆井平臺、鉆井船等浮式鉆井裝置工作時處于飄浮狀態,受風、浪、流的影響會發生縱搖、橫搖運動,必須采用可靠的方法對其進行定位。 浮式鉆井裝置的定位分為錨泊定位和動力定位 2種。水深1500m以內,以錨泊定位為佳,因為動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,錨泊定位包括常規拋錨、拖輪預拋錨、拖輪預置吸力樁等(適用于海底軟泥質底層);動力定位水深無上限,是深水鉆井裝置的主流定位方式。 最初的動力定位系統(DPS3)是用聲納定位,由聲納發生器、接收器、電子計算機及縱向、橫向螺旋槳組成,由水下井口的聲納發生器發出信號,船底的接收器能測出船的偏移方位和數值并輸入計算機,計算機自動控制相應的螺旋槳運轉發出推力使鉆井船復位,無需拋錨。現在的DPS3是利用差分衛星定位系統接收衛星信號來確定船的位置,再實現對推進器的控制。

 

  2 鉆井隔水管及防噴器系統

 

  與淺水鉆井平臺相比,半潛式平臺和浮式鉆井船的優點是工作水深大,移動靈活;缺點是投資大,維持費用高,需有一套復雜的水下器具。 鉆井隔水管及防噴器系統是深水浮式鉆井必不 可少的設備,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,引導鉆具,循環鉆井液,起、下海底防噴器組,系附高壓節流和壓井管線、泥漿補充管線、液壓傳輸管線等。由防噴器組、液壓聯接器、隔水管底部總成(LMRP)、撓性接頭、隔水管柱、伸縮短節、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動帶來的影響所用的設備,目前使用的主要有張緊導向繩用的導向繩張緊器和張緊隔水導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能器的壓力推動活塞,隨著平臺的升沉而伸縮鋼絲繩,以保持導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。

 

  2.2 伸縮節

 

  伸縮節的作用是補償平臺的升沉運動,使隔水管柱不至于因平臺的上下運動而斷裂。一般安裝在隔水管柱的上部,由內管和外管組成,2管可以上下相對運動。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,使其處于穩定的受拉狀態。

 

  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動約7~12b,以使隔水管柱適應浮式鉆井平臺的搖擺、平移等運動;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力。

 

  撓性接頭主要有壓力平衡式、多球式和萬能式3種。在選擇、確定或設計撓性接頭時,應考慮:?隔水管系統內撓性接頭的功能和位置;?所需的最大旋轉角和最大旋轉剛度;?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時能使平臺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上來,使平臺能夠迅速撤離。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。卡塊由2部分組成,靠相互錐面接觸,卡塊的一部分叫做卡塊動作環,與液壓缸活塞桿連接,活塞桿的伸縮帶動動作環上行或下行,使卡塊的另一部分壓緊或脫開。遇到危險情況時,油壓卸載,卡塊脫開,上接頭與下接頭呈30b角或更大角度而脫開。 液壓連接器的抗彎強度取決于其承受的軸向載荷和內壓,大多數標準井口液壓連接器的抗彎強度在4065~5420kN#m(3000~4000klb#ft),用于深水作業的液壓連接器具有更高的抗彎強度,能承受9484kN#m(7000klb#ft)彎曲力。

 

  2.5 水下防噴器組及控制系統

 

  水下防噴器是海洋石油鉆采過程中用于防止井噴發生的專用設備,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個閘板和2個萬能防噴器組成,第5個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井,通常在套管可能遇卡或者鉆井裝置需要應急脫離時會用到。2個萬能防噴器是冗余設計的需要,上部萬能防噴器作為井控的主要手段。根據水深的不同,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。 對于浮式鉆井裝置(半潛式平臺或鉆井船),選用防噴器系統的通徑為?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,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。為了適應欠平衡鉆井的需要,井口防噴器組合要配置高壓旋轉防噴器,即隨鉆壓力控制系統PCWD(Pres2sureControlWhileDrilling)。

 

  水下防噴器組控制系統主要由地面控制部分和水下控制模塊組成。采用電、液控制實現閘板的開關和鎖緊,從而實現對油井的快速封閉,防止井噴事故的發生。用于深水鉆井防噴器組的控制系統有液壓控制系統和電控系統2種。如果采用液控系統,防噴器組控制管線通過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,控制管線通過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,從安全角度出發,水下防噴器控制系統都有一個備用系統 [528] 。 選擇控制系統要綜合考慮鉆井裝置定位方式、水深、海況以及對井控的要求,其中控制系統的響應時間是一個比較關鍵的因素。挪威石油公司規定,采用水下防噴器組系統時,關閉防噴器的響應時間不能超過45s;APIRP16E規定,水下防噴器組控制系統應在45s或者更短的時間內關閉任何一個閘板防噴器,萬能防噴器組關閉的響應時間不能超過60s,解脫底部隔水管總成的時間不應超過45s。出于響應時間的考慮,在深水鉆井作業中,尤其是在1524m(5000ft)以上超深水鉆井作業時,更多地選用電控系統。

 

  3 水下井口系統

 

  常規水下井口包括臨時導向基座、永久導向基座、?762mm(30in)導管頭、?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)、密封組件及防腐補心等配件(如圖1)。

 

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

 

  深水條件下對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、壓力級別、可懸掛的最大套管質量等。在設計的前期,需要對海況條件下井口可能受到的鉆井隔水管、防噴器組上部質量以及可能的軸向力和彎矩進行分析,尤其是采用動力定位時,鉆井船偏離井口或緊急情況下進行緊急解脫時,防噴器組和水下井口頭可能會承受很大的彎矩 [9210] 。

 

  井口頭壓力級別的選用應與防噴器一致,主要根據地層壓力的情況,通常選用69MPa(10000psi)或103MPa(15000psi)壓力等級,在一些特殊情況下,也可選用138MPa(20000psi)。抗彎曲能力在2710~9484kN#m(2000~7000klb#ft)。 常規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,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一步加大,因此隨著作業水深的增加,水下井口也變得越來越大,壓力等級、抗彎能力、可懸掛套管質量和數量對各種套管層序的適用性、操作性和安全可靠性等性能指標也越來越高。

 

  4 結語

 

  走向深水既是提高油氣產量的需求,也是全球海洋石油發展的趨勢。深水浮式鉆井裝置、隔水管系統和水下井口等是進行深水鉆井的必要裝備。深水鉆井區別于淺灘和陸地鉆井作業,所需裝備的設計、制造難度很大,國外涉足深水領域已有幾十年的歷程,深水鉆井裝備已成為成熟技術。依靠進口深水作業裝備,不但耗費大量資金,在關鍵技術上也受制于人,嚴重制約著我國深水石油開發進度,因而展開相關研究工作已迫在眉睫。