世界超深鉆井裝備展望

  超深水（Ultra-Depth Water，簡(jiǎn)稱(chēng)UDW）和超深井鉆井（Ultra-Depth Drilling，簡(jiǎn)稱(chēng)UDD）是近十余年來(lái)海洋石油鉆井不斷向深水和深地層鉆井而形成、用以界別普通深水和普通鉆井井深的概念。一般以≥400m-≤1500m為深水，≥1500m（或5,000ft）為超深水（UDW）；以鉆井深度能力≥15,000ft（即4,500m）-≤25,000ft（即7,620m）為深井鉆井；≥25,000ft（即≥7,620m）為超深井鉆井（UDD）。

 

  全球深水油氣產(chǎn)量主要分布于西非、北美墨西哥灣、拉丁美洲的巴西近海、亞洲、澳洲和西歐六大海域。2006-2010年深水油氣產(chǎn)量占比例最大首推非洲（特別是西非），占40%；其次是北美（特別是墨西哥灣），占25%；其三是拉丁美洲（特別是巴西近海），占20%；亞洲占10%；西歐占3%；澳洲占2%；其他為1%。以上全球十大深水油氣藏發(fā)現國合計發(fā)現油氣藏儲量約達135.5億m3。

 

  超深鉆井裝備主要指UDW鉆井平臺-船（包括勘探用UDW半潛式鉆井平臺和鉆井船及用于鉆生產(chǎn)井的半潛式FPS、浮船式FPSO、TLP和Spar平臺上的鉆井設備）和UDD鉆井設備（包括UDD鉆機、泥漿泵、TDS和浮式鉆井專(zhuān)用水下設備和水面鉆柱運動(dòng)補償器和張緊器等）。2006年11月統計的世界海洋石油移動(dòng)式鉆井平臺新定貨和正建造的共107艘（工作水深均≥1500m的UDW半潛式鉆井平臺和鉆井船），配套的石油鉆機鉆井深度能力均為≥30,000ft的超深井鉆機?？梢?jiàn)超深鉆井裝備的旺銷(xiāo)。

 

  世界UDW鉆井平臺（船）發(fā)展展望

 

  A.新發(fā)展均為第6代鉆井平臺（船），對其特點(diǎn)的淺見(jiàn)是第6代鉆井平臺（船）出現時(shí)間在2000年甚至2003年及其以后；鉆井工作水深大都在10,000ft（3,048m）~12,500ft（3,810m）乃至更深；鉆井深度≥35,000ft（10,668m）~40,000ft（12,200m）乃至更深；鉆機為雙套，單套鉆機主絞車(chē)功率≥5000hp~7200hp乃至更大；鉆機、頂驅和泥漿泵的驅動(dòng)方式多為交流變頻驅動(dòng)或靜液驅動(dòng)；立管多為豎直排列或豎、平相結合排列并有專(zhuān)供立管吊運的吊機（行車(chē)）；動(dòng)力定位系統多為DP3或更高級。

 

  B.UDW半潛式鉆井平臺主要發(fā)展趨勢

 

  采用甚高強度鋼和優(yōu)良設計，其可變載荷與總排水量的比值將超過(guò)0.18以上，總排水量與自重的比值將超過(guò)4.0；大的甲板可變載荷（≥9,000t）和大的甲板空間；平臺大多為正方形或矩形，立柱多為4-6立柱、矩形截面、無(wú)斜撐、少節點(diǎn)的簡(jiǎn)單外形結構，以減少建造費用和降低船體結構產(chǎn)生的意外事故；良好的船體安全性和抗風(fēng)暴能力，全球全天候的工作能力和長(cháng)的自持能力；更大的工作水深：目前最深的工作水深為12,000ft（3,810m）?？深A料，未來(lái)20年內將有工作水深4,000-5,000m的半潛式平臺出現；裝備最先進(jìn)、大功率、高精度的動(dòng)力定位系統（DPS－3乃至DPS－4）；裝備交流變頻驅動(dòng)或靜液驅動(dòng)的大功率UDD鉆機（單套鉆機主絞車(chē)功率≥5000hp~7200hp乃至更大）；鉆井深度能力≥35,000ft（10,668m）~40,000ft（12,200m）乃至更深，預計在未來(lái)20年內，鉆井船的鉆井深度能力將突破15,000m；具有當代最先進(jìn)的浮式鉆井專(zhuān)用設備和雙井架、雙套鉆機系統。

 

  C.UDW鉆井浮船發(fā)展趨勢

 

  采用甚高強度鋼和優(yōu)良的船型及結構設計，將總排水量與船總用鋼量的比值進(jìn)一步提高，主尺度≥長(cháng)250m×寬38m×型深18m；船具有良好的安全性（船為雙船殼）和抗風(fēng)暴能力，全球、全天候的工作能力和長(cháng)的自持能力；甲板可變載荷≥2萬(wàn)t，船主機功率≥5萬(wàn)hp；設計工作水深≥10,000ft~12,000ft（3,658m），預料在未來(lái)20年內工作水深將達4,000~5,000m（13,120ft~16,400ft）；裝備最先進(jìn)、大功率、高精度的動(dòng)力定位系統（DPS－3乃至DPS－4）；裝備交流變頻驅動(dòng)或靜液驅動(dòng)的大功率超深井鉆機（單套鉆機主絞車(chē)功率≥5000hp~7200hp乃至更大）。鉆井深度能力≥35,000ft（10,668m）~40,000ft（12,200m）乃至更深，預料在未來(lái)20年內，鉆井船的鉆井深度能力將突破15,000m；具有當代最先進(jìn)的浮式鉆井專(zhuān)用設備和雙井架、雙套鉆機系統。

 

  世界UDD鉆井設備發(fā)展展望

 

  常規石油鉆機為適應UDW和UDD鉆井，常規石油鉆機將向大功率交流變頻方向發(fā)展。如美國National-Oilwel公司生產(chǎn)的交流變頻鉆機，絞車(chē)功率4,000、5,000、7,200 hp；美國C-Emsco公司生產(chǎn)的交流變頻鉆機，絞車(chē)功率5,000 hp；Varco公司生產(chǎn)的交流變頻鉆機，絞車(chē)功率4,500和6,000hp；德國Wirth公司生產(chǎn)的交流變頻鉆機，絞車(chē)功率分別為3,750、4,500、5,000和6,000hp。以上轉盤(pán)通徑分別為49.5in和60.5in。

 

  可作為主動(dòng)型鉆柱運動(dòng)補償的AHD型數控變頻驅動(dòng)鉆機絞車(chē)值得關(guān)注。如美國 National-Oilwel公司生產(chǎn)的AHD型2300、3450、4000、6900hp數控變頻驅動(dòng)鉆機絞車(chē)。

 

  新型石油鉆機

 

  無(wú)絞車(chē)、液缸升降型鉆機（Ram Rig）顯示其發(fā)展的生命力。已分別裝于2艘半潛平臺和2艘鉆井船上的Ram型鉆機，鉆深能力10,660m（35,000ft）。用升降液缸替代了龐大笨重的絞車(chē)，也替代了浮式鉆井的龐大的鉆柱運動(dòng)補償器，顯著(zhù)減少井場(chǎng)占用面積與空間，可降低成本約30%。顯示其發(fā)展的生命力。          新型無(wú)絞車(chē)液壓升降型鉆機值得關(guān)注。目前，除挪威海事液壓公司Ram鉆機和意大利Drillmec鉆機是一種新式無(wú)絞車(chē)型液力提升鉆機外，新近又有Schramm公司推出的伸縮桅桿的TXD系列靜液傳動(dòng)無(wú)絞車(chē)型動(dòng)力頭鉆機值得關(guān)注：

 

  該鉆機首臺于2006年8月推出。目前，TXD系列鉆機共有三種規格，即T90XD型、T130XD型和T180XD型，提升能力分別為90,000-lb（400kN）、130,000-lb（580 kN）、180,000-lb（801 kN）；鉆機動(dòng)力頭起下鉆行程為50ft（15.24m），適用鉆桿長(cháng)度可達48ft（14.6m）。目前這種在陸地使用的鉆機值得海上借鑒。

 

  無(wú)絞車(chē)、機械升降型鉆機具有發(fā)展潛力

 

  美國洛杉區西部鬧市區的BeverlyHills油田，由無(wú)絞車(chē)、機械升降行程19.8m（65ft）的鉆機，以頂部驅動(dòng)旋轉鉆井，置于由液壓缸推拉的可南北移動(dòng)的滑橇上;北部為雙排井、移動(dòng)長(cháng)41.45m,南部為單井、移動(dòng)長(cháng)31.09m,井距1.8in（6ft）。共可鉆69口井。目前這種在陸地使用的鉆機值得海上借鑒。

 

  小井眼鉆機

 

  小井眼石油鉆機造價(jià)可降低40%、運載費用減少50%、占井場(chǎng)地減少40%、鉆井成本可降低50%；操作自動(dòng)化程度高并可實(shí)現自動(dòng)送鉆等一系列優(yōu)點(diǎn)。在海洋石油鉆井中將得到進(jìn)一步推廣使用。

 

  套管鉆井石油鉆機

 

  新近由加拿大TESCO鉆井技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的套管鉆井石油鉆機專(zhuān)門(mén)設計用于套管鉆井（也可用于常規技術(shù)鉆井），可提高鉆井效率30%以上，作業(yè)費因而相應降低。其鉆機絞車(chē)、轉盤(pán)均用靜液驅動(dòng)。

 

  石油鉆井頂部驅動(dòng)裝置

 

  頂部驅動(dòng)裝置重點(diǎn)發(fā)展交流變頻驅動(dòng)或靜液驅動(dòng)。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，均為交流變頻驅動(dòng)；挪威海事液壓公司則發(fā)展靜液驅動(dòng)，效果亦佳。

 

  石油鉆井泥漿泵

 

  三缸單作用泥漿泵向大功率交流變頻方向發(fā)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等泥漿泵，均為交流變頻驅動(dòng)。          機械驅動(dòng)長(cháng)行程泥漿泵值得重視。2003年，美洛杉磯?mèng)[市區的Beverly Hills油田，鉆機所配套的泥漿泵，是一種機械驅動(dòng)長(cháng)行程泥漿泵。共有4個(gè)液力端，每缸行程長(cháng)達2,718mm（107in）。值得海上借鑒。

 

  靜液驅動(dòng)的泥漿泵，配備用于自動(dòng)化鉆機、小井眼石油鉆機和套管鉆井石油鉆機。

 

  輕重量長(cháng)壽命泥漿泵：美國埃里斯-威廉姆斯工程公司（Ellis WilliamsEngineering Co.）生產(chǎn)的E-2200型2200hp泥漿泵活塞行程15in，活塞桿負荷達158,374lb（704.8 kN），110沖/min；軸承平均的使用壽命達125,000hr。EH-2200型2200hp泥漿泵活塞行程14in;活塞桿負荷達149,324lb（664.6 kN）；125沖/min；軸承平均的使用壽命達100,000hr。

 

  海洋防噴器

 

  海洋防噴器向大通徑高封井壓力和高剪切力發(fā)展。如美國Cameron和Shaffer公司的BOP通徑13.75in和18.75in，封井壓力103.5Mpa（15,000PSI），其全封剪切閘板可切斷13 3/8in以下的套管和6-5/8in、S-135鉆桿；美國Hydril公司的BOP通徑13.75in和18.75in，封井壓力最高達138Mpa（20,000PSI）。

 

  深水和超深水鉆井新近發(fā)展了水面BOP組，即將通徑13.75inBOP組置于立管（隔水管）與伸縮立管之間，從而避免將BOP組置于深水和超深水的海底、需要昂貴的大通徑BOP組和龐雜的控制系統等，不但節約費用而且更加安全可靠。但它主要用于采油的半潛式FPS、TLP或Spar平臺。

 

  鉆柱運動(dòng)補償器

 

  天車(chē)型和游車(chē)型被動(dòng)型鉆柱升沉運動(dòng)補償器發(fā)展趨勢是：

 

  補償器補償行程≥7.62m（25ft），補償能力≥4,450kN（1,000千磅）；補償器的系統工作壓力≥20.7Mpa（3,000ps）；補償器的可靠性、操作靈敏度、使用壽命等將更加提高。

 

  主動(dòng)型鉆柱升沉運動(dòng)補償器發(fā)展趨勢是：可作為主動(dòng)型鉆柱升沉運動(dòng)補償器的AHD型數控變頻驅動(dòng)鉆機絞車(chē)實(shí)現恒壓自動(dòng)送鉆并主動(dòng)補償升沉運動(dòng)的裝置，今后可能有更多此類(lèi)裝置投入海洋浮式石油鉆井。

 

  張緊器

 

  張緊器主要發(fā)展向超深水域鉆井、采油相適應的液缸被動(dòng)型。包括：

 

  立管張緊器的補償行程≥19.8m（65ft）；鉆井用立管張緊器將普遍發(fā)展雙液缸型、最大張緊力≥1,113kN（250千磅）；采油用立管張緊器將發(fā)展和推廣采用無(wú)繩索直接作用型、多缸組合結構；張緊器的可靠性、操作靈敏度、使用壽命等將更加提高。

 

  對我國超深井鉆井設備發(fā)展的建議

 

  我國應加強對海洋特別是深水和超深水油氣勘探開(kāi)發(fā)資金和裝備的投入，并學(xué)習國際著(zhù)名油公司，向海外市場(chǎng)發(fā)展的經(jīng)驗，正視我國人均擁有探明石油儲量?jì)H為世界人均擁有探明石油儲量的7.23%、我國人均擁有探明天然氣儲量?jì)H為世界人均擁有探明天然氣儲量的4.47%這一嚴峻現實(shí)（據WO2007年公布世界油氣儲量資料折算）。不能盲目樂(lè )觀(guān)，要尋求國內獲得油氣資源和產(chǎn)量的多種途徑。

 

  我國UDW和UDD鉆井裝備的研制已有良好起步，但要繼續保持和發(fā)展這一良好勢頭，。我國承擔國內外UDW鉆井平臺已達9艘，其中3000m工作水深的半潛式鉆井平臺981號正在上海設計建造；國內寶石、宏華、蘭石國民油井等公司研制并批量生產(chǎn)的7000m、9000m數控變頻鉆機和寶雞石油機械有限責任公司自行設計、制造用于當今世界頂級深井的ZJ120/9000DB型12,000m超深井鉆機也于2007年末成功下線(xiàn)。這些設備經(jīng)相應改裝后均可用于海上超深水、超深井鉆井。以上這都是值得可喜可賀的良好起步，希望繼續保持和發(fā)展這一良好勢頭。保持和發(fā)展這一良好勢頭的重要舉措是瞄準國內特別是國際市場(chǎng)，積極參與國際市場(chǎng)競爭。具體如下：          在鉆井平臺（船）特別是動(dòng)力定位鉆井船的設計、建造方面要趕超韓國。

 

  在鉆井平臺（船）配套通用設備方面建議自主設計制造的主要有：?jiǎn)螜C功率≥1,000kw、低油耗、良排放（具有電噴裝置）、長(cháng)壽命柴油發(fā)電機組；功率≥1,000kw的交流變頻電機控制系統；單機功率≥2,000kw、低油耗、長(cháng)壽命柴油消防泵組；平臺（船）上的動(dòng)力定位及深水錨泊系統等。

 

  在鉆井平臺（船）配套U D D鉆機和浮式鉆井專(zhuān)用設備方面建議自主設計制造的主要有：鉆井深度能力為9,000m和12,000m的海洋石油變頻電驅動(dòng)鉆機及單機功率≥2,200hp的鉆井泥漿泵；適應鉆井深度能力為9,000m和12,000m的變頻電驅動(dòng)或靜液驅動(dòng)頂部驅動(dòng)裝置（TDS）；通徑為18.75in、壓力為69Mpa（10,000psi）和103.5Mpa（15,000psi）的BOP組（包括環(huán)形BOP和雙聯(lián)或三聯(lián)閘板BOP及相應的聯(lián)結器）；上部適應18.75in聯(lián)結器、壓力為69Mpa（10,000psi）和103.5Mpa（15,000psi）的海底井口頭（套管頭）系統；立管（隔水管）系統（包括下立管組、立管本體組件、伸縮立管、泥漿出口管）及導流器組件。

 

  浮式鉆井專(zhuān)用設備的控制系統（包括常規水深的電-氣-液-液控制系統、深水常規浮式鉆井專(zhuān)用設備的多路傳輸控制系統和深水水面BOP控制系統三種。而深水常規浮式鉆井專(zhuān)用設備的多路傳輸控制系統還包括一套聲學(xué)應急安全防備系統）；額定補償能力為600千磅（2,670kN）和800千磅（3,560kN）、償器行程為1 5 f t（4.6 m）、2 0 f t（6.1m）、25ft（7.6m）被動(dòng)型鉆柱運動(dòng)補償器系統；結合發(fā)展數控變頻電驅動(dòng)鉆機絞車(chē)同時(shí)實(shí)現恒壓自動(dòng)送鉆并主動(dòng)補償升沉運動(dòng)的鉆柱升沉運動(dòng)補償器；額定張緊能力為14千磅（62.3kN）、16千磅（71.2kN）和60千磅（267kN）、80千磅（356kN）、120千磅（534.1kN），償器行程為40ft（12.2m）、50ft（15.2m）和66ft（20.1m）的被動(dòng)型導向繩和立管（隔水管）張緊器系統。