世界超深鉆井裝備展望

  超深水（Ultra-Depth Water，簡稱UDW）和超深井鉆井（Ultra-Depth Drilling，簡稱UDD）是近十余年來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現國合計發現油氣藏儲量約達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和浮式鉆井專用水下設備和水面鉆柱運動補償器和張緊器等）。2006年11月統計的世界海洋石油移動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。可見超深鉆井裝備的旺銷。

 

  世界UDW鉆井平臺（船）發展展望

 

  A.新發展均為第6代鉆井平臺（船），對其特點的淺見是第6代鉆井平臺（船）出現時間在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，單套鉆機主絞車功率≥5000hp~7200hp乃至更大；鉆機、頂驅和泥漿泵的驅動方式多為交流變頻驅動或靜液驅動；立管多為豎直排列或豎、平相結合排列并有專供立管吊運的吊機（行車）；動力定位系統多為DP3或更高級。

 

  B.UDW半潛式鉆井平臺主要發展趨勢

 

  采用甚高強度鋼和優良設計，其可變載荷與總排水量的比值將超過0.18以上，總排水量與自重的比值將超過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、無斜撐、少節點的簡單外形結構，以減少建造費用和降低船體結構產生的意外事故；良好的船體安全性和抗風暴能力，全球全天候的工作能力和長的自持能力；更大的工作水深：目前最深的工作水深為12,000ft（3,810m）。可預料，未來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、大功率、高精度的動力定位系統（DPS－3乃至DPS－4）；裝備交流變頻驅動或靜液驅動的大功率UDD鉆機（單套鉆機主絞車功率≥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；具有當代最先進的浮式鉆井專用設備和雙井架、雙套鉆機系統。

 

  C.UDW鉆井浮船發展趨勢

 

  采用甚高強度鋼和優良的船型及結構設計，將總排水量與船總用鋼量的比值進一步提高，主尺度≥長250m×寬38m×型深18m；船具有良好的安全性（船為雙船殼）和抗風暴能力，全球、全天候的工作能力和長的自持能力；甲板可變載荷≥2萬t，船主機功率≥5萬hp；設計工作水深≥10,000ft~12,000ft（3,658m），預料在未來20年內工作水深將達4,000~5,000m（13,120ft~16,400ft）；裝備最先進、大功率、高精度的動力定位系統（DPS－3乃至DPS－4）；裝備交流變頻驅動或靜液驅動的大功率超深井鉆機（單套鉆機主絞車功率≥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；具有當代最先進的浮式鉆井專用設備和雙井架、雙套鉆機系統。

 

  世界UDD鉆井設備發展展望

 

  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展。如美國National-Oilwel公司生產的交流變頻鉆機，絞車功率4,000、5,000、7,200 hp；美國C-Emsco公司生產的交流變頻鉆機，絞車功率5,000 hp；Varco公司生產的交流變頻鉆機，絞車功率4,500和6,000hp；德國Wirth公司生產的交流變頻鉆機，絞車功率分別為3,750、4,500、5,000和6,000hp。以上轉盤通徑分別為49.5in和60.5in。

 

  可作為主動型鉆柱運動補償的AHD型數控變頻驅動鉆機絞車值得關注。如美國 National-Oilwel公司生產的AHD型2300、3450、4000、6900hp數控變頻驅動鉆機絞車。

 

  新型石油鉆機

 

  無絞車、液缸升降型鉆機（Ram Rig）顯示其發展的生命力。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，也替代了浮式鉆井的龐大的鉆柱運動補償器，顯著減少井場占用面積與空間，可降低成本約30%。顯示其發展的生命力。          新型無絞車液壓升降型鉆機值得關注。目前，除挪威海事液壓公司Ram鉆機和意大利Drillmec鉆機是一種新式無絞車型液力提升鉆機外，新近又有Schramm公司推出的伸縮桅桿的TXD系列靜液傳動無絞車型動力頭鉆機值得關注：

 

  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）；鉆機動力頭起下鉆行程為50ft（15.24m），適用鉆桿長度可達48ft（14.6m）。目前這種在陸地使用的鉆機值得海上借鑒。

 

  無絞車、機械升降型鉆機具有發展潛力

 

  美國洛杉區西部鬧市區的BeverlyHills油田，由無絞車、機械升降行程19.8m（65ft）的鉆機，以頂部驅動旋轉鉆井，置于由液壓缸推拉的可南北移動的滑橇上;北部為雙排井、移動長41.45m,南部為單井、移動長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可降低40%、運載費用減少50%、占井場地減少40%、鉆井成本可降低50%；操作自動化程度高并可實現自動送鉆等一系列優點。在海洋石油鉆井中將得到進一步推廣使用。

 

  套管鉆井石油鉆機

 

  新近由加拿大TESCO鉆井技術公司開發的套管鉆井石油鉆機專門設計用于套管鉆井（也可用于常規技術鉆井），可提高鉆井效率30%以上，作業費因而相應降低。其鉆機絞車、轉盤均用靜液驅動。

 

  石油鉆井頂部驅動裝置

 

  頂部驅動裝置重點發展交流變頻驅動或靜液驅動。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；挪威海事液壓公司則發展靜液驅動，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。          機械驅動長行程泥漿泵值得重視。2003年，美洛杉磯鬧市區的Beverly Hills油田，鉆機所配套的泥漿泵，是一種機械驅動長行程泥漿泵。共有4個液力端，每缸行程長達2,718mm（107in）。值得海上借鑒。

 

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

 

  輕重量長壽命泥漿泵：美國埃里斯-威廉姆斯工程公司（Ellis WilliamsEngineering Co.）生產的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。

 

  鉆柱運動補償器

 

  天車型和游車型被動型鉆柱升沉運動補償器發展趨勢是：

 

  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。

 

  主動型鉆柱升沉運動補償器發展趨勢是：可作為主動型鉆柱升沉運動補償器的AHD型數控變頻驅動鉆機絞車實現恒壓自動送鉆并主動補償升沉運動的裝置，今后可能有更多此類裝置投入海洋浮式石油鉆井。

 

  張緊器

 

  張緊器主要發展向超深水域鉆井、采油相適應的液缸被動型。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展和推廣采用無繩索直接作用型、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發資金和裝備的投入，并學習國際著名油公司，向海外市場發展的經驗，正視我國人均擁有探明石油儲量僅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僅為世界人均擁有探明天然氣儲量的4.47%這一嚴峻現實（據WO2007年公布世界油氣儲量資料折算）。不能盲目樂觀，要尋求國內獲得油氣資源和產量的多種途徑。

 

  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。這些設備經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，希望繼續保持和發展這一良好勢頭。保持和發展這一良好勢頭的重要舉措是瞄準國內特別是國際市場，積極參與國際市場競爭。具體如下：          在鉆井平臺（船）特別是動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：單機功率≥1,000kw、低油耗、良排放（具有電噴裝置）、長壽命柴油發電機組；功率≥1,000kw的交流變頻電機控制系統；單機功率≥2,000kw、低油耗、長壽命柴油消防泵組；平臺（船）上的動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的變頻電驅動或靜液驅動頂部驅動裝置（TDS）；通徑為18.75in、壓力為69Mpa（10,000psi）和103.5Mpa（15,000psi）的BOP組（包括環形BOP和雙聯或三聯閘板BOP及相應的聯結器）；上部適應18.75in聯結器、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用設備的多路傳輸控制系統還包括一套聲學應急安全防備系統）；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）被動型鉆柱運動補償器系統；結合發展數控變頻電驅動鉆機絞車同時實現恒壓自動送鉆并主動補償升沉運動的鉆柱升沉運動補償器；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）的被動型導向繩和立管（隔水管）張緊器系統。