深水浮式钻井平台钻机参数校核方法研究

2022-09-10

1 概述

深水钻井作业时, 通常采用浮式钻井平台。受海洋环境因素的影响, 深水钻井平台与浅水钻井平台的钻机配置有很大的区别。同时, 考虑到深水油气田开发的高风险和高投资, 更加需要在前期设计阶段, 对钻机性能进行更加细致和全面地分析和校核。本文结合中海油在中国南海的多年作业经验和现有深水钻井标准规范, 对深水钻井平台钻机选型方法进行深入研究, 总结出一套切实可行的分析评估方法。

2 钻井装置主要参数校核方法

2.1 钻机资源调研

浮式钻井平台主要包括钻井船和半潜式钻井平台, 在考虑选择浮式钻井平台时, 主要影响因素主要包括:钻井方式、完井方式、海洋环境条件、钻井平台的技术性能、经济效益, 等。

通过对现有浮式钻井平台资源的调研, 可以了解可动用的钻机资源, 为后续进行钻机技术参数校核和经济比选积累技术资料。目前, 主流的钻机资源数据库主要包括:Rigzone、ODS-Petrodata、infield Rigs, 等。以Rigzone为例, 该数据库可以支持从钻机名称、所属公司、钻机类型、额定水深、当前所在地区、作业状态、作业者等条件进行检索, 得到符合条件的钻机。

2.2 作业水深

深水钻井作业选用浮式钻井平台时, 需要确保与工作水深相适应, 性能可靠。定位方式可以是锚泊定位, 也可以是动力定位。

2.3 最大钩载

校核最大钩载需要根据钻井专业的设计数据, 分析各井段钻进过程中的钩载最大值, 同时, 在深水钻井作业中, 还需要考虑下防喷器作业的钩载要求。钻井作业中, 钻机最大钩载的计算公式如下:

Qmax≥K×Kadd×max (F管柱)

式中, K为钩载储备系数, 取1.2, Kadd为动载荷系数, 取1.15, F管柱为提升管柱载荷。

2.4 钻井液池

在深水钻井作业中, 表层钻进采用的是喷射钻进方式, 即喷射下入Φ914.4mm导管, 使用继续钻进的钻具组合继续进行下一井段 (Φ660.4mm井眼) 的钻进, 在此过程中没有隔水管。而后续井段的钻井作业, 如:Φ444.5mm井眼, 等, 需要先行下入隔水管, 才能进行相应的钻井作业。因此, 在计算钻井液用量时, 计算方法也有相应的区别。同时, 深水钻机的泥浆池配置通常包括日用泥浆池和备用泥浆池, 在进行校核计算时, 也需要分别进行相应工作。

2.4.1 无隔水管段钻井液用量

根据中海油在中国南海的深水钻井作业经验, 无隔水管段钻井液主要包括井底清扫液、钻井清扫液、顶替液、压井泥浆, 其各自的用量需要根据钻井工艺的具体要求分别进行测算。具体情况如下:

·井底清扫液:在钻至Φ914.4mm井眼井深时, 注入31.8m3, 进行清洗井底;

·钻井清扫液:在Φ660.4mm井眼每钻1柱注入15.9m3;

·顶替液:用于Φ660.4mm井眼, 其用量主要考虑Φ660.4mm井眼最大体积 (附加50%) , 同时, 附加地面管汇的钻井液用量;

·压井泥浆:用于Φ660.4mm井眼, 按照200m3进行准备。

2.4.2 隔水管段钻井液用量

隔水管段钻井液用量, 需要根据平台设计水深和最大钻井深度, 确定极限状况下的井身结构, 然后计算各井段需要的钻井液, 并根据设计经验选取相应的放大系数, 得到隔水管段钻井液的工程用量。

其中, 日用泥浆池容积配置计算公式如下:

式中, Va-日用泥浆池体积, m3;Vrh max-隔水管和井眼最大体积, m3;Ca-系数, 取1-1.5。

备用泥浆池容积配置计算公式:

式中, Vr-备用泥浆池体积, m3;Va-日用泥浆池体积, m3;Cr-系数, 一般要求大于等于1.5。

综合比较无隔水管段和隔水管段钻井液用量, 可以对浮式钻井船的钻井液池配置进行校核。

2.5 钻井泵功率

根据不同井段的泵压和排量可计算泵功率, 计算公式如下:

式中, NP为钻井泵总功率, 单位:W;Q为各井段的排量, 单位:Pa;P为各井段与排量相对应的压力, 单位:Pa;ηy为三缸单作用钻井泵的容积效率, 计算时取0.95;ηj为三缸单作用钻井泵的机械效率, 通常为0.90;j为三缸单作用钻井泵稳定工作的经验系数, 通常取0.80。

同时, 在深水钻井作业中, 还需要对隔水管段环空重泥浆的最大返回速度进行测算, 其计算公式如下:

V返≥Qmax/[ (D2-d2) ×10-3/4]

式中, V返为隔水管段环空中泥浆的最大返回速度, 单位为m/s, D为隔水管内径, 单位为mm, d为钻杆直径, 单位为mm, Qmax为最大排量, 单位为l/s。

2.6 转盘静载荷

转盘静载荷必须能够满足悬挂所有隔水管及防喷器、钻柱、套管柱的重量 (含动载荷) , 其具体数值可参考最大钩载的计算结果。

2.7 转盘开口直径

深水钻井用的转盘, 必须能够顺利通过大直径钻井设备、浮力隔水管、大尺寸导管和井口工具。应不小于126cm。

2.8 钻柱升沉运动补偿装置最大静载荷

钻柱升沉运动补偿装置最大静载荷须满足深水环境下的使用要求, 应大于计算的下套管最大重量。

下套管最大重量通过如下公式计算:

下套管最大重量 (T) =1.2×摩阻+60

2.9 顶驱扭矩

根据钻井专业的计算结果, 分析钻井过程中的最大扭矩, 进而校核顶驱扭矩需要满足钻井作业中的最大扭矩要求。

2.1.0顶驱静载荷

校核顶驱静载荷需要根据钻井专业的设计数据, 分析各井段钻进过程中的钩载最大值, 同时, 在深水钻井作业中, 还需要考虑下防喷器作业的钩载要求。钻井作业中, 钻机最大钩载的计算公式如下:

Qmax≥K×Kadd×max (F管柱)

式中, K为钩载储备系数, 取1.2, Kadd为动载荷系数, 取1.15, F管柱为提升管柱载荷。

3 具体应用

以中国南海某深水油气田开发前期设计为例, 其设计基础数据如下:

·所在海域水深:1340m;

隔水导管:Φ914.4mm (下深:泥线以下69m) ;

经对钻机主要参数进行测算, 可得到相应的计算结果如下:

4 结语

随着钻井技术的发展, 钻井施工要求也相应提高, 对钻井工程的科学性、经济性、时效性和HSE的要求日益凸显, 其中, 许多要求需要通过钻机来实现, 因此, 对钻机选型的科学性评估至关重要。通过深入分析深水钻井作业各种影响因素, 本文给出了校核深水移动式钻井平台的主要技术参数校核方法, 可用于深水油气开发中钻机选型的可行性研究和钻机能力评估。

摘要：结合深水钻井标准规范和中海油南海深水钻井作业经验, 对深水浮式钻井平台钻机校核方法进行了深入的技术分析。根据海洋环境影响因素、钻井工程设计数据和深水钻井平台性能参数, 对钻机选型方面的作业水深、最大钩载、钻井液池容积和钻井泵功率等进行了测算, 分析了深水钻井平台钻机设备的最低配置要求, 可为深水钻井前期设计工作提供钻机选型参考。

关键词：深水,钻井船,钻机,校核,海洋