深水半潛式鉆井平臺鉆井能力及應(yīng)用效果分析

劉 健,謝 彬,盛磊祥,何玉發(fā)

(中海油研究總院，北京 100028)

深水半潛式鉆井平臺鉆井能力及應(yīng)用效果分析

劉 健,謝 彬,盛磊祥,何玉發(fā)

(中海油研究總院，北京 100028)

研究了深水半潛式鉆井平臺鉆井的作業(yè)能力，對比分析了國內(nèi)第六代深水半潛式鉆井平臺與其他國內(nèi)半潛式鉆井平臺以及國外典型第六代深水半潛式鉆井平臺的主要參數(shù)，并總結(jié)了該鉆井平臺實際鉆完井的作業(yè)情況；比較了國內(nèi)主要半潛式鉆井平臺及國外半潛式鉆井平臺在南海深水鉆井作業(yè)的情況。比較結(jié)果表明國內(nèi)第六代深水半潛式鉆井平臺建井周期、作業(yè)時效等參數(shù)均優(yōu)于其他鉆井平臺，說明該鉆井平臺的鉆井作業(yè)能力不僅優(yōu)于國內(nèi)其他鉆井平臺，而且也優(yōu)于國外典型的第六代半潛式鉆井平臺。

半潛式鉆井平臺；鉆井系統(tǒng)；應(yīng)用效果；評估

0 引 言

我國首座第六代深水半潛式鉆井平臺自2012年投入使用以來，在我國流花、荔灣、白云、陵水及緬甸安達(dá)曼海等深水海域進(jìn)行鉆完井作業(yè)20余口[1-3]。其中荔灣21-1-1井作業(yè)水深2 451 m，創(chuàng)造了我國鉆井最大水深的紀(jì)錄；緬甸安達(dá)曼海鉆井的作業(yè)水深1 732 m，完鉆井深5 030 m，創(chuàng)造了我國深水半潛式鉆井平臺作業(yè)井深的紀(jì)錄[2-3]。

本文介紹了該平臺的鉆井系統(tǒng)，并將該平臺與國內(nèi)其他半潛式鉆井平臺的鉆井系統(tǒng)進(jìn)行了比較，分析了國內(nèi)主要半潛式鉆井平臺以及在南海作業(yè)的國外第六代深水半潛式鉆井平臺的鉆井作業(yè)時效，結(jié)果表明國內(nèi)首座第六代深水半潛式鉆井平臺的鉆井作業(yè)能力遠(yuǎn)高于我國其他半潛式鉆井平臺，作業(yè)時效也高于在國內(nèi)作業(yè)的同類第六代深水半潛式鉆井平臺。

1 深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)簡介

1.1 第六代深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)主要參數(shù)

典型第六代深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)主參數(shù)如下[4]。

鉆機(jī)最大鉤載：1 000 s.t(908 t)。

最大鉆井深度：10 000 m。

井架：一個半井架，管子排放能力12 000 m，凈空高度210 英尺(1英尺=30.48 cm)。

鉆井絞車功率：4 200 hp(1 hp=0.745 7 kW)。

鉆柱補(bǔ)償器：主動型天車補(bǔ)償器，補(bǔ)償能力500 s.t，補(bǔ)償行程25 英尺。

頂驅(qū)：功率2×857 kW，最大載荷1 000 s.t，可用鉆桿直徑范圍3-1/3～6-5/8英寸(1英寸=2.54 cm)，最大持續(xù)扭矩128 000 N·m，最大轉(zhuǎn)速240 r/min。

轉(zhuǎn)盤：開口直徑60.5 英寸，最大載荷1 000 s.t，最大持續(xù)扭矩46 000 N·m，最大轉(zhuǎn)速40 r/min。

高壓泥漿泵：4臺，單臺功率2 200 hp，最大工作壓力7 500 psi(1 psi=6.895 kPa)。

灰罐：數(shù)量16個，總?cè)萘?00 m3。

泥漿立管管匯：工作壓力7 500 psi，5英寸。

阻流管匯：工作壓力15 000 psi，3-1/2英寸。

固井管匯：工作壓力20 000 psi，3英寸;

防噴器(BOP)組：通徑18-3/4英寸，壓力等級15 000 psi，6個閘板，2個萬能防噴器。

壓井/阻流管線：美國石油協(xié)會(API)標(biāo)準(zhǔn)4-1/16英寸，壓力等級15 000 psi。

防噴器控制系統(tǒng)：MUX控制盒，控制系統(tǒng)額定工作壓力5 000 psi。

轉(zhuǎn)噴器：長2.47 m，分流器外罩內(nèi)徑60英寸，工作壓力500 psi。

隔水管堆場排放能力：10 000英尺。

隔水管配置：21英寸×10 000英尺，帶浮力塊最大外徑為54英寸，隔水管的壁厚分別為0.75英寸，0.875英寸，0.937 5英寸和1英寸；隔水管有6根輔助管線，隔水管的連接方式為快速接頭連接方式。

隔水管伸縮節(jié)：外筒26×1英寸，內(nèi)筒21×1英寸，沖程65英尺，額定負(fù)荷1 587.6 t。

隔水管張力器：IN-LINE TENSIONER型，隔水管張力6×2 669 kN；液壓缸沖程50英尺。

1.2 鉆機(jī)構(gòu)成

典型第六代深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)包括井架及附屬設(shè)備系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、升沉補(bǔ)償裝置、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、高壓泥漿系統(tǒng)、低壓泥漿輸送系統(tǒng)、固控系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、司鉆控制系統(tǒng)、管子處理系統(tǒng)(包含隔水管運(yùn)送系統(tǒng))、防噴器和采油樹運(yùn)送系統(tǒng)、鉆臺及附屬設(shè)備、液壓動力系統(tǒng)、隔水管系統(tǒng)、井控系統(tǒng)和第三方設(shè)備(固井系統(tǒng)、試油系統(tǒng)等)。圖1為典型第六代深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)示意圖(不含隔水管、防噴器及第三方設(shè)備)[4]。

圖1 典型第六代深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)示意圖Fig.1 Drilling rig system schematic diagram of typical 6th generation deepwater semi-submersible drilling platform

2 第六代深水半潛式鉆井平臺鉆井能力

2.1 半潛式鉆井平臺的鉆井能力

鉆井平臺的鉆井能力體現(xiàn)在兩方面，一是可以達(dá)到的極限作業(yè)范圍(作業(yè)水深、鉆井深度、自持能力)，二是作業(yè)效率。其中作業(yè)水深主要取決于平臺的甲板可變載荷、隔水管系統(tǒng)配置、水下防噴器配置；鉆井深度主要取決于鉆井系統(tǒng)大鉤載荷、頂驅(qū)能力、井架立根排放能力、泥漿泵配置、泥漿池容量、完井液艙容量、灰罐容量及鉆具配置等；自持能力主要取決于平臺甲板載荷和艙室容量。作業(yè)效率則與平臺水動力性能、鉆井系統(tǒng)的能力(絞車功率、頂驅(qū)扭矩、泥漿泵總功率等)、井口中心數(shù)量和“離線”作業(yè)能力(如一個半井架、雙井架)、平臺鉆井作業(yè)窗口等有關(guān)[5]。

由20世紀(jì)60年代中后期出現(xiàn)第一代半潛式鉆井平臺開始到目前半潛式鉆井平臺已經(jīng)發(fā)展到第六代(目前第七代鉆井平臺已在建造中)。第一至第六代平臺劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 各代半潛式鉆井平臺基本特征Table 1 Characteristics of the different generation semi-submersible drilling platforms

隨著代的升級，平臺鉆井能力也逐步加強(qiáng)，例如典型的第二代半潛式鉆井平臺“南海二號”作業(yè)水深僅300 m，鉆井深度7 620 m，第六代平臺鉆井深度達(dá)10 000 m，作業(yè)水深達(dá)3 000 m。不僅如此，第六代平臺還普遍配置了一個半井架或雙井架、智能化的平臺集成控制系統(tǒng)、高度自動化管子處理裝置及DP3動力定位系統(tǒng)，甲板可變載荷超過7 000 t，大大增強(qiáng)了作業(yè)效率和安全性。

2.2 第六代深水半潛式鉆井平臺和其他半潛式鉆井平臺比較

中海油目前除了擁有第六代深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”之外，還有第二代半潛式鉆井平臺“南海二號”和“南海七號”，第三代半潛式鉆井平臺“南海五號”和“南海六號”，第四代半潛式鉆井平臺“南海八號”和“南海九號”(其中“南海八號”原為第三代鉆井平臺，于1996年和2005年兩次升級)，以及“中海油服先鋒號”“中海油服進(jìn)取號”“中海油服創(chuàng)新號”“中海油服興旺號”系列適合北海用的鉆井平臺。“海洋石油981”作業(yè)能力遠(yuǎn)高于這些半潛式鉆井平臺。國外第六代半潛式鉆井平臺West Hercules(西方大力神)也曾長期在我國南海作業(yè)，兩個平臺鉆井系統(tǒng)參數(shù)類似。此處將第六代深水半潛式鉆井平臺與其他典型半潛式鉆井平臺進(jìn)行比較。各鉆井平臺主要參數(shù)如表2所示。

表2 典型半潛式鉆井平臺主要參數(shù)比較Table 2 Comparison of typical semi-submersible drilling platforms’ parameters

(續(xù)表)

從表2可以看出，同為第六代深水半潛式鉆井平臺的“海洋石油981”和“西方大力神”平臺甲板可變載荷、隔水管系統(tǒng)配置、水下防噴器配置、大鉤載荷、絞車功率、頂驅(qū)能力、井架立根排放能力、泥漿泵配置、泥漿池容量、離線作業(yè)能力等遠(yuǎn)大于其他平臺，反映出這兩座第六代半潛式鉆井平臺鉆井能力遠(yuǎn)高于其他平臺。對比“海洋石油981”和“西方大力神”兩座第六代半潛式鉆井平臺，各方面的參數(shù)比較接近，但是“海洋石油981”的甲板可變載荷比“西方大力神”高出2 000 t，推進(jìn)器功率也比“西方大力神”高30%，平臺的運(yùn)動性能和定位能力完全針對南海特殊環(huán)境條件進(jìn)行的設(shè)計，因此“海洋石油981”自持能力、作業(yè)窗口都優(yōu)于以“西方大力神”為代表的第六代鉆井平臺。

3 深水半潛式鉆井平臺鉆井作業(yè)實際效果分析

3.1 影響深水鉆井作業(yè)時效的因素

影響鉆井時效的因素可分為兩大類：一類是可控的因素，包括裝備技術(shù)水平和能力、鉆井作業(yè)程序、作業(yè)者的管理水平等；另一類是客觀環(huán)境因素，包括海洋環(huán)境條件、水深、地質(zhì)條件和鉆井遇到的復(fù)雜情況等。客觀因素?zé)o法改變，只能通過優(yōu)化可控因素，提高作業(yè)人員的專業(yè)技術(shù)水平、改進(jìn)作業(yè)程序、提高裝備能力、優(yōu)化管理等方式保證鉆井作業(yè)的高效安全實施。

3.1.1 鉆井裝備能力

可控因素中最重要的是鉆井裝備能力。深水鉆井平臺的能力主要體現(xiàn)在定位方式、平臺水動力性能、甲板可變載荷和鉆井系統(tǒng)的設(shè)備配置等。

一般來說動力定位鉆井平臺作業(yè)效率高于錨泊定位平臺(減少了動復(fù)員時間和起拋錨時間)。平臺的水動力性能影響鉆井作業(yè)窗口。平臺的甲板可變載荷反映了平臺存放鉆井輔助設(shè)備和材料的能力，較大的可變載荷可減少補(bǔ)給次數(shù)、增大自持能力。

深水鉆井平臺一般都配置了一個半井架或雙井架作業(yè)系統(tǒng)、自動管子處理系統(tǒng)等，以提高工作效率。一個半井架和雙井架鉆機(jī)可以實現(xiàn)離線組裝和拆卸井下組件、鉆具和管子立根，雙井架鉆機(jī)可以在鉆表層時下放表層套管及BOP等。充分利用平臺設(shè)備并合理分配作業(yè)程序，可以提高作業(yè)效率。

3.1.2 深水鉆井作業(yè)程序

合理地安排鉆井作業(yè)程序和作業(yè)計劃能夠縮短建井周期，提高工作效率。例如：(1)在深水鉆井中引入批鉆的概念，在完成表層鉆進(jìn)之后，下完20英寸套管固井，然后可以移船至下一井位，再次進(jìn)行表層鉆進(jìn)及本井的后續(xù)作業(yè)，之后再棄井，將BOP平移至先前的井位，做好BOP完成后續(xù)作業(yè)，這樣就至少節(jié)省了一趟起下隔水管和BOP的作業(yè)時間。(2)合理利用離線作業(yè)時間，做好鉆井程序的安排，先將能夠不占用鉆機(jī)時間的準(zhǔn)備工作做好，在進(jìn)行表層鉆進(jìn)之前，可以在不占用鉆機(jī)的前提下，將20英寸套管預(yù)接好，等完成表層鉆進(jìn)之后，即可送入套管進(jìn)行固井作業(yè)。(3)所有水下設(shè)備必須在送上鉆臺下水之前，做好功能試驗和試壓工作[6]。

3.1.3 作業(yè)者/承包商的管理水平

作業(yè)者總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化作業(yè)程序，提高管理組織效率可以縮短建井周期。圖2是某作業(yè)者連續(xù)15口深水井的建井周期統(tǒng)計圖，可以發(fā)現(xiàn)最初幾口井的建井周期比較長，但是經(jīng)過一段時間后，建井周期趨于平穩(wěn)，并維持在較低的水平。這說明隨著作業(yè)者對作業(yè)環(huán)境、區(qū)域地質(zhì)條件等的熟悉和對管理方法的改進(jìn)，能夠?qū)F(xiàn)有技術(shù)裝備的能力發(fā)揮到最佳狀態(tài)，作業(yè)者的管理水平越高，建井速度越快，就能縮短工期，提高時效[6]。

圖2 某作業(yè)者連續(xù)15口深水井的建井周期統(tǒng)計圖Fig.2 Well construction cycle statistical diagram in continuous 15 deepwater wells

在鉆井作業(yè)相似的情況下，可通過建井周期來比較裝備的能力，裝備能力越強(qiáng)，建井周期越短。但是由于影響深水鉆井作業(yè)時效的因素眾多，因此不能簡單地根據(jù)建井周期來比較平臺的鉆井作業(yè)能力，而要綜合考慮井身結(jié)構(gòu)和鉆井作業(yè)程序、水深、海洋環(huán)境條件(臺風(fēng)、內(nèi)波等)、鉆井復(fù)雜情況(淺層地質(zhì)災(zāi)害、井漏、井涌等)、作業(yè)者管理水平、平臺和設(shè)備性能等因素來判斷鉆井裝備作業(yè)能力。另外，非生產(chǎn)作業(yè)時間(NPT)也是一個反映鉆井裝備技術(shù)水平的參數(shù)，設(shè)備狀況良好、冗余度高，則NPT會大大減少。

3.2 深水半潛式鉆井平臺在我國鉆完井作業(yè)實際情況

我國首座第六代深水半潛式鉆井平臺已在南海東部、南海西部、緬甸安曼達(dá)海等海域完成了20余口鉆井、完井作業(yè)，統(tǒng)計了其中13口井的建井周期和生產(chǎn)時效。這13口井的平均作業(yè)水深為1 424.5 m，最大作業(yè)水深達(dá)2 451 m；平均鉆井深度為3 596.2 m，最大鉆井深度為5 030 m；平均建井周期為51.36天，最短建井周期僅為26.21天；平均生產(chǎn)時效為71.93%(包括磨合期)，最大生產(chǎn)時效高達(dá)99.09%(以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)去除了臺風(fēng)影響和平臺動復(fù)原時間)。

3.2.1 深水半潛式鉆井平臺磨合期作業(yè)時效分析

我國首座第六代深水半潛式鉆井平臺投入使用的第一年鉆了3口井，進(jìn)行了4口井的完井作業(yè)。該平臺所鉆的前三口井均在南海東部海域，同樣是第六代的國外某深水半潛式鉆井平臺鉆的前三口井也均在南海東部海域，因此具有很好的可比性。

現(xiàn)將我國第六代深水半潛式鉆井平臺磨合期鉆井作業(yè)與在南海作業(yè)的國外某第六代鉆井平臺磨合期鉆井作業(yè)進(jìn)行比較分析。其中國內(nèi)第六代深水半潛式鉆井平臺前三口井平均建井周期55.81天，平均非生產(chǎn)作業(yè)時間9.19天，平均生產(chǎn)時效83.53%；國外某第六代深水半潛式鉆井平臺在南海鉆的前三口井平均建井周期56.54天，平均非生產(chǎn)作業(yè)時間16.03天，平均生產(chǎn)時效72.14%[7]。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，同樣都是新建第六代深水半潛式鉆井平臺的前三口磨合井，國內(nèi)第六代深水半潛式鉆井平臺無論從建井周期、非生產(chǎn)時間正是生產(chǎn)時效來看均具有優(yōu)勢。通過建井學(xué)習(xí)曲線分析，可以進(jìn)一步比較這兩座第六代深水半潛式鉆井平臺在磨合期的作業(yè)效率。

美國Amoco石油公司提出的建井學(xué)習(xí)曲線已在石油工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，建井周期學(xué)習(xí)曲線可以量化評價作業(yè)者/承包商的管理水平、學(xué)習(xí)能力和裝備的技術(shù)水平，公式如下：

Y=C1eC2×(1-n)+C3,

(1)

式中：Y為第n口井的建井周期，天；C1為建井周期附加工期，天，即第一口井建井周期比最優(yōu)建井周期多用的工時；C2為學(xué)習(xí)效率，C2lt;0.5，學(xué)習(xí)效率較低，為C級，0.5lt;C2lt;1，學(xué)習(xí)效率為B級，C2≥1，學(xué)習(xí)效率較高，為A級；C3為最優(yōu)建井周期。

根據(jù)國外第六代深水半潛式鉆井平臺和國內(nèi)第六代深水半潛式鉆井平臺在南海鉆前三口井的鉆井?dāng)?shù)據(jù)，得到了這兩座半潛式鉆井平臺前三口井建井周期曲線的參數(shù)，如表3所示。由于這兩座深水半潛式鉆井平臺所鉆的前三口井均為探井(或評價井)，作業(yè)區(qū)域均在南海東部，作業(yè)水深、鉆井深度、地層情況、海洋環(huán)境等均類似，均為新建平臺的前三口磨合井，因此具有很好的可比性。

表3兩座第六代深水半潛式鉆井平臺建井周期曲線參數(shù)對比

Table3Comparisonofwellconstructioncyclelearningcurveparametersbetweentwo6thgenerationdeepwatersemi-submersibledrillingplatforms

平臺C1C2C3國外第六代深水半潛式鉆井平臺60．310．99728．00國內(nèi)第六代深水半潛式鉆井平臺52．31．0129．61

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，建井周期附加工期C1和學(xué)習(xí)效率C2，國內(nèi)第六代深水半潛式鉆井平臺優(yōu)于國外第六代深水半潛式鉆井平臺，說明國內(nèi)該平臺的設(shè)備能力和管理水平均具有優(yōu)勢。國內(nèi)該平臺的最優(yōu)建井周期C3略長，主要原因是國外平臺在鉆井時采用了批鉆工藝，縮短了鉆井作業(yè)時間。

3.2.2 深水半潛式鉆井平臺在南海西部作業(yè)情況的對比

到2015年7月為止，在南海西部進(jìn)行過鉆井作業(yè)的平臺有國內(nèi)第六代深水半潛式鉆井平臺(“海洋石油981”)、國內(nèi)一座第四代深水半潛式鉆井平臺(“南海九號”)和國外一座深水半潛式鉆井平臺。其中國內(nèi)第六代鉆井平臺鉆了6口井，國內(nèi)第四代鉆井平臺鉆了1口井，國外鉆井平臺鉆了2口井。比較了這三座半潛式鉆井平臺在南海西部鉆井作業(yè)情況，如表4所示。

表4 南海西部作業(yè)的三座平臺作業(yè)情況比較Table 4 Comparison of three platforms drilling in the western South China Sea

從表4可以看出，在南海西部作業(yè)的三個平臺中，國內(nèi)第六代深水鉆井平臺的平均建井周期最短，而且鉆井時效明顯高于國內(nèi)第四代深水鉆井平臺。

3.2.3 深水半潛式鉆井平臺鉆完井時效分析小結(jié)

通過以上分析可知，國內(nèi)第六代深水半潛式鉆井平臺在我國南海東部進(jìn)行前三口井的磨合鉆井作業(yè)時，建井周期和生產(chǎn)時效均高于同為第六代的國外某半潛式鉆井平臺(亦為前三口磨合井)，國內(nèi)第六代深水半潛式鉆井平臺的建井周期學(xué)習(xí)曲線也優(yōu)于國外該平臺。

對比了在南海西部作業(yè)的三座深水半潛式鉆井平臺：國內(nèi)第六代半潛式鉆井平臺、國內(nèi)第四代半潛式鉆井平臺和國外某深水半潛式鉆井平臺(各種作業(yè)參數(shù)均比較接近)。國內(nèi)第六代半潛式鉆井平臺的建井周期和生產(chǎn)時效均為最優(yōu)，不僅優(yōu)于國內(nèi)第四代半潛式鉆井平臺，也優(yōu)于同為第六代的國外深水半潛式鉆井平臺。

此外，隨著國內(nèi)首座第六代深水半潛式鉆井平臺在作業(yè)中設(shè)備的磨合和人員管理水平的提升，該平臺的鉆井作業(yè)時效越來越高，在前三口井的作業(yè)中時效為83.53%，2014年到南海西部鉆井的作業(yè)時效為89.26%，2015年在國外1 732.7 m海域鉆井的作業(yè)時效則高達(dá)99.09%。

4 結(jié) 語

本文介紹了深水半潛式鉆井平臺鉆井系統(tǒng)，分析了鉆井平臺的鉆井能力，并對國內(nèi)外深水半潛式鉆井平臺進(jìn)行了比較，結(jié)果表明國內(nèi)第六代深水半潛式平臺鉆井作業(yè)能力不僅優(yōu)于國內(nèi)的其他鉆井平臺，而且也優(yōu)于國外典型的第六代深水半潛式鉆井平臺。對國內(nèi)深水半潛式鉆井平臺實際鉆完井作業(yè)情況進(jìn)行了分析總結(jié)，特別是詳細(xì)比較了國內(nèi)外深水半潛式鉆井平臺在南海的實際作業(yè)參數(shù)，證明國內(nèi)第六代深水半潛式平臺建井周期、作業(yè)時效等參數(shù)均優(yōu)于其他平臺。

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AnalysisoftheDrillingCapabilityandAapplicationEffectofDeepwaterSemi-SubmersibleDrillingPlatform

LIU Jian, XIE Bin, SHENG Lei-xiang, HE Yu-fa

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The drilling capability of deepwater semi-submersible drilling platform is studied. The main parameters of the 6th generation deepwater semi-submersible drilling platform of China are compared with some other semi-submersible drilling platforms and foreign 6th generation deepwater semi-submersible drilling platform, and the drilling and completion operations by the platform are summarized. The drilling efficiencies of the main domestic semi-submersible drilling platforms and the foreign semi-submersible drilling platforms in deepwater area of the South China Sea are compared. The results indicate that the well construction efficiency of the 6th generation deepwater semi-submersible drilling platform of China is better than the other platforms. This confirms that the drilling operation ability of the 6th generation deepwater semi-submersible drilling platform of China is not only superior to other domestic drilling platforms but also superior to the foreign 6th generation semi-submersible drilling platforms.

semi-submersible drilling platform； drilling system； application effect; assessment

2015-11-12

劉健(1973—),男，高級工程師，主要從事海洋鉆采裝備方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2015)06-0390-06