夏開朗, 王志偉,2，陳國明,2

(1中國石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心·華東 2江蘇省海洋油氣鉆井裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

隨著鉆探水深和井深的增加，新型鉆井平臺(tái)要求具有更大的鉆井載荷和儲(chǔ)存能力，這給深水鉆探發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)。為了解決深水鉆探[1-2]過程中的各種難題，挪威AGR公司[3]研發(fā)了深水無隔水管鉆井技術(shù)[4-5]，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于石油鉆采領(lǐng)域。鉆井載荷主要包括大鉤載荷與鉆井可變載荷，大鉤載荷與鉆井可變載荷是深水鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，不同的鉆井技術(shù)、鉆井平臺(tái)對大鉤載荷與鉆井可變載荷需求不同。國內(nèi)學(xué)者針對鉆井平臺(tái)配備隔水管鉆井大鉤載荷以及鉆井可變載荷進(jìn)行了研究，提出了計(jì)算方法，新型鉆探船的建造以及舊平臺(tái)改造需要無隔水管鉆井技術(shù)支持，通過隔水管鉆井技術(shù)與無隔水管鉆井技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，對無隔水管鉆井技術(shù)大鉤載荷與鉆井可變載荷進(jìn)行分析研究。

一、無隔水管鉆井技術(shù)

無隔水管鉆井技術(shù)在鉆井過程中不使用常規(guī)隔水管，鉆桿直接暴露在海水中，利用吸入模塊實(shí)現(xiàn)井眼和海水之間的密封，巖屑和鉆井液經(jīng)一條小直徑回流管線返回鉆井平臺(tái)。從實(shí)現(xiàn)功能上講，無隔水管鉆井技術(shù)屬于雙梯度鉆井技術(shù)范疇，可以解決目前深水鉆井遇到的諸多問題,無隔水管鉆井作業(yè)模式如圖1所示，設(shè)備系統(tǒng)組成見表1。

圖1 無隔水管鉆井液閉式循環(huán)作業(yè)模式圖

表1 無隔水管鉆井液閉式循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備清單

二、無隔水管鉆井載荷分析與計(jì)算

無隔水管鉆井技術(shù)與隔水管鉆井技術(shù)在工藝及關(guān)鍵設(shè)備上有明顯區(qū)別，對大鉤載荷與鉆井可變載荷的需求也不同，結(jié)合具體工藝及設(shè)備要求，進(jìn)行無隔水管鉆井技術(shù)鉆井載荷計(jì)算方法研究。

1. 大鉤載荷計(jì)算方法

最大鉤載即在下套管或者進(jìn)行其它鉆井作業(yè)時(shí)，大鉤上不允許超過的最大載荷。為滿足深水鉆井作業(yè)需求，無隔水管鉆井大鉤載荷需考慮3種作業(yè)工況，即下吸入模塊、下套管和起下鉆作業(yè)。在深水鉆井過程中，鉆井平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的動(dòng)載效應(yīng)，因此不同工況下的大鉤載荷為靜態(tài)載荷與動(dòng)態(tài)載荷之和[6]。

1.1 下吸入模塊時(shí)靜態(tài)載荷計(jì)算

無隔水管鉆井液閉式循環(huán)技術(shù)利用鉆桿下放海底吸入模塊，因此在下吸入模塊時(shí)考慮鉆桿重量與吸入模塊重量。

下吸入模塊時(shí)大鉤靜態(tài)載荷W1為：

W1=Wdp+Wsmo

(1)

式中：Wdp—下吸入模塊過程中鉆桿最大濕重，kN；Wsmo—吸入模塊濕重，kN。

1.2 下套管時(shí)靜態(tài)載荷計(jì)算

下套管時(shí)大鉤載荷的計(jì)算方法與隔水管鉆井技術(shù)相同，下套管時(shí)大鉤靜態(tài)載荷W2為：

(2)

Wcs可以參照淺水平臺(tái)鉆機(jī)最大管柱濕重計(jì)算方法。

Wcs=L×G×(1-ρw/ρs×2/3)+400

(3)

式中：L—套管長度，m；G—套管單位長度干重，kN/m；ρw—海水密度，通常取1.05 g/cm3；ρs—鋼鐵密度，取7.85 g/cm3。

1.3 起下鉆桿時(shí)靜態(tài)載荷計(jì)算

起下鉆桿作業(yè)時(shí)大鉤載荷的計(jì)算可以參照下套管作業(yè)時(shí)的計(jì)算公式。

1.4 動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算

鉆井過程中動(dòng)態(tài)載荷主要來源于鉆探船的升沉運(yùn)動(dòng)在軸向產(chǎn)生加速度，對起下吸入模塊及下套管作業(yè)產(chǎn)生軸向力。動(dòng)態(tài)載荷F為:

F=mequa

(4)

式中：mequ—作業(yè)時(shí)管柱的重量,kg；a—深水鉆井裝置升沉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的軸向加速度,m/s2。

(5)

式中：τsθ0—深水鉆井裝置的運(yùn)動(dòng)周期,s；X0—鉆探船運(yùn)動(dòng)的初始幅值,m。

對于三種作業(yè)工況，將動(dòng)態(tài)載荷與靜態(tài)載荷相加完成后，進(jìn)行數(shù)值比較，選取最大的大鉤載荷值Wmax，則所需的大鉤載荷數(shù)值Qmax≥1.2×Wmax。

2. 鉆井可變載荷計(jì)算方法

可變載荷是鉆井平臺(tái)關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，通常是指在鉆井操作期間容易移動(dòng)的載荷，主要包括鉆井人員、材料備品、鉆井設(shè)備載荷、鉆具以及鉆井材料等[7]。確定合理的可變載荷大小有利于減少物資運(yùn)輸次數(shù)，降低作業(yè)成本，保證連續(xù)鉆井作業(yè)。無隔水管鉆井可變載荷V的計(jì)算可以參考深水半潛式平臺(tái)甲板可變載荷的計(jì)算公式：

V≥C(Vm+Vr+Vdp+Vcs+V0)

(6)

式中:Vm—鉆井液載荷，kN；Vr—關(guān)鍵設(shè)備載荷，kN；Vdp—鉆桿載荷，kN；Vcs—套管載荷，kN；V0—其他載荷，kN；C—載荷系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況取1～1.5。

2.1 鉆井液載荷

在無隔水管鉆井液閉式循環(huán)鉆探技術(shù)中，鉆井液的體積主要包括地面管匯內(nèi)容積、鉆桿內(nèi)容積、井眼環(huán)空容積和鉆井液返回管線內(nèi)容積等。根據(jù)所用鉆井液的密度，并考慮鉆井液備用量，計(jì)算鉆井液載荷。

2.2 無隔水管關(guān)鍵設(shè)備載荷

與傳統(tǒng)的隔水管鉆探不同，無隔水管鉆井液閉式循環(huán)鉆探技術(shù)中不使用隔水管與防噴器，而是利用無隔水管鉆井特殊的鉆井設(shè)備，這些關(guān)鍵設(shè)備對鉆井可變載荷有一定的影響，因此在鉆井可變載荷的計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮這些關(guān)鍵設(shè)備的重量。

2.3 鉆桿載荷

根據(jù)水深及鉆桿的線重，計(jì)算出鉆桿載荷。

2.4 套管載荷

根據(jù)套管組合及套管線重，計(jì)算出每段套管重量，相加得套管載荷。無隔水管鉆井技術(shù)在井深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中與常規(guī)隔水管鉆井不同，因此對套管的需求也就不同。

2.5 其他載荷

其他載荷包括水泥載荷、重晶石載荷、土粉載荷等，對于無隔水管鉆井技術(shù)，由于下套管的數(shù)量要少于常規(guī)隔水管鉆井技術(shù)，因此固井鉆井液的需求也不同。作業(yè)水深與鉆井深度影響這些材料的使用量，具體載荷情況視實(shí)際鉆井需要而定。

三、計(jì)算實(shí)例

1. 深水鉆探船

1.1 技術(shù)參數(shù)

深水鉆探船作業(yè)水深2 000 m+泥線下鉆孔深度4 000 m。鉆桿參數(shù)為：外徑145 mm，內(nèi)徑125 mm，單位長度質(zhì)量34 kg/m，鉆井液密度為1.56 g/cm3，鋼制鉆井液返回管線的內(nèi)徑為120 mm,線重32.1 kg/m。鉆探船的升沉運(yùn)動(dòng)初始幅值為3.16 m，周期為15 s。

1.2 無隔水管鉆井井身結(jié)構(gòu)及套管配置

無隔水管鉆井技術(shù)井身結(jié)構(gòu)與常規(guī)隔水管鉆井有所不同，因此對套管的需求也就不同。利用無隔水管鉆井技術(shù)可以延伸表層套管的深度，使其跨過危險(xiǎn)區(qū)域，提高作業(yè)安全系數(shù)，節(jié)約套管。井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無隔水管鉆井與常規(guī)鉆井井身結(jié)構(gòu)對比圖

根據(jù)井身結(jié)構(gòu)的制定原則，設(shè)計(jì)無隔水管鉆井套管配置見表2。

表2 套管組合配置表

1.3 大鉤載荷計(jì)算

根據(jù)深水科學(xué)鉆探船基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合無隔水管鉆井大鉤載荷計(jì)算方法，計(jì)算各工況大鉤載荷數(shù)值見表3。

通過表3數(shù)據(jù)可知，進(jìn)行下技術(shù)套管2時(shí)出現(xiàn)最大鉤載為3 572 kN，所以大鉤載荷Qmax≥1.2×3572=4 286.4 kN。

1.4 鉆井可變載荷計(jì)算

根據(jù)深水科學(xué)鉆探船基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合無隔水管鉆井可變載荷需求，科學(xué)鉆探船鉆井可變載荷計(jì)算數(shù)值見表4。

表4 科學(xué)鉆探船鉆井可變載荷數(shù)值

通過上述計(jì)算可得，在水深2 000 m，鉆孔深度6 000 m情況下，使用無隔水管鉆井技術(shù)，大鉤載荷為4 286.4 kN，鉆井可變載荷為3 3881.2 kN。

1.5 隔水管系統(tǒng)與無隔水管系統(tǒng)鉆井可變載荷對比

將常規(guī)隔水管系統(tǒng)與無隔水管系統(tǒng)可變載荷對比，見表5。

表5 兩種系統(tǒng)鉆井可變載荷對比表

由表5可知，隨著作業(yè)水深的不斷增加，隔水管系統(tǒng)鉆井可變載荷明顯增大，而無隔水管系統(tǒng)鉆井可變載荷逐漸減小，兩者之間鉆井可變載荷減少量變大。通過表中數(shù)據(jù)分析，作業(yè)水深越深，無隔水管鉆井系統(tǒng)的優(yōu)勢越明顯。

2. 舊平臺(tái)改造

利用無隔水管鉆井技術(shù)可以使第三、第四代鉆井平臺(tái)達(dá)到新型第六代鉆井平臺(tái)的鉆深，降低了對高性能深水鉆井平臺(tái)的依賴，使舊平臺(tái)在深水中重新得到應(yīng)用，節(jié)約成本，提高鉆井效率，降低鉆井事故的風(fēng)險(xiǎn)。

以某半潛式鉆井平臺(tái)為例，對配備隔水管鉆井系統(tǒng)與無隔水管鉆井系統(tǒng)時(shí)作業(yè)水深與鉆井深度進(jìn)行比較。當(dāng)鉆井平臺(tái)配備隔水管系統(tǒng)時(shí)，隔水管、防噴器和鉆桿的載荷為V1，配備無隔水管系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵設(shè)備和鉆桿的載荷為V2。

V1=L1(P1+P2)+Vbop+L2P2

(7)

式中：L1—隔水管鉆井最大作業(yè)水深，m;P1—隔水管線重,kN/m;Vbop—防噴器載荷,kN;L2—最大鉆井深度，m;P2—鉆桿的線重,kN/m。

V2=S1(P3+P2)+Vk+S2P2

(8)

式中：S1—無隔水管鉆井最大作業(yè)水深，m;P3—鋼制鉆井液返回管線線重，kN/m;S2—最大鉆井深度，m;Vk—吸入模塊和海底泵模塊載荷，kN。

根據(jù)可變載荷計(jì)算中的相關(guān)數(shù)據(jù)，令V1=V2。式(8)中的所有數(shù)據(jù)均已知，進(jìn)行S1與S2的求解，對比結(jié)果見表6。

表6 鉆井可變載荷相同時(shí)兩種系統(tǒng)作業(yè)水深與鉆井深度對比表

通過計(jì)算對比可知，某半潛式鉆井平臺(tái)配備無隔水管鉆井系統(tǒng)后，最大作業(yè)水深與最大鉆井深度得到明顯提高，即使第三代或第四代半潛式鉆井平臺(tái)也能在超過3 000 m的深水區(qū)鉆井。因此無隔水管鉆井技術(shù)能夠支持小型鉆井平臺(tái)進(jìn)行深水作業(yè)。

四、結(jié)論

(1)無隔水管鉆井大鉤載荷計(jì)算過程中要考慮下吸入模塊工況，鉆井可變載荷計(jì)算時(shí)考慮海底吸入模塊、海底泵模塊以及鉆井液返回管線等，這是與常規(guī)隔水管鉆探技術(shù)不同之處。與隔水管鉆井相同，無隔水管鉆井的最大鉤載出現(xiàn)在下技術(shù)套管過程中，實(shí)際鉆井作業(yè)時(shí)，應(yīng)針對下技術(shù)套管工況進(jìn)行詳細(xì)安全評(píng)估。

(2)通過對比分析可知，利用無隔水管鉆井技術(shù)可以有效控制船體規(guī)模，降低鉆探成本。并且在進(jìn)行舊平臺(tái)改造時(shí)，建議為平臺(tái)配備無隔水管鉆井技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)舊平臺(tái)的充分利用。

(3)最新鉆井平臺(tái)并沒有足夠的能力應(yīng)對目前深水鉆井出現(xiàn)的各種困難，因此無隔水管鉆井技術(shù)是一個(gè)機(jī)會(huì)。將無隔水管鉆井系統(tǒng)投向市場后，鉆井公司可以依靠規(guī)模較小的鉆探船以及較低性能的鉆井平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)，提高鉆井平臺(tái)的鉆井載荷與存儲(chǔ)能力，同時(shí)還可以降低鉆井事故的風(fēng)險(xiǎn)，為舊平臺(tái)帶來新的春天。