深水SBOP钻井技术及装备发展现状.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 石 油机械 CHI NA PE TROL EUM MACHI NERY 钻井新技术 深水 S B O P钻 井技 术及 装备发展现状 苏堪华 管 志川 龙芝辉 1 ．重庆科技 学院石油与天然 气工程 学院2 ．中国石油 大学 华 东石油工程 学院 摘要 介绍 了深水 S B O P钻井系统的主要配套装备 水上 防喷器 组、高压小直径套管隔水 管 、水下断开系统及其控制 系统和 隔水管上、下部应力短节。论述 了深水 S B O P钻井系统的发展 历程及一般的钻井程序。对深水 S B O P钻井系统优缺点及在 国外的应用情况进行分析，结果表 明， 深水 S B O P钻井技 术是一项适合海洋深水钻井作 业的新技术，应用 它可 以缩短钻 井周期，减少深 水钻井作业 日费；高压小直径套管隔水管系统、水下断开系统及其控制系统是关键技术，是深水 S B O P钻井系统装备 国产化研究的重点。 关键词 深水钻井 水上防喷器 小直径套管隔水管 水下断开系统 0 引 言 常规深水钻井作业一般使用半潜式钻井平台， 在海底下人大尺寸的水下防喷器组 ，同时配备大直 径低压隔水管隔离海水 ，建立水下井 口与海上钻井 平台之 间的通道。但是 ，随着作业海 域水深 的增 加 ，所需要的隔水管长度也大大增加 ，这样对钻井 平台的承载能力提出了更高的要求 ，需要 使用第 5 或 6代钻井平 台进行深水超深水作业 ，使深水钻井 作业费用大大增加 。2 0世纪 9 0年代末 ，业界提出 了适用 于深 水 钻 井 作 业 的水 上 防 喷器 S u r f a c e B l o w o u t P r e v e n t e r ，S B O P 概念 ，该水 上防喷器使 用小直径高压套管隔水管和水下断开系统 S u b s e a d i s c o n n e c t i o n S y s t e m，S D S 作业 。 由于 小直 径套管隔水管质量大大减轻 、体积大大减小 ，降低 了对钻井平 台性 能的要求 ，所 以可采用第 2～4代 钻井平 台作业 ，其作业 日费仅为常规隔水管系统 的 4 0％～5 0％ 1 深水 S B O P钻井技术发展现状 在浮式 钻井平 台上采 用 S B O P技术 最早始 于 1 9 9 6年 ，U n o c a l 和 T r a n s o c e a n公 司已从最初 的 3 0 0 1 3 1 以内水深海域发展到 2 0 0 0 m 以上水深海域 ，其 间经历 了 3个 阶段 J 第 1阶段 水 深 6 0～3 0 0 1 1 3 ，主要使用 自升式钻井平台或 S e d c o 6 0 2半潜式 平 台，将标准 4 7 6 ． 3 m m水下 B O P组悬挂于平台上 的月池 区域 ，但这种配置隔水管张紧器承受较大的 悬挂重力 ，最 大作业水深 受限 ；第 2阶段 水深 3 0 01 8 0 0 m ，为了不受 S e d c o 6 0 2半潜式平台张 紧器承载 能力 的限制 ，S e d c o 6 0 1平 台采用 3 4 6 ． 1 m l T l 水上 B O P组 ，并采 用空气罐 提供额外 的举升 力 ，该配置使 S e d c o 6 0 1 最大作业水深扩展到 2 0 0 0 n l ；第 3阶段 水深 1 8 0 0～2 4 0 0 l I 1 ，动态定位 钻井平台采用可承受更高负载的液压力隔水管张紧 器 ，并在海底泥线附近加入水下断开系统保证作业 安全 。由于认 识到 S B O P钻 井技 术应 用 的发 展潜 力 ，I AD C 国际钻井承包商协会 召开了专门的 S B O P学术讨论会 ，并于 2 0 0 4年 1 2月发布了 S B O P 钻井技术设计指南 。 深水 S B O P系统钻井 的一般程序为 j 采用喷 射方式下入导管 直径一般为 7 6 2 ． 0或 9 1 4 ． 4 mn 1 到设计位置 ，该导管对水下井 口及后续套管柱起支 撑 作 用 ；然 后 采 用 无 隔 水 管 钻 井 方 式 继 续 钻 4 4 ． 5 m m 的井眼至设计位 置 ，下 入 3 3 9 ． 7 rai n 套管及高压水下井 口坐于低压井 口上 ，对表层套管 进行固井 ；依次下入水下断开系统 、高压套管隔水 基金项 目国家 8 6 3计 划项 目 “ 深水钻 完井 关键技 术” 2 0 0 6 AA 0 9 A1 0 6 。 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 管及水上防喷器组 ，并通过隔水管使水下断开系统 坐于高压井 口上 ，对系统进行调试并试压 ；然后通 过隔水管进行后续钻井作业 ，作业程序与一般钻井 过程基本相同。 深水 S B O P钻井系统具有如下优点l J 引其小 直径高压隔水管没有压井和节流管线 ，体积小 、质 量轻 ，所用钻井液少 ，可使用小型钻井平台进行深 水作业 ，从 而节 省作业 费用 ；B O P在水 面 以上， 试压、井控及 维修 等作业都较常规 隔水 管系统方 便 ；隔水管起下速度很快 ，由于隔水管直径减小而 使钻井液循环周期缩短 ；其导管下入深度较常规隔 水管系统大大减小 ，水下井 口承受的弯矩较常规隔 水管系统大大减小 】 。但是 ，由于隔水 管尺寸的 限制 ，所以采用 S B O P系统钻井可下人的套管层次 不多 ，在实际作业过程 中可使用膨胀管技术来满足 套管层次的要求。 由于深水 S B O P钻井系统具有上述优点， 目前 已经得到一定程度的应用 。2 0 0 1年 ，S h e l l B S P 公司开始使 用 S e d e o 6 0 1和 S t e n a C l y d e平 台配置 3 4 6 ． 1 m l n水上 B O P组，共进行 了 5口井的钻井 作业 。2 0 0 3年 ，S h e l l 公 司在 巴西 C a m p o s盆地 利用 S B O P技术成功完成 2 8 8 7 I n的深水钻井作业 ， 钻井周期为 5 2 ． 8 d ，采用 了动态定位 半潜式平 台 S t e n a T a y和 3 3 9 ． 7 m m高压 隔水管 ，另外该公 司 在埃及 也 完 成 了水 深 2 4 3 8 m 的 S B O P钻 井 作 业 。2 0 0 4年 ，T o t a l 石油公司在印度尼西亚 2 0 0 0 m深水 区采用 S B O P技术成功完成 O T I 一1井 的钻井作业 ，该井使用 了水下断开装置 ，并 使用 6 7 6 2 ． 0 m m导管作为结构支撑 ，钻井过程中下入 1 个可膨胀套 管以保 证后续作业顺利完成 J 。2 0 0 8 年，S h e l l 和 T r a n s o c e a n公司采用 S B O P技术在巴西 对 1口 1 9 0 0 m水深的井进行钻井和完井作业。该 井采用 T r a n s o e e a n G S F A r c t i c I 系泊半 潜式钻井平 台，将原配置的常规 7 6 ． 3 mm水下 B O P组和隔 水管系统改造为水上 B O P系统 ，配合 0 6 ． 4 m m 高压隔水管 ，使该平台最大作业水深 由9 4 5 m提高 到 2 2 5 0 m[ 。 一 。 2 深水 S B O P钻井系统装备发展现状 深水 S B O P钻井系统的一般组合形式为 从上 至下 小型钻井平 台、挠性接头 、 3 4 6 ． 1 mm伸 缩 隔 水 管 、水 上 防 喷 器 组 、上 部 应 力 短 节 、 3 3 9 ． 7或4 0 6 ． 4 m m高压套管隔水管 、下部应力短 节 、水下断开系统 、标准 7 6 ． 3 mm H 4连接器及 水下井 口、套管柱 ，见图 1 。 f 一 1 [一2 海 平面＼l I Ls 6 匿 卜 7 海底 泥线 i - -8 图 1 深 水 S BO P钻 井 系统 配 置 示 意 图 1 一钻井平台 ；2 一 伸缩 隔水管 ；3 一s B O P；4 m 上部 应 力 短节 ； 5 一高压套管 隔水 管 ； 6 一下部应 力短节 ； 7 一水下s D s ； 8 --Z k Y’ ； 9 一导管 ； 1 0 一表层套管 。 2 ． 1 水上防喷器组 S B O P s 深水 S B O P系统的水上防喷器组和陆地防喷器 功能相 同，其尺寸根据建井和完井要求来确定 。在 多数情 况下 ， 3 4 6 ． 1 mm S B O P s系统 已足够 ，一 般 由3个闸板防喷器和 1 个环形防喷器组成。水上 防喷器组位于平台的月池中，其顶部与伸缩隔水管 的外管连接 ，伸缩隔水管内管和井口分流器连在一 起 ，张紧环置于防喷器组的顶部或底部 ，由平 台张 力系统通过张力绳为防喷器组和隔水管提供足够的 张紧力 ，同时张力系统的升沉补偿装置对其进行升 沉补偿。 一 般配置 从上 向下 为 3 4 6 ． 1 m m 5 m 环形防喷器 ， 3 4 6 ． 1 mm1 0 m全封 闸板 ，节流 管线 出 15， 3 4 6 ． 1 mm1 0 m上部闸板 ，压井管 线人 15， 3 4 6 ． 1 m m1 0 m下部闸板 ， 3 4 6 ． 1 m m 1 0 1 T I 连接器 。剪切闸板可承压 7 0 MP a ，环形防 喷器可承压 3 5 MP a 。该 防喷器组 可以通过位于月 池中的控制管汇直接控制 ，也可以通过司钻房或井 队长房的控制面板进行控制 - 5 ] 。典型的水上 防喷 器组如图 2所示 。 图2水上 防喷 器组 S B O P s 2 ． 2 高压小直径隔水管 目前深水 S B O P系统一般采用 3 3 9 ． 7或4 0 6 ． 4 2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 苏堪华等 深 水 S B O P钻井技 术及装备发展 现状 一 1 3一 mil l 高压套管隔水管 ，以 3 3 9 ． 7 m m居多。 0 6 ． 4 l l l m高压 隔水管 的一般参 数为 单根 长 1 5 ． 2 1 1 3 ，壁厚 1 9 ． 1 m m，X 8 0钢级 ，可承受 4 1 MP a 压力 ，6 3 6 8 ． 3 mm 的 Me r l i n式连接 联 接头 的上 、下接头组装后高度为 6 0 0 ． 5 mm ，配置浮力 块后 的高压隔水管单根直径为 8 1 2 ． 8 m m，配置涡 激振 荡 抑 制 器 后 的 隔水 管 直径 为 6 0 9 ． 6 m m 。 3 4 6 ． 1 mi l l 高压套 管隔水 管 的一般参 数为 公称 直径 3 4 6 ． 1 m m，内径 3 1 3 ． 6 mm，P 1 1 0钢级 ，线 密度 9 ． 9 6 k g ／ m，承压能力 3 5 M P a 。 隔水 管整体配置 从海平 面 向下 为 裸管 隔水管 ，配置涡激振荡抑制器的隔水管 ，配置浮力 块的隔水管 ，裸管隔水管 。配套 的隔水管张紧系统 应满足 A P I R P 1 6 Q标准的承载能力要求。 2 ． 3 水下断开系统 S D S 由于深水海洋环境比较恶劣 ，且发生浅层气的 危险较大 ，所 以当 S B O P技术应用于深水钻井作业 时 ，必须在水下井 口以上位置加入水下断开系统。 T o t a l 公司与 C a me r o n公 司在 2 0 0 4年联合 开发了环 境安全装置 ，其主要作用是在紧急情况时封井并断 开下部隔水管 的连接 ，该装 置组合从 上 向下依 次 为 7 6 ． 3 m w l 反 向套筒 连接 器 ， 7 6 ． 3 mm U 形剪切式 闸板 ， 7 6 ． 3 i n m套筒 连接器 。当时选 择 7 6 ． 3 mm尺寸主要 是考虑隔水 管要 承受较 大 的弯矩载荷 ，同时由于设计 时间有 限，所以尽量利 用现有设备进行改造 川 。 典型 的水 下 断 开 系统 如 图 3所 示。S h e l l和 T r a n s o c e a n公 司所采用的水下 断开系统 由应急脱 开 装置和 2个剪切 闸板 防喷器组成 ，这样可保证在封 图 3 水 下 断 开 系统 S D S 井时总有 1 个 防喷器不受钻杆接头的影响。该断开 系统 C a me r o n系列 配置从上至下依 次为 应急 脱开 装 置 ， 3 4 6 ． 1 m m x 1 0 i n C a m e r o n M 一 7 0接头 具有凹形喇叭 口 ，6 3 4 6 ． 1 mml 0 m上部 和下 部剪切全封闸板防喷器 上 、下 2个闸板都是 C a m e r o n U M型防喷器 ，且都具有 串联 助推器和锁定 功能 ， 7 6 ． 3 mm1 0 m可连结 V e t c o H 4的高压 接头。其控制系统 由控制电缆和声波信号发射装置 组成 ，可以通过声波、电、液复合控制水下断开系 统闸板的开 、关 。 2 ． 4应 力短 节 在深水 S B O P钻井系统 中，水上 防喷器组与 隔 水管上部连接处 、水下断开系统与隔水管下部连接 处均为隔水管应力集中区域 ，采用上 、下应力短节 可以很好地抵抗这 2处的应力。上 、下部应力短节 的结构相 同，均为一头大一头小 的加厚梯形短节 ， 长度为 6～ 7 m 。 3 结论及建议 1 深水 S B O P钻井系统在 国外的成功应用表 明 ，该技术是一项适 合海 洋深水钻 井作业 的新技 术 ，不仅可以缩短钻井周期 ，还能减少深水钻井作 业 日费。 2 对 深水 S B O P钻井技术及其配套装备的发 展现状分析表 明，配套的高压小直径套管隔水管系 统 、水下断开系统及其控制系统是关键技术 ，是该 装备国产化研究的重点。 3 深水 S B O P钻井技术 的应用受海洋环境载 荷 、海底泥线 以下浅部地层特征和所钻井 的井身结 构特点等诸多 因素 的影响，对我 国海洋深水区钻井 作业的适用性还有待进行针对性的深入研究。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参 考 文 献 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ ～ ～ 一 一 ～ 一 一 一 一 一 ～ 一 一 一 2 0 1 0年第3 8卷第6期 叶哲伟等液压顶驱能量回收 系统建模与求解 一 2 5一 中 t 2 ． 5 6 S 的部分曲线没有实际意义。 图 3 高压储 能器压力随时 间的 变化 曲线 ∽ ● 勺 日 一 ＼ 0 3 图4主轴转速随 时间的变化 曲线 4 结 论 1 数学模型 的建立 为选择高压储 能器提供 了理论 基础 。 2 采用液压 刹车能量 回收 系统 ，刹 车减速 过程平稳 。 曼 ￡ 蔓 芒曳 蔓芒 缝 曳芒 3 刹车过程 中进 入储能器 的油液体 积增加 平缓 ，高压储能器达到的最高压力为 2 0 ． 8 8 MP a 。 参考文献 [ 1 ] 陈朝达 ．顶部 驱动 钻井 系 统 [ M]．北 京 石 fi t r 业 出版社 ，2 0 0 01 4 ． [ 2 ] 胡春梅 ，朱文琪 ．钻机顶部驱动电动机的现状 与腱 望 [ J ]．石油机械，2 0 0 3 ，3 1 8 5 7 5 9 ． [ 3 ] 张连山 ．液压和电驱动顶驱钻井特性分析与建议 [ J ]． 钻采T艺，2 0 0 0，2 3 3 6 6 7 1 ． [ 4 ] 张连山．国外液压驱动石油钻机的新进展 [ J ]． 油机械 ，2 0 0 0 ，2 8 2 5 25 4 [ 5 ] 周士吕．液压系统设计图集 [ M]．北京机械一 【 业 出版社 ，2 0 0 3 34 ． [ 6 ] 刘宝兴 ．工程热力学 [ M]．北京机械丁业f ⋯扳 社 ，2 0 0 6 4 1 4 2 ． [ 7 ] 机械设计手册编委会 ．机械设计手册 『 M]．北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 5 3 ． [ 8 ] 王积伟 ．液压传动 [ M]．北京机械工业出版丰 _ 卜 ， 20 07 1 681 6 9． 第一作者简介叶哲伟，助教 ，生于 1 9 8 1年，2 0 0 8年 毕业于西南 石 油大 学机 械设 计 及 理论 专 业 ，获 硕 士学 位 ， 现从事石油机 械装备的教学与研究T作 。地址 6 1 0 5 0 0 四 川省成都 市。电话 0 2 8 8 3 0 3 2 9 4 9 。Ema i l y z w 0 1 3 5 1 2 6． c o m。 收稿 日期 2 0 0 91 02 3 本文编辑千} 4 0 庆 上接 第 1 3页 [ 7 ] C h i l d e r s M． S u rf a c e B O P ，s l i m ri s e o r c o n v e n t i o n a l 2 1 一 i n c h r i s e r w h a t i s t h e b e s t c o n c e p t t o u s e[ R]． S PE／I ADC 9 27 62，2 00 5． [ 8 ] A v e l a r C S ，S a n t o s O L A，R i b e i r o P R ． We l l c o n t r o l a s p e c t s r e g a r d i n g s l e n de r we l l d ril l i n g wi t h s urfa c e a n d s u h s e a B O P [ R]． S P E 9 4 8 5 2 ，2 0 0 5 ． [ 9 ] B r u n t G，E l s o n S ，N e w m a n T ，e t a 1 ． S u rf a c e B O P e qu i pme nt de v e l o p men t f o r e x t e nd i n g t h e wa t e r de p t h c a pa bi l i t y o f a D．P． s e mi s u bme r s i b l e t o 1 0， 0 0 0 f t a nd b e y o n d[ R]． I A D C ／ S P E 8 7 1 0 9 ，2 0 0 4 ． [ 1 O ] Ma s o n D L ，T h a r p W，Wi l i e C L ． S u rf a c e B O P t e s t i n g a n d c o mp l e t i n g d e e p wa t e r we l l s d r i l l e d w i t h a s u r f a c e B O P r [ R]． S P E 8 7 1 1 1 ，2 0 0 4 ． [ 1 1 ] S h a n k s E ，S c h r o e d e r J ，A m b r o s e B ，e t a 1 ． S u rf a c e B O P f o r d e e p w a t e r mo d e r a t e e n v i r o n me n t d ri l l i n g o p e r a t i o n s f r o m a fl o a t i n g d r i l l i n g u n i t[ R]． O T C 1 4 2 6 5 ， [ 1 2 ] [ 1 3 ] 芒 芒 2 0 02． Az a n c o t P，Ma g n e E，Z h a n g J ． S u rfa c e BOPma n a g e n l e n t s y s t e md e s i g n g u i d e l i n e s[ R]． I A D C ／ S P E 7 4 531，2 0 02． 苏堪华 ，管志川，魏路，等 ．深水水上防喷器钻 井系统水下井 口稳定性分析 [ J ]．中国海上油气， 2 0 0 9，2 1 3 1 8 01 8 5 ． 第一作者简介苏堪华，讲师，生于 1 9 7 8 年 ，2 0 0 9年 毕业 于 中国石油大学 华 东 油 气井工 程 业 ，获博 十学 位 ，主要研究方向为深水钻井技术 、油气井控技术等。地 址 4 0 1 3 3 1 重 庆 市 沙 坪 坝 区。E m a i l s u k a n h u a S O hu ．C O R I 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 4 本文编辑丁莉萍