深水半潛式鉆井平臺鉆井能力及應用效果分析

劉 健,謝 彬,盛磊祥,何玉發

(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用效果分析

劉 健,謝 彬,盛磊祥,何玉發

(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能力，對比分析了國內第六代深水半潛式鉆井平臺與其他國內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，并總結了該鉆井平臺實際鉆完井的作業情況；比較了國內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的情況。比較結果表明國內第六代深水半潛式鉆井平臺建井周期、作業時效等參數均優于其他鉆井平臺，說明該鉆井平臺的鉆井作業能力不僅優于國內其他鉆井平臺，而且也優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；應用效果；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、陵水及緬甸安達曼海等深水海域進行鉆完井作業20余口[1-3]。其中荔灣21-1-1井作業水深2 451 m，創造了我國鉆井最大水深的紀錄；緬甸安達曼海鉆井的作業水深1 732 m，完鉆井深5 030 m，創造了我國深水半潛式鉆井平臺作業井深的紀錄[2-3]。

本文介紹了該平臺的鉆井系統，并將該平臺與國內其他半潛式鉆井平臺的鉆井系統進行了比較，分析了國內主要半潛式鉆井平臺以及在南海作業的國外第六代深水半潛式鉆井平臺的鉆井作業時效，結果表明國內首座第六代深水半潛式鉆井平臺的鉆井作業能力遠高于我國其他半潛式鉆井平臺，作業時效也高于在國內作業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簡介

1.1 第六代深水半潛式鉆井平臺鉆井系統主要參數

典型第六代深水半潛式鉆井平臺鉆井系統主參數如下[4]。

鉆機最大鉤載：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)。

鉆柱補償器：主動型天車補償器，補償能力500 s.t，補償行程25 英尺。

頂驅：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)，最大持續扭矩128 000 N·m，最大轉速240 r/min。

轉盤：開口直徑60.5 英寸，最大載荷1 000 s.t，最大持續扭矩46 000 N·m，最大轉速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：數量16個，總容量900 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：美國石油協會(API)標準4-1/16英寸，壓力等級15 000 psi。

防噴器控制系統：MUX控制盒，控制系統額定工作壓力5 000 psi。

轉噴器：長2.47 m，分流器外罩內徑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：外筒26×1英寸，內筒21×1英寸，沖程65英尺，額定負荷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 鉆機構成

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

圖1 典型第六代深水半潛式鉆井平臺鉆井系統示意圖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在兩方面，一是可以達到的極限作業范圍(作業水深、鉆井深度、自持能力)，二是作業效率。其中作業水深主要取決于平臺的甲板可變載荷、隔水管系統配置、水下防噴器配置；鉆井深度主要取決于鉆井系統大鉤載荷、頂驅能力、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。作業效率則與平臺水動力性能、鉆井系統的能力(絞車功率、頂驅扭矩、泥漿泵總功率等)、井口中心數量和“離線”作業能力(如一個半井架、雙井架)、平臺鉆井作業窗口等有關[5]。

由20世紀60年代中后期出現第一代半潛式鉆井平臺開始到目前半潛式鉆井平臺已經發展到第六代(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準如表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，例如典型的第二代半潛式鉆井平臺“南海二號”作業水深僅300 m，鉆井深度7 620 m，第六代平臺鉆井深度達10 000 m，作業水深達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、高度自動化管子處理裝置及DP3動力定位系統，甲板可變載荷超過7 000 t，大大增強了作業效率和安全性。

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”“中海油服進取號”“中海油服創新號”“中海油服興旺號”系列適合北海用的鉆井平臺。“海洋石油981”作業能力遠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，兩個平臺鉆井系統參數類似。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行比較。各鉆井平臺主要參數如表2所示。

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

(續表)

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、隔水管系統配置、水下防噴器配置、大鉤載荷、絞車功率、頂驅能力、井架立根排放能力、泥漿泵配置、泥漿池容量、離線作業能力等遠大于其他平臺，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，推進器功率也比“西方大力神”高30%，平臺的運動性能和定位能力完全針對南海特殊環境條件進行的設計，因此“海洋石油981”自持能力、作業窗口都優于以“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實際效果分析

3.1 影響深水鉆井作業時效的因素

影響鉆井時效的因素可分為兩大類：一類是可控的因素，包括裝備技術水平和能力、鉆井作業程序、作業者的管理水平等；另一類是客觀環境因素，包括海洋環境條件、水深、地質條件和鉆井遇到的復雜情況等。客觀因素無法改變，只能通過優化可控因素，提高作業人員的專業技術水平、改進作業程序、提高裝備能力、優化管理等方式保證鉆井作業的高效安全實施。

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在定位方式、平臺水動力性能、甲板可變載荷和鉆井系統的設備配置等。

一般來說動力定位鉆井平臺作業效率高于錨泊定位平臺(減少了動復員時間和起拋錨時間)。平臺的水動力性能影響鉆井作業窗口。平臺的甲板可變載荷反映了平臺存放鉆井輔助設備和材料的能力，較大的可變載荷可減少補給次數、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系統、自動管子處理系統等，以提高工作效率。一個半井架和雙井架鉆機可以實現離線組裝和拆卸井下組件、鉆具和管子立根，雙井架鉆機可以在鉆表層時下放表層套管及BOP等。充分利用平臺設備并合理分配作業程序，可以提高作業效率。

3.1.2 深水鉆井作業程序

合理地安排鉆井作業程序和作業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，再次進行表層鉆進及本井的后續作業，之后再棄井，將BOP平移至先前的井位，做好BOP完成后續作業，這樣就至少節省了一趟起下隔水管和BOP的作業時間。(2)合理利用離線作業時間，做好鉆井程序的安排，先將能夠不占用鉆機時間的準備工作做好，在進行表層鉆進之前，可以在不占用鉆機的前提下，將20英寸套管預接好，等完成表層鉆進之后，即可送入套管進行固井作業。(3)所有水下設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 作業者/承包商的管理水平

作業者總結經驗，優化作業程序，提高管理組織效率可以縮短建井周期。圖2是某作業者連續15口深水井的建井周期統計圖，可以發現最初幾口井的建井周期比較長，但是經過一段時間后，建井周期趨于平穩，并維持在較低的水平。這說明隨著作業者對作業環境、區域地質條件等的熟悉和對管理方法的改進，能夠將現有技術裝備的能力發揮到最佳狀態，作業者的管理水平越高，建井速度越快，就能縮短工期，提高時效[6]。

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

在鉆井作業相似的情況下，可通過建井周期來比較裝備的能力，裝備能力越強，建井周期越短。但是由于影響深水鉆井作業時效的因素眾多，因此不能簡單地根據建井周期來比較平臺的鉆井作業能力，而要綜合考慮井身結構和鉆井作業程序、水深、海洋環境條件(臺風、內波等)、鉆井復雜情況(淺層地質災害、井漏、井涌等)、作業者管理水平、平臺和設備性能等因素來判斷鉆井裝備作業能力。另外，非生產作業時間(NPT)也是一個反映鉆井裝備技術水平的參數，設備狀況良好、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、緬甸安曼達海等海域完成了20余口鉆井、完井作業，統計了其中13口井的建井周期和生產時效。這13口井的平均作業水深為1 424.5 m，最大作業水深達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；平均生產時效為71.93%(包括磨合期)，最大生產時效高達99.09%(以上統計數據去除了臺風影響和平臺動復原時間)。

3.2.1 深水半潛式鉆井平臺磨合期作業時效分析

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，進行了4口井的完井作業。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。

現將我國第六代深水半潛式鉆井平臺磨合期鉆井作業與在南海作業的國外某第六代鉆井平臺磨合期鉆井作業進行比較分析。其中國內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，平均非生產作業時間9.19天，平均生產時效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，平均非生產作業時間16.03天，平均生產時效72.14%[7]。

從以上數據可以看出，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，國內第六代深水半潛式鉆井平臺無論從建井周期、非生產時間正是生產時效來看均具有優勢。通過建井學習曲線分析，可以進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效率。

美國Amoco石油公司提出的建井學習曲線已在石油工業界得到廣泛應用，建井周期學習曲線可以量化評價作業者/承包商的管理水平、學習能力和裝備的技術水平，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建井周期多用的工時；C2為學習效率，C2lt;0.5，學習效率較低，為C級，0.5lt;C2lt;1，學習效率為B級，C2≥1，學習效率較高，為A級；C3為最優建井周期。

根據國外第六代深水半潛式鉆井平臺和國內第六代深水半潛式鉆井平臺在南海鉆前三口井的鉆井數據，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，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)，作業區域均在南海東部，作業水深、鉆井深度、地層情況、海洋環境等均類似，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國內第六代深水半潛式鉆井平臺52．31．0129．61

從表3中的數據可以看出，建井周期附加工期C1和學習效率C2，國內第六代深水半潛式鉆井平臺優于國外第六代深水半潛式鉆井平臺，說明國內該平臺的設備能力和管理水平均具有優勢。國內該平臺的最優建井周期C3略長，主要原因是國外平臺在鉆井時采用了批鉆工藝，縮短了鉆井作業時間。

3.2.2 深水半潛式鉆井平臺在南海西部作業情況的對比

到2015年7月為止，在南海西部進行過鉆井作業的平臺有國內第六代深水半潛式鉆井平臺(“海洋石油981”)、國內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。其中國內第六代鉆井平臺鉆了6口井，國內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情況，如表4所示。

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

從表4可以看出，在南海西部作業的三個平臺中，國內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

通過以上分析可知，國內第六代深水半潛式鉆井平臺在我國南海東部進行前三口井的磨合鉆井作業時，建井周期和生產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)，國內第六代深水半潛式鉆井平臺的建井周期學習曲線也優于國外該平臺。

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

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

4 結 語

本文介紹了深水半潛式鉆井平臺鉆井系統，分析了鉆井平臺的鉆井能力，并對國內外深水半潛式鉆井平臺進行了比較，結果表明國內第六代深水半潛式平臺鉆井作業能力不僅優于國內的其他鉆井平臺，而且也優于國外典型的第六代深水半潛式鉆井平臺。對國內深水半潛式鉆井平臺實際鉆完井作業情況進行了分析總結，特別是詳細比較了國內外深水半潛式鉆井平臺在南海的實際作業參數，證明國內第六代深水半潛式平臺建井周期、作業時效等參數均優于其他平臺。

[1] 姜偉. 中國海洋石油鉆深水鉆完井技術[J]. 石油鉆采工藝, 2015, 37(1): 7.

[2] 趙國兵.“海洋石油981”完成首口海外深水井鉆探作業[N].中國海洋石油報, 2015-4-13(1).

[3] 孫國徽.“深水奇兵”的海洋強國夢[N].中國海洋石油報, 2015-4-13(1), 2015-6-10(3).

[4] Aker Solutions. Hai Yang Shi You 981 introduction[R]. 2010.

[5] 晏紹枝, 劉健, 黃平安. 深水半潛式鉆井平臺作業限制研究[J]. 化學過程與裝備, 2012(7): 95.

[6] 盛磊祥, 陽文學, 唐海雄, 等. 深水鉆井周期學習曲線分析[J]. 石油鉆采工藝, 2012, 34(B09): 91.

[7] 盛磊祥, 何玉發. 海洋石油981鉆完井作業時效分析報告[R]. 2014.

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