井工廠式極地專用大位移鉆機介紹

王建寧，劉 暢，沈海超，萬州亮，田院生，鄭 力

（中國石化集團國際石油勘探開發有限公司，北京100026）

井工廠式極地專用大位移鉆機介紹

王建寧*，劉 暢，沈海超，萬州亮，田院生，鄭 力

（中國石化集團國際石油勘探開發有限公司，北京100026）

隨著傳統區域油氣資源的枯竭，人們越來越重視極地的勘探和開發。極地區域氣候條件惡劣，鉆井難度大。薩哈林1號項目的Yastreb鉆機是一臺專為極地設計的井工廠式大位移鉆機，可在零下40℃環境下作業，并能抵御8級烈度地震。該鉆機經不斷改進成功鉆探了33口大位移井，在有限的井場面積內開發了2個近海油氣田。該鉆機配備TDX-1250型大功率頂驅、全封閉式井架、專業管棚和集約化鉆井輔助模塊，最大鉆探深度超過12000m，水平鉆探位移超過11000m。中國石化集團所屬的維寧區塊與該鉆機所處的柴沃油田是相鄰區塊，兩者離岸距離和油藏埋深都非常接近。Yastreb鉆機對維寧區塊大位移鉆機的選擇有積極的指導意義。

井工廠；極地；鉆井；大位移鉆機；油氣田

隨著傳統地區油氣資源的逐漸枯竭，環境惡劣的極地成為油氣勘探的新熱點。但極地區域冬季漫長、氣候寒冷、環境脆弱。特別是極地海區大部分時間被冰雪覆蓋，移動式鉆井平臺年作業窗口非常狹窄，而固定式冰級平臺投資巨大，后勤補給和油氣外輸都很困難，環保要求苛刻。俄羅斯薩哈林島東北大陸架在地理上就屬于極地氣候[1]。為了開發該區域的近海油氣田，薩哈林1號項目聯合Park Drilling公司制造出世界上第一臺井工廠式極地專用大位移鉆機Yastreb號，來實現海油陸采。該鉆機功能強大，最大水平鉆探位移可超過11000m，迄今為止已鉆成大位移井33口，成功開發了柴沃和奧多普圖2個近海油氣田。中國石化集團所屬的薩哈林3號項目維寧區塊毗鄰柴沃油田，兩者地理環境和油氣藏離岸距離都非常相似。Yastreb鉆機的功能和結構特點對維寧區塊未來鉆機的選擇有積極的借鑒意義。

1 Yastreb鉆機特點和功能

Yastreb鉆機是目前世界上在產的唯一一臺針對極地氣候設計的井工廠式大位移鉆機。自投產以來經過多次技術改造，始終在業內處于領先地位，并突出表現為以下幾個特點。

鉆探能力超強。該鉆機為直流變頻驅動鉆機。頂驅最大承重載荷1250t，持續扭矩122kN·m，最大鉆探深度超過12000m，水平位移超過11000m。2013年該鉆機在柴沃油田所鉆的Z-42井創造了井深12700m，水平位移11739m的最新世界紀錄，用時僅70d[2]。目前世界前3口最大井深大位移井（Z-42，Z-44和OP-11）均為該鉆機鉆探。國內寶雞石油機械廠生產的ZJ120DB型鉆機名義鉆探深度已達到到12000m，取得可喜的成就。但遺憾的是適合大位移井鉆探作業的扭矩超過90kN·m的大功率頂驅仍未實現國產化。

配置集約化。Yastreb鉆機由鉆機主體、鉆機輔助模塊、管棚等3大部分組成。如圖1所示。鉆機主體下部架設有2條滑動導軌和4個1500L電動液壓缸。柴油機、發電機、泥漿泵、固控設備、泥漿罐等集中分層安裝在輔助模塊里，節省了總占地面積。全封閉式管棚為鉆桿和套管水平存放區，下部同樣設有導軌。在不同井間作業時鉆機各部件整體移動，無需任何拆卸和重新連接。鉆機在井間滑移一般用時在2h以內。Yastreb實現了一臺鉆機利用一個井場快速開發一個油田的井工廠模式[3]。

作業自動化。鉆臺立管盒內只有3000m的鉆桿容積。大部分鉆桿水平放置在管棚內。井架二層臺不設井架工工位。接、起鉆桿均使用鉆臺擺管臂和液壓貓道機配合頂驅來完成。鉆具上扣和卸扣作業由鐵鉆工完成并使用液動卡瓦代替手動卡瓦。管棚內設有連扣機，可實現?60.33mm～?346mm管具的連、卸扣作業。管子桁吊機可實現場地管子擺放的自動化。

圖1 Yastreb鉆機布局

設計人性化。鉆機雖然位于極地寒冷氣候中，但鉆機內部裝備暖風系統，能保證工人在21℃恒溫條件下舒適工作。由于設備自動化程度較高，人員的體力勞動強度較普通陸地鉆機大為降低。由于鉆機和輔助設備整體移動，工人也無需在寒冷條件下進行室外復雜的連接作業。此外鉆機外部通向庫房和住宿區的步道，均采用高架網板橋的結構，利于在大雪條件下的人員通行。

地域針對性強。鉆機所處區域冬季最低溫度零下40℃，最大風速75節，50年一遇地震烈度Ⅷ級，區域環境極度敏感。針對以上區域特點，鉆機主體、輔助模塊和管棚實行全密封保溫設計，主要受力單元的鋼材為低溫鋼材質，整體滿足零下40℃工作環境。鉆機在井架前面設計安裝一個副井架以提高抗風、抗扭和抗震能力，同時利用副井架空間安裝擺管臂和立管盒。此外，導軌的樁基打入地面以下16m的永凍層以使鉆機整體達到抵抗8級地震能力。鉆臺上設有廢漿導流槽，管棚和輔助模塊下部使用鋼板封閉，在鋼板上也設有多條油水導流槽。最終污、油水會聚集到廢液罐，后經巖屑注入系統注入到地下。污、油水從產生到注入地下和外界環境沒有任何接觸。

Yastreb鉆機特色鮮明，針對性強，有效滿足了極地區域大位移鉆井作業的需要。目前國內鉆機生產商對極地鉆機較為注重低溫鋼材的使用和少數關鍵部位的保溫，但對鉆機整體保溫、自動化與人性化設計、環保措施等方面研究較少。隨著國內油公司走出去步伐的加快和對于極地鉆機需求的增加，國內鉆機生產單位應對上述方面予以重視。

2 主要設備與參數

2.1 大功率頂驅裝置

頂驅是大位移鉆井的最關鍵設備之一。Yastreb鉆機在投產初期使用了當時Vaco公司最先進的TDS-8SA型電動直流頂驅。該頂驅在110r/min條件下連續工作扭矩為81kN·m。但在薩哈林1號項目的大位移井中，在8000m左右井深的?311.2mm井段和10000m左右井深的?215.9mm井段經常遇到鉆進扭矩超過80kN·m的情況，不得不以犧牲機械鉆速為代價來保證頂驅的正常工作。后Vaco公司為此專門設計生產了目前世界上最大功率的TDX-1250型大功率交流變頻頂驅，基本解決了薩哈林1號項目大位移鉆井頂驅扭矩短板問題[4]。TDX-1250型大功率頂驅主要參數見表1。

表1 TDX-1250型大功率頂驅主要參數

2.2 循環系統設備

泥漿循環壓力高是大位移井施工的主要特點之一。Yastreb鉆機配備了4臺國民油井公司生產的12P-160型三缸柱塞泵。在薩哈林1號項目大位移井9000m以下井段，循環壓力普遍在34.5MPa以上，泥漿泵泵頭刺漏故障頻繁。經常出現泥漿泵用三修一甚至用二修二現象。這一點應引起相關制造商的重視。12P-160泥漿泵主要參數見表2。

固控設備配備Derrick振動篩8臺、除砂器1臺、除泥器2臺、離心機1臺。泥漿循環罐總容積285m3，備用罐總容積365m3，儲備罐總容積1564m3。

2.3 提升設備

Yastreb絞車型號為OⅡME E-3000，輸入功率為2235kW，性能低于目前國內9000m鉆機通常配備的2570kW的絞車。此外，Yastreb鉆機的絞車處于高位，即安裝在鉆臺上，以利于井架全封閉保溫，這一點與國內大功率陸地鉆機不同。

表2 12P-160泥漿泵主要參數

井架高54.86m，安裝天車部位尺寸為3.8m×3.9m以適應大功率頂驅的安裝。井架最大額定靜載7500kN，在排滿鉆桿立柱條件下抗風能力達70節，無立柱條件下抗風能力為75節。鉆臺凈高10.67m，平面尺寸為10.7m×7.6m。

2.4 管棚

管棚長40.37m，寬40m，總面積1615m2，凈高7m，可同時水平放置12000m的鉆具和8000m的?244.5mm套管。管棚內有液壓貓道機1臺，型號為NOV Hydralift；鉆具連扣機1臺，型號為Weatherford Torque Wizard 15-210(5)，適應鉆具通徑范圍為?76.2mm～?381mm；套管連扣機1臺，型號為CAM Unit F-13.375/100，適應管具通徑范圍為?60.3mm～?346mm；吊管機2臺。管棚在滿載荷條件下總重3500t。

2.5 配備鉆具

Yastreb鉆機開始時僅配備了?149.27mm WT56型鉆桿，但在柴沃油田大位移井實鉆過程中鉆桿磨損較大，施加扭矩受到限制。之后在奧多普圖油田鉆探時改配置為?168.28mm XT69、?149.23mm XT57和?127mm HT50等3種類型鉆桿，并實行倒塔式鉆具組合。上部井段使用?168.28mm XT69和?149.23mm XT57兩種鉆桿，在?215.9mm井段使用?127mm HT50型鉆桿。鉆具整體抗扭效果良好，并可降低當量循環密度0.18g/cm3以上。上述4種鉆桿數據請見表3。

表3 Yastreb配備鉆桿數據

3 完成的鉆井情況

Yastreb鉆機共在薩哈林1號項目鉆探大位移井33口，其中在柴沃油田1期鉆探16口，在奧多普圖油田鉆探9口，在柴沃油田2期鉆探8口。所鉆井中共有21口大位移井井深超過10000m。超過10000m的大位移井平均用時少于60d，平均非生產時效小于8%。其中OP-11井井深 12345m，垂深 1784m，水平位移11479m，鉆井周期58d，非生產時效小于1%，是薩哈林1號項目建井效率最高的井[5]。

4 結論

（1）Yastreb鉆機設計專業、理念先進是世界首臺井工廠式極地專用大位移鉆機，高效開發了薩哈林1號項目2個近海油氣田。同時Yastreb鉆機也在施工過程中不斷總結經驗，通過升級改造克服各種困難。

（2）雖然極地氣候惡劣，但全密封井架、專業管棚并配備適當的暖風系統完全有能力滿足保溫需要。副井架的安裝、減少鉆臺立柱數量和樁式地基是預防地震的有效手段。

（3）高扭矩頂驅和鉆具是大位移鉆井的關鍵工具。從Yastreb配置升級情況來看，對于10000m以上的大位移井應該配備100kN·m以上連續扭矩能力的大功率頂驅。高扭矩鉆桿配置方面應以倒塔式鉆具組合方式為宜，上部大尺寸鉆桿可以滿足高扭矩需要，下部小直徑鉆桿可以降低當量循環密度。

（4）國民油井公司4臺12P-160型三缸柱塞泥漿泵可以滿足10000m以上大位移鉆井需要，但故障率過高，有升級的必要。

（5）Yastreb鉆機對中石化維寧區塊大位移鉆機的選擇有積極的參考意義，同時對國內企業極地鉆機的研發也有借鑒意義。

[1]Michael W.Walker.Pushing the Extended Reach Envelope at Sakhalin:An Operator's Experience Drilling a Record Reach Well[R].SPE 151046,IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition held in San Diego,California,USA,6-8 March 2012.

[2]Morten Grini,Vincent Kessler.Sakhalin-1:Key Chayvo Drilling Results and Planning the Interfield move of the World's Largest land Rig on Sakhalin Island[R].OTC 20308 Offshore Technology Conference in Huston,Texas,USA 4-7 May,2009.

[3]Jim Ladlee.The Implications of Multi-Well Pads in the Marcellus Shale[J/OL].Research&Policy Brief Series,http://cardi.cornell.edu/cals/devsoc/outreach/cardi/publications/research-and-policy-brief-series.cfm,2011,9.

[4]Vishwas P.Gupta,Angel H.P.Yeap,Kyle M.Fischer,et al.Expanding the Extended Reach Envelope at Chayvo Field,Sakhalin Island[R].IADC/SPE 168055,2014 IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition,4-6 March,Fort Worth,Texas.

[5]Jed M.Hmilton,Josh E.Jones.Sakhalin-1:Technology Development for Frontier Arctic Projects[R].OTC20208 Offshore Technology Conference in Huston,Texas,USA 4-7 May,2009.

TE922

B

1004-5716(2015)03-0073-04

2015-01-13

2015-01-15

中國石化集團國際石油勘探開發有限公司北維尼凝析氣田大位移井鉆完井技術研究（編號：RS012009）。

王建寧（1981-），男（漢族），河南鹽山人，工程師，現從事海洋鉆井技術管理工作。