深水鉆井裝置設計的關鍵因素

劉雙瑩，孫明遠(廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075)

0 引言

深水鉆井裝置按照船型分為半潛式鉆井平臺與鉆井船(如圖1)，按照定位方式分為錨泊定位與動力定位，深水鉆井裝置選型是深水鉆井計劃需完成的首要工作[1]，此外，對深水鉆井裝置的配套設備選取也要慎之又慎。

圖1 鉆井平臺和鉆井船示例

1 深水鉆井裝置選擇的一般性原則

1.1 鉆井作業環境

深水鉆井作業環境主要考慮氣候條件(如臺風)、水文環境、水深和海床地質條件。在選擇鉆井裝置時，需要依據作業海區的海洋環境條件對鉆井裝置的運動性能、隔水管性能、下防噴器、下套管等作業過程等進行詳細分析與評價；確認鉆井裝置的設備性能與特點能否滿足地質、環境和氣候條件的安全要求，還必須確保鉆井裝置的生存能力滿足環境要求[2]。

1.2 深水鉆井裝置的船型

對半潛式鉆井平臺和鉆井船的性能進行綜合比較，一般而言：半潛式鉆井平臺穩定性好，適合于較惡劣的作業海況，作業氣候窗口寬，作業效率高，但機動性差；鉆井船具有良好機動性，可變載荷大，存儲容量大，較半潛式鉆井平臺易維護，但惡劣環境的作業適應性差，作業氣候窗口窄。

1.3 定位方式

實際作業中，綜合各方面因素，通常在水深1 000 m以內，采用錨泊定位鉆井裝置。水深在1 000 m以上時，需要動力定位，推進器協助錨鏈定位或者是全部動力定位。

(1)錨泊定位。對于深水鉆井裝置錨泊定位而言，常用的系泊形式為錨鏈式、鋼纜式、合成纖維纜式或復合方式。錨泊定位的主要優點是節省燃油費用和作業可靠性高，主要缺點為適用水深范圍有限、起拋錨的時間長、起拋錨船能力要求高等。

(2)動力定位。動力定位系統水深適應性強，對海床條件無要求，就位和離位效率高，機動性強，無需起拋錨船和拖船，對三用船工作船無特殊要求。動力定位系統存在的不足：日租金相對高耗油量大，操作成本高不適用于淺水區，作業維修和定期檢驗要求高，存在動力與定位系統失效的風險。

1.4 井別

在鉆井裝置的選擇中，需要考慮井別，勘探井還是開發井，對于勘探井而言，需要鉆井裝置有較好的適應性，機動性，可變載荷大和自持能力強，以及在極端條件下的仍然具有安全控制能力。對于開發井而言，需要高的效率，可采用雙作用鉆機或交叉作業，對設備處理和安裝能力要求高，甲板空間大，起重機能力強，同時也要兼顧完井、采油、修井的效率。

1.5 鉆井裝置的限制條件

(1)鉆井作業限制條件。鉆井裝置最大作業條件是指為能夠進行鉆井作業的最大風、浪和流的組合，作業限制條件決定了什么工況下需要停止操作以避免嚴重的事故。需要針對具體的鉆井裝置，根據過去井位所在海域的氣候/環境情況的統計數據確定最大作業限制條件及作業環境的要求，并評估出預計停工期。鉆井裝置的水下設備操作主要受到水流和水深的限制。在選擇設備的時候必須考慮設備使用水深、海洋環境、甲板空間面積，月池設施的限制，考察操作水下設備的能力。

(1)脫離操作限制條件。脫離操作限制條件是指為需要進行隔水管脫離的最大風、浪和流的組合，脫離操作限制條件決定了什么工況下需要脫離。需要針對具體的鉆井裝置，根據過去井位所在海域的氣候/環境情況的統計數據確定脫離操作限制條件及環境的要求。作業海域的風浪流組合所產生的極端環境會對鉆井裝置的安全產生危害，因此深水鉆井裝置一般都設計有惡劣環境脫離裝置并要求作脫離操作的極限設計，以確保鉆井裝置設備安全。

(3)生存限制條件。生存限制條件是指在極端環境條件下保證鉆井裝置自存的最大的風、浪和流的組合，必須清楚了什么情況下將發生災難性事故并采取預防措施，這需要結合當地的海況條件，對鉆井裝置的穩定性進行分析，確定鉆井裝置生存的限制條件。在選擇鉆井裝置時，必須確定鉆井裝置的生存限制條件，以確保鉆井裝置安全。

2 主要鉆井設備選擇原則

在選擇鉆井平臺進行鉆井時，對一些關鍵的設備要進行重點評估，必要時要進行計算分析，如：鉆機大鉤載荷、電力負荷、可變載荷、鉆井液循環系統、隔水管系統、井控系統、定位系統等。

2.1 深水鉆機系統選擇

(1)最大鉤載的限制。深水鉆機最大鉤載與水深、井深、井眼軌跡、鉆具重量、套管柱重量、水下器具重量、鉆井裝置的運動性能等有關；確定深水鉆機大鉤載荷承受的載荷時需要考慮以下工況：下隔水管/防噴器、下套管、起下鉆桿，在這些工況中，需要考慮三類載荷，即靜載荷、鉆井平臺升沉運動引起的動態載荷以及作業動載荷。

(2)鉆井液泵壓力、功率。深水鉆機鉆井液泵主要根據鉆井過程中最大泵壓、最大功率進行配置。由于處理淺層地質危害(如淺層水、氣)、噴射鉆井、以及井下動力鉆具的需要，一般深水鉆機鉆井液泵的功率和壓力都要求比較大。同時深水鉆機須配備隔水管鉆井液增壓泵。

(3)轉盤靜載荷和開口直徑。轉盤開口直徑和靜載荷是轉盤的主要參數。轉盤靜載荷必須能夠滿足懸掛所有鉆柱、套管柱的重量(含動載荷)。深水鉆井用的轉盤，必須能夠順利通過作業所用的隔水管(包括外側包裹的浮力塊)和鉆井工具。

(4)鉆井液池容積。進行鉆機選擇配置時，要根據隔水管容量、井身結構等確定不同井段內的鉆井液用量以及總鉆井液用量，同時考慮緊急情況的安全余量，如淺層壓井鉆井液、隔水管緊急脫開損失鉆井液等。

(5)鉆柱升沉運動補償。鉆柱補償裝置的補償行程、最大靜載荷等須滿足深水環境下的使用要求，最大靜載荷要求很高，例如HY981深水鉆機的補償行程為7.62 m，最大靜載荷為453 t 。鉆柱升沉運動補償裝置分為主動型(包括絞車主動補償與天車主動補償)和被動型，第5、6代深水鉆機多采用主動補償裝置。

2.2 深水鉆井隔水管選擇與設計

深水隔水管需要承受大的張緊力和具有抵抗環境載荷的能力。隔水管的重量和甲板存儲要求在深水鉆井裝置選擇時應予以考慮。隔水管系統和防噴器系統安裝效率也須考慮[3]。深水鉆井中遇到的一個主要問題是由于波浪和流等環境載荷引起隔水管的運動，應在早期結合鉆井設計進行研究，進行隔水管的作業設計。

(1)水下填充閥。深水鉆井隔水管須配備水下填充閥，防止可能產生隔水管的擠毀。往往在水下457.2 m左右位置配置填充閥。一旦壓力差達到了預定值，閥門自動打開，允許海水進入填充隔水管[4]。除了自動操作之外，作業人員也可以在水面使用液壓控制面板遙控操作填充閥。

(2)浮力塊。通常深水鉆井隔水管均用浮力塊控制隔水管柱浮重。浮力塊的長度一般為4.572 m，浮力塊提供的凈浮力可將隔水管單根的浮重相對于空氣中重量減小90%～95%。

(3)隔水管張緊系統。在選擇深水鉆機時，需要根據隔水管所需的張緊力來校核隔水管張緊系統的能力，隔水管所需的最小張緊力計算是以隔水管柱(包括隔水管內的鉆井液)在水中的重量為計算依據的。

(4) 隔水管接頭。接頭依據以下內容選擇：接頭強度、支承環的負荷等級、抗疲勞性、可靠性、連接速度、接成預壓載荷、維護要求、主管尺寸、強度/重量比。深水鉆井應盡可能的選擇快速接頭，以提高作業時效。

2.3 深水鉆井防噴器

與淺水防噴器組相比，深水防噴器組對防噴器控制系統的工作能力和響應時間提出了更高的要求，要求使用的液壓控制液為無腐蝕性、無污染環保流體。同時為保證液壓控制系統有足夠快的響應時間，這種工作液黏度應該盡量低并具備很好的潤滑性，還要能和海水很好的混合而不影響性能[4]。

(1)防噴器壓力等級。防噴器壓力等級的選擇主要根據地層壓力的情況，通常選69 MPa或103.4 MPa壓力等級。在深水鉆井作業進行防噴器試壓時要格外注意防噴器的壓力等級及所用的鉆井液比重，也要考慮鉆井液液柱與海水梯度產生的壓差，隨著水深的增加，更應當引起重視。

(2)防噴器組控制系統。用于深水鉆井防噴器組的控制系統一般有兩種：液壓控制系統和電液控系統。在大多數的深水鉆井作業中，尤其是在超深水鉆井作業時，更多的選用電液體控系統。鉆井裝置的定位方式、水深、海況以及井控要求等會影響控制系統的選擇，其中應特別關注控制系統的響應時間。

API RP 16E中規定，水下防噴器組控制系統應在45 s或者更短的時間內關閉任何一個閘板防噴器，萬能防噴器組關閉的響應時間不能超過60 s，節流/壓井閥開啟或關閉的響應時間不能夠超過閘板防噴器關閉的最小響應時間，解脫底部隔水管總成的時間不應超過45 s。

3 結語

深水鉆井作業相較于常規淺水，作業環境更加惡劣，設備也更加繁雜。本文通過總結深水鉆井裝置和主要鉆井設備的選型因素，可得超過1 000 m作業的深水鉆井裝置選擇更加傾向動力定位；鉆井設備傾向選取大鉤載和大功率的鉆機，載荷更大、連接快速的隔水管，電液復合控制的防噴器。