海洋钻井手册-深水钻井

海洋钻井手册-深水钻井内容摘要：

对于勘探井而言，需要钻井装置有较好的适应性，机动性，可变载荷大和自持能力强，以及在极端条件下的仍然具有安全控制能力。 对于开发井而言，需要高的效率，可采用双作用钻机或交叉作业，对设备处理和安装能力要求高，甲板空间大 ,起重机能力 强，同时也要兼顾完井、采油、修井的效率。 (5) 钻井装置的限制条件 钻井装置的选择需要把握三个限制条件，即钻井作业限制条件、脱离操作限制条件、生存限制条件。 ① 钻井作业限制条件 钻井装置最大作业条件是指为能够进行钻井作业的最大风、浪和流的组合，作业限制条件决定了什么工况下需要停止操作以避免严重的事故。 需要针对具体的钻井装置，根据过去井位所在海域的气候 /环境情况的统计数据确定最大作业限制条件及作业环境的要求，并评估出预计停工期。 钻井装置的水下设备操作主要受到水流和水深的限制。 在选择设备的时候必须考虑设备使用水深、海洋环境、甲板空间面积，月池设施的限制，考察操作水下设备的能力。 ② 脱离操作限制条件 钻井手册 8 脱离操作限制条件是指为需要进行隔水管脱离的最大风、浪和流的组合，脱离操作限制条件决定了什么工况下需要脱离。 需要针对具体的钻井装置，根据过去井位所在海域的气候 /环境情况的统计数据确定脱离操作限制条件及环境的要求。 作业海域的风浪流组合所产生的极端环境会对钻井装置的安全产生危害，因此深水钻井装置一般都设计有恶劣环境脱离装置并要求作脱离操作的极限设计，以确保钻 井装置设备安全。 ③ 生存限制条件 生存限制条件是指在极端环境条件下保证钻井装置自存的最大的风、浪和流的组合，必须清楚了什么情况下将发生灾难性的事故并采取措施进行预防，这需要结合当地的海况条件，对钻井装置的稳性进行分析，确定钻井装置生存的限制条件。 在选择钻井装置时，必须确定钻井装置的生存限制条件，以确保钻井装置安全。 (6) 钻井装置选择其它需要考虑的因素 历史记录，承包商经验与船员的资质，检查维护和保养，存货的水平和控制，相关证书，遵从规范，升级，平台和设备问题，技术 能力，作业能力，管理能力，健康安全环保控制，财务状况等。 二、主要钻井设备选择原则 在选择钻井平台进行钻井时，对于一些关键的设备要进行重点评估，必要的时候要进行计算分析，如钻机大钩载荷、电力负荷、可变载荷、钻井液循环系统、隔水管系统、井控系统、定位系统等。 下面就主要钻井设备选择的原则进行说明。 1. 深水钻机系统选择 进行钻机配置时必须注意以下几点：最大钩载的限制；顶驱最大连续输出扭矩的限制；钻井液泵压力、功率的限制；转盘静载荷能力和开口直径的限制；钻井液池容积的限制；散装灰罐系统的限制；防喷器参数的限制等。 (1) 最大钩载的限制 深水钻机最大钩载与水深、井深、井眼轨迹、钻具重量、套管柱重量、水下器具重量、钻井装置的运动性能等有关；确定深水钻机大钩载荷承受的载荷时需要考虑以下工况：（ a）下隔水管 /防喷器、（ b）下套管、（ c）起下钻杆，在这些工况中，需要考虑三类载荷，即静载荷、钻井平台升沉运动引起的动态载荷以及作业动载荷。 (2) 钻井液泵压力、功率 深水钻机钻井液泵主要根据钻井过程中最大泵压、最大功率进行配置。 由于处理浅层地质危害（如浅层水、气）、喷射钻井、以及井下动力钻具的需要，一般深水钻机钻井液泵的功率 和压力都要求比较大。 同时深水钻机须配备隔水管钻井液增压泵。 钻井手册 9 (3) 转盘静载荷和开口直径 转盘开口直径和静载荷是转盘的主要参数。 转盘静载荷必须能够满足悬挂所有钻柱、套管柱的重量（含动载荷）。 深水钻井用的转盘，必须能够顺利通过作业所用的隔水管（包括外侧包裹的浮力块）和钻井工具。 (4) 钻井液池容积 进行钻机选择配置时，要根据隔水管容量、井身结构等确定不同井段内的钻井液用量以及总钻井液用量，同时考虑紧急情况的安全余量，如浅层压井钻井液、隔水管紧急脱开损失钻井液等。 (5) 钻柱升沉运动补偿 钻柱补偿装置的 补偿行程、最大静载荷等须满足深水环境下的使用要求，最大静载荷要求很高，例如 HY981深水钻机的补偿行程为 （ 25ft），最大静载荷为 453t()。 钻柱 升沉 运动补偿装置分为主动型（包括绞车主动补偿与天车主动补偿）和被动型，第 6代深水钻机多采用主动补偿装置。 2 深水钻井隔水管选择与设计 深水隔水管需要承受大的张紧力和具有抵抗环境载荷的能力。 隔水管的重量和甲板存储要求在深水钻井装置选择时应予以考虑。 隔水管系统和防喷器系统安装效率也须考虑。 深水钻井中遇到的一个主要问题是由于波浪和流等环境载 荷引起隔水管的运动，应在早期结合钻井设计进行研究，进行隔水管的作业设计。 (1) 深水钻井隔水管部件的选择 （ a）水下填充阀 深水钻井隔水管须配备水下填充阀，防止可能产生隔水管的挤毁。 往往在水下 (1500ft)左右位置配置填充阀。 一旦压力差达到了预定值，阀门自动打开，允许海水进入填充隔水管。 除了自动操作之外，作业人员也可以在水面使用液压控制面板遥控操作填充阀。 （ b） 浮力块 通常深水钻井隔水管均用浮力块控制隔水管柱浮重。 浮力块的长度一般为 (15ft)长，浮力块提供的净浮力可将隔水管单根的浮重相对于空气中重量减小 90%95%。 （ c）隔水管张紧系统 在选择深水钻机时，需要根据隔水管所需的张紧力来校核隔水管张紧系统的能力，隔水管所需的最小张紧力计算是以隔水管柱（包括隔水管内的钻井液）在水中的重量为计算依据的。 图 723 隔水管串组成 钻井手册 10 张力器的行程应该在 (50ft)以上。 张力器组是成对配置，并且相对于井口对称布置。 (d) 隔水管接头 接头依据以下内容选择：接头强度、支承环的负荷等级、抗疲劳性、可靠性、连接速度、接成预压载荷、维护要求、主管尺寸、强度 /重量比。 深水钻井应尽可能的选择快速接头，以提高作 业时效。 API RP 2R 基于接头承受张力的能力确定隔水管连接接头级别，一般采 E级，对应的能承受张力为 906吨（ 2百万磅 ）。 隔水管接头级别与张力如下表 721所示。 表 721 隔水管接头级别与张力 API 隔水管接头级别 接头能承受的张力 (吨 ) A级 ( ) B级 453 ( 1百万磅 ) C级 ( ) D级 ( ) E级 906 ( 2百万磅 ) F级 ( ) G级 1359 ( 3百万磅 ) H级 ( ) 目前在深水钻井船上应用比较广泛的是 MR6E隔水管接头，其规格列在下表722中。 表 722 MR6E 隔水管接头规格 (5)节流和压井管线， (41/2)增压管线以及 (27/8)液压管线 外径 () 内径 (2) () 长度 () 重量 (1) ( 2,510 lbs) 调节 螺杆数量 6 上扣扭矩 (950 ft. lbs) 说明 : (1)该重量包含附属管线的重量 (2)该内径以主管壁厚 ( )为准得出 （ 2） 隔水管选择的其他要求  隔水管单根长度选择应尽量选择长的隔水管，通常选择 （ 75ft）以上。  隔水管应该具有紧急断开功能，应配备 LMRP自动脱离装置和抗反冲系统。 钻井手册 11  应使用半自动化或自动化进行隔水管的存储、装卸以及压力测试。  应于伸缩接头下安装环空关断设备以控制发生气体浸入时隔水管 内压。  最好配备有监测隔水管的张力、转角、隔水管底部张力及海流剖面等关键参数监测的监测系统，推荐选择具有隔水管管理系统的隔水管。 (3) 隔水管串配置要求 深水与浅水钻井作业本质的区别在于深水工作载荷与设备能力极限之间的余量小。 隔水管配置的主要内容及其相关内容包括： 1）导管设计：确定导管壁厚、直径以及下入深度等； 2）隔水管串使用设计：评价已有隔水管的适应性及确定相关的配置，如隔水管的强度与张紧系统的张力是否能满足要求，需要配置多少浮力块，在此基础上进行隔水管疲劳寿命预测、优化钻井作业窗口、确定检测及作业 监测方案； 3）安装过程设计：进行隔水管、导管及套管等安装过程的分析，确定最佳的安装作业窗口及安装管串配置。 根据具体情况通常会进行以下分析计算：  隔水管顶部张力校核与浮力单根的配置  隔水管、导管涡激振动响应分析  钻井作业限制条件分析  水下系统作业限制条件分析  井口与导管强度分析 为了进行以上计算，对钻井工程师而言，需要提供以下数据：  海洋环境数据  土壤强度数据  钻井装置以及隔水管数据 (4) 隔水管初步配置分析 在进行详细隔水管分析之前，必须进行隔水管初步配置的计算，以便确定基本的部件设计要求以及初步的隔 水管配置，主要需要进行以下工作： 1） 隔水管的抗挤强度校核 深水钻井作业前隔水管的强度校核很重要，应特别关注抗外挤问题。 通常校核计算可参照规范 APIRP2RD进行。 影响隔水管抗 挤能力的主要因素为：壁厚、椭圆度、制造公差以及与腐蚀及磨损等缺陷，在进行 静水 抗挤 压力校核时需考虑腐蚀与磨损，同时要制定相应的检测程序。 2） 浮力块配置的要求 浮力块的配置方案有两种：一种是配置不同水深等级的浮力块，不同的水深采用不同水深等级的浮力块，在使用之前，要确认每个浮力块的水深等级，第二种是配置同一种水深等级的浮力块 (按 照最深的水深等级配置 )，这种配置的优势在于可以根据需要将隔水管单根轮换使用，以提高隔水管的使用寿命。 另外需要钻井手册 12 考虑由于水浸引起的浮力减少 (由于水浸浮力块的浮力减少 3%)。 当隔水管处于悬挂状态时，配备的浮力块应使隔水管柱不出现受压状态。 浮力系数的选择是管柱设计的关键，浮力系数要尽可能的大，以减少隔水管顶部张力，一般是 90%~100%。 确定浮力系数后，则可根据每个单根需要的浮力确定浮力块的直径。 浮力块的直径一般要比转盘开口直径小 (12英寸 )。 3） 使用浮力隔水管的注意事项  设计时， 避免放置在高流速区、靠近水面附近，以减小隔水管的横向载荷，从而减少隔水管的弯曲。  为减少防喷器系统入水及穿越波浪区的难度及便于隔水管与防喷器系统的安装，应考虑在隔水管下部与防喷器系统连接之间配置不带浮力块的短节及隔水管。  隔水管的设计或任何作业时，应尽可能避免浮力隔水管所处的位置处于波浪作用区，有助于减小隔水管的横向载荷。  浮力隔水管与普通隔水管交错布置有利于减少隔水管的涡激振动。 4）隔水管张力分析 隔水管的张力是隔水管选型和作业设计的主要参数之一，隔水管系统的张力分析是隔水管柱设计分析和计算的基础。 作 业前，应根据钻井液的最大设计密度进行隔水管张力分析，并根据结果进行具体的隔水管柱设计及校核。 若发现分析结果达不到要求，需要对隔水管柱进行重新设计或升级张力器系统。 (5) 隔水管系统正常作业要求 1） 顶部张力的要求 顶部张力要满足钻井工况上下柔性接头转角的要求，理想情况下，应该提供足够的张力来保持柔性接头的转角在规定的范围内。 钻井工况接头转角要求如下：  上部柔性接头转角 2 度；  下部柔性接头转角 2 度。 注：上述角度为基于静态分析的平均角度极限。 3）钻井装置的允许位移（ offset）要求 钻井的允许 位移要求是锚链及定位系统设计的关键，定位系统的设计应满足所作业海区的允许作业的海流流速剖面极限、允许作业的特定环境下与海流匹配的相应波高极限和允许作业的 与海流方向一致钻井装置位移极限，同时 应 考虑。 4） 作业窗口确定准则 ① 隔水管作业工况的限制条件如下： 钻井手册 13  柔性接头转角平均 177。 2 o，最大 177。 4 o；  隔水管与导管的等效应力 屈服应力；  接头的能力满足要求 (如 隔水管下部连接总成、井口连接器等 )；  不出现与钻井平台月池碰撞；  冲程 –不超过伸缩节与张力器 极限。 ② 停止钻进的限制条件如下：  柔性接头的转角不超过柔性接头本身允许的最大转角的 90%；  隔水管与导管的等效应力 屈服应力；  接头的能力满足要求 (如 隔水管下部连接总成、井口连接器等 )；  不出现与钻井平台碰撞；  冲程 – 不超过伸缩节与张力器极限。 ③ 生存工况的限制条件如下：  柔性接头的转角不超过柔性接头本身允许的最大转角的 90%；  隔水管与导管的等效应力 屈服应力；  接头的能力满足要求 (如 隔水管下部连接总成、井口连接器等 )；  不出现与钻井平台碰撞  冲程 – 不超过伸缩节与张力器极限 (6) 测试作业时隔水管要求 在测试过程中，柔性接头转角的限制比钻井时更为严格，测试作业的限制条件应考虑以下几个关键阶段：  安装 – 油管悬挂器与海底测试树过分流器与上部柔性接头或球接头。  安装 – 坐挂油管悬挂器；  回收 – 解锁油管悬挂器与测试树下入工具；  回收 –下放工具从分流器中撤离；  油管悬挂器与测试树的紧急脱离； 测试作业的限制条件每一口井都不一样，取决于钻井隔水管的直径，完井测试设备的尺寸。