陳世春,張曉東,梁紅軍,任雅婷,李國芳

(1.塔里木油田公司a.第四勘探公司;b.勘探事業(yè)部,新疆庫爾勒841000; 2.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院,成都610500)

塔里木地區(qū)超深井鉆機配置

陳世春1a,張曉東2,梁紅軍1b,任雅婷2,李國芳1a

(1.塔里木油田公司a.第四勘探公司;b.勘探事業(yè)部,新疆庫爾勒841000; 2.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院,成都610500)

鉆井裝備的制造及配套直接關(guān)系到勘探開發(fā)水平和鉆井效益。為給定的井選擇合適的鉆機,對實現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟和社會效益,完成既定的油氣勘探目的都具有十分重要的意義。根據(jù)塔里木地區(qū)超深井的實際情況進行了鉆機優(yōu)選,得到了優(yōu)選配置方案,并提出了改進意見。

超深井;鉆機;配置;選擇

從我國陸地油氣資源分布格局來看,東部老區(qū)作為國內(nèi)石油資源主力產(chǎn)區(qū),淺層和中深層的勘探程度較高,深層及超深層探明程度很低,具有很大的石油資源潛力;中部地區(qū)是天然氣富集區(qū),有超過1/2的天然氣資源量在深部地層;西部地區(qū)是國內(nèi)石油產(chǎn)量的主要戰(zhàn)略接替區(qū),近70%油氣資源埋藏在深部地層。因此,深井、超深井鉆機將起重要作用。根據(jù)塔里木地區(qū)超深井情況,進行了深井、超深井鉆機優(yōu)選配置和結(jié)構(gòu)改進。

1 塔里木某井基本情況

鉆機配置是根據(jù)給定的鉆井工程設(shè)計,優(yōu)選出經(jīng)濟、合理的鉆井設(shè)備。以塔里木某井為例,分析塔里木地區(qū)超深井鉆機的配置選擇。

塔里木某井設(shè)計井深7 600 m,目的層壓力系數(shù)高、壓力大、泥漿密度高,對井控要求高,屬于“三高”井。從井身結(jié)構(gòu)(如表1)可看出,井眼尺寸大,大尺寸套管下入深?；俱@井參數(shù)和套管設(shè)計如表2～3。

表1 塔里木某井井身結(jié)構(gòu)

2 鉆機主體

2.1 提升設(shè)備

提升系統(tǒng)的作用是起下鉆桿柱更換鉆頭、下套管柱控制鉆頭鉆進等,因此提升系統(tǒng)必須能夠承受鉆桿柱和套管柱的重力。

2.1.1 最大鉆柱重力

提升系統(tǒng)要承受鉆桿柱重力,即鉆桿柱重力≤鉆機最大鉆柱重力。在最大鉆柱提升時,提升速度約015 m/s,提升動載很小,鉆桿柱受到的井壁摩擦阻力和井內(nèi)泥漿浮力可近似認(rèn)為相互抵消,所以把最大鉆柱鉤載近似地認(rèn)為等于最大鉆柱在空氣中的重力,由此得到鉆機提升設(shè)備應(yīng)滿足的最大鉆柱重力。根據(jù)API規(guī)范,取鉤載儲備系數(shù) KQ=2,可計算得到鉆機應(yīng)滿足的最大鉤載。

鉆桿選用?139.7 mm(51/2英寸)鉆桿,與?127 mm(5英寸)鉆桿質(zhì)量相似,參考?127 mm鉆桿加鉆鋌后的平均線質(zhì)量約為36 kg/m,可得最大鉆桿重力為7 600×36×918=2 736 kN(如表2),由此可得鉆機最大鉤載 ≥2×2 736=5 472 kN (KQ=2)。

表2 塔里木某井鉆井參數(shù)

表3 塔里木某井套管設(shè)計

2.1.2 最大套管柱質(zhì)量

考慮到下套管時鉆井液產(chǎn)生的浮力影響,下套管時鉆機大鉤承受的載荷為

Qmax=套管柱質(zhì)量×9.8(1-ρm/ρs)

式中,ρm、ρs分別為鉆井液密度和套管鋼材密度,g/cm3。

由于動載對井架、底座及整個提升設(shè)備的影響以及指重表的滯后現(xiàn)象,指重表反映不出大鉤的實際瞬時載荷,所以在確定套管重力時,還應(yīng)考慮一個1.33倍的系數(shù)[1]。因此,選擇鉆機提升設(shè)備時應(yīng)滿足公式,即

式中,M為鉆定向井附加的摩阻系數(shù),鉆直井時可忽略不計。

由表3可知,最大套管質(zhì)量為0～6 898 m技術(shù)套管柱質(zhì)量,即623.1 t,塔里木某井為直井,摩阻系數(shù)可忽略不計,套管鋼材密度為7.85 g/cm3,鉆井液密度為1.45 g/cm3,可得鉆機最大鉤載為1.33× 623.1×9.8(1-1.45/7.85)≈6 756 kN,即鉆機提升設(shè)備最大鉤載應(yīng)不小于6 756 kN。

2.2 鉆臺高度

鉆臺高度應(yīng)滿足安裝井口裝置和井控裝置以及鉆井液固控系統(tǒng)的正常工作,并在標(biāo)準(zhǔn)中取值。對超深井鉆機,鉆臺下凈空高度要求更高,應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)中較大值。

由圖1可知,鉆臺高度應(yīng)不小于12 m。

2.3 轉(zhuǎn)盤開口直徑

定義轉(zhuǎn)盤開口直徑為Dr,是指轉(zhuǎn)盤取出大方補心后轉(zhuǎn)臺內(nèi)的通孔直徑,可由各級鉆機最大井深開鉆用的最大鉆頭直徑 Dbmax確定,Dr通常比 Dbmax約大10 mm。Dr綜合反映轉(zhuǎn)盤扭矩Mr、轉(zhuǎn)盤功率 Nr以及轉(zhuǎn)盤主軸承受靜、動載荷的大小。塔里木某井最大鉆頭直徑 Dbmax=660.4 mm,轉(zhuǎn)盤開口直徑Dr≥670 mm。

根據(jù)上述配置方案,塔里木某井可選擇ZJ120/ 9000型鉆機,基本參數(shù)如表4?？梢钥闯?該型鉆機最大鉤載9 000 kN,鉆臺高度12 m,轉(zhuǎn)盤開口直徑>670 mm,能滿足要求。

圖1 一開井口裝置示意

3 鉆井泵

三缸單作用活塞泵功率計算式[1]為

式中,PB為考慮了功率儲備的鉆井泵功率,kW;Q為各井段鉆井參數(shù)中要求的排量,L/s;p為各井段鉆井參數(shù)中與排量相對應(yīng)的壓力,MPa;ηv為三缸單作用活塞泵容積效率,ηv=0.95～0.96;ηm為三缸單作用活塞泵機械效率,ηm=0.90～0.93;ηh為三缸單作用活塞泵水力效率,ηh=0.90～0.93。

將各井段排量Q和壓力p代入式(1),可計算出各井段所需鉆井泵功率。計算時,取ηv=0.95,ηh=0.94,ηm=0.92,即

表4 ZJ120/9000型鉆機基本參數(shù)

一開井段:

二開井段:

三開井段:

四開井段:

計算出的各井段鉆井泵功率較大者即1 237181 kW為應(yīng)選擇的鉆井泵功率;然后根據(jù)鉆機配置要求,選擇相同功率的鉆井泵臺數(shù),選擇的鉆井泵臺數(shù)應(yīng)能保證至少有2臺泵始終處于正常工作狀態(tài);鉆井泵的最大排量和壓力應(yīng)滿足表2中的最大排量和壓力。

五開井段:根據(jù)SY/T 6724—2008《石油鉆機和修井機的基本配置》標(biāo)準(zhǔn),選擇3臺F-1600型鉆井泵,則輸入總功率為 3×1 177 kW(1 600 hp)=3 530 kW (4 800 hp),最大排量為50.42 L/s,最大壓力為34. 5 MPa。

4 固控系統(tǒng)

4.1 固控系統(tǒng)容積

美國石油學(xué)會確定固控系統(tǒng)容積的方法有3種,但只有一種可操作性較好,即按照井眼容積確定固控系統(tǒng)容積,固控系統(tǒng)最小容積V=100桶+井眼容積,該方法簡稱API方法一。國內(nèi)確定固控系統(tǒng)容積的方法主要有2種:①固控系統(tǒng)容積V=井筒容積×(1.5～2.0),該方法簡稱方法二;②固控系統(tǒng)容積V=(鉆機名義鉆井深度/(20～22)×130%,該方法簡稱方法三。李彬等研究得到的鉆機固控系統(tǒng)容積統(tǒng)計及分析如表5[2]。由表5可見,API方法一計算的容積偏小;方法二和方法三所得結(jié)果與實際應(yīng)用狀況相比,ZJ30型以上鉆機計算結(jié)果較為接近,可以滿足現(xiàn)有鉆井作業(yè)需要?！妒豌@機和修井機基本配置》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了各級鉆機的固控系統(tǒng)容積,應(yīng)用時可參照表5,以鉆機型號為基礎(chǔ)確定配套固控系統(tǒng)的容積。

表5 鉆機固控系統(tǒng)容積統(tǒng)計

4.2 固控系統(tǒng)配套方案

目前已投入市場的固控設(shè)備有振動篩、除砂器、除泥器、微型除泥器、離心機等。由于這些設(shè)備的作用原理及結(jié)構(gòu)不同,因此所分離的固相顆粒有一定的范圍。為了滿足不同地區(qū)的鉆井施工,在設(shè)計固控系統(tǒng)時,通常會考慮應(yīng)用到各種不同的鉆井工況,因而所有的固控設(shè)備都要選用,如表6。在使用時,只需根據(jù)對井口返出的泥漿的分析結(jié)果來調(diào)整確定使用哪種或哪幾種固控設(shè)備。

表6 泥漿粒度與固控設(shè)備配套方案

從經(jīng)濟性角度考慮,使用不同配套方案所需總費用如表7。

從分離效率角度考慮,使用不同配套方案的分離效率如表8。

為了在某種條件下選擇一種最佳配置方案,盡可能地減少鉆井成本,在對經(jīng)濟性和分離效率評價的基礎(chǔ)上,優(yōu)先考慮固控系統(tǒng)經(jīng)濟性或清除效率時,選用振動篩+除砂器+除泥器+離心機;優(yōu)先考慮設(shè)備費用時,選用振動篩+離心機;優(yōu)先考慮設(shè)備費用與清除效率二者時,選用振動篩+除砂器+離心機;優(yōu)先考慮其他二者或者兼顧三者因素時,選用振動篩+除砂器+除泥器+離心機;對加重泥漿,優(yōu)先選用振動篩+除砂器+清潔器+離心機的配套方案經(jīng)濟合理。

表7 固控設(shè)備使用費用 元/h

由表5查出ZJ120/9000型鉆機固控系統(tǒng)總?cè)莘e約600 m3,因選用加重泥漿,因此固控系統(tǒng)選用振動篩+除砂器+清潔器+離心機的配套方案。

表8 不同配套方案的固控設(shè)備分離效率

5 塔里木某井超深井鉆機配置

在實際使用中,塔里木某井的超深井鉆機配置如表9。由表9看出,選用的鉆機為ZJ90DB型電驅(qū)動鉆機,這是基于名義鉆井深度選取的,但忽略了塔里木某井井眼尺寸大、大尺寸套管下入深的實際情況。ZJ90DB型鉆機的最大鉤載偏小,在處理解卡等問題時可能會出現(xiàn)能力不足的問題,建議改為ZJ120DB型鉆機。選用3臺F-1600HL型高壓鉆井泵,最大壓力達(dá)到52 MPa,鉆井泵參數(shù)如表10。對鉆機來說,所配鉆井泵壓力越大,泵送能力越強,如果經(jīng)濟上允許,選擇此種鉆井泵是可行的。

6 結(jié)論

1) 由上述計算分析,可優(yōu)選 ZJ120/90型鉆機,鉆臺高度為12 m,配3臺F-1600型泥漿泵,固控系統(tǒng)選用振動篩+除砂器+清潔器+離心機的配套方案,固控罐容積為600 m3。

表9 塔里木某井電動鉆機配置

2) 塔里木某井井眼尺寸大,大尺寸套管下入深,因此選擇ZJ120/90型鉆機,而F-1600型泥漿泵能夠滿足要求,因此不必按照標(biāo)準(zhǔn)選配F-2200型泥漿泵。

3) 選用鉆機參數(shù)時,要參照標(biāo)準(zhǔn)但不能局限于標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)結(jié)合實際做出替換方案。

表10 F-1600H L型鉆井泵性能參數(shù)

[1] 李國慶,馬家驥.深井鉆機及其配置的優(yōu)選[J].石油礦場機械,1992,21(4):15-20.

[2] 李 彬,蘇金洋,盧勝勇,等.鉆井液固相控制系統(tǒng)容積分析[J].石油礦場機械,2008,37(7):50-52.

Ultra-deep Drilling Rig Configuration in Tarim Area

CHEN Shi-chun1a,ZHANG Xiao-dong2,LIANG Hong-jun1b,REN Ya-ting2,LI Guo-fang1a
(1.a.Fourth Ex ploration Department;b.Ex ploration Department,Tarim Oilf ield B ranch Company, Kuerle841000,China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

Drilling is one of the primary means of oil field exploration and development.Supporting equipment of drilling equipment is directly related to the level of exploration and development and drilling efficiency.From the technical and economic point of view,selecting the suitable drilling equipments for a given wells is of great significance for the completion of oil and gas exploration and development.According to the actual situation of ultra-deep well in Tarim region,the main body of the drilling rig,drilling pump,solid control system were optimized,and the basic parameters of the major systems were derived.Finally,the preferred rig configuration was obtained.An improvements to the drilling rig used in Tarim region ultra-deep well is proposed.

ultra-deep well;drilling rig;configuration;selection

1001-3482(2010)04-0048-06

TE922

A

2009-10-26

中地共建“石油天然氣裝備”教育部重點實驗室資助項目(2006STS04)

陳世春(1967-),男,河北唐山人,高級工程師,1991年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院鉆井工程專業(yè),現(xiàn)從事鉆井設(shè)備的管理工作,E-mail:TLMHB@VIP.163.com。