深水半潜式钻井平台钻井能力及应用效果分析

刘 健,谢 彬,盛磊祥,何玉发

(中海油研究总院，北京 100028)

深水半潜式钻井平台钻井能力及应用效果分析

刘 健,谢 彬,盛磊祥,何玉发

(中海油研究总院，北京 100028)

研究了深水半潜式钻井平台钻井的作业能力，对比分析了国内第六代深水半潜式钻井平台与其他国内半潜式钻井平台以及国外典型第六代深水半潜式钻井平台的主要参数，并总结了该钻井平台实际钻完井的作业情况；比较了国内主要半潜式钻井平台及国外半潜式钻井平台在南海深水钻井作业的情况。比较结果表明国内第六代深水半潜式钻井平台建井周期、作业时效等参数均优于其他钻井平台，说明该钻井平台的钻井作业能力不仅优于国内其他钻井平台，而且也优于国外典型的第六代半潜式钻井平台。

半潜式钻井平台；钻井系统；应用效果；评估

0 引 言

我国首座第六代深水半潜式钻井平台自2012年投入使用以来，在我国流花、荔湾、白云、陵水及缅甸安达曼海等深水海域进行钻完井作业20余口[1-3]。其中荔湾21-1-1井作业水深2 451 m，创造了我国钻井最大水深的纪录；缅甸安达曼海钻井的作业水深1 732 m，完钻井深5 030 m，创造了我国深水半潜式钻井平台作业井深的纪录[2-3]。

本文介绍了该平台的钻井系统，并将该平台与国内其他半潜式钻井平台的钻井系统进行了比较，分析了国内主要半潜式钻井平台以及在南海作业的国外第六代深水半潜式钻井平台的钻井作业时效，结果表明国内首座第六代深水半潜式钻井平台的钻井作业能力远高于我国其他半潜式钻井平台，作业时效也高于在国内作业的同类第六代深水半潜式钻井平台。

1 深水半潜式钻井平台钻井系统简介

1.1 第六代深水半潜式钻井平台钻井系统主要参数

典型第六代深水半潜式钻井平台钻井系统主参数如下[4]。

钻机最大钩载：1 000 s.t(908 t)。

最大钻井深度：10 000 m。

井架：一个半井架，管子排放能力12 000 m，净空高度210 英尺(1英尺=30.48 cm)。

钻井绞车功率：4 200 hp(1 hp=0.745 7 kW)。

钻柱补偿器：主动型天车补偿器，补偿能力500 s.t，补偿行程25 英尺。

顶驱：功率2×857 kW，最大载荷1 000 s.t，可用钻杆直径范围3-1/3～6-5/8英寸(1英寸=2.54 cm)，最大持续扭矩128 000 N·m，最大转速240 r/min。

转盘：开口直径60.5 英寸，最大载荷1 000 s.t，最大持续扭矩46 000 N·m，最大转速40 r/min。

高压泥浆泵：4台，单台功率2 200 hp，最大工作压力7 500 psi(1 psi=6.895 kPa)。

灰罐：数量16个，总容量900 m3。

泥浆立管管汇：工作压力7 500 psi，5英寸。

阻流管汇：工作压力15 000 psi，3-1/2英寸。

固井管汇：工作压力20 000 psi，3英寸;

防喷器(BOP)组：通径18-3/4英寸，压力等级15 000 psi，6个闸板，2个万能防喷器。

压井/阻流管线：美国石油协会(API)标准4-1/16英寸，压力等级15 000 psi。

防喷器控制系统：MUX控制盒，控制系统额定工作压力5 000 psi。

转喷器：长2.47 m，分流器外罩内径60英寸，工作压力500 psi。

隔水管堆场排放能力：10 000英尺。

隔水管配置：21英寸×10 000英尺，带浮力块最大外径为54英寸，隔水管的壁厚分别为0.75英寸，0.875英寸，0.937 5英寸和1英寸；隔水管有6根辅助管线，隔水管的连接方式为快速接头连接方式。

隔水管伸缩节：外筒26×1英寸，内筒21×1英寸，冲程65英尺，额定负荷1 587.6 t。

隔水管张力器：IN-LINE TENSIONER型，隔水管张力6×2 669 kN；液压缸冲程50英尺。

1.2 钻机构成

典型第六代深水半潜式钻井平台钻井系统包括井架及附属设备系统、提升系统、升沉补偿装置、旋转系统、高压泥浆系统、低压泥浆输送系统、固控系统、吹灰系统、司钻控制系统、管子处理系统(包含隔水管运送系统)、防喷器和采油树运送系统、钻台及附属设备、液压动力系统、隔水管系统、井控系统和第三方设备(固井系统、试油系统等)。图1为典型第六代深水半潜式钻井平台钻井系统示意图(不含隔水管、防喷器及第三方设备)[4]。

图1 典型第六代深水半潜式钻井平台钻井系统示意图Fig.1 Drilling rig system schematic diagram of typical 6th generation deepwater semi-submersible drilling platform

2 第六代深水半潜式钻井平台钻井能力

2.1 半潜式钻井平台的钻井能力

钻井平台的钻井能力体现在两方面，一是可以达到的极限作业范围(作业水深、钻井深度、自持能力)，二是作业效率。其中作业水深主要取决于平台的甲板可变载荷、隔水管系统配置、水下防喷器配置；钻井深度主要取决于钻井系统大钩载荷、顶驱能力、井架立根排放能力、泥浆泵配置、泥浆池容量、完井液舱容量、灰罐容量及钻具配置等；自持能力主要取决于平台甲板载荷和舱室容量。作业效率则与平台水动力性能、钻井系统的能力(绞车功率、顶驱扭矩、泥浆泵总功率等)、井口中心数量和“离线”作业能力(如一个半井架、双井架)、平台钻井作业窗口等有关[5]。

由20世纪60年代中后期出现第一代半潜式钻井平台开始到目前半潜式钻井平台已经发展到第六代(目前第七代钻井平台已在建造中)。第一至第六代平台划分标准如表1所示。

表1 各代半潜式钻井平台基本特征Table 1 Characteristics of the different generation semi-submersible drilling platforms

随着代的升级，平台钻井能力也逐步加强，例如典型的第二代半潜式钻井平台“南海二号”作业水深仅300 m，钻井深度7 620 m，第六代平台钻井深度达10 000 m，作业水深达3 000 m。不仅如此，第六代平台还普遍配置了一个半井架或双井架、智能化的平台集成控制系统、高度自动化管子处理装置及DP3动力定位系统，甲板可变载荷超过7 000 t，大大增强了作业效率和安全性。

2.2 第六代深水半潜式钻井平台和其他半潜式钻井平台比较

中海油目前除了拥有第六代深水半潜式钻井平台“海洋石油981”之外，还有第二代半潜式钻井平台“南海二号”和“南海七号”，第三代半潜式钻井平台“南海五号”和“南海六号”，第四代半潜式钻井平台“南海八号”和“南海九号”(其中“南海八号”原为第三代钻井平台，于1996年和2005年两次升级)，以及“中海油服先锋号”“中海油服进取号”“中海油服创新号”“中海油服兴旺号”系列适合北海用的钻井平台。“海洋石油981”作业能力远高于这些半潜式钻井平台。国外第六代半潜式钻井平台West Hercules(西方大力神)也曾长期在我国南海作业，两个平台钻井系统参数类似。此处将第六代深水半潜式钻井平台与其他典型半潜式钻井平台进行比较。各钻井平台主要参数如表2所示。

表2 典型半潜式钻井平台主要参数比较Table 2 Comparison of typical semi-submersible drilling platforms’ parameters

(续表)

从表2可以看出，同为第六代深水半潜式钻井平台的“海洋石油981”和“西方大力神”平台甲板可变载荷、隔水管系统配置、水下防喷器配置、大钩载荷、绞车功率、顶驱能力、井架立根排放能力、泥浆泵配置、泥浆池容量、离线作业能力等远大于其他平台，反映出这两座第六代半潜式钻井平台钻井能力远高于其他平台。对比“海洋石油981”和“西方大力神”两座第六代半潜式钻井平台，各方面的参数比较接近，但是“海洋石油981”的甲板可变载荷比“西方大力神”高出2 000 t，推进器功率也比“西方大力神”高30%，平台的运动性能和定位能力完全针对南海特殊环境条件进行的设计，因此“海洋石油981”自持能力、作业窗口都优于以“西方大力神”为代表的第六代钻井平台。

3 深水半潜式钻井平台钻井作业实际效果分析

3.1 影响深水钻井作业时效的因素

影响钻井时效的因素可分为两大类：一类是可控的因素，包括装备技术水平和能力、钻井作业程序、作业者的管理水平等；另一类是客观环境因素，包括海洋环境条件、水深、地质条件和钻井遇到的复杂情况等。客观因素无法改变，只能通过优化可控因素，提高作业人员的专业技术水平、改进作业程序、提高装备能力、优化管理等方式保证钻井作业的高效安全实施。

3.1.1 钻井装备能力

可控因素中最重要的是钻井装备能力。深水钻井平台的能力主要体现在定位方式、平台水动力性能、甲板可变载荷和钻井系统的设备配置等。

一般来说动力定位钻井平台作业效率高于锚泊定位平台(减少了动复员时间和起抛锚时间)。平台的水动力性能影响钻井作业窗口。平台的甲板可变载荷反映了平台存放钻井辅助设备和材料的能力，较大的可变载荷可减少补给次数、增大自持能力。

深水钻井平台一般都配置了一个半井架或双井架作业系统、自动管子处理系统等，以提高工作效率。一个半井架和双井架钻机可以实现离线组装和拆卸井下组件、钻具和管子立根，双井架钻机可以在钻表层时下放表层套管及BOP等。充分利用平台设备并合理分配作业程序，可以提高作业效率。

3.1.2 深水钻井作业程序

合理地安排钻井作业程序和作业计划能够缩短建井周期，提高工作效率。例如：(1)在深水钻井中引入批钻的概念，在完成表层钻进之后，下完20英寸套管固井，然后可以移船至下一井位，再次进行表层钻进及本井的后续作业，之后再弃井，将BOP平移至先前的井位，做好BOP完成后续作业，这样就至少节省了一趟起下隔水管和BOP的作业时间。(2)合理利用离线作业时间，做好钻井程序的安排，先将能够不占用钻机时间的准备工作做好，在进行表层钻进之前，可以在不占用钻机的前提下，将20英寸套管预接好，等完成表层钻进之后，即可送入套管进行固井作业。(3)所有水下设备必须在送上钻台下水之前，做好功能试验和试压工作[6]。

3.1.3 作业者/承包商的管理水平

作业者总结经验，优化作业程序，提高管理组织效率可以缩短建井周期。图2是某作业者连续15口深水井的建井周期统计图，可以发现最初几口井的建井周期比较长，但是经过一段时间后，建井周期趋于平稳，并维持在较低的水平。这说明随着作业者对作业环境、区域地质条件等的熟悉和对管理方法的改进，能够将现有技术装备的能力发挥到最佳状态，作业者的管理水平越高，建井速度越快，就能缩短工期，提高时效[6]。

图2 某作业者连续15口深水井的建井周期统计图Fig.2 Well construction cycle statistical diagram in continuous 15 deepwater wells

在钻井作业相似的情况下，可通过建井周期来比较装备的能力，装备能力越强，建井周期越短。但是由于影响深水钻井作业时效的因素众多，因此不能简单地根据建井周期来比较平台的钻井作业能力，而要综合考虑井身结构和钻井作业程序、水深、海洋环境条件(台风、内波等)、钻井复杂情况(浅层地质灾害、井漏、井涌等)、作业者管理水平、平台和设备性能等因素来判断钻井装备作业能力。另外，非生产作业时间(NPT)也是一个反映钻井装备技术水平的参数，设备状况良好、冗余度高，则NPT会大大减少。

3.2 深水半潜式钻井平台在我国钻完井作业实际情况

我国首座第六代深水半潜式钻井平台已在南海东部、南海西部、缅甸安曼达海等海域完成了20余口钻井、完井作业，统计了其中13口井的建井周期和生产时效。这13口井的平均作业水深为1 424.5 m，最大作业水深达2 451 m；平均钻井深度为3 596.2 m，最大钻井深度为5 030 m；平均建井周期为51.36天，最短建井周期仅为26.21天；平均生产时效为71.93%(包括磨合期)，最大生产时效高达99.09%(以上统计数据去除了台风影响和平台动复原时间)。

3.2.1 深水半潜式钻井平台磨合期作业时效分析

我国首座第六代深水半潜式钻井平台投入使用的第一年钻了3口井，进行了4口井的完井作业。该平台所钻的前三口井均在南海东部海域，同样是第六代的国外某深水半潜式钻井平台钻的前三口井也均在南海东部海域，因此具有很好的可比性。

现将我国第六代深水半潜式钻井平台磨合期钻井作业与在南海作业的国外某第六代钻井平台磨合期钻井作业进行比较分析。其中国内第六代深水半潜式钻井平台前三口井平均建井周期55.81天，平均非生产作业时间9.19天，平均生产时效83.53%；国外某第六代深水半潜式钻井平台在南海钻的前三口井平均建井周期56.54天，平均非生产作业时间16.03天，平均生产时效72.14%[7]。

从以上数据可以看出，同样都是新建第六代深水半潜式钻井平台的前三口磨合井，国内第六代深水半潜式钻井平台无论从建井周期、非生产时间正是生产时效来看均具有优势。通过建井学习曲线分析，可以进一步比较这两座第六代深水半潜式钻井平台在磨合期的作业效率。

美国Amoco石油公司提出的建井学习曲线已在石油工业界得到广泛应用，建井周期学习曲线可以量化评价作业者/承包商的管理水平、学习能力和装备的技术水平，公式如下：

Y=C1eC2×(1-n)+C3,

(1)

式中：Y为第n口井的建井周期，天；C1为建井周期附加工期，天，即第一口井建井周期比最优建井周期多用的工时；C2为学习效率，C2lt;0.5，学习效率较低，为C级，0.5lt;C2lt;1，学习效率为B级，C2≥1，学习效率较高，为A级；C3为最优建井周期。

根据国外第六代深水半潜式钻井平台和国内第六代深水半潜式钻井平台在南海钻前三口井的钻井数据，得到了这两座半潜式钻井平台前三口井建井周期曲线的参数，如表3所示。由于这两座深水半潜式钻井平台所钻的前三口井均为探井(或评价井)，作业区域均在南海东部，作业水深、钻井深度、地层情况、海洋环境等均类似，均为新建平台的前三口磨合井，因此具有很好的可比性。

表3两座第六代深水半潜式钻井平台建井周期曲线参数对比

Table3Comparisonofwellconstructioncyclelearningcurveparametersbetweentwo6thgenerationdeepwatersemi-submersibledrillingplatforms

平台C1C2C3国外第六代深水半潜式钻井平台60．310．99728．00国内第六代深水半潜式钻井平台52．31．0129．61

从表3中的数据可以看出，建井周期附加工期C1和学习效率C2，国内第六代深水半潜式钻井平台优于国外第六代深水半潜式钻井平台，说明国内该平台的设备能力和管理水平均具有优势。国内该平台的最优建井周期C3略长，主要原因是国外平台在钻井时采用了批钻工艺，缩短了钻井作业时间。

3.2.2 深水半潜式钻井平台在南海西部作业情况的对比

到2015年7月为止，在南海西部进行过钻井作业的平台有国内第六代深水半潜式钻井平台(“海洋石油981”)、国内一座第四代深水半潜式钻井平台(“南海九号”)和国外一座深水半潜式钻井平台。其中国内第六代钻井平台钻了6口井，国内第四代钻井平台钻了1口井，国外钻井平台钻了2口井。比较了这三座半潜式钻井平台在南海西部钻井作业情况，如表4所示。

表4 南海西部作业的三座平台作业情况比较Table 4 Comparison of three platforms drilling in the western South China Sea

从表4可以看出，在南海西部作业的三个平台中，国内第六代深水钻井平台的平均建井周期最短，而且钻井时效明显高于国内第四代深水钻井平台。

3.2.3 深水半潜式钻井平台钻完井时效分析小结

通过以上分析可知，国内第六代深水半潜式钻井平台在我国南海东部进行前三口井的磨合钻井作业时，建井周期和生产时效均高于同为第六代的国外某半潜式钻井平台(亦为前三口磨合井)，国内第六代深水半潜式钻井平台的建井周期学习曲线也优于国外该平台。

对比了在南海西部作业的三座深水半潜式钻井平台：国内第六代半潜式钻井平台、国内第四代半潜式钻井平台和国外某深水半潜式钻井平台(各种作业参数均比较接近)。国内第六代半潜式钻井平台的建井周期和生产时效均为最优，不仅优于国内第四代半潜式钻井平台，也优于同为第六代的国外深水半潜式钻井平台。

此外，随着国内首座第六代深水半潜式钻井平台在作业中设备的磨合和人员管理水平的提升，该平台的钻井作业时效越来越高，在前三口井的作业中时效为83.53%，2014年到南海西部钻井的作业时效为89.26%，2015年在国外1 732.7 m海域钻井的作业时效则高达99.09%。

4 结 语

本文介绍了深水半潜式钻井平台钻井系统，分析了钻井平台的钻井能力，并对国内外深水半潜式钻井平台进行了比较，结果表明国内第六代深水半潜式平台钻井作业能力不仅优于国内的其他钻井平台，而且也优于国外典型的第六代深水半潜式钻井平台。对国内深水半潜式钻井平台实际钻完井作业情况进行了分析总结，特别是详细比较了国内外深水半潜式钻井平台在南海的实际作业参数，证明国内第六代深水半潜式平台建井周期、作业时效等参数均优于其他平台。

[1] 姜伟. 中国海洋石油钻深水钻完井技术[J]. 石油钻采工艺, 2015, 37(1): 7.

[2] 赵国兵.“海洋石油981”完成首口海外深水井钻探作业[N].中国海洋石油报, 2015-4-13(1).

[3] 孙国徽.“深水奇兵”的海洋强国梦[N].中国海洋石油报, 2015-4-13(1), 2015-6-10(3).

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

[5] 晏绍枝, 刘健, 黄平安. 深水半潜式钻井平台作业限制研究[J]. 化学过程与装备, 2012(7): 95.

[6] 盛磊祥, 阳文学, 唐海雄, 等. 深水钻井周期学习曲线分析[J]. 石油钻采工艺, 2012, 34(B09): 91.

[7] 盛磊祥, 何玉发. 海洋石油981钻完井作业时效分析报告[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

刘健(1973—),男，高级工程师，主要从事海洋钻采装备方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2015)06-0390-06