陈世春,张晓东,梁红军,任雅婷,李国芳

(1.塔里木油田公司a.第四勘探公司;b.勘探事业部,新疆库尔勒841000; 2.西南石油大学机电工程学院,成都610500)

塔里木地区超深井钻机配置

陈世春1a,张晓东2,梁红军1b,任雅婷2,李国芳1a

(1.塔里木油田公司a.第四勘探公司;b.勘探事业部,新疆库尔勒841000; 2.西南石油大学机电工程学院,成都610500)

钻井装备的制造及配套直接关系到勘探开发水平和钻井效益。为给定的井选择合适的钻机,对实现技术经济和社会效益,完成既定的油气勘探目的都具有十分重要的意义。根据塔里木地区超深井的实际情况进行了钻机优选,得到了优选配置方案,并提出了改进意见。

超深井;钻机;配置;选择

从我国陆地油气资源分布格局来看,东部老区作为国内石油资源主力产区,浅层和中深层的勘探程度较高,深层及超深层探明程度很低,具有很大的石油资源潜力;中部地区是天然气富集区,有超过1/2的天然气资源量在深部地层;西部地区是国内石油产量的主要战略接替区,近70%油气资源埋藏在深部地层。因此,深井、超深井钻机将起重要作用。根据塔里木地区超深井情况,进行了深井、超深井钻机优选配置和结构改进。

1 塔里木某井基本情况

钻机配置是根据给定的钻井工程设计,优选出经济、合理的钻井设备。以塔里木某井为例,分析塔里木地区超深井钻机的配置选择。

塔里木某井设计井深7 600 m,目的层压力系数高、压力大、泥浆密度高,对井控要求高,属于“三高”井。从井身结构(如表1)可看出,井眼尺寸大,大尺寸套管下入深。基本钻井参数和套管设计如表2～3。

表1 塔里木某井井身结构

2 钻机主体

2.1 提升设备

提升系统的作用是起下钻杆柱更换钻头、下套管柱控制钻头钻进等,因此提升系统必须能够承受钻杆柱和套管柱的重力。

2.1.1 最大钻柱重力

提升系统要承受钻杆柱重力,即钻杆柱重力≤钻机最大钻柱重力。在最大钻柱提升时,提升速度约015 m/s,提升动载很小,钻杆柱受到的井壁摩擦阻力和井内泥浆浮力可近似认为相互抵消,所以把最大钻柱钩载近似地认为等于最大钻柱在空气中的重力,由此得到钻机提升设备应满足的最大钻柱重力。根据API规范,取钩载储备系数 KQ=2,可计算得到钻机应满足的最大钩载。

钻杆选用∅139.7 mm(51/2英寸)钻杆,与∅127 mm(5英寸)钻杆质量相似,参考∅127 mm钻杆加钻铤后的平均线质量约为36 kg/m,可得最大钻杆重力为7 600×36×918=2 736 kN(如表2),由此可得钻机最大钩载 ≥2×2 736=5 472 kN (KQ=2)。

表2 塔里木某井钻井参数

表3 塔里木某井套管设计

2.1.2 最大套管柱质量

考虑到下套管时钻井液产生的浮力影响,下套管时钻机大钩承受的载荷为

Qmax=套管柱质量×9.8(1-ρm/ρs)

式中,ρm、ρs分别为钻井液密度和套管钢材密度,g/cm3。

由于动载对井架、底座及整个提升设备的影响以及指重表的滞后现象,指重表反映不出大钩的实际瞬时载荷,所以在确定套管重力时,还应考虑一个1.33倍的系数[1]。因此,选择钻机提升设备时应满足公式,即

式中,M为钻定向井附加的摩阻系数,钻直井时可忽略不计。

由表3可知,最大套管质量为0～6 898 m技术套管柱质量,即623.1 t,塔里木某井为直井,摩阻系数可忽略不计,套管钢材密度为7.85 g/cm3,钻井液密度为1.45 g/cm3,可得钻机最大钩载为1.33× 623.1×9.8(1-1.45/7.85)≈6 756 kN,即钻机提升设备最大钩载应不小于6 756 kN。

2.2 钻台高度

钻台高度应满足安装井口装置和井控装置以及钻井液固控系统的正常工作,并在标准中取值。对超深井钻机,钻台下净空高度要求更高,应取标准中较大值。

由图1可知,钻台高度应不小于12 m。

2.3 转盘开口直径

定义转盘开口直径为Dr,是指转盘取出大方补心后转台内的通孔直径,可由各级钻机最大井深开钻用的最大钻头直径 Dbmax确定,Dr通常比 Dbmax约大10 mm。Dr综合反映转盘扭矩Mr、转盘功率 Nr以及转盘主轴承受静、动载荷的大小。塔里木某井最大钻头直径 Dbmax=660.4 mm,转盘开口直径Dr≥670 mm。

根据上述配置方案,塔里木某井可选择ZJ120/ 9000型钻机,基本参数如表4。可以看出,该型钻机最大钩载9 000 kN,钻台高度12 m,转盘开口直径>670 mm,能满足要求。

图1 一开井口装置示意

3 钻井泵

三缸单作用活塞泵功率计算式[1]为

式中,PB为考虑了功率储备的钻井泵功率,kW;Q为各井段钻井参数中要求的排量,L/s;p为各井段钻井参数中与排量相对应的压力,MPa;ηv为三缸单作用活塞泵容积效率,ηv=0.95～0.96;ηm为三缸单作用活塞泵机械效率,ηm=0.90～0.93;ηh为三缸单作用活塞泵水力效率,ηh=0.90～0.93。

将各井段排量Q和压力p代入式(1),可计算出各井段所需钻井泵功率。计算时,取ηv=0.95,ηh=0.94,ηm=0.92,即

表4 ZJ120/9000型钻机基本参数

一开井段:

二开井段:

三开井段:

四开井段:

计算出的各井段钻井泵功率较大者即1 237181 kW为应选择的钻井泵功率;然后根据钻机配置要求,选择相同功率的钻井泵台数,选择的钻井泵台数应能保证至少有2台泵始终处于正常工作状态;钻井泵的最大排量和压力应满足表2中的最大排量和压力。

五开井段:根据SY/T 6724—2008《石油钻机和修井机的基本配置》标准,选择3台F-1600型钻井泵,则输入总功率为 3×1 177 kW(1 600 hp)=3 530 kW (4 800 hp),最大排量为50.42 L/s,最大压力为34. 5 MPa。

4 固控系统

4.1 固控系统容积

美国石油学会确定固控系统容积的方法有3种,但只有一种可操作性较好,即按照井眼容积确定固控系统容积,固控系统最小容积V=100桶+井眼容积,该方法简称API方法一。国内确定固控系统容积的方法主要有2种:①固控系统容积V=井筒容积×(1.5～2.0),该方法简称方法二;②固控系统容积V=(钻机名义钻井深度/(20～22)×130%,该方法简称方法三。李彬等研究得到的钻机固控系统容积统计及分析如表5[2]。由表5可见,API方法一计算的容积偏小;方法二和方法三所得结果与实际应用状况相比,ZJ30型以上钻机计算结果较为接近,可以满足现有钻井作业需要。《石油钻机和修井机基本配置》标准中规定了各级钻机的固控系统容积,应用时可参照表5,以钻机型号为基础确定配套固控系统的容积。

表5 钻机固控系统容积统计

4.2 固控系统配套方案

目前已投入市场的固控设备有振动筛、除砂器、除泥器、微型除泥器、离心机等。由于这些设备的作用原理及结构不同,因此所分离的固相颗粒有一定的范围。为了满足不同地区的钻井施工,在设计固控系统时,通常会考虑应用到各种不同的钻井工况,因而所有的固控设备都要选用,如表6。在使用时,只需根据对井口返出的泥浆的分析结果来调整确定使用哪种或哪几种固控设备。

表6 泥浆粒度与固控设备配套方案

从经济性角度考虑,使用不同配套方案所需总费用如表7。

从分离效率角度考虑,使用不同配套方案的分离效率如表8。

为了在某种条件下选择一种最佳配置方案,尽可能地减少钻井成本,在对经济性和分离效率评价的基础上,优先考虑固控系统经济性或清除效率时,选用振动筛+除砂器+除泥器+离心机;优先考虑设备费用时,选用振动筛+离心机;优先考虑设备费用与清除效率二者时,选用振动筛+除砂器+离心机;优先考虑其他二者或者兼顾三者因素时,选用振动筛+除砂器+除泥器+离心机;对加重泥浆,优先选用振动筛+除砂器+清洁器+离心机的配套方案经济合理。

表7 固控设备使用费用 元/h

由表5查出ZJ120/9000型钻机固控系统总容积约600 m3,因选用加重泥浆,因此固控系统选用振动筛+除砂器+清洁器+离心机的配套方案。

表8 不同配套方案的固控设备分离效率

5 塔里木某井超深井钻机配置

在实际使用中,塔里木某井的超深井钻机配置如表9。由表9看出,选用的钻机为ZJ90DB型电驱动钻机,这是基于名义钻井深度选取的,但忽略了塔里木某井井眼尺寸大、大尺寸套管下入深的实际情况。ZJ90DB型钻机的最大钩载偏小,在处理解卡等问题时可能会出现能力不足的问题,建议改为ZJ120DB型钻机。选用3台F-1600HL型高压钻井泵,最大压力达到52 MPa,钻井泵参数如表10。对钻机来说,所配钻井泵压力越大,泵送能力越强,如果经济上允许,选择此种钻井泵是可行的。

6 结论

1) 由上述计算分析,可优选 ZJ120/90型钻机,钻台高度为12 m,配3台F-1600型泥浆泵,固控系统选用振动筛+除砂器+清洁器+离心机的配套方案,固控罐容积为600 m3。

表9 塔里木某井电动钻机配置

2) 塔里木某井井眼尺寸大,大尺寸套管下入深,因此选择ZJ120/90型钻机,而F-1600型泥浆泵能够满足要求,因此不必按照标准选配F-2200型泥浆泵。

3) 选用钻机参数时,要参照标准但不能局限于标准,应结合实际做出替换方案。

表10 F-1600H L型钻井泵性能参数

[1] 李国庆,马家骥.深井钻机及其配置的优选[J].石油矿场机械,1992,21(4):15-20.

[2] 李 彬,苏金洋,卢胜勇,等.钻井液固相控制系统容积分析[J].石油矿场机械,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“石油天然气装备”教育部重点实验室资助项目(2006STS04)

陈世春(1967-),男,河北唐山人,高级工程师,1991年毕业于大庆石油学院钻井工程专业,现从事钻井设备的管理工作,E-mail:TLMHB@VIP.163.com。