塔里木地區超深井鉆機配置

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.勘探事業部,新疆庫爾勒841000; 2.西南石油大學機電工程學院,成都610500)

塔里木地區超深井鉆機配置

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.勘探事業部,新疆庫爾勒841000; 2.西南石油大學機電工程學院,成都610500)

鉆井裝備的制造及配套直接關系到勘探開發水平和鉆井效益。為給定的井選擇合適的鉆機,對實現技術經濟和社會效益,完成既定的油氣勘探目的都具有十分重要的意義。根據塔里木地區超深井的實際情況進行了鉆機優選,得到了優選配置方案,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,東部老區作為國內石油資源主力產區,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;中部地區是天然氣富集區,有超過1/2的天然氣資源量在深部地層;西部地區是國內石油產量的主要戰略接替區,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。根據塔里木地區超深井情況,進行了深井、超深井鉆機優選配置和結構改進。

1 塔里木某井基本情況

鉆機配置是根據給定的鉆井工程設計,優選出經濟、合理的鉆井設備。以塔里木某井為例,分析塔里木地區超深井鉆機的配置選擇。

塔里木某井設計井深7 600 m,目的層壓力系數高、壓力大、泥漿密度高,對井控要求高,屬于“三高”井。從井身結構(如表1)可看出,井眼尺寸大,大尺寸套管下入深。基本鉆井參數和套管設計如表2～3。

表1 塔里木某井井身結構

2 鉆機主體

2.1 提升設備

提升系統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泥漿浮力可近似認為相互抵消,所以把最大鉆柱鉤載近似地認為等于最大鉆柱在空氣中的重力,由此得到鉆機提升設備應滿足的最大鉆柱重力。根據API規范,取鉤載儲備系數 KQ=2,可計算得到鉆機應滿足的最大鉤載。

鉆桿選用?139.7 mm(51/2英寸)鉆桿,與?127 mm(5英寸)鉆桿質量相似,參考?127 mm鉆桿加鉆鋌后的平均線質量約為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

表3 塔里木某井套管設計

2.1.2 最大套管柱質量

考慮到下套管時鉆井液產生的浮力影響,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、底座及整個提升設備的影響以及指重表的滯后現象,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,還應考慮一個1.33倍的系數[1]。因此,選擇鉆機提升設備時應滿足公式,即

式中,M為鉆定向井附加的摩阻系數,鉆直井時可忽略不計。

由表3可知,最大套管質量為0～6 898 m技術套管柱質量,即623.1 t,塔里木某井為直井,摩阻系數可忽略不計,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,即鉆機提升設備最大鉤載應不小于6 756 kN。

2.2 鉆臺高度

鉆臺高度應滿足安裝井口裝置和井控裝置以及鉆井液固控系統的正常工作,并在標準中取值。對超深井鉆機,鉆臺下凈空高度要求更高,應取標準中較大值。

由圖1可知,鉆臺高度應不小于12 m。

2.3 轉盤開口直徑

定義轉盤開口直徑為Dr,是指轉盤取出大方補心后轉臺內的通孔直徑,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綜合反映轉盤扭矩Mr、轉盤功率 Nr以及轉盤主軸承受靜、動載荷的大小。塔里木某井最大鉆頭直徑 Dbmax=660.4 mm,轉盤開口直徑Dr≥670 mm。

根據上述配置方案,塔里木某井可選擇ZJ120/ 9000型鉆機,基本參數如表4。可以看出,該型鉆機最大鉤載9 000 kN,鉆臺高度12 m,轉盤開口直徑>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為各井段鉆井參數中要求的排量,L/s;p為各井段鉆井參數中與排量相對應的壓力,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

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為應選擇的鉆井泵功率;然后根據鉆機配置要求,選擇相同功率的鉆井泵臺數,選擇的鉆井泵臺數應能保證至少有2臺泵始終處于正常工作狀態;鉆井泵的最大排量和壓力應滿足表2中的最大排量和壓力。

五開井段:根據SY/T 6724—2008《石油鉆機和修井機的基本配置》標準,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

4.1 固控系統容積

美國石油學會確定固控系統容積的方法有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容積,固控系統最小容積V=100桶+井眼容積,該方法簡稱API方法一。國內確定固控系統容積的方法主要有2種:①固控系統容積V=井筒容積×(1.5～2.0),該方法簡稱方法二;②固控系統容積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容積統計及分析如表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果與實際應用狀況相比,ZJ30型以上鉆機計算結果較為接近,可以滿足現有鉆井作業需要。《石油鉆機和修井機基本配置》標準中規定了各級鉆機的固控系統容積,應用時可參照表5,以鉆機型號為基礎確定配套固控系統的容積。

表5 鉆機固控系統容積統計

4.2 固控系統配套方案

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

表6 泥漿粒度與固控設備配套方案

從經濟性角度考慮,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,在對經濟性和分離效率評價的基礎上,優先考慮固控系統經濟性或清除效率時,選用振動篩+除砂器+除泥器+離心機;優先考慮設備費用時,選用振動篩+離心機;優先考慮設備費用與清除效率二者時,選用振動篩+除砂器+離心機;優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,優先選用振動篩+除砂器+清潔器+離心機的配套方案經濟合理。

表7 固控設備使用費用 元/h

由表5查出ZJ120/9000型鉆機固控系統總容積約600 m3,因選用加重泥漿,因此固控系統選用振動篩+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,最大壓力達到52 MPa,鉆井泵參數如表10。對鉆機來說,所配鉆井泵壓力越大,泵送能力越強,如果經濟上允許,選擇此種鉆井泵是可行的。

6 結論

1) 由上述計算分析,可優選 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,因此不必按照標準選配F-2200型泥漿泵。

3) 選用鉆機參數時,要參照標準但不能局限于標準,應結合實際做出替換方案。

表10 F-1600H L型鉆井泵性能參數

[1] 李國慶,馬家驥.深井鉆機及其配置的優選[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年畢業于大慶石油學院鉆井工程專業,現從事鉆井設備的管理工作,E-mail:TLMHB@VIP.163.com。