伊朗南帕斯11區(qū)(SP11)項(xiàng)目是中石油第一個(gè)海外海上大型天然氣田開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目，將在海上建設(shè)兩個(gè)導(dǎo)管架井口平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)鉆12口開(kāi)發(fā)井。由于在固定井口平臺(tái)上安裝平臺(tái)鉆機(jī)來(lái)鉆生產(chǎn)井需建大型固定平臺(tái)，工程費(fèi)用較高，且建成后平臺(tái)鉆機(jī)長(zhǎng)期閑置，將造成項(xiàng)目成本增加、資源浪費(fèi)。SP1項(xiàng)目井?dāng)?shù)不多，水深較淺，所以適合選擇較靈活和經(jīng)濟(jì)的自升式鉆井平臺(tái)鉆生產(chǎn)井，在導(dǎo)管架安裝后再行鉆完井作業(yè)。
自升式鉆井平臺(tái)需要在一次就位的前提下，覆蓋所有的井口，這就對(duì)自升式鉆井平臺(tái)的懸臂梁移動(dòng)覆蓋范圍及其負(fù)荷能力提出了要求，另外SP11氣田流體含硫化氫、井身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，套管尺寸較大，且每個(gè)平臺(tái)至少有4口深度近5000m大位移定向井，這些都對(duì)鉆井平臺(tái)的設(shè)備及其能力提出了較高的要求。如果鉆機(jī)能力過(guò)低，會(huì)影響鉆井的效率，甚至造成事故;如果太高又將導(dǎo)致資源和成本浪費(fèi)。所以，要兼顧安全、效率和成本，制定平臺(tái)設(shè)備的最低技術(shù)規(guī)范，選擇最適合南帕斯項(xiàng)目的船型，確保作業(yè)成功并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。
復(fù)雜井構(gòu)與地構(gòu)
挑戰(zhàn)平臺(tái)安全高效生產(chǎn)
SP11氣田兩個(gè)井口平臺(tái)的槽口設(shè)計(jì)均為3×5，縱向距離為1.83m，橫向距離為2.82m。15個(gè)槽口中，預(yù)留3個(gè)槽口，鉆12口井，1口直井，其余為定向井。氣田作業(yè)水深71.5m，生產(chǎn)井采用叢式井設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖1)，屬深井，井斜和水平位移大，多數(shù)井水平位移與垂直井深的比值在1:1以上，最深的一口井斜深為5149m，垂深3186m，水平位移3482m，井斜69°，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)提出了很高了要求。
所有生產(chǎn)井的井身結(jié)構(gòu)采用5層套管(包括尾管)結(jié)構(gòu)，包括26"導(dǎo)管，18-5/8"表層套管，13-3/8"技術(shù)套管，10-3/4"×9-5/8"生產(chǎn)套管，7"尾管+7"油管，下入深度分別為：180m、1480m、2210m、3940m和4980m。
生產(chǎn)井單井設(shè)計(jì)產(chǎn)氣量為283萬(wàn)方/天，地層流體中硫化氫和二氧化碳含量較高，分別為0.6%-0.9%和4%，地層較硬，鉆井的難度和風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)選擇具有足夠安全系數(shù)的鉆井平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)，保證鉆井的安全和高效。
懸梁臂：綜合負(fù)荷大于
最小，實(shí)際移動(dòng)小于最大
懸臂式自升鉆井平臺(tái)由于其靈活性和經(jīng)濟(jì)性，多用于海上叢式開(kāi)發(fā)井的鉆井等作業(yè)，就位靠海上固定式導(dǎo)管架以后, 鉆井井架可原地不動(dòng), 只需移動(dòng)懸臂梁和井架的上底座, 就可使鉆井轉(zhuǎn)盤(pán)覆蓋整個(gè)井口甲板區(qū)域。常規(guī)的懸臂梁可以沿甲板上的滑道縱向移動(dòng)，井架上底座可以在懸臂梁的滑道上側(cè)向移動(dòng)，見(jiàn)圖3，圖4。例如L780 Mod Ⅱ型自升式平臺(tái)，井架沿船體中心線方向縱向可以伸出最大距離40英尺(12.2米)，并且井架上底座可以向左舷或右舷移動(dòng)12英尺(3.61米)，即一次就位可以覆蓋12.2×7.22米的槽口面積。
根據(jù)操船手冊(cè)，懸臂梁的荷載是立根盒鉆柱負(fù)荷、大鉤負(fù)荷和轉(zhuǎn)盤(pán)負(fù)荷的總和，即懸臂梁綜合負(fù)荷(亦鉆臺(tái)的綜合負(fù)荷)。由于懸臂梁的強(qiáng)度和剛度所限, 在打懸臂后部的井時(shí)鉆臺(tái)的綜合負(fù)荷明顯減小，以 L780 Mod Ⅱ設(shè)計(jì)船型為例，懸臂梁負(fù)荷分布見(jiàn)表1。
觀察下表可以發(fā)現(xiàn)懸臂梁負(fù)荷分布的特點(diǎn)是：在中心線上，許用荷載與離開(kāi)船尾的距離關(guān)系不大，許用載荷下降不明顯。離開(kāi)中心線，許用荷載就會(huì)發(fā)生變化, 且變化規(guī)律是：在縱向伸出20ft以內(nèi)，許用載荷不變，超過(guò)20ft與離船艦距離成反比;從中心線往右舷或左舷方向移動(dòng), 與離中心線距離成反比。由此可以看出懸臂梁可變荷載最小的位置就是沿船舷的最邊緣與離船艦最遠(yuǎn)點(diǎn)的交匯處，即井架移位的最遠(yuǎn)端。從圖6中可以看出，L780 Mod Ⅱ型平臺(tái)井架在最遠(yuǎn)端作業(yè)時(shí),其綜合負(fù)荷由最大的567.5噸(1250千磅)降到只有165.3噸(364千磅)，因此，平臺(tái)的鉆井能力受到極大的限制。
荷載最小的位置恰好就是在鉆井作業(yè)過(guò)程中最薄弱和最容易出現(xiàn)問(wèn)題的地方, 特別是在出現(xiàn)卡鉆，卡套管等井下復(fù)雜情況時(shí)，如果大鉤負(fù)荷余量不足，將影響作業(yè)的效率，甚至?xí)䦟?dǎo)致嚴(yán)重事故。
由于SP11項(xiàng)目鉆井的難度比較大，對(duì)鉆井平臺(tái)要求高，需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定懸臂梁綜合負(fù)荷的最低要求。根據(jù)SP11項(xiàng)目的布井特點(diǎn)，外圍的井通常比較深，井斜和水平位移都比較大，為了避免刮碰，這些井的井口位置往往都設(shè)計(jì)在外排，恰好是懸臂梁負(fù)荷最薄弱的地方，因此主要以這類(lèi)井來(lái)校核懸臂梁。以最深的一口井為例，在鉆8-1/2井眼時(shí)，采用5-1/2鉆桿，裸眼中取0.4的摩擦系數(shù)，套管中摩擦系數(shù)取0.2， 鉆至井底5149m時(shí)，通過(guò)計(jì)算最大的上提負(fù)荷為210噸，考慮200噸左右的遇阻上提余量，大鉤負(fù)荷的極限情況應(yīng)該在400噸左右，此時(shí)，大部分鉆具都在井下，立根盒的負(fù)荷應(yīng)該較小，所以懸臂梁綜合負(fù)荷在400噸左右。
而當(dāng)下9-5/8"×10-3/4"套管時(shí)，以最深的一口井(斜深為5149m)為例，裸眼中和套管中的摩擦系數(shù)同樣分別取0.4和0.2，9-5/8" 套管鞋下至4100m時(shí)，上提負(fù)荷為310噸，根據(jù)“鉆機(jī)在鉆井作業(yè)期間所受最大負(fù)荷不得超過(guò)鉆機(jī)額定負(fù)荷的80%”的規(guī)定，并考慮遇阻取0.2的安全系數(shù)，極限上提負(fù)荷為372噸。此時(shí)鉆具全部在鉆臺(tái)上，經(jīng)計(jì)算，立根盒負(fù)荷為240噸，因此懸臂梁的綜合負(fù)荷為612噸，該值為懸臂梁綜合負(fù)荷的最低要求。
通常將難度大的井放在懸臂梁移動(dòng)距離小的槽口位置，難度相對(duì)小的井反之。以SP11項(xiàng)目為例，在懸臂梁的最遠(yuǎn)端至少有兩口井，除了一口直井外，井深最小的定向井為4010m，采用與上述相同的計(jì)算方式，當(dāng)下9-5/8"×10-3/4"套管時(shí)，得出懸臂梁的綜合負(fù)荷至少為459噸。
另外選擇平臺(tái)時(shí)要考慮槽口分布的特點(diǎn)，通過(guò)槽口間距離來(lái)確定懸臂梁的移動(dòng)范圍和負(fù)荷能力。通常要求懸臂梁能覆蓋所有的井位，特別是在離船尾最遠(yuǎn)并在中心線兩側(cè)最遠(yuǎn)的井口位置滿足鉆井的綜合負(fù)荷要求。根據(jù)SP11項(xiàng)目槽口分布的特點(diǎn)，假如就位精度可以達(dá)到1m，最后一排井的距離為11.19m，所以要求懸臂梁縱向至少可以伸出11.19m，見(jiàn)圖5。但對(duì)于這種自升式鉆井平臺(tái)靠導(dǎo)管架進(jìn)行生產(chǎn)井鉆井作業(yè)的情況，對(duì)自升式平臺(tái)的就位精度要求較高, 就位距離達(dá)到1m的操作難度較高，因此就位距離在1~2m的范圍內(nèi)比較合理，這就要求懸臂梁最大應(yīng)該能伸長(zhǎng)12.19m。同樣，考慮到懸臂梁橫向移動(dòng)存在一定誤差，所以鉆最遠(yuǎn)端的一口井時(shí)橫向位移應(yīng)為3.22m。因此要求所選平臺(tái)必須能滿足當(dāng)懸臂梁縱向伸出12.19m,橫向位移3.22m時(shí)，懸臂梁的綜合負(fù)荷至少為459噸。
由于波斯灣海況較好，可以不考慮風(fēng)力矩和洋流的影響。完井作業(yè)時(shí)，鉆井平臺(tái)要升過(guò)井口平臺(tái)的上部模塊，因此對(duì)于樁腿，升船高度要超過(guò)鉆井平臺(tái)的名義工作水深。SP11項(xiàng)目水深71.5m，由于海床硬度較大，根據(jù)鄰區(qū)經(jīng)驗(yàn)，最大的插樁深度為9m，并留出2m安全余量。上部模塊的海拔高度為26m，因此通過(guò)計(jì)算樁腿的長(zhǎng)度至少要102.5m，見(jiàn)圖6，所以名義鉆井水深大于90m(300ft)的鉆井平臺(tái)才能滿足要求。
鉆機(jī)主要設(shè)備配置
制約平臺(tái)選用
絞車(chē)和頂驅(qū)都是在鉆8-1/2井眼時(shí)達(dá)到工作能力極限，而泥漿泵極限則出現(xiàn)在鉆12-1/4井眼，因此需要平臺(tái)至少配備四臺(tái)1600KW的柴油發(fā)電機(jī)組作為主動(dòng)力(絞車(chē)1600馬力，頂驅(qū)800馬力，泥漿泵2300馬力，加輔助設(shè)備和生活用電等)，和一臺(tái)1000KW左右的應(yīng)急發(fā)電機(jī)。通常7000m的鉆機(jī)基本可以達(dá)標(biāo)。由于地層含有H2S有毒氣體，需要平臺(tái)有足夠的泥漿池容積，當(dāng)打開(kāi)生產(chǎn)層段時(shí)，至少需備1.5-2倍井眼容積的加重泥漿，泥漿池的容積在 400方為宜。平臺(tái)散裝料或灰罐等倉(cāng)儲(chǔ)能力、可變載荷及甲板面積可以不作為鉆井平臺(tái)選型的主要依據(jù)，如懸臂梁、樁腿及主要設(shè)備都能滿足作業(yè)要求，其他的方面基本不成為主要制約因素。
350-375ft船型更適合
適合項(xiàng)目的鉆井平臺(tái)的主要設(shè)備最低配置見(jiàn)表2。
通常鉆井平臺(tái)的選型要綜合考慮懸臂梁、樁腿、鉆井、倉(cāng)儲(chǔ)能力和泥漿池容積、平臺(tái)可變載荷及甲板面積等因素。結(jié)合目前自升式平臺(tái)的特點(diǎn)和市場(chǎng)發(fā)展，對(duì)于 SP11項(xiàng)目的平臺(tái)選型應(yīng)主要考慮懸臂梁能力。目前自升式鉆井平臺(tái)市場(chǎng)上300ft(91.2m)及以上作業(yè)水深的主要船型設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。
據(jù)表2中SP11項(xiàng)目對(duì)自升式平臺(tái)的要求，可以看出，表3中：
• F&G L-780Mod Ⅱ船型懸臂梁移動(dòng)范圍和載荷能力都明顯低于選型要求。
• BMC 300-vIC在作業(yè)水深為300ft的船型中比較適合。
• 作業(yè)水深350-375ft的船型Le Tourneau 116-C 和MSC CJ 62 S120能力偏低。
• 400ft及以上的船型都充分滿足要求，但日費(fèi)率較高，會(huì)增加作業(yè)的成本，不建議選用。
綜上，懸臂梁最大載荷在760-980噸的平臺(tái)是SP11項(xiàng)目鉆井作業(yè)的最佳選擇，這些鉆井平臺(tái)主要集中在350-375ft的船型中。
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