井工厂式极地专用大位移钻机介绍

王建宁，刘 畅，沈海超，万州亮，田院生，郑 力

（中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京100026）

井工厂式极地专用大位移钻机介绍

王建宁*，刘 畅，沈海超，万州亮，田院生，郑 力

（中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京100026）

随着传统区域油气资源的枯竭，人们越来越重视极地的勘探和开发。极地区域气候条件恶劣，钻井难度大。萨哈林1号项目的Yastreb钻机是一台专为极地设计的井工厂式大位移钻机，可在零下40℃环境下作业，并能抵御8级烈度地震。该钻机经不断改进成功钻探了33口大位移井，在有限的井场面积内开发了2个近海油气田。该钻机配备TDX-1250型大功率顶驱、全封闭式井架、专业管棚和集约化钻井辅助模块，最大钻探深度超过12000m，水平钻探位移超过11000m。中国石化集团所属的维宁区块与该钻机所处的柴沃油田是相邻区块，两者离岸距离和油藏埋深都非常接近。Yastreb钻机对维宁区块大位移钻机的选择有积极的指导意义。

井工厂；极地；钻井；大位移钻机；油气田

随着传统地区油气资源的逐渐枯竭，环境恶劣的极地成为油气勘探的新热点。但极地区域冬季漫长、气候寒冷、环境脆弱。特别是极地海区大部分时间被冰雪覆盖，移动式钻井平台年作业窗口非常狭窄，而固定式冰级平台投资巨大，后勤补给和油气外输都很困难，环保要求苛刻。俄罗斯萨哈林岛东北大陆架在地理上就属于极地气候[1]。为了开发该区域的近海油气田，萨哈林1号项目联合Park Drilling公司制造出世界上第一台井工厂式极地专用大位移钻机Yastreb号，来实现海油陆采。该钻机功能强大，最大水平钻探位移可超过11000m，迄今为止已钻成大位移井33口，成功开发了柴沃和奥多普图2个近海油气田。中国石化集团所属的萨哈林3号项目维宁区块毗邻柴沃油田，两者地理环境和油气藏离岸距离都非常相似。Yastreb钻机的功能和结构特点对维宁区块未来钻机的选择有积极的借鉴意义。

1 Yastreb钻机特点和功能

Yastreb钻机是目前世界上在产的唯一一台针对极地气候设计的井工厂式大位移钻机。自投产以来经过多次技术改造，始终在业内处于领先地位，并突出表现为以下几个特点。

钻探能力超强。该钻机为直流变频驱动钻机。顶驱最大承重载荷1250t，持续扭矩122kN·m，最大钻探深度超过12000m，水平位移超过11000m。2013年该钻机在柴沃油田所钻的Z-42井创造了井深12700m，水平位移11739m的最新世界纪录，用时仅70d[2]。目前世界前3口最大井深大位移井（Z-42，Z-44和OP-11）均为该钻机钻探。国内宝鸡石油机械厂生产的ZJ120DB型钻机名义钻探深度已达到到12000m，取得可喜的成就。但遗憾的是适合大位移井钻探作业的扭矩超过90kN·m的大功率顶驱仍未实现国产化。

配置集约化。Yastreb钻机由钻机主体、钻机辅助模块、管棚等3大部分组成。如图1所示。钻机主体下部架设有2条滑动导轨和4个1500L电动液压缸。柴油机、发电机、泥浆泵、固控设备、泥浆罐等集中分层安装在辅助模块里，节省了总占地面积。全封闭式管棚为钻杆和套管水平存放区，下部同样设有导轨。在不同井间作业时钻机各部件整体移动，无需任何拆卸和重新连接。钻机在井间滑移一般用时在2h以内。Yastreb实现了一台钻机利用一个井场快速开发一个油田的井工厂模式[3]。

作业自动化。钻台立管盒内只有3000m的钻杆容积。大部分钻杆水平放置在管棚内。井架二层台不设井架工工位。接、起钻杆均使用钻台摆管臂和液压猫道机配合顶驱来完成。钻具上扣和卸扣作业由铁钻工完成并使用液动卡瓦代替手动卡瓦。管棚内设有连扣机，可实现Ø60.33mm～Ø346mm管具的连、卸扣作业。管子桁吊机可实现场地管子摆放的自动化。

图1 Yastreb钻机布局

设计人性化。钻机虽然位于极地寒冷气候中，但钻机内部装备暖风系统，能保证工人在21℃恒温条件下舒适工作。由于设备自动化程度较高，人员的体力劳动强度较普通陆地钻机大为降低。由于钻机和辅助设备整体移动，工人也无需在寒冷条件下进行室外复杂的连接作业。此外钻机外部通向库房和住宿区的步道，均采用高架网板桥的结构，利于在大雪条件下的人员通行。

地域针对性强。钻机所处区域冬季最低温度零下40℃，最大风速75节，50年一遇地震烈度Ⅷ级，区域环境极度敏感。针对以上区域特点，钻机主体、辅助模块和管棚实行全密封保温设计，主要受力单元的钢材为低温钢材质，整体满足零下40℃工作环境。钻机在井架前面设计安装一个副井架以提高抗风、抗扭和抗震能力，同时利用副井架空间安装摆管臂和立管盒。此外，导轨的桩基打入地面以下16m的永冻层以使钻机整体达到抵抗8级地震能力。钻台上设有废浆导流槽，管棚和辅助模块下部使用钢板封闭，在钢板上也设有多条油水导流槽。最终污、油水会聚集到废液罐，后经岩屑注入系统注入到地下。污、油水从产生到注入地下和外界环境没有任何接触。

Yastreb钻机特色鲜明，针对性强，有效满足了极地区域大位移钻井作业的需要。目前国内钻机生产商对极地钻机较为注重低温钢材的使用和少数关键部位的保温，但对钻机整体保温、自动化与人性化设计、环保措施等方面研究较少。随着国内油公司走出去步伐的加快和对于极地钻机需求的增加，国内钻机生产单位应对上述方面予以重视。

2 主要设备与参数

2.1 大功率顶驱装置

顶驱是大位移钻井的最关键设备之一。Yastreb钻机在投产初期使用了当时Vaco公司最先进的TDS-8SA型电动直流顶驱。该顶驱在110r/min条件下连续工作扭矩为81kN·m。但在萨哈林1号项目的大位移井中，在8000m左右井深的Ø311.2mm井段和10000m左右井深的Ø215.9mm井段经常遇到钻进扭矩超过80kN·m的情况，不得不以牺牲机械钻速为代价来保证顶驱的正常工作。后Vaco公司为此专门设计生产了目前世界上最大功率的TDX-1250型大功率交流变频顶驱，基本解决了萨哈林1号项目大位移钻井顶驱扭矩短板问题[4]。TDX-1250型大功率顶驱主要参数见表1。

表1 TDX-1250型大功率顶驱主要参数

2.2 循环系统设备

泥浆循环压力高是大位移井施工的主要特点之一。Yastreb钻机配备了4台国民油井公司生产的12P-160型三缸柱塞泵。在萨哈林1号项目大位移井9000m以下井段，循环压力普遍在34.5MPa以上，泥浆泵泵头刺漏故障频繁。经常出现泥浆泵用三修一甚至用二修二现象。这一点应引起相关制造商的重视。12P-160泥浆泵主要参数见表2。

固控设备配备Derrick振动筛8台、除砂器1台、除泥器2台、离心机1台。泥浆循环罐总容积285m3，备用罐总容积365m3，储备罐总容积1564m3。

2.3 提升设备

Yastreb绞车型号为OⅡME E-3000，输入功率为2235kW，性能低于目前国内9000m钻机通常配备的2570kW的绞车。此外，Yastreb钻机的绞车处于高位，即安装在钻台上，以利于井架全封闭保温，这一点与国内大功率陆地钻机不同。

表2 12P-160泥浆泵主要参数

井架高54.86m，安装天车部位尺寸为3.8m×3.9m以适应大功率顶驱的安装。井架最大额定静载7500kN，在排满钻杆立柱条件下抗风能力达70节，无立柱条件下抗风能力为75节。钻台净高10.67m，平面尺寸为10.7m×7.6m。

2.4 管棚

管棚长40.37m，宽40m，总面积1615m2，净高7m，可同时水平放置12000m的钻具和8000m的Ø244.5mm套管。管棚内有液压猫道机1台，型号为NOV Hydralift；钻具连扣机1台，型号为Weatherford Torque Wizard 15-210(5)，适应钻具通径范围为Ø76.2mm～Ø381mm；套管连扣机1台，型号为CAM Unit F-13.375/100，适应管具通径范围为Ø60.3mm～Ø346mm；吊管机2台。管棚在满载荷条件下总重3500t。

2.5 配备钻具

Yastreb钻机开始时仅配备了Ø149.27mm WT56型钻杆，但在柴沃油田大位移井实钻过程中钻杆磨损较大，施加扭矩受到限制。之后在奥多普图油田钻探时改配置为Ø168.28mm XT69、Ø149.23mm XT57和Ø127mm HT50等3种类型钻杆，并实行倒塔式钻具组合。上部井段使用Ø168.28mm XT69和Ø149.23mm XT57两种钻杆，在Ø215.9mm井段使用Ø127mm HT50型钻杆。钻具整体抗扭效果良好，并可降低当量循环密度0.18g/cm3以上。上述4种钻杆数据请见表3。

表3 Yastreb配备钻杆数据

3 完成的钻井情况

Yastreb钻机共在萨哈林1号项目钻探大位移井33口，其中在柴沃油田1期钻探16口，在奥多普图油田钻探9口，在柴沃油田2期钻探8口。所钻井中共有21口大位移井井深超过10000m。超过10000m的大位移井平均用时少于60d，平均非生产时效小于8%。其中OP-11井井深 12345m，垂深 1784m，水平位移11479m，钻井周期58d，非生产时效小于1%，是萨哈林1号项目建井效率最高的井[5]。

4 结论

（1）Yastreb钻机设计专业、理念先进是世界首台井工厂式极地专用大位移钻机，高效开发了萨哈林1号项目2个近海油气田。同时Yastreb钻机也在施工过程中不断总结经验，通过升级改造克服各种困难。

（2）虽然极地气候恶劣，但全密封井架、专业管棚并配备适当的暖风系统完全有能力满足保温需要。副井架的安装、减少钻台立柱数量和桩式地基是预防地震的有效手段。

（3）高扭矩顶驱和钻具是大位移钻井的关键工具。从Yastreb配置升级情况来看，对于10000m以上的大位移井应该配备100kN·m以上连续扭矩能力的大功率顶驱。高扭矩钻杆配置方面应以倒塔式钻具组合方式为宜，上部大尺寸钻杆可以满足高扭矩需要，下部小直径钻杆可以降低当量循环密度。

（4）国民油井公司4台12P-160型三缸柱塞泥浆泵可以满足10000m以上大位移钻井需要，但故障率过高，有升级的必要。

（5）Yastreb钻机对中石化维宁区块大位移钻机的选择有积极的参考意义，同时对国内企业极地钻机的研发也有借鉴意义。

[1]Michael W.Walker.Pushing the Extended Reach Envelope at Sakhalin:An Operator's Experience Drilling a Record Reach Well[R].SPE 151046,IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition held in San Diego,California,USA,6-8 March 2012.

[2]Morten Grini,Vincent Kessler.Sakhalin-1:Key Chayvo Drilling Results and Planning the Interfield move of the World's Largest land Rig on Sakhalin Island[R].OTC 20308 Offshore Technology Conference in Huston,Texas,USA 4-7 May,2009.

[3]Jim Ladlee.The Implications of Multi-Well Pads in the Marcellus Shale[J/OL].Research&Policy Brief Series,http://cardi.cornell.edu/cals/devsoc/outreach/cardi/publications/research-and-policy-brief-series.cfm,2011,9.

[4]Vishwas P.Gupta,Angel H.P.Yeap,Kyle M.Fischer,et al.Expanding the Extended Reach Envelope at Chayvo Field,Sakhalin Island[R].IADC/SPE 168055,2014 IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition,4-6 March,Fort Worth,Texas.

[5]Jed M.Hmilton,Josh E.Jones.Sakhalin-1:Technology Development for Frontier Arctic Projects[R].OTC20208 Offshore Technology Conference in Huston,Texas,USA 4-7 May,2009.

TE922

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1004-5716(2015)03-0073-04

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2015-01-15

中国石化集团国际石油勘探开发有限公司北维尼凝析气田大位移井钻完井技术研究（编号：RS012009）。

王建宁（1981-），男（汉族），河南盐山人，工程师，现从事海洋钻井技术管理工作。