自主知识产权的3 000 m深水半潜式钻井平台, 这将有力促进我国海洋石油装备的快速发展。
当前, 我国海上油气勘探开发主要集中在大陆架区块, 水深不超过300 m, 钻井深度在7 000 m以内, 水下生产系统设备几乎全部依赖进口, 海上原油发现率仅为1815% , 天然气发现率仅912%。资料显示, 我国拥有海洋钻井平台的数量相对较少。作为我国具有国际竞争力的海上石油公司, 中海油拥有平台的基本情况为: 固定平台65座、自升式平台9座、半潜式平台3座、FPSO 14座。
根据当前和21 世纪前期海洋石油钻井业向深水( 1999-05, 实际钻井工作水深已达2 347 m, 1999 年实际海底采油树的工作水深达1 853 m) 、深井、大斜度井、大水平位移井( 1999-01, 达11 021 m, HD∶TV D= 10 497 m∶1 666 m= 6. 3) 、孔底多支井( 1口井中有6 口水平井) 、控制自动化、电脑化、低成本、高效率等方向发展的趋势, 世界海洋石油钻机相应得到很大发展。海洋石油钻机的发展, 在很大程度上代表和促进了陆地石油钻机的发展。
1996 年来, 一种集钻机顶部驱动回转钻井、绞车升降、钻具自动排放、遥控操作泥浆泵、防喷器、节流压井管汇的钻机以及由宽大、舒适, 以透明玻璃罩与井场设施设备隔开的控制室组成的全自动控制钻机, 在美国Pool 公司所属新奥尔良的试验基地出现。据介绍, 该钻机仅由2 人坐在玻璃罩内控制室的转椅上进行控制操作( 1 人负责整套钻机钻井操作,另1 人负责钻具排放操作) 。可以预料, 由各种不同型号的钻机、井口液控拧卸排放钻具、以计算机进行优化参数的全自动控制钻机( 操作者只需进行监控、调节维护保养) 将在21 世纪初得到实际应用。
四 大型石油钻机更新的发展趋势
由于石油勘探向更深的海域和陆地深处进行钻井, 而且, 随着钻井新工艺的发展, 出现了采用水平井、方向井、超深井等来寻找油气的趋势, 使得石油钻机必须突破传统的结构型式, 以满足各类钻井的要求。石油钻机绞车要满足大功率的需要。提升负荷相应增大, 一般达2 940~ 5 145 kW, 提升负荷向10 000 kN 进展。这就对石油钻机绞车生提出了更高的要求。
1.绞车的传动
过去最多装有3 台GE752 型直流电动机传动,现在要装上4 台高扭矩的GE752 型直流电动机。但传动元件的套筒滚子链条最多为10 排链条, 如要传递更大的功率, 这种多排链条难以承受, 因此, 大功率、高精度的齿轮传动箱逐渐在大功率绞车中得到应用。
采用齿轮传动箱不仅可以减少绞车传动尺寸,满足整台钻机的布置要求, 而且对于使用自动送钻和能耗制动提供了方便, 使钻井向机电一体化迈进。 2.电动机
原来, 最先进的传动动力是采用直流电驱动钻机, 并且使用到陆、海深井钻机上。由于深海油气井的开发和陆地油气的中、深钻井, 这种直流电驱动钻机也逐渐暴露出了缺点。 因为直流电动机的结构不能满足不产生火花的要求。尤其是高压气井的钻进, 这对直流电动机是致命的缺点。随着变频技术的发展, 目前大型海洋平台和深井陆地钻机都采用交流变频电动机, 因此,无火花产生, 而消除了火灾隐患。并且在交流变频电动机的常规形式上引进永磁式电动机, 功率因数接近1, 并且适用于大功率、高速旋转, 体积是常规的1/ 2~ 1/ 3, 尤其在顶部驱动钻进方面是用户首推的方式。 3.辅助刹车
不但丢弃了水刹车, 而且使电磁涡流刹车也在逐渐退出市场。目前最新型刹车是水冷、气动盘式辅助刹车或液压盘式刹车, 使其在紧急时可以刹住钻具, 而省去带刹车, 使结构更趋于简化, 相应尺寸大大减少。
4.泥浆泵的变化
首先为满足水平井、长距离钻井的要求, 要使泥浆泵增大泵压和排量, 增大功率。目前泥浆泵单台最大功率为1 617 kW, 压力超过35 MPa。这是为满足深海勘探和陆地超深井的需要。并且每部钻机所需泵台数由原2 台变成3 台, 目的是任何时候都有两台泵工作, 不至于造成水平钻具卡在井底。另外, 泥浆泵在结构方面要求外型尺寸要小, 满足海洋平台空间的需要。最近新式的多缸泵相应推出, 虽然尚在试验阶段, 但其目的是要取代近一个世纪的机型, 而使安装地方小, 并且满足新的钻井泵压、排量的要求。 5.其他部件
井架在海洋平台上, 要求垂直安装, 而陆地钻机则要求整体拖运。底座要求快速运移和有条件地区采取整体拖运。减少拆卸, 缩短安装时间。在柴油发电机组方面虽尚无突破, 但可靠性和质量要求将比过去更高、更具体。节能、降耗越来越被重视。在固控设备上已出现了满足环保要求的设备, 使岩屑、泥浆等化学物不落地减少污染。最大限度保持钻井现场的生态平衡。
我国石油钻机新技术、新产品研发
1.要把我国石油钻机作为战略装备来对待
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我国是石油资源贫乏的国家, 2002 年我国原油储量为37. 68亿m , 仅占到当年全球原
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油储量1 643.95亿m 的2.29% (列第10位) , 仅为俄罗斯(第6位) 的40.3% ; 我国原油和天
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然气油当量储量之和为50.89亿m, 仅占当年全球原油和天然气油当量储量之和3 379.39亿33
m 的1.51%, 位居世界第13位, 仅为科威特(第6位) 168.32 亿m 的30.2% 。然而, 我国的石油消耗量却已列世界第2位。2004年我国原油需求总量为2.7亿,t 净进口达1.23亿;t 今年我国原油需求量将达到3.1亿,t 需进口原油约1.3亿t (据商务部预测)。据国际能源机构预测, 我国2010年对外石油依存度为50%, 到2020年将达到80%。发达国家对我国石油需求增长已表现出严重关注和不满, 石油作为我国的重要战略物资已是不争的事实。
我国石油缺口需要依靠3个途径解决。一是提高国内油田的原油产量和采收率, 二是提高海外原油产量, 三是靠进口。但主要的方式应是前2个途径, 而提高原油产量和采收率的有效途径是采用先进的钻井新技术, 钻水平井、老井侧钻及分支井等是提高单井产量, 增加可采储量, 提高油田采收率的有效手段之一。然而钻井装备的技术水平决定着钻井新技术水平, 没有先进的钻井装备就不可能实施和探索钻井新技术, 无论是在国内还是国外提高油田单井产量和采收率都是一句空话。特别需要强调的是, 当我国原油到了十分紧缺的时候, 不能指望从国外进口先进的石油钻井装备来开采石油, 就像现在受到武器禁运一样。所以石油钻机将直接影响到我国的石油安全, 应把它作为战略装备来对待。加快石油钻机的技术开发已刻不容缓。
2.应加大科研经费的投入
国家规定, 高新技术企业的科研投入必须占到销售额的5% 以上, 据统计, 科研经费占到销售额5% ~ 8% 的企业才有活力。而我国石油钻井装备制造企业的科研投入普遍不足, 所以其技术开发只能是按合同订单开发, 被动地应付市场, 很少提前投资进行前沿技术或产品开发。因此, 加大科研经费投入已是加快石油钻机技术进步的关键因素之一。对制造石油钻机的骨干企业, 除自身需加大科研投入外, 上级主管部门或国家有关部门也应考虑加大投入以支持作为战略装备的石油钻机的技术发展。目前, 企业上级或国家有关部门对制造企业科研经费投入的规定是对已有合同的新产品给予投入, 对无合同的前沿产品开发不予以投入。建议修改有关规定, 加大对石油钻井装备前沿技术及产品的研发经费投入, 允许产品研发失败, 以促进石油钻井装备新技术的发展。值得说明的是, 作为石油装备制造企业, 其科研经费投入比例应大于石油勘探开发企业的平均比例, 因为石油作为一种产品, 它已经存在,
投入科研经费的目的是寻找开采石油的方法,而产品制造企业投入科研经费的目的是研究本不存在的产品, 所以2种科研经费的使用目的有着本质的区别。 3.应抓紧重点技术和关键产品开发
跟踪国内钻井技术发展趋势和国外钻机技术先进水平, 抓紧前沿技术和关键产品开发。 ( 1) 要抓紧极地钻机的研究 极地钻机在国外有很好的市场前景, 美国国会已批准开发阿拉斯加。我国钻井工程服务队伍也已进入美国本土钻井, 俄罗斯有大量的钻机急需更新, 同时我国也有意去俄罗斯合作开发油田。事实上, 我国传统钻井设备在大庆和新疆都发生过冷脆断裂现象。所以无论是从内、外市场考虑还是从国家石油安全考虑都应抓紧极地钻机的研究。建议有关科研主管部门对该项研究工作予以扶持。
( 2) 要抓紧12 000m 钻机的研究 将来的钻井发展趋势是钻井深、钻速快, 水平井、大位移井作业不断增多, 国外万m 以上钻机已为数不少。国内应及早动手, 抓紧研究12 000m钻机, 争取2008年前出样机, 以满足我国钻井工程服务的需要。
( 3) 抓紧液缸升降式液压钻机的研制 液缸升降式液压钻机的设计理念与传统钻机完全不同,它移运快, 自动化程度高。用它钻井成本更低, 安全性更好, 代表了石油钻机技术的最高水平。该产品很受钻井商的好评和青睐。其技术难度很大, 应考虑与国外合作开发。 ( 4) 抓紧连续油管钻机的研究 钻小井眼井是降低钻井成本和提高油田开发效益的一条有效途径。连续油管钻机是钻小井眼井的主要装备。目前, 在国外使用连续油管钻机已达800多台, 几乎相当于中油集团2005年动用钻机的总和。国内应抓紧连续油管钻机的研究工作, 以满足钻小井眼、水平井的需要。该产品技术难度较大, 应考虑与国外合作开发, 以期早日生产出样机。
4.抓紧常规钻机几项单元技术的研究和完善
( 1) 首先要抓紧开口直径为1 257mm 的转盘及载荷为6 750 kN 的大钩、水龙头的研制工作。其次是抓紧开口直径为1 537mm 的转盘及载荷为10 000 kN 的大钩、水龙头的研究工作, 以满足9 000m 钻机及12 000m钻机的配套要求。
( 2) 抓紧钻杆自动排放系统的开发。随着我国出国服务钻机的不断增多及钻机外销市场的扩大, 配套钻杆自动排放系统势在必行, 必须抓紧开发, 以提高我国石油钻机和钻井工程技术服务的竞争能力。
( 3) 完善交流变频电驱动钻机的技术开发。 ①要进一步研究和验证转盘控制问题。要彻底解决转盘工作扭矩增大到一定值时的电动机堵转和能量释放时的吸收问题, 防止钻杆脱扣事故的发生, 确保控制的可靠性。②要继续研究“软泵”控制技术。这是一项很有意义的工作。“软泵”技术的应用可以减少钻井泵所排钻井液的压力波动, 使钻井液循环系统的压力趋于平稳, 从而减少高压管汇的振动, 提高系统可靠性, 同时可减少对井壁的损害。③要解决钩速偏低的问题。现有交流变频电驱动绞车通常是单轴绞车, 由电动机经减速器直接驱动, 其调速范围完全取决于电动机的调速性能。目前的绞车所配备电动机的功率已经足够, 但由于电动机最高转速偏低导致最大钩速偏低, 影响了提放空吊卡的作业效率。提高钩速可通过2个办法来解决: 一是在保持现有电动机输出的最大扭矩值不变的情况下, 提高电动机的最高转速; 二是把驱动绞车的减速器改为变速箱, 最大传动比不变, 增设一个高速挡, 专门用于提放空吊卡。
