2015, Vol. 35引用本文 |
| 萨哈林亚极地海域自升式钻井平台的优选 |  [PDF全文] |
俄罗斯萨哈林岛（库页岛）大陆架油气勘探程度较低，储量前景巨大。我国石油公司从2005年起开始参与该地区的油气勘探开发[1]。由于区域偏僻、环境恶劣，在自升式钻井平台选择上面临很多困难。目前国际上相关的公开文献十分有限，我国在这方面的研究也几乎是空白[2]。对此，根据区域特点，通过认真分析对自升式钻井平台的主要参数提出了具体要求，并在该海域成功指导了钻井实践。
1 萨哈林海域自升式钻井平台作业面临的主要困难 1.1 萨哈林海域自然条件恶劣该海域位于北纬50°以北的高寒地带，属于典型的亚极地气候[3]。年平均气温-2.3 ℃，冬季最低气温-40 ℃，一年当中大部分时间被冰雪覆盖。适合海上钻井的时间窗口为每年的7月初到10月初。该时间段平均气温5 ℃，50年一遇最低气温-20 ℃；平均最大浪高15 m，50年一遇最大浪高25 m；最大风速70节（36 m/s）。综合以上信息可知，相比于一般海域，萨哈林海域的环境要恶劣的多。
1.2 区域生态系统敏感，环保政策苛刻萨哈林海域属于俄罗斯高级别渔业保护区，是俄罗斯远东最大的渔业生产基地和濒危海洋动物保护基地，生态系统敏感。为此，政府对海洋油气钻井作业实行“零排放”要求，即禁止一切工业排放。按照该要求，该区域钻井产生的岩屑和废泥浆必须回收入罐并运回陆地实施无害化处理。钻台和甲板污水也要统一收集并在排放前进行分离除害[4-5]。
1.3 港口基地单一，且远离施工现场萨哈林岛上只有一个大型货运港口——霍尔姆斯克港，它位于萨哈林岛的西南方，而施工现场位于萨哈林岛的东北方，港口和施工现场相距超过500海里，供应船往返一次需要7 d时间。这就要求平台要有相对较大的物资储备能力。
1.4 倒班直升机型号不可选择由于历史原因，萨哈林岛至今仍较为封闭。目前，岛上仅有一家直升机服务公司——阿维亚摄里弗航空公司。并且该公司只有Mi-8一种机型可提供服务，除此之外别无选择。平台直升机甲板必须符合该机型的起降条件。
2 萨哈林海域油气井的基本情况本海域油气藏埋深在3 000~4 000 m左右，最深不超过5 000 m。预测最大地层压力55 MPa。油气井的套管层次分别为：φ 762 mm导管，φ 508 mm表层套管，φ 339.8 mm和φ 244.5 mm技术套管以及φ 177.8 mm生产尾管。
3 满足区域要求的自升式钻井平台基本参数分析 3.1 气候和海底条件对平台的要求萨哈林海域的低温条件要求平台所使用钢材应为耐低温钢，平台整体可在-20 ℃环境中作业，正常作业应可抵御70节的大风。作业井队应有预防和处理管线冻结的操作规程和作业能力。
该海域海底通常为砂质沉积，平台在部分区域插桩深度极其有限。在海流作用下，容易产生桩靴基础冲蚀并导致滑桩等事故。为此，所选平台应配有锥尖式桩靴即桩靴下部有一个向下的锥体，最大限度地增加桩靴插入海底的深度，提高桩靴和海底的接触面积，保证平台基础的稳定。
3.2 平台作业水深和最大钻井深度的参数本海域水深20~70 m左右。海底砂质坚硬，平台插桩深度一般为5~6 m，属于正常插桩范围。50年一遇浪高为25 m，所以为保证平台安全作业需要留出气隙（Air gap）30 m。但自升式平台名义气隙通常为12~15 m，这就要求平台的名义适应水深要比实际水深高15~18 m。如果井位选在70 m水深条件下，则应选择名义适应水深大于88 m的平台。此外，平台的深井泵（deep well pump）、吊车和补给管汇均应满足在30 m气隙条件下正常工作的需要。
目前自升式平台通常有使用φ 114 mm钻杆和φ 127 mm钻杆两种名义最大钻井深度[6-7]。考虑到本区域油气藏埋深和地层复杂的特点，为了提高应对事故能力，应考虑使用φ 127 mm钻杆条件下最大钻井深度超过5 000 m的平台。
3.3 平台可变载荷和储料空间要求钻井作业时，平台最大可变载荷出现在φ 244.5 mm套管固井之前，预计此段井深为2 800 m。此工况下各种载荷情况请见表 1，其中钻杆按照φ 127 mm名义线密度37.8 kg/m计算。泥浆体积为1.5倍最大井内容量，密度为1.5 g/cm3。载荷中其它项包括小型钻井工具、第三方工具、泥浆药品、岩屑箱和生活物资等。
| 表 1 平台最大可变载荷的构成 |
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在上述载荷中，淡水、钻井水、重晶石、水泥、油料等要比其它地区的储备量稍多。这主要是考虑到基地港口距离较远、海域总体气象条件较差，防止由于补给不及时造成人员生活和井控问题而做的特别要求。由表 1知，钻井期间平台最大可变载荷为2 182 t。但在平台优选过程中推荐使用1.2的安全系数，即钻井期间最大名义可变载荷应大于2 618 t。在平台撤离拖航时考虑到钻井水等已经倾倒干净，并已卸载部分第三方物资，但仍要装载油管等工具，故此期间许用可变载荷也不应少于1 800 t。
泥浆储存空间应包括230 m3左右的循环和储备泥浆罐、40 m3沉砂罐、10 m3加重罐和10 m3重塞罐。泥浆罐总体积应不少于290 m3。
散料罐的体积主要用于存放重晶石、坂土和水泥，考虑到倒罐需要，总空间需要200 m3以上。
对于平台甲板面积无具体要求，但面积越大越好，以减少平台和供应船之间的吊装频率，提高安全系数。而且根据“零排放”要求在振动筛房附近应有30 m2左右利于安装岩屑收集设备和存放岩屑箱的空地。
3.4 钻机提升和旋转系统要求钻机最大提升载荷出现在φ 244.5 mm套管下入过程中。提升系统应能提起1.2倍的下井套管重量，并同时还能富余40 t处理事故的能力[8]。故钻机的绞车、井架、大钩和顶驱的最小提升能力均应不小于310 t。
根据经验，井内最大扭矩可能发生在φ 215.9 mm裸眼井段。预计上部套管内按摩擦系数0.2，下部裸眼段摩擦系数0.4（假设井深4 000 m），顶驱需提供35.75 kN · m的连续扭矩。在使用1.2作为安全系数的情况下，推荐顶驱最小连续输出扭矩能力为42.9 kN · m。考虑到20 kN · m的事故处理余量，顶驱瞬间输出功率应达到62.9 kN · m。
由于目前自升式钻井平台均配有顶驱，转盘仅起辅助作用，故对其扭矩在此也不做特别要求。但转盘直径应在φ 952.5 mm以上，以便φ 914.4mm钻头顺利通过。
3.5 泥浆泵要求考虑到井内循环压力和处理事故的能力，建议使用3台1 180 kV、35 MPa级别的三缸泥浆泵或2台1 620 kV、52 MPa级别的的三缸泥浆泵。
3.6 井控设备要求根据地层压力情况，本地区防喷器可以选择以下几种组合中的一种：（1）14 MPa级别φ 539.75 mm环形防喷器1个，闸板防喷器2个，剪切闸板防喷器1个；35 MPa级别φ 339.7 mm环形防喷器1个；70 MPa级别φ 339.7 mm闸板防喷器2个，剪切闸板防喷器1个。（2）35 MPa级别φ 476.25 mm环形防喷器1个；70 MPa级别φ 476.25 mm闸板防喷器2个，剪切闸板防喷器1个。（3）70 MPa级别φ 476.25 mm环形防喷器1个，105 MPa级别φ 476.25 mm闸板防喷器2个，剪切闸板防喷器1个。从节约时间角度，后两种组合应优先考虑。
本区域浅层气比较发育，在钻表层井段时需配备φ 749.3 mm、3.5 MPa转喷器1套。
压井、节流管汇压力级别需在70 MPa以上[9]。
3.7 平台环保方面要求本海域实行“零排放”要求。振动筛下方的岩屑槽应安装有螺旋输送器以便于岩屑的收集。钻台上需安装污水收集系统，其终端为撇油罐，罐体不小于10 m3。平台主甲板需安装甲板污水/雨水收集系统，其终端为平台舱底水罐。深井泵取水口应安装有生物防护网[10]。生活污水排放系统需满足国际海事组织MARPOL 73/78公约规定[11]。
3.8 平台直升机甲板要求目前国际上针对自升式钻井平台倒班使用的直升机多为中、轻型直升机，如S-76、AS-365、S-62等，最大起飞质量在4~8 t之间。一般自升式平台在设计时也会针对这一特点将直升机甲板设计为8~10 t载重级别，如中石化上海海洋石油局的勘探二号和勘探三号等平台。但在萨哈林岛上只有一家直升机航空公司且仅有Mi-8一种型号的直升机可以提供服务。Mi-8属于大型直升机，最大起飞载荷为12 t。这种情况下要取得当地政府颁发的适航证书，平台直升机甲板必须达到13 t载荷能力或提前已取得S-92型直升机（其载荷与Mi-8相当）的适航证书。根据调查数据显示目前仅有不到25%的现役自升式钻井平台装备有13 t级别的直升机甲板。在实际优选过程中应首选符合条件的平台，在不得已情况下也可考虑选择有直升机甲板改造潜力的平台。
3.9 平台床位要求钻井期间平台上驻留人员较多，包括甲方人员、平台人员、第三方服务人员和来自政府的移民、专职防喷和环保监察人员等。为此，平台生活区应配备床位110张以上，救生艇座位数量应在220个以上。
4 萨哈林海域自升式钻井平台优选流程根据以上分析，得出萨哈林海域自升式钻井平台优选流程，如图 1所示。
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| 图 1 萨哈林海域自升式钻井平台优选流程 |
5 自升式钻井平台优选方法的应用情况
作为中国石化集团在俄罗斯第一个海上油气勘探项目——萨哈林维宁项目，在实际施工过程中根据以上方法选择使用了3座自升式钻井平台，执行了4口井的钻探任务。3座平台均在狭窄的时间窗口内，克服了恶劣的亚极地海洋环境，安全顺利地完成了钻完井任务，成功发现了北维尼大型整装凝析气田。其中1座平台还创造了一年内钻成2口探井的区域历史记录。3座自升式钻井平台主要参数见表 2。4口井钻探情况见表 3。
| 表 2 所选3座平台主要参数 |
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| 表 3 4口井钻探情况 |
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6 结论
俄罗斯萨哈林亚极地海域环境恶劣，环保要求苛刻，为保证钻完井作业的安全顺利进行，所选自升式钻井平台应满足以下基本条件。
（1）平台必须适应-20 ℃的低温环境，能抵抗70节大风。
（2）安装有钻台和主甲板污水收集系统，满足“零排放”环保要求。
（3）有较长时间的自持能力，钻井期间可变载荷在2 618 t以上。
（4）提升系统要满足310 t的提升能力，旋转系统满足最小42.9 kN · m的连续扭矩能力。
（5）直升机甲板承载能力在13 t以上满足Mi-8直升机起降。
（6）能满足110人的常住条件。
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