钻井新装备新工具现状及进展20140511--高向前

中国石油勘探开发研究院装备研究所2014年5月钻井新装备、新工具现状及进展高向前概述钻井作业是一项投资巨大,风险极高的工程，钻井装备的优劣直接影响着钻井速度、钻井安全和经济效益。目前我国石油钻井技术水平与国外先进水平相比尚有较大差距，而制约钻井技术发展的关键因素之一就是装备。本文较详细介绍了国外钻井装备的发展现状，国内钻井装备的最新进展，重点讲述了钻机及配套工具的性能参数及使用情况，同时分析了页岩气开发技术现状及对钻井技术装备的要求，最后归纳了钻井装备的发展趋势及建议。目录一国外钻井装备发展现状二国内钻井装备最新进展三页岩气开发现状及趋势四钻井装备的需求及建议钻机及配套工具和仪器特殊钻井工艺装备石油管材海洋装备动力设备一国外钻井装备发展现状通过对美国加拿大地区2013年披露技术参数的2784部常规石油钻机统计：绞车功率小于1000hp钻机1135部，1000hp~1399hp钻机641部，1400hp~1999hp钻机822部，2000hp以上钻机186部。美国加拿大陆地钻机数量及功率结构钻机及配套（1）美国加拿大地区钻机功率分布(2012)2000hp以上,7%,1861400hp~1999hp,822,30%1000hp~1399hp,641,23%小于,1000hp40%,1135一国外钻井装备发展现状美国加拿大地区钻机传动类型（2012）钻机及配套（1）一国外钻井装备发展现状2008年10月美国1900部作业钻机驱动类型钻机及配套（1）2013年5月美国1600部作业钻机驱动类型一国外钻井装备发展现状撬装式先进陆地钻机设计特点：桅杆式井架、一体化顶部驱动装置，井架和底座液压起升，司钻房仪表一体化布置。撬装式陆地钻机钻机及配套（1）一国外钻井装备发展现状2009年3月，全球能源服务公司推出超级钻机概念设计。其主要特点：钻机的各个部件均为地面安装，钻机使用液压缸起放(井架、底座)。四轴步行式移动装置，可在8个方向平移钻机，设计了45°方向滑动功能。钻机整体移动速度40ft/h(12m/h)，可在同一方向打20口井而不需要拆卸钻机。钻机距离循环罐系统的最大距离120ft(36.6m)。钻机及配套（2）撬装式陆地钻机一国外钻井装备发展现状钻机及配套（3）快速移动陆地钻机DSL公司1000hp快速移动钻机NOV公司2000hp快速移动钻机一国外钻井装备发展现状NaborsRig119H钻机主要有加拿大Nabors公司、美国Parker钻井公司等企业生产；控制每个模块的重量和体积，利用直升机将钻机模块吊运到偏远的丛林、岛屿等区域，合理分配模块，快速高效连接；Nabors的Rig119H钻机，钻深3200m，钩载1200kN，可拆装成33个直升机吊装模块。钻机模块吊装现场图钻机及配套（4）直升机吊装钻机一国外钻井装备发展现状研发制造低温钻机的公司主要有：德国的bentec公司，生产了ClusterSliderHR5000钻机；美国Parker公司，生产了Yastreb钻机，用于在俄罗斯SakhalinIsland上从Chayvo海岸向Chayvo海域钻大位移井。-40℃正常作业，-60℃储存，特殊材料及工艺制造，为封闭式钻机，用热空气和蒸汽封闭加热保温；移动方式：轮轨式和滑道式两种。Yastreb滑道式钻机在Sakhalin岛现场图ClusterSlider-HR5000轮轨式钻机钻机及配套（5）低温钻机一国外钻井装备发展现状国外煤层气开发的主流钻机为美国雪姆(Schramm)钻机、阿特拉斯科普柯(AtlasCopco)公司的RD20钻机及钻科公司SS50K专用钻机等；均为液压驱动车载钻机，结构紧凑，只有简易的钻台，配有自动化上卸钻杆装置和动力猫道。美国雪姆T200XD钻机钻机及配套（6）煤层气钻机一国外钻井装备发展现状车载式CTDU美国Stewart&Stevenson、NOVHydraRig、Nabors、Savanna等公司走在研发和生产前列；由不可下套管向可下套管方向发展；由单一钻井方式向混合钻井方式（可常规钻杆钻井）发展；由开环控制向闭环控制方向发展；由陆地向海洋环境发展。拖挂式CTDU自走式CTDU塔式CTDU钻机及配套（7）连续管钻机一国外钻井装备发展现状康菲石油公司连续管钻井机2009年康菲石油公司在阿拉斯加州地区使用连续管钻机进行侧钻井作业。通过CTD与控压钻井(MPD)的协同作业，可以在不稳定的页岩井段快速钻进。截止2013年，康菲Alaska公司在Kuparuk油田已完成连续管钻侧钻井100余口，累计裸眼钻井进尺600,000ft。2012年全世界连续管装置增长了10%，达到2002多套。连续管钻井的滚筒连续管钻井滚筒拖车钻机及配套（7）连续管钻机一国外钻井装备发展现状LOC250套管钻机加拿大Tesco公司、Huisman-Itrc公司是套管钻机生产制造的重要厂商；Huisman-Itrc公司主要生产LOC250和LOC400两个型号的混合套管钻机，拥有全自动管子处理系统，实现了模块化安装运输，即所谓的集装箱式套管钻机；Tesco公司拥有自主知识产权的套管夹持器和顶驱。TESCO套管夹持器钻机及配套（8）套管钻井专用钻机一国外钻井装备发展现状齿轮齿条陆地钻机技术于1990s后期在石油工业应用。目前齿轮齿条钻机的主要制造厂家：德国EngineeringandDrillingMachinery于1997年首先将齿轮齿条技术应用于石油工业，2001年挪威TTSSense公司在推出250st齿轮齿条石油钻机。德国MaxStreicher公司自2000年开始开发石油钻机市场，目前该公司有VDD200和VDD370两种型号。美国AmericanAugers自2007年推出VR330钻机，2009年1月推出VR500钻机。齿轮齿条钻机主要特点：占地面积小、传动效率高、噪音低、结构简单维护费用少钻机及配套（9）齿轮齿条钻机一国外钻井装备发展现状Soilmec公司HH300钻机SoilmecG-15型车载液压钻机意大利Soilmec公司全球技术领先；自动化程度高，提高钻井效率约30%，能有效避免卡钻事故；结构紧凑，适合在海洋和空间受限区域使用。钻机及配套（10）全液压钻机一国外钻井装备发展现状钻机的自动化操作系统T500XDTelemast步进式液压钻机Schramm公司已经推出了用于页岩气开发的紧凑液压钻机。T500XD钻机已经在Marcellus和Utica区块页岩开发投入使用。该钻机大钩负载50万磅，具有井间360°方向步进式快速移动性能，为自升式钻井。钻机不单独依赖钻铤和钻杆总重量就可以精确控制钻压。动力头可以提供35000lb-ft扭矩，具有上提、下压8万镑液压能力。钻机及配套（10）页岩气开发专用液压钻机一国外钻井装备发展现状Pace-X步进式钻机Nabors公司生产的Pace-X步进式钻机，主要用于页岩气丛式井钻井，16ft宽、26ft高的空间能够使钻机越过井口头。该钻机搬迁仅是常规钻机所需卡车的1/5，闭环泥浆系统可以在环境敏感地区提供岩屑处理。钻机自升式井架可以垂直起升，大钩最大载荷600、800或1000kips，500AC顶驱持续扭矩421000ft-lb，绞车由1150hp电机驱动。钻机及配套（10）页岩气丛式井钻机Pace-X步进式钻机一国外钻井装备发展现状美国NOV、加拿大Tesco、挪威MH、加拿大Canrig、美国LEWCO、北石等几家公司技术领先；Tesco研制的永磁电机驱动顶驱，具有重量轻、扭矩大的特点。LEWCO研制了直接驱动顶驱，采用具有自主知识产权的新型大扭矩交流电机直接调速，省去了变速箱。TESCO永磁电机顶驱LEWCO直接驱动顶驱北石DQ70交流变频顶驱钻机及配套（11）顶驱一国外钻井装备发展现状国外主要生产厂家有：美国NOV公司、LeTourneauEllisWilliamsCompany(LEWCO)公司、EllisWilliamsEngineeringCo(EWECO)公司、GARDNERDENVER(GD)公司和德国的AkerWirth公司；NOV研制的Hex-240六缸泵结构紧凑，主要用于海洋平台，独特的六边形设计使得泥浆压力波动小，有利于LWD、螺杆钻具等井下工具的工作；AkerWirth研制的WirthTPK-2200泥浆泵采用单电机结构，有效减轻了重量。WirthTPK-2200泥浆泵NOVHex-240六缸泵宝石F-2200HL泥浆泵钻机及配套（12）泥浆泵大功率、结构紧凑、压力平稳，能耗低、噪音小一国外钻井装备发展现状NOV铁钻工NOV管子排放系统在钻机上配备井口自动化工具，以提高作业效率，降低作业风险，已成为全球越来越多供应商和客户的共识，海洋作业尤其如此。钻机及配套（13）井口自动化工具一国外钻井装备发展现状向高抛掷指数方向发展目前国外主要振动筛生产厂家生产的直线振动筛的G力在5.4~7.3Gs之间，平动椭圆振动筛G力一般在5.7~6.1Gs之间，以上两种振动轨迹、大筛网面积振动筛抛掷指数已经达到8Gs。通过把直线振动筛的G力从5Gs增加到7Gs，振动筛的处理能力增加45%，油田实践表明应用高抛掷指数解决方案可减少50%的泥浆费用。FLC513VE、G力7.0Gs。安装PMD筛网面积2.31m²、PMD+筛网面积为3.21m²。筛箱倾角调整范围-1°~+5°。FLC514VE、G力7.3Gs。安装PMD网面积3.1m²、PMD+筛网面积4.27m²。筛箱倾角调整范围-1°~+7°。钻机及配套（14）钻井液振动筛一国外钻井装备发展现状实验表明：同一振动筛应用PMD筛网比平面筛网提高泥浆处理能力70%。DERRICK公司FLC504、FLC514VE振动筛应用PMD+筛网使单层振动筛筛网面积高达4.27m²，筛网面积与设备的外形尺寸之比达到0.979。NOV公司VSM300平动椭圆双层振动筛，筛网面积1.9m²；四块主筛网倾角为+7°，筛网面积2.4m²；通过调整激振电机的转速可得到4Gs、6Gs和8Gs三种G力。筛网面积与安装面积之比为0.524。向高筛网面积方向发展钻机及配套（15）一国外钻井装备发展现状1930s普通椭圆振动筛；园形轨迹振动筛在1963年出现；直线轨迹振动筛于1983年应用于石油工业。平动椭圆振动筛于1989年应用于石油工业(国外1992年)。对固控设备最好的需求是快速适应泥浆特性的变化，近年来出现了直线—平动椭圆或普通椭圆—平动椭圆双振动轨迹振动筛。钻机及配套（16）向混合振动轨迹方向发展M-1SWACO公司MongoosePT和MeerkatPT振动筛在直线振动模式下，2台主激振电机驱动振动筛，抛掷指数分别为6.3Gs、6.9Gs；在平动椭圆振动模式下，3台激振电机同时驱动振动筛，G力分别为5Gs、5.7Gs。一国外钻井装备发展现状筛箱倾角自动化调整技术NOV公司眼镜蛇王II型直线—平动椭圆双轨迹振动筛筛箱的调整有手动和自动两种模式。在自动模式下，应用单片机技术(SDC)，声纳系统测量筛箱内的液面高度，并根据钻井液处理量的大小自动调整筛箱倾角。当筛箱倾角已经达到最高点，而且筛箱内的液体高度超出最优值时，激振电机自动增加转速，在相应档位G力的基础上(6.1~7.3Gs)增加21%的附加的G力，增加的G力维持一定的时间后自动恢复正常。向自动化控制方向发展钻机及配套（17）一国外钻井装备发展现状－28－斯伦贝谢公司开发了新一代O2切削齿PDC钻头，同传统PDC钻头相比，改善了切削齿的热稳定性，提高了钻头冷却效率在东德克萨斯油田的现场试验中，钻速提高25%。该技术将很快应用于Haynesville页岩气和及其它坚硬、高研磨性地层新旧切削齿耐磨性对比破碎花岗岩体积磨损指数钻头水力模拟对比图旧切削齿新切削齿切削齿肩部流速快，易于冷却工具和仪器（1）新型钻头技术一国外钻井装备发展现状Smith公司钢体PDC钻头：专用于