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數字化時代的鉆井技術(三)

數字化時代的鉆井技術(三)

本文對七家公司今年的鉆機創新進行了回顧,并提出了廣泛的見解。

來自丨World Oil
編譯丨TOM

鉆機的基本原理一直沒有改變:旋轉、起下與循環。但是,每年都會出現一些對鉆機工作原理的新理解,讓我們耳目一新。這些鉆機努力提高性能、降低成本,有著顯著地創新活力。

井口裝置設計

安裝井口裝置時,時間不僅僅是金錢,而且時間很少會站在你這一邊。這是在危險環境中進行的勞動密集型作業,在此環境下作業,不僅會增加鉆機井口的非生產時間,而且會使工人與資產受到損害。

為了解決這些相關聯的挑戰,Weir公司設計了一種新型井口裝置,以減少作業總體非生產時間,同時提高作業安全性。其Seaboard組合式環形密封井口裝置(ULR)設計是由工程師、客戶、制造商、供應鏈以及質量保證專家組成的多學科團隊合作的產物。

Weir公司表示,最終ULR的設計是為了減輕作業者的壓力,如圖1。與多元化的專家團隊合作,使整個設計過程超越了傳統,從而大大降低了成本。

數字化時代的鉆井技術(三)

圖1. ULR井口裝置具有更短的整體堆疊高度以及更輕的重量,有助于縮短多達24小時的鉆井時間。

擴大后的設計團隊不僅能夠解決設備設計問題,而且還能夠解決一般不納入到方案議程中的問題,諸如材料采購等。由于在制造與精簡物流中運用了平行發展路線,因此設計到交貨時間,從之前的六個月縮短至約12周,縮短了50%。

ULR設計必須要比一般井口更緊湊,來解決許多常規的井口難題。在一個整體式外殼內建立一個嵌套式系統,可以縮短整體高度,減輕重量,從而使安裝更容易,安裝風險也更低,如圖2所示。

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圖2. 井口采用獨特的嵌套式設計,使操作人員能夠在組件被鎖定到位之前測試密封的完整性。

該公司還仔細研究了傳統井口裝置的運行程序。通常情況下,安裝下一個井口時需要拆卸防噴器。然后重新連接防噴器,每個法蘭需要3到4小時。另外,操作人員還必須等待水泥凝固,才能將BOP提升并移動到下一個井口設備,手動設置滑移,然后調整套管以匹配下一個閥芯。這個過程可能需要18個小時。

傳統的作業過程不僅費時,而且在易變的環境中,這又是一個涉及火焰切割、焊接以及研磨的危險作業。設計的一個關鍵目標就是通過消除這些耗時的作業以及作業伴隨的風險與成本來簡化井口的安裝。

ULR的芯軸套管懸掛器允許套管在轉盤與防噴器中下放、就位、循環以及固井,而不需要切割、焊接或研磨。內部鎖定的密封組件極大地簡化了作業程序,同時消除了傳統井口裝置上的多個泄漏通道。綜合起來,這些改進可以在每個套管段節省6至8小時。

利用快速連接的插孔,操作人員可以比傳統的法蘭連接更快地將井口上的防噴器對準、就位以及固定,從2小時縮短到30分鐘內,而且在恢復作業前不需要等待水泥候凝。

防噴器設計

傳統防噴器(BOP)設計在多個層面上受到挑戰。其中包括鉆井作業帶來的日益增長的作業需求,新法規與標準的引入以及市場對更高經濟效益的追求。AXON壓力產品公司表示,這些因素可能會限制標準BOP技術的應用、效果以及經濟性。

該公司的X-TREME防噴器設計為解決這些問題提供了一種創新的方法,如圖3所示。傳統的多腔閘板防噴器只有兩個或更多線性排列的腔體,而AXON設計則以交錯的方式排列閘板腔體。交錯的閘板腔體使它們沿著井筒彼此靠得更近。在雙重、三重以及四重的配置中,獨特的排列方式可以提供額外的剪切閘板,與傳統的防噴器相比,幾乎沒有額外的成本。

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圖3. X-TREME防噴器設計中的一組交錯的閘板腔可降低防噴器的高度與重量。

AXON公司表示,該設計突破了許多傳統防噴器的限制。更高的鉆井需求與新的行業標準(例如專用剪切閘板的需求),可能會導致標準裝卸設備的能力無法滿足防噴器組的需求。交錯的X-TREME防噴器設計解決了這個問題,使防噴器的高度與重量顯著降低。

交錯排列的方式還允許同時維護多個腔體,并且更容易進入內部組件。由于腔體之間的支撐材料更多,因此降低了體應力,并因為降低了本體高度從而降低了彎曲應力,最終提高了防噴器的使用壽命。

通過腔體的偏移可提高剪切作業的安全性與性能,這種偏移腔體以一定的交替角度來提供并行或依次的激活。不同的剪切方向可為鉆桿更好的居中提供指導。

此外,新型防噴器設計采用了四點接觸V型剪切技術,可在局部區域產生高應力,從而在較低的操作壓力下開始裂紋擴展和/或剪切管柱,如圖4所示。這種管柱居中技術可產生更高的剪切力以及更低的操作壓力,以增強對各種尺寸管柱的剪切能力。

數字化時代的鉆井技術(三)數字化時代的鉆井技術(三)

圖4. 剪切閘板對中心管柱進行V型剪切時,可達到四點接觸,因此能夠在較低的操作壓力下進行剪切。

頁巖鉆機

北美頁巖井的建設成本與作業需求繼續推動著陸地鉆機的設計。很長的水平段、批量鉆井以及其他頁巖開發實踐產生了對鉆機提升系統、旋轉系統以及循環系統的許多性能要求。多方面的設計包括了井眼清潔、起下鉆時間、鉆進速度以及起下鉆次數方面的創新,以及更復雜的數據管理系統,所有這些都是為了提高作業效率。

Drillmec公司的Striker-800設計是最新以及最具特色的創新之一,這是一種專門用于頁巖批量與集群鉆井作業的超高規格鉆井設備。Drillmec公司表示,這種設計是第一個可以靈活整合所有鉆機部件的頁巖鉆井成品總包。模塊化的設計允許鉆井承包商選擇包括Drillmec在內的不同廠商的頂驅、絞車、泥漿泵以及其他鉆井設備。這種靈活性使得鉆機規格能夠與現有井隊的經濟效益相匹配,并滿足特定的作業要求。模塊化的設計還提供了第三方服務(如水泥、泥漿以及廢物管理)的快速集成。

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這個“ultra”標志強調在開發與定型軟件之前進行的應用程序分析,以及提供相關的技術。面向頁巖的前期分析產生了多個功能與規格,目的是安全的減少設備安裝與運輸時間;提高集群與批量鉆井的性能;開發特定的數據管理系統;并在簡單、節省空間的布局內提高作業的效率與可靠性。

正在申請專利的液壓安全提升系統能夠在地面上進行井架與立柱盒的安裝,并能夠通過單趟“一次性”作業進行安裝,從而強調組裝、運輸、安全以及速度。防噴器的處理效率與安全性得到了加強,全面覆蓋的試壓樁工作區便于對兩個防噴器組進行離線維護與測試。

在平臺鉆多口井的過程中(特別是在高密度區域)移動鉆機,受益于幾個特點。側邊井口結構提供了間隙,使鉆機能夠通過多向移動系統在不同間距的現有井口與槽口上移動。兩種移動方式在不同的井組網格中提供了多功能性,用于三排結構的井組時,還允許鉆機在移動距離與寬度為50英尺的情況下覆蓋150英尺(可擴展到250英尺)。

內置的鉆機模塊目的是減少井間從拆卸鉆機到開鉆的時間。它包括一個地面安裝的節流管匯、阻流及壓井管線、儲氣裝置與控制管線,以最大限度地減少防噴器與試壓時間。此外,泥漿補給罐與處理罐都在鉆臺上,以實現真正的批量鉆井能力。鉆機移動時還可以帶著立柱盒、懸掛狀態的防噴器以及裝滿泥漿的處理罐,以進一步實現經濟批量的鉆井作業?;旌想娎|管理系統允許鉆機在X軸與Y軸方向上滑動時不會關閉電源。
此鉆機的標準規格包括凈空高度為137英尺,32英尺高的鉆臺上裝有靜態大鉤載荷能力達到800000磅的井架,以及600000磅承重能力的立柱盒。1500馬力的絞車可實現吊裝,500噸高扭矩頂驅可提供旋轉。高壓泥漿系統包括重型1600馬力的泥漿泵,其工作壓力為7500psi。

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