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数字化时代的钻井技术(三)

数字化时代的钻井技术(三)

本文对七家公司今年的钻机创新进行了回顾,并提出了广泛的见解。

来自丨World Oil
编译丨TOM

钻机的基本原理一直没有改变:旋转、起下与循环。但是,每年都会出现一些对钻机工作原理的新理解,让我们耳目一新。这些钻机努力提高性能、降低成本,有着显著地创新活力。

井口装置设计

安装井口装置时,时间不仅仅是金钱,而且时间很少会站在你这一边。这是在危险环境中进行的劳动密集型作业,在此环境下作业,不仅会增加钻机井口的非生产时间,而且会使工人与资产受到损害。

为了解决这些相关联的挑战,Weir公司设计了一种新型井口装置,以减少作业总体非生产时间,同时提高作业安全性。其Seaboard组合式环形密封井口装置(ULR)设计是由工程师、客户、制造商、供应链以及质量保证专家组成的多学科团队合作的产物。

Weir公司表示,最终ULR的设计是为了减轻作业者的压力,如图1。与多元化的专家团队合作,使整个设计过程超越了传统,从而大大降低了成本。

数字化时代的钻井技术(三)

图1. ULR井口装置具有更短的整体堆叠高度以及更轻的重量,有助于缩短多达24小时的钻井时间。

扩大后的设计团队不仅能够解决设备设计问题,而且还能够解决一般不纳入到方案议程中的问题,诸如材料采购等。由于在制造与精简物流中运用了平行发展路线,因此设计到交货时间,从之前的六个月缩短至约12周,缩短了50%。

ULR设计必须要比一般井口更紧凑,来解决许多常规的井口难题。在一个整体式外壳内建立一个嵌套式系统,可以缩短整体高度,减轻重量,从而使安装更容易,安装风险也更低,如图2所示。

数字化时代的钻井技术(三)

图2. 井口采用独特的嵌套式设计,使操作人员能够在组件被锁定到位之前测试密封的完整性。

该公司还仔细研究了传统井口装置的运行程序。通常情况下,安装下一个井口时需要拆卸防喷器。然后重新连接防喷器,每个法兰需要3到4小时。另外,操作人员还必须等待水泥凝固,才能将BOP提升并移动到下一个井口设备,手动设置滑移,然后调整套管以匹配下一个阀芯。这个过程可能需要18个小时。

传统的作业过程不仅费时,而且在易变的环境中,这又是一个涉及火焰切割、焊接以及研磨的危险作业。设计的一个关键目标就是通过消除这些耗时的作业以及作业伴随的风险与成本来简化井口的安装。

ULR的芯轴套管悬挂器允许套管在转盘与防喷器中下放、就位、循环以及固井,而不需要切割、焊接或研磨。内部锁定的密封组件极大地简化了作业程序,同时消除了传统井口装置上的多个泄漏通道。综合起来,这些改进可以在每个套管段节省6至8小时。

利用快速连接的插孔,操作人员可以比传统的法兰连接更快地将井口上的防喷器对准、就位以及固定,从2小时缩短到30分钟内,而且在恢复作业前不需要等待水泥候凝。

防喷器设计

传统防喷器(BOP)设计在多个层面上受到挑战。其中包括钻井作业带来的日益增长的作业需求,新法规与标准的引入以及市场对更高经济效益的追求。AXON压力产品公司表示,这些因素可能会限制标准BOP技术的应用、效果以及经济性。

该公司的X-TREME防喷器设计为解决这些问题提供了一种创新的方法,如图3所示。传统的多腔闸板防喷器只有两个或更多线性排列的腔体,而AXON设计则以交错的方式排列闸板腔体。交错的闸板腔体使它们沿着井筒彼此靠得更近。在双重、三重以及四重的配置中,独特的排列方式可以提供额外的剪切闸板,与传统的防喷器相比,几乎没有额外的成本。

数字化时代的钻井技术(三)

图3. X-TREME防喷器设计中的一组交错的闸板腔可降低防喷器的高度与重量。

AXON公司表示,该设计突破了许多传统防喷器的限制。更高的钻井需求与新的行业标准(例如专用剪切闸板的需求),可能会导致标准装卸设备的能力无法满足防喷器组的需求。交错的X-TREME防喷器设计解决了这个问题,使防喷器的高度与重量显著降低。

交错排列的方式还允许同时维护多个腔体,并且更容易进入内部组件。由于腔体之间的支撑材料更多,因此降低了体应力,并因为降低了本体高度从而降低了弯曲应力,最终提高了防喷器的使用寿命。

通过腔体的偏移可提高剪切作业的安全性与性能,这种偏移腔体以一定的交替角度来提供并行或依次的激活。不同的剪切方向可为钻杆更好的居中提供指导。

此外,新型防喷器设计采用了四点接触V型剪切技术,可在局部区域产生高应力,从而在较低的操作压力下开始裂纹扩展和/或剪切管柱,如图4所示。这种管柱居中技术可产生更高的剪切力以及更低的操作压力,以增强对各种尺寸管柱的剪切能力。

数字化时代的钻井技术(三)数字化时代的钻井技术(三)

图4. 剪切闸板对中心管柱进行V型剪切时,可达到四点接触,因此能够在较低的操作压力下进行剪切。

页岩钻机

北美页岩井的建设成本与作业需求继续推动着陆地钻机的设计。很长的水平段、批量钻井以及其他页岩开发实践产生了对钻机提升系统、旋转系统以及循环系统的许多性能要求。多方面的设计包括了井眼清洁、起下钻时间、钻进速度以及起下钻次数方面的创新,以及更复杂的数据管理系统,所有这些都是为了提高作业效率。

Drillmec公司的Striker-800设计是最新以及最具特色的创新之一,这是一种专门用于页岩批量与集群钻井作业的超高规格钻井设备。Drillmec公司表示,这种设计是第一个可以灵活整合所有钻机部件的页岩钻井成品总包。模块化的设计允许钻井承包商选择包括Drillmec在内的不同厂商的顶驱、绞车、泥浆泵以及其他钻井设备。这种灵活性使得钻机规格能够与现有井队的经济效益相匹配,并满足特定的作业要求。模块化的设计还提供了第三方服务(如水泥、泥浆以及废物管理)的快速集成。

数字化时代的钻井技术(三)

这个“ultra”标志强调在开发与定型软件之前进行的应用程序分析,以及提供相关的技术。面向页岩的前期分析产生了多个功能与规格,目的是安全的减少设备安装与运输时间;提高集群与批量钻井的性能;开发特定的数据管理系统;并在简单、节省空间的布局内提高作业的效率与可靠性。

正在申请专利的液压安全提升系统能够在地面上进行井架与立柱盒的安装,并能够通过单趟“一次性”作业进行安装,从而强调组装、运输、安全以及速度。防喷器的处理效率与安全性得到了加强,全面覆盖的试压桩工作区便于对两个防喷器组进行离线维护与测试。

在平台钻多口井的过程中(特别是在高密度区域)移动钻机,受益于几个特点。侧边井口结构提供了间隙,使钻机能够通过多向移动系统在不同间距的现有井口与槽口上移动。两种移动方式在不同的井组网格中提供了多功能性,用于三排结构的井组时,还允许钻机在移动距离与宽度为50英尺的情况下覆盖150英尺(可扩展到250英尺)。

内置的钻机模块目的是减少井间从拆卸钻机到开钻的时间。它包括一个地面安装的节流管汇、阻流及压井管线、储气装置与控制管线,以最大限度地减少防喷器与试压时间。此外,泥浆补给罐与处理罐都在钻台上,以实现真正的批量钻井能力。钻机移动时还可以带着立柱盒、悬挂状态的防喷器以及装满泥浆的处理罐,以进一步实现经济批量的钻井作业。混合电缆管理系统允许钻机在X轴与Y轴方向上滑动时不会关闭电源。
此钻机的标准规格包括净空高度为137英尺,32英尺高的钻台上装有静态大钩载荷能力达到800000磅的井架,以及600000磅承重能力的立柱盒。1500马力的绞车可实现吊装,500吨高扭矩顶驱可提供旋转。高压泥浆系统包括重型1600马力的泥浆泵,其工作压力为7500psi。

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